（微电子学与固体电子学专业论文）14位流水线adc中的关键电路设计.pdf

1 4 位流水线a d c 中的关键电路设计 摘要 a d c 是模拟信号向数字信号转换的桥梁，随着无线通信技术的飞速发展，高速 高精度a d c 对于提升通信系统的性能越来越重要。流水线a d c 能够兼顾速度和精度， 在高速高精度a d c 中获得了广泛应用。 本文以1 4 位流水线a d c 中的关键电路作为研究重点，首先基于对流水线a d c 系统误差的分析，以及精度，速度和功耗的折中考虑，确定了本文( 3 5 + 8 幸1 5 + 3 ) 的系统架构：前级采样保持电路+ 中间9 级流水线结构+ 3 位标准闪烁型a d c ，其中 流水线第一级采用3 5 位精度，中间2 n 9 级是1 5 位精度，o 5 位用于冗余校正。其 次，本文分别研究了采样保持电路，乘法型数模转换器电路，运放和动态比较器，并 对其进行电路设计。通过对各个关键电路结构改进和尺寸的优化，提高了流水线a d c 的性能，如采样保持电路采用自举采样开关，提高了流水线a d c 的采样精度；两级 增益提高的运算放大器在获得高速、高增益、大输出摆幅的同时尽量降低其功耗，并 逐级缩小电容及运放的尺寸以进一步优化功耗；采用动态锁存比较器，减少了流水线 a d c 的功耗。最后，介绍了模拟集成电路版图设计中的基本原则，设计并完成了采 样保持电路，乘法型数模转换器电路，运放和动态比较器电路的版图。 整个1 4 位流水线a d c 采用c h a r t e r e do 1 8 9 m 的c m o s 混合信号工艺进行设计 和仿真。所采用的衬底调整采样开关，其导通电阻最大值为9 0 6 q ，导通电阻最大变 化量为0 7 q ；运放的直流环路增益为1 0 3 d b ，环路带宽为1 1 6 g h z ，建立时间约为 4 n s ；动态比较器的精度为0 1 m v ，静态电流为6 0 肚。 关键词：模数转换器，流水线，高速高精度，c m o s i i i 一一 r c u i t sd e s i 剑。 1 4 b i tp i p e l i n e dadckey c i r c u i t sd e s i g ni na14d i tp l p e l l n e o - a b s t r a c t a d ci st h ea n a l o gs i g n a lt od i g i t a ls i g n a lc o n v e r s i o no ft h eb r i d g e w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , h i g h s p e e dh i g h - p r e c i s i o na d c b e c o m e si n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s p i p e l i n e d a d cc o m b i n e ss p e e da n da c c u r a c y , w h i c hg a i n e dw i d e ra p p l i c a t i o n i n h i g h s p e e dh i 曲一p r e c i s i o n a d c s b a s e do nt h ep i p e t i n e da d cs y s t e mc a o ra n a l y s i s ，a sw e l la sa c 坝哪s p e e da n dp o w e r c o d s u m p t i o nt m d e - o f f st oc o n s i d e r , t h eo 5 + 8 事1 5 + 3 ) s y s t e ma r c h i t e c t u r ei sd e t e r m i n e d ：t h e s a m p l ea n dh o l dc i r c u i t + 9 - s t a g ep i p e l i n es t r u c t u r e + 3 - b i ts t a n d a r df l a s ha i x 3 ，i nw h i c ht h ef i r s t p i p e l i n es t a g ew i t h3 5p r e c i s i o n , i nt h em i d d l e2t o9a r e1 5a c c u r a c y , 0 5f o