（微电子学与固体电子学专业论文）10位50mhz流水线adc的研究与设计.pdf

摘 在数了 品h 益增长的今天 数据转换器充当着 个很重要的角色 越术越 多的产品在数字和离散时l l 白j 域中进行工作 而模数转换器 a d c 正是把我们 的模拟现实u 界转换主j 数宁f 界的桥梁 而儿随着数字处理系统位数的摺加 速 度的加快 a d 的精度和速度宜接 叟成了这个桥梁的瓶颈 所以有必要进行高 速高精度a d c 的研究和儿发 奉设计完成了一个1 0 位5 0 m h z 的流水线a d c 设计 转换器由9 级流水线 结构及相应的数字校正电路组成 在电路发计中 采用电容下极板采样技术 有 效减少电荷注入效应和时钟渍通效应 采用了t e l e s c o p i co t a 以保证整个流水线 的速度能达到5 0 m h z 采用每级1 5 位的了a d c 结构 数字校正电路由简单的 数字加法电路完成 设计采用a m i c 5 n 的标准s p i c e 模型参数 在c a d e n c e 工 具f 的s p e c t r e 进行仿真 设汁所有的电路都通过了仿真 达到了要求的结果 整个转换器的电源电压为5 v 转换器可以接受从一1 v 到 l v 的全差分输入 共模门限为2 5 v 参考电压为3 v 和2 v 最后把c a d e n c e 中仿真的数据调入 m a t l a b 中进行更深层次的分析 得出功耗1 9 2 m w 电流损耗为4 0 m a 有效 码位 e n o b 为9 位以上 无杂散动态范围 s f d r 为6 3 5 d b 转换器的输 出错误在 一1 上 s 曰之间 关键词 流水线 a d c 数字校正 a b s t r a c t d a t ac o n v e r t e r sp l a ya n i m p o r t a n tm l ei na j le v e r i n c r e a s i n gd i g i t a lw o r l d a s m o r ep r o d u c t sp e r f o r mc a i c u l a t i o n si nt h ed i g i t a lo rd i s c r e t et i m ed o m a i n a d ci st h e b r j d g et h a tc o n v e r t so u ra n a l o gw o r j dt ot 王1 ed i 百t a lw o d d a st h ei n c r e a s i n gb j t so f t h e d 嘻t a ls y s t e ma n d t h ej n c r e a s i n gr a t eo fi t t h er e s o i u t i o na j l dt h er a t eo fa d ch a v e b e c o m et h eb o n l e n e c ko ft h eb r i d g e s o i sn e c e s s a r yt os t u d ya n dd e v e l o pt h eh i g h s p e e da 1 1 dh i g hr e s o l u t i o na d c t h i sp r o j e c tf i n i s h e dd e s i g n i n gal0b i t s 5 0 m h z p i p e i i n ea d c w h i c hi s i m p l e m e n t e do f9s t a g ep i p e l i n ea r c h i t e c t u r ea n d t l ec o r l s p o n d i n gd i g i t a lc o r r e c t i o n 1 0 9 i c i nt h ed e s i g n t h eb o t t o mp l a t es 锄p l i n gt e c h n 0 1 0 9 yi s a d o p t e d i tr e d u c e s e 仟e c t i v e l yt h ec h a r g ei n j e c t i o na 1 1 dc l o c kf e e d m r o u 出 也et e l e s c o p i co i a i sa d o p t c d s ot h a ti ti n s u r e sa l lp i p e l i n ec o n f i g u r a t i o np e m r n l i n gw e l la t5 0 m h z 1 5 b i s t a g e s u ba d ca r c h i t e c t u r ei sa d o p t e d t h ed i g i t a lc o r r e c t i o nl o g i ci sc o n s t i t u t e db ys i m p l e a d dc i r c u i t t t l i sd e s i g na d o p t sa m i c 5 n sn o 肌a ls p i c em o d e l s a l ls i m u l a t i o n sa r e c a r r i e do u tu s i n gt h ec a d e n c es i m l l l a t i o nt o o ls p e c 廿e i ns i m u l a t i o n a 1 1c i r c l l s p e r f o r n la sa n t i c i p a t i o n t h ep o w e ro f c o n v e r t e ri s5 vt 1 1 ec o n v e n e rc a na c c 印t l vt o lv 如l l yd i m r e n t i a l i n p u t a n dc o m m o nn l o d eo 施e ti s2 5v t h cr e f c r e n c ev o l t a g ea r e 2 va i l d3 vf i n a l ly d a t ac o l l e c t e dw i t hc a d e n c ei si m p o n e di m om a t l a bf o rm o r e d e e p e rp r o c e s s i n g t h ep o w e rc o n s u m p t i o ni s l9 2 m w m ec u r r e n tc o n s u r t l p t i o ni s 4 0 m a t h ee 仃色c t i v en u m b e ro fb i t s e n o b i sa b o v e9 m es p u r i o u s 疗e ed y n a m i c r a n g eo ft h ec o n v e r t e r s f d r i s6 3 5 d b t h eo u t p u te f t o rf o rt h ec o n v e r t e ri sw i t l l i n 1 l s b k e y w o r d s p i p e l i n e a d c d i g i t a lc o r r e c t i o n 第1 章引言 1 1 模数转换器的现状及其发展趋势 随着电子技术的迅速发展以及计算机住自动检测和自动控制系统中的广 泛廊用 利用数 字系统处理模拟信号的情况变得更加普遍 数字电子计算机所处理和传送的都是不连续的数 字信号 而实际中遇到的大都是连续变化的模拟量 模拟量经传感器转换成为电信号的模拟 量后 需经模 数转换变成数字信号才可输入剑数字系统中进行处理和控制 囚而作为把模拟 电量转换成数字量输山的接口电路 a d 转换器是现实世界中模拟信号通向数字信号的桥 梁 是电子技术发展的关键和瓶颈所在 为了适应当前计算机 通信和多媒体技术的飞速发展 全球高新技术领域数字化进程不 断向前推进 模数转换器 a d c 有了 足进步 出现了许多采用新工艺 新结构的高性能 a d c 纵观a d c 的发展历程 面临新世纪的a d c 正朝着低功耗 高速和高分辨率的方向发展 任何a d c 部包括三个基本功能 抽样 量化和编码 抽样过程将模拟信号在时间上离散 化 使之成为抽样信号 量化将抽样信号的幅度离散化使之成为数字信号 编码则将数字信 号晟终表示成数字系统所能接受的形式 a d c 的分辨率越高 位数越多 需墨转换的时间 就越长 转换速率就越低 冈此a d c 的分辩率和转换速率两者总是互相制约的 为满足现代 高新技术领域的需求 高速和高分辨率互相兼顾 在此基础上 还要考虑功耗 体积 便捷 多功能 与计算机及通信网络的兼容性 主要应用领域 如多媒体 通信 自动化 仪器仪 表 的特殊要求 如接口 电源 通信 内部配置 等问题 这样就使a d c 的结构和分类错 综复杂 在单电源 低功耗条件下发展a d c 不仅涉及到a d c 本身的电路结构干 岂问题 还涉 及剑a d c 的外j h 电路和相关的信号调理电路等模拟集成电路问题 例如 为了解决单电源运 放的输入和输出动态范围问题 出现了电源限 r a 一t o r a i la m p l i r j e r 输入和输出逛 放 为了解决高述视频a d c 的驱动问题 出现了突破传统运放增氚带宽积恒定限制的 采剧 超高速补偿烈极型 x f c b r 艺制造的电流反馈运放 c f a 为了解决低电压 3 2j 低电 流条件f 的低噪声低温游基准电爪渊的问题 出现了外加离子注入场效应箭 x f e l 基准源 为了降低功耗 省能源 采川节能i 作方式 p o w e rd o w n 或p o w e rs l e e p 为了缩小体 积 采心2 线或3 线制兼容的串行口 这些技术问题的不断完善和改进不但促进高速千 高分 辨率a d c 的发展 同时也是现代a d c 特点的补充 流水线 p l p e l i n e a d 转换器还要求对数字编码进行数字校正 而且a d 转换器内部 要包含数字和模拟电路 是典型的数模混合电路 a d 转换器从早期的组件型和混合删到现 在的单片集成型再到现在作为s o c s y s t e mo nc h i p 系统芯片内部的子系统电路 a d 转 换器的发展充分体现了模拟和数字系统相互结合的趋势 按设计的原理分类 传统的a d 转换器可阻分为积分型币 比较型两大类 积分型包括单 