rt h er e d u n d a n c y c o r r e c t i o n t h es a m p l ea n dh o l dc i r c u i t , t h em u l t i p l i c a t i o n - b a s e dd i 鲥- c i r c u i t s , o pa m pa n d d y n a m i cc o m p a r a t o ra r es t u d i e da n dd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h ep e r f o r m a n c eo f 吐l ep i p e l i n e da d c h a sb e e ni m p r o v e dt h r o u g h 呐v i ：n gv a r i o u sc r i t i c a lc i r c u i t ss t n l c t m ea n ds i z e , s u c ha si m p r o v i n g t h es a m p l i n ga c c u r a c yp i p e l i n e da d cb y 咄i l f l wb o o 讹a p l x x is a m p l i n gs w i t c hi ns a m p l ea n d h o l dc i r c 毗t w os t a g e ss t r u c t u r eo p a m pw i t hg a i ni m p r o , ，i i l gc i r c u i ta c c e s st oh i 出- s p e e d , h i g h - g a i n , l a r g eo u t p u ts w i n g ，w h i l e 加i n i 珈i 五n gt h e i rp o w e rc o n s u m p t i o n , a n d t op r o g r e s s i v e l yr e d u c et h es i z e o fc a p a c i t o r sa n dt h eo p a m pi no r d e rt of i l l t h e o p t i m i z et h ep o w e rc o n s u m p t i o n ；d y n a m i cl a t c h c o m p a r a t o rr e d u c e st h ep o w e rc o n s u m p t i o no fp i p e t h e da d c f i n a l l y , i n t r o d u c i n gt h eb a s i c p r i n c i p l e so fa n a l o gi cl a y o u td e s i g n , a n dd e s i g n e da n dc o m p l e t e das a m p l ea n d h o l dc i r i c u i t , t h e m u l t i p l i c a t i o n - b a s e dd i g i t a l - c i r c u i t s ，o p - a m pa n dd y n a m i cc o m p a r a t o rc i r c u i tl a y o u t t h ew h o l e1 4 - b i tp i p e h n e da d ci sd e s i g n e da n ds i m u l a t e di nc h a r t e r e d0 18 “r nc m o sm i x e d s i g n a lp r o c e s s t h es u b s t r a t eu s e d t oa d j u s ts a m p l i n gs w i t c h , t h ei m p e d j a n e eo f t h es w i t c hi s9 0 6q t h ev a r i a t i o n so fi m p e d a n c ef o rt h es w i t c hi s0 7 ( 2 ；o p - a m pd el o o pg a i ni s1 0 3 d b ，t h el o o p b a n d w i d t hi s1 1 6 g h z , s e t - u pt i m ei sa b o u t4 n s ；d y n a m i cc o m p a l a t o rp r e c i s i o ni s0 1 m v , a n dt h e s t a t i cc u r r e n tc o n s u m p t i o no f 6 0 9 a k e y w o r d s ：a d c ；p i p e l i n e ；h i g h - s p e e dh i 曲- p r e c i s i o n ；c m o s i v 图表清单 图2 一l 模数转换器原理图4 图2 - 2 闪烁型a d c 的典型结构5 图2 3 两步式闪烁型a d c 原理图6 图2 4 流水线a d c 原理图6 图2 - 53 位a d c 的微分非线性和积分非线性示意图7 图2 - - 63 位a d c 的理想输入输出特性曲线9 图2 - 73 位a d c 的失调电压示意图1 0 图2 名3 位a d c 的增益误差示意图1 0 图2 - 9 增益误差对转换特性的影响1 1 图2 - 10 单位增益带宽与首级精度的关系1 2 图3 1 单m o s 采样开关电路及其时序图16 图3 - 2 底极板采样开关电路及其时序图l7 图3 3 电容翻转型采样保持电路。17 图3 4 电荷转移型采样保持电路1 8 图3 5 采样开关导通电阻等效电路图18 图3 6 采样开关沟道电荷注入原理图1 9 图3 - 7 时钟馈通原理图2 0 图3 8 孔径误差原理图2 1 图3 - 9 采样保持整体电路图2 2 图3 1 0 采样电路两相非交叠时钟时序图2 2 图3 11 采样阶段的等效电路图2 3 图3 1 2 采样阶段的等效电路图2 3 图3 1 3b o o t s t r a p 开关电路图2 5 图3 1 4 衬底调整采样开关2 6 图3 1 5 采用衬底调整采样开关的b o o t s t r a p 开关电路图2 6 图3 1 6 普通n m o s 采样开关的导通电阻2 7 图3 1 7 衬底调整开关的导通电阻2 7 图3 18b o o t s t r a p 栅压仿真图。2 7 图3 1 9b o o t s t r a p 开关的整体仿真图2 8 图3 - 2 0 输入正弦波的采样保持电路仿真2 8 图3 - 2 1 采样保持整体电路的瞬态仿真2 8 图3 - 2 2 权重型乘法型数模转换器电路图2 9 图3 - 2 3 单位电容阵列型乘法型数模转换器电路图3 0 图3 易4 乘法型数模转换器整体电路图3 3 v i i i 图3 - 2 5b o o t s t r a p 时钟电路图3 3 图3 - 2 6 乘法型数模转换器电路的工作时序图3 3 图3 - 2 7 乘法型数模转换器在采样阶段的等效电路图3 4 图3 - 2 8 乘法型数模转换器处于保持阶段的等效电路图3 4 图3 - 2 9 每一级1 5 b i t 的乘法型数模转换器电路传输曲线3 5 图3 3 0 全差分两级运放电路图3 6 图3 3 1n m o s 管的增益提高放大器3 6 图3 3 2p m o s 管的增益提高放大器3 7 图3 - 3 3 运放的增益波特图3 8 图3 - 3 4 第一级m d a c 电路中运放的增益和带宽3 8 图3 3 5 第一级m d a c 电路中运放的瞬态建立曲线3 8 图3 - 3 6 每级1 5 b i t 乘法型数模转换器整体电路的转换仿真图3 9 图3 - 3 7 每级1 5 b i t 乘法型数模转换器电路对正弦波的瞬态响应曲线3 9 图3 3 8 典型的静态迟滞比较器电路4 0 图3 3 9 典型的动态比较器电路4 l 图3 - 4 0 锁存模式下的等效电路图4 l 图3 4 1 比较器的失调电压4 1 图3 4 2 比较器的传输延时。4 2 图3 - 4 3 比较器回踢噪声原理图4 3 图3 4 4 带预放大级的动态比较器整体电路图4 4 图3 4 5 比较器工作时序图一4 4 图34 1 6 交叉耦合对原理图4 5 图3 4 7 交叉耦合对的等效模型4 5 图3 _ 4 8 带预放大级的互补交叉耦合对比较器的上升沿延时4 6 图3 - 4 9 带预放大级的互补交叉耦合对比较器的下降沿延时4 7 图3 5 0 不带预放大级的比较器上升沿延时4 7 图3 5 l 不带预放大级的比较器下降沿延时4 7 图3 - 5 2 单交叉耦合对的比较器上升沿延时4 8 图3 5 3 单交叉耦合对的比较器下降沿延时4 8 图3 5 4 不带预放大级的比较器的回踢噪声4 8 图3 5 5 带预放大级的互补交叉耦合对比较器的回踢噪声图4 9 图3 5 6 比较器的失调电压仿真图4 9 图4 - 1 流水线a d c 的整体布局图：5 2 图4 - 2 主运放第一级版图5 3 图4 3 辅助运放a n 和a p 的版图5 3 图4 4 主运放第一级输入对管的版图5 3 i x 图4 - 5 采样电容的版图5 4 图4 _ 6 采样保持电路整体版图5 4 图4 7 流水线第二至五级m d a c 的版图5 5 图4 8 流- u k 线第二级乘法型数模转换器电路的版图5 6 图4 9 动态比较器的版图5 6 x 表格清单 表1 1 高速高精度a i ) c 典型产品2 表2 1 各参数对首级精度的影响1 4 表3 1 两种开关的导通电阻对比2 8 表3 2 电容的匹配精度和大小要求3 2 表3 3 流水线第一级m d a c 中运放的主要性能参数3 9 表3 4 级精度与比较器失调电压的关系4 2 表3 5 三种结构的动态比较器性能对比4 9 表3 6 带预放大级和不带预放大级时比较器的回踢噪声比较。4 9 表3 7 比较器的性能参数仿真值：5 0 x i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金胆至些太堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金目墨王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权盒目曼王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： j ：j 、一 ，- 。一一二、_ 一 签字日期： 年月 e t 电话： 邮编： 致谢 首先我要感谢我的导师高明伦教授在我研究生学习生活中的指导和关心。高老 师学识渊博，治学严谨，他对待科研一丝不苟的态度和对学生的谆谆教诲都将是我在 今后的人生道路上学习的楷模。 感谢指导老师邓红辉、尹勇生给了我入所学习的宝贵机会，使我有机会踏入模 拟集成电路设计的大门，让我终身受益。感谢他们对论文选题、结构和时间上的合理 安排，以及在论文写作过程中给予我的全方位指导，使本文得以按时完成。 感谢邓红辉老师、尹勇生老师、林微老师、贾靖华老师、王晓蕾老师、张多利 老师、宋宇鲲老师、杜高明老师、倪伟老师，在学习和生活上的帮助和关心。 感谢梁上泉师姐、张睿师兄在项目、学习和工作上给予的帮助。 感谢混合信号项目组成员张郭敏、邓亮、关皓伟、崔磊和苏琴一起在实验室度 过的日子以及在论文中给予的帮助。 感谢0 8 级黄鹏，杨淑明，胡俊，裴斐在论文中给予的帮助。 特别感谢我的父母在学习和生活上给予的支持和关爱。 v 作者：颜哲 2 0 1 0 年4 月 第一章引言 1 1 模数转换器发展概况 作为把模拟量转换成数字量输出的接口电路一模数转换器 ( a n a l o g t o d i g i t a l ，a d c ) 是现实中模拟信号向数字信号转化的桥梁和不可缺少 的关键器件。很长一段时间以来，a d c 已被广泛应用于许多电子系统，而在过去， 这些电子系统完全都是模拟系统。这些应用领域包括数字电话传输，无线通信等。此 外，a d c 已经被广泛应用于提高一些电子系统的表现，使它们具有更高的性能，而 这些系统通常被认为是数字系统。数据存储就是这种类型的系统的一个典型例子。由 于在磁盘驱动系统中的存储密度不断增加，能被读电路所处理的信号也越来越具有模 拟的特性。现在，6 位的a d c 己被广泛应用于磁盘驱动中的读电路。随着通信系统 的快速发展，这样性能的a d c 已不能满足与日俱增的信息处理要求。 对于a d c 的电路设计而言，精度和速度的折衷是一个较大的难题，这两 个指标是a d c 的重要性能指标l lj 。目前研究比较广泛的a d c 的主要类型：闪 烁型a d c ，逐次逼近( s a r ) 型a d c ，s e g m a d e l t a 型a d c 和流水线( p i p e l i n e ) a d c 笔 2 1 3 4 1 寸 。 从速度上考虑，闪烁型( f l a s h ) a d c 的速度最快，但是当a d c 分辨率提高 时，所用到的比较器数目会成指数增加，而且对a d c 本身的性能也提出了更 高的要求【5 】【6 】 7 1 。因而，只有对精度要求不高而对速度要求较高的情况下，才会 考虑选用闪烁型a d c 。 从精度上考虑，s e g m a d e l t a 型a d c ( 又被称为过采样a d c ) 具有最高的 精度8 】【9 1 ，由于具有相对简单的结构，同时又具有高性能和易于集成化的数字 滤波功能，以及与d s p 的兼容性，因此有较为广泛的应用。现今出现的最高精 度的s e g m a d e l t a 型a d c 为3 1 位【1 0 】。然而，s e g m a d e l t a 型a d c 的精度提高是 以牺牲速度为代价的，因而s e g m a d e l t a 型a d c 只适用于低频信号和音频信号 等领域。 为了适应无线通信技术的快速发展，不仅要求a d c 具有较快的速度，同 时要求a d c 具有较高的精度。流水线型a d c 结合了前面两种a d c 的优点， 这使得流水线型a d c 在高速高精度a d c 中得到了广泛应用。 1 2 国内外发展现状及课题意义 近年来，国外著名高校和实验室已开始关注a d c 的性能提高，使a d c 具 有更高的精度和更快的速度。从国外的杂志和会议上我们可以看到它们的工作 取得了很好的效果。 2 0 0 9 年，h a n sv a nd ev e l ，h e n d r i kv a nd e rp l o e g 等人，采用9 0 n m 工艺设 计实现了一款1 4 位，1 0 0 m h z 的流水线型a d c 。该采用电荷消除技术，减小 了a d c 的失调。正常工作下，a d c 的功耗为2 5 0 m w i l l l 。 2 0 0 8 年，b y u n g g e u nl e e ，b y u n g m o om i n 等人，通过把采样保持电路合 并入第一级乘法型数模转换器电路中，从而降低了整个流水线型a d c 的功耗。 该a d c 取得了1 4 位，1 0 0 m h z 工作频率，s f d r 为8 8 5 d b ，功耗为2 3 0 m w l l 引。 2 0 0 8 年，h a n sv a nd ev e l ，b e r r yb u t e r 等人，采用数字非线性校正技术设计 了一款流水线型a d c ，该a d c 取得了1 4 位精度，1 0 0 m h z 的工作频率，s f d r 达到了9 0 d b l l ”。 2 0 0 8 年，b y u n g i lk i m ，d a e y u nk i m 等人，实现了一款1 2 位，8 0 m h z 的折 叠型a d c 。该a d c 采用双折叠内插技术提高了采样速率和分辨率，整个a d c 的功耗为1 9 5 r o w 。电源电压为1 8 v ，s n d r 为4 6 d b 【l 4 。 2 0 0 7 年，m h e s e n e r l ，t 。f i c h e r 等人，在o 1 3 9 i n 工艺下，采用冗余技术实 现了一款1 4 位，4 0 m h z 频率的逐次逼近型a d c ，该a d c 的输入是1 8 v 的差 分信号，s n d r 达到了8 7 d b 【l 川。 此外，由于a d c 的良好市场前景，所以国外各大模拟i c 公司也己开始投 入大量的人力和财力来研发高性能的a d c ，这使得a d c 的性能不断改进。这 些公司在无线通信，数字电话传输等领域展开的激烈竞争，他们都在努力提高 的电路设计水平与工艺技术。a d i 公司采用差分流水结构，用数字纠正来保证 全温度范围内无漏码。a d i 公司推出了一款1 4 位，采样速率达到1 2 5 m s p s 的 流水线型a d c 【l 酬。该a d c 采用内部可编程基准源，模拟输入信号为1 - 2 v ， 该芯片有内置采样保持电路。t i 公司于2 0 1 0 年推出了一款1 4 位，1 6 0 m s p s a d c ，功耗2 0 0 m w ，基于单电源1 8 v , 0 1 8 “mc m o s 工艺。芯片内置直流失调 纠正环路，可有效减小a d c 的失调电压【1 7 】。 表1 1 高速高精度a d c 典型产品 性能指标分辨率转换速率 s f d r 电源功耗年份 ( b i t )( m s p s )( d b )电压( m y )( 年) ( v ) 产品名称 姒x 1 4 4 81 08 08 031 2 02 0 0 2 a d 9 8 4 01 46 58 03 33 6 02 0 0 4 t h s l 4 0 81 488 032 7 02 0 0 5 a d s 6 4 2 31 28 08 73 61 1 8 02 0 0 9 a d s 6 4 2 5 1 21 2 5 8 3 3 1 6 5 0 2 0 0 9 a d s 6 4 4 21 46 58 83 61 0 5 02 0 0 9 a d 9 2 5 81 41 2 5 8 8l87 5 02 0 0 9 a d $ 4 1 4 61 41 6 08 31 82 0 02 0 l o 表1 1 是目前高速高精度a d c 的典型代表。可见，各大i c 设计公司a d c 产品的性能提高很快，在速度和精度上，都有很大提高，并且注意功耗的降低， 以增加a d c 的使用寿命。在这些高速高精度a d c 产品中，分辨率和转换速率 大多集中在1 2 1 4 位、8 0 1 5 0 m h z ，系统结构以流水线结构为主，生产线所采 用的工艺以c m o s 工艺为主，并且晶体管最小尺寸在不断降低。 2 相对而言，国内高性能a d c 的研究滞后于国外先进成果。近几年，随着 国家对信息产业的大力投入，和对高性能a d c 的迫切需求，国内一些高校开 始对高速高精度a d c 领域加大研究力度，取得了长足的进步和可喜的成果。 在流水线型a d c 研究方面，2 0 0 8 年，复旦大学设计了一个1 0 位1 0 0 m s p s 流水线模数转换器，该模数转换器用0 1 8 p mc m o s 工艺流片验证该模数转换 器的最大采样率为1 0 0 m h z ，获得了5 4 2 d b 的信噪比【1 8 j 。2 0 0 9 年，兰州大学 完成了一个5 伏1 4 比特8 0 m s p s 采样频率模数转换器中的关键电路设计。论文 采用z a r l i n k 0 6 9 i n 互补双极工艺条件下的h j b 参数模型对电路进行了模拟验 证。所设计的关键单元电路能够满足3 级1 4 位8 0 m s p s 流水线a d c 的要求i l 引。 从上述国内外的研究现状来看，研究高性能a d c 具有重要意义，一方面 是为了缩短与国外先进水平之间的差距，我们急需加强在该领域的研究。另一 方面，我国目前应用的高性能a d c 主要依靠进口，这对我国国防现代化发展 和民用电子工业的发展相当不利。因此，由我们自己设计生产出高性能模数转 换器己成为当务之急。 1 3 论文的主要工作及结构 本文设计了可用于一款1 8 v 单电源供电，1 4 位分辨率，1 0 0 m s p s 转换速 率流水线型a d c 中的关键电路，包括采样保持电路，m d a c 电路，运放以及 动态锁存比较器电路。为了提高采样保持电路的精度，本文采用了自举开关， 并且采样开关采用了衬底调整开关。采用两相非交叠时钟，通过合理的时序控 制，减小了时钟馈通效应和电荷注入效应。为了伎采样保持电路和m d a c 电路 达到要求的精度和速度要求，设计了高速高增益运放。由于本文流水线a d c 采用数字校正技术，因此大大放宽了对比较器精度要求。采用了带预放大级的 动态比较器，有效提高了比较器的速度和精度，减小了比较器的功耗。 论文的结构如下： 第一章：绪论，介绍a d c 的背景，以及设计高性能a d c 的必要性，在分 析国内外研究现状的基础上阐明本课题研究的重要意义。 第二章：介绍a d c 的基本原理及典型架构，流水线a d c 的主要性能指标， 并对流水线a d c 的误差进行了分析，最后介绍本课题所采用的流水线a d c 的 架构。 第三章：分析流水线a d c 中关键电路的工作原理及非理想因素，包括采 样保持电路，乘法型数模转换器，运放和动态锁存比较器，在此基础上对关键 电路进行设计，并对电路进行仿真验证。 第四章：介绍版图设计中的基本原则，并给出本课题的流水线a d c 中各 关键电路的版图设计。 第五章：对本课题进行总结与展望。 第二章流水线a d c 的基本原理与架构 a d c 是通信系统中不可缺少的重要模块，它把自然界采集到的模拟信号转 换为数字信号。随着通信技术的不断发展，不仅要求a d c 有较快的工作速度， 而且需要a d c 有较高的精度，这使得a d c 的设计面1 晦更大的挑战。 2 1a d c 的基本工作原理及典型结构 2 1 1a d c 的基本工作原理 模数转换器，简称a d c ，它的功能是把连续的时变信号转化成一组离散序 列，然后再对这个离散序列用数码的形式来表示。它包括四个工作过程：采样， 保持，量化与编码。采样过程是把一个连续的原始信号x ( f ) 转换成离散信号。 如果采样频率疋( 疋= ，t 为采样周期) 大于等于两倍的原始信号频率，那 么a d c 可以重构出这个原始信号x ( f ) 。保持过程是把采样所得到的采样值固定一 段时间。量化过程是用一个a d c 能辨别的最小信号单位值( l s b ) 来将这个原始信 号分割成有限个点的过程。由这个有限的最小信号单位值所造成的误差叫量化误差， 它是a d c 的固有误差，它的大小是正负0 5 l s b ，和分辨率成正比，可以通过增加分 辨率来减小量化误差。例如a d c 的分辨率增加一位，那么l s b 就减小一半，雨量化 噪声会减小6 d b 。编码过程就是把量化所得到的点，用数字码把它们表示出来。 弋竺 模拟输入信号 ：t ：+ 一 、 lr 罕t 一丁。+ ，r 7 t = l f s 连续时间采样信号 一；t ! 一 1 - - 1 雁 离散时间采样信号 t 2 1 凰 采样保持电路输出信号 图2 - 1 模数转换器原理图 2 1 2 几种典型的a d c 目前，a d c 按结构来分可分为串行a d c 、并行a d c 和串并行a d c ；按采 样频率来分可分为n y q u i s t 采样a d c 和过采样a d c ，按性能来分可分为高速 a d c 和高精度a d c 。中低速a d c 主要有逐次逼近( s a r ) 型a d c 、折叠型 a d c 、算法型a d c 、s i g m a d e l t a 型a d c ；高速a d c 有全并行a d c 、两步闪 烁型a d c 、流水线型a d c 1 1 。 4 下面介绍几种典型的a d c 。 l 、全并行a d c 全并行a d c 又被称为闪烁型a d c ，是现在高速a d c 的典型代表，转换速 度可达上g s p s l 2 引。如图2 2 所示是一个典型的n 位的全并行a d c 的简化原理 图，它有2 ，一1 个比较器，需要用到2 一1 个参考电平。每个比较器采样输入信号， 并且将这个输入信号与参考电平相比较。之后，每个比较器产生一个输出。每个输出 表明了输入信号是大于还是小于这些参考电平。这2 一1 个比较器的输出结果通常是 用温度计码来表示【1 9 】。当输入信号大于某个参考电平，比较器会输出1 。当输入信号 小于某个参考电平，比较器会输出o 。随着精度的增加，电阻数量和比较器数量会 呈指数增加，这样会消耗很大的芯片面积，而且a d c 对比较器的要求也越来 越高。例如，对于一个n 位精度的闪烁型a d c ，要用到2 一1 个比较器。如果n 等于l o ，那么就需要1 0 2 3 个比较器，而比较器的失调电压也要小于l m v i l 引。 v r e f * 模拟输入 v r e f - 图2 - 2 闪烁型a d c 的典型结构 闪烁型a d c 的优点：转换速度快，缺点是硬件消耗大，对比较器的失调 电压很敏感。这种闪烁型的a d c 是现代大多数高速a d c 所采用的电路结构。 但由于功耗和体积限制了闪烁型a d c 精度的提高。 2 、两级闪烁型a d c 两级闪烁型a d c 由两级构成，每一级里面都有一个闪烁型a d c 。一个两 级闪烁型a d c 的简化原理图，如图2 3 所示。这种类型的a d c 不会像闪烁型 a d c 那样，同时完成输出。这里，转换是分两个阶段。在第一个阶段，数字输 出码的m s b 位是由第一级闪烁型a d c 来决定的。之后，一个d a c 把这个数 字结果转换成一个模拟信号，这个模拟信号再和前面的模拟输入相减。得到的 余量被送到第二级闪烁型a d c 中。然后，第二级闪烁型a d c 决定了数字输出 码的l s b 位。两级闪烁型a d c 的转换时间比单个的闪烁型a d c 要长，但是它 仍然很快。对于n 位精度的两级闪烁型a d c 而言，需要2 1 2 个比较器，比 5 闪烁型a d c 少了很多。如果n 等于1 0 ，那么需要5 1 0 个比较器。因此，两级闪烁 型a d c 节约了硬件消耗。通常，两级闪烁型a d c 的分辨率范围在1 0 位左右。 两级闪烁型a d c 的优点：转换速度快，功耗与芯片面积得到了减小。缺 点：转换时间比闪烁型增加了一倍。 3 、流水线型a d c 图2 - 3 两步式闪烁型a d c 原理图 数字输出 图2 4 流水线a d c 原理图 流水线型a d c 属于子区间a d c 的一种。它的特点是改进了吞吐率，并且 放宽了对比较器误差的要求。流水线型a d c 有一个单独的采样保持电路，并 且每一级中都要用到运放，除此之外，它与子区间a d c 完全相同。每一级流 水线级电路采用一个采样保持电路来采样前一级的输出余量。这个特点使得当 流水线a d c 的每一级电路可以开始处理一个新的采样信号，只要它的余量已 被下一级采样。因此，流水线a d c 的吞吐率独立于流水线的级数。相比于其 它类型的子区间a d c 而言，这个优点使得流水线a d c 可以工作在更高的频率。 流水线型a d c ，大大减小了比较器的消耗，需要的比较器数量很少。对于 6 n 位精度的流水线a d c 而言，假设级电路都采用的是1 5 位级的结构，那么 它需要的比较器数量为2 n 1 【2 】j 。如果n 等于1 0 ，那么只需要1 9 个比较器，从 而大大减小了芯片面积和功耗。它不仅转换速度快，而且能实现很高的精度。 流水线结构a d c 的优点：减少了芯片面积和功耗；减小了非线性失真和 失调误差，从而实现了较高的精度；可同时处理多个采样，所以转换速度很快。 因此，流水线型a d c 以其高速高精度的优点，越来越受到人们的欢迎。 2 2 流水线a d c 的主要性能指标 流水线a d c 的主要性能指标分为静态性能指标和动态性能指标【1 】。静态性 能指标反映的是整个流水线a d c 的线性度，主要包括分辨率和非线性。而动 态性能指标则反映的是噪声，动态线性度和信号失真等误差，主要包括信噪比 ( s n r ) ，信号噪声失真比( s n d r ) ，满幅范围( v f s ) ，无杂散动态范围( s f d r ) ， 有效位数( e n o b ) ，总谐波失真( t h d ) ，采样速率，输入带宽，动态范围， 量化噪声等。 1 、分辨率 a d c 的分辨率定义了量化的精细程度。高分辨率的a d c 有更多的量化区 间。对于二进制的n 位分辨率的a d c ，它的分辩率为2 。例如，对于一个1 4 位的a d c ，它的分辩率为2 1 4 = 1 6 3 8 4 。分辨率常常因为噪声或者是非线性而降 低1 2 1 1 。 2 、非线性 融p 戗霸g 目l 翻 图2 - 53 位a d c 的微分非线性和积分非线性示意图 a d c 的另外一个静态误差就是非线性误差。a d c 的传输曲线可以近似用 一条直线来表示【z 。理想a d c 传输特性是由一系列由低到高的均匀台阶组成。 每一个台阶表示一个最小量化区间。台阶每升高一个，数字输出码就加l 。而 在实际情况下，其传输特性中每个台阶的宽度和高度不是完全均匀的，由于台 阶宽度和高度的偏差，使a d c 的非线性更大。我们一般通过积分非线性( i n l ) 和微分非线性( d n l ) 来表示这个误差 2 1j 。图2 5 解释了i n l ，d n l 。d n l 是指 7 实际台阶宽度与理想台阶宽度之间的偏离程度。i n l 指的是实际的传输特性中 参考值与理想传输特性中参考值之间的偏离程度。最低有效位( l s b ) 通常被用 来表示a d c 的d n l ，i n l 。l s b 定义为输入信号的满量程幅值与台阶的个数 之比。 3 、信噪比( s n r ) 信噪比指a d c 输出端，信号均方根值与噪声均方根值之比。通常它被表 示为分贝形式( d b ) ： s n r = 2 0 l o g e ) ( 2 - 1 ) y 月 其中，v s 是信号幅值，v n 是噪声幅值。对于理想的n 位分辨率的a d c ， 它的信噪比可表示为s n r ( d b ) = 6 0 2 n + 1 7 6 2 1 1 。可以通过增加a d c 的分辨率来 增大它的信噪比。例如，对于1 0 位精度的a d c 而言，它的信噪比为6 1 9 6 d b 。 分辨率增加一位，那么信噪比就增加6 0 2 d b 。 4 、信号噪声失真比( s n d r ) 信号噪声失真比( y n qs i n a d ) ，指的是a d c 输出端，信号均方根值。 和各阶谐波均方根值啪，总噪声均方根值。和之比： 删肚2 0 1 0 咆暑专 q 乏) 5 、满幅范围( v f s ) 满幅范围指的是一个系统能够正常处理的信号范围【2 1 1 。如果a d c 单端输入 0 5 v 峰峰值的差分信号，则它的满幅输入范围为1v 。 6 、无杂散动态范围( s f d r ) s f d r 是指a d c 的动态范围，它可以被认为是a d c 所能处理的最大圪一与 最小信号k m j n 之比。 s f d r = 2 0 l o g e 丝) ( 2 3 ) y m i n 7 、有效位数( e n o b ) 有效位数是a d c 的一个重要性能指标，它的定义是： e n o b ：= s n d r - 1 7 6 ( 2 - 4 ) 6 0 2 8 、总谐波失真( t h d ) 总谐波失真指的是各阶谐波( 一般指前5 阶谐波) 的均方根值啪与基波的 均方根值；的比值 2 1 】： t h d = 2 0 l o g ( 害业) ( 2 5 ) v n n s ， 9 、采样速率 采样速率是指在单位时间内采样输入信号的次数。 z = 毒 ( 2 - 6 ) 1 0 、输入带宽 在高频输入信号情况下，a d c 的s n