积分型 耿积分到 电荷 王衡型和脉宽调制型 比较酗按大类可分为反馈比较型和1 f 反馈比 较型 前者可分为运次近似比较型和跟踪比较型 后者可分为串行型 并行型和改进删 一 般而言 积分型a d 转换器土要用于低速应用 反馈型土要 j 丁中速应用 串行比较型和升 行比较型主要用 高速领域 当今a d 转换器研究的一个主要方向是将双极 b i p 0 1 a r j 艺和m o st 艺的相结合 前者速度快 而后者的集成度高 输入阻抗高 功耗小 两者优点的结合极大的推动了a d 转换器的发展 随着设计技术发展和生产工艺的进步 现在市场上不断出现高性能的a d 转换器 其在 速度和分辨率方面与以往的a d 转换器相比有了极人的提高 现在的a d 转换器在转换速度 上可达到数百m s s 在转换精度上可以达到2 4 位以上 现在研究的比较广泛的a d 转换器 类型有自校正a d 转换器 2 7 3 3 流水线a d 转换器 基于折叠和插值技术的a d 转换器 一 a d 转换器和电流型a d 转换器 从精度上考虑 一 a d 转换器具有最高的精度 一 a d 转换器义被称为过采样 转换器 由于其具有相对简单的结构 同时又具有低价格 高性能 具有集成化的数字滤波 功能 与d s p 兼容从而更容易集成等优点 冈此得到了广泛的应用 现在市场上山售的 一 a d 转换器可以达到2 4 位的精度 但是由于其可以处理的信号频率低 因此只适用 于音频信号的处理 从速度上考虑 全并行闪烁 f l a s h a d 转换器具有最快的速度 但是随着转换位数 的增加 其所川的比较器的数目也会急剧增加 冈此只有住需要高速且对精度要求不高的情 况f 或仅将其作为多级a d 转换器中的一个子a d c 时才使刚全j j j 的闪烁型 f l a s h a d 转换器 流水线a d 转换器是一种可以实现高速高精度的a d 转换器 这种结构的a d 转换器最 近发展得很迅述 这是冈为这种a d 转换器兼顾考虑了芯片得面积和转换速度 当时在市场 七销售的高速高精度的a d 转换器人多采川流水线 p i p e li n e 结构 2 1 2 本文工作及沦文结构 本文设计了一种流水线a d c 主要指标为9 级流水线结构 每级1 5 位 采样频率5 0 惴z 接受的输入电压在一1 到1 v 之间 运行在25 v 共模反馈状态 1 0 化的精度 j 作在5 v 电压 第2 章介 了流水纬a d c 的基本上作原理 说明了本设计的规格性能 还简单说明了流 水线a d c 的优点和7 缺点 兑明了简单的参考源偏置电路 r 极板采样 保持电路理论 说明 了在流水线转换器中每级1 5 位结构如何消除对比较器的精度要求 以及电容误筹平均化的 理论等等 第3 章详细说明了本流水线a d c 各个独立的模块及其工作原理 分析了设计各模块时的 主要考虑和实现方法 并且给山了部分模块的独立仿真结果 第4 章把第3 章中的小模块合并成几个可以完成一个完整功能的宏模块 i 对其功能做 了简要分析 而且进行了仿真 给出了仿真波形 第5 章简要说明了c m o s 版图布局以及在布局中应该注意的问题 第6 章是对本文的总结和后续工作 3 2 1 本设计综述 第2 章流水线a d c 原理及关键技术 有两种类刑的a d c 高速和高精度 转换速度 或者采样速度 大j 1 0 m h z 的a d c 被认 为是高速a d c 它们被应用在幽像处理 超频率音响 数码相村l 通信 基带数字化处理等 高速a d c 中的一个问题在保持高速的同时如何保持适当的精度 即低的动态范罔 在诸如超 频率音响的应用中 需要高速高精度的a d c 现在 可变增益放大器 v g a s 和a d c 一起应 用在超频率音响中 可以弥补a d c 的低的动态范隔f 1 本设计的1 0 位5 0 m h z 的a d c 就可以 应用在这个范围 本设计的转换器用每级l5 位饷g 级流水线结构 本设计的目的是设计一个离速的模拟数字转换器 电源电压为5 v 转换器可以接受从 一l 到l v 2 5 v 共模门限 的全差分输八 2 2 流水线结构 在流水线结构中 把每级一个低精度的级级联起来 得到一个全局高精度的模数转换器 它们非常适用于需要相当精度 高速的应用场合 这个a d c 转换器的主要概念和澳计来自于 2 3 4 图2 1 显示了一个普通的流水线转换器 流水线每级包含一个低精度量化器 第f 级提供两个输山 第一个输出为g 是本级输入电压的一个粗略精度的数字代表 吼是 一个从o 到2 8 一l 变化的整数 b 是第j 级的位精度 第二个输出是残余电压l 这是通 过检测本级输入和输出的数字代表玑的差别而得剑 残余电压被传送到流水线的卜 一级 吼 被送到数字校止逻辑 所有级的9 通过校止逻辑的处理 最终得到最后的高精度的a d c 输 出 在每级1 5f 口结构中 圳到的数字错误校正方法为冗余信号数字 交正 5 所有的级都有相同晌参考时钟 一目 第l 级产生了r 1 科q 1 州第2 级就开始量化r 1 同时第l 级开始处理r 一个输出采样信号 这种连续处理采样信号的方式就是流水线的原 理 每个日寸钟周期都有一个完整的转换 达剑了 高速转换的效果 理论l 流水线a d c 的精 度由级数米决定 增加级数就可以增加a d c 的精度 实际l 随着级数的增加 元件不匹配 和啖卢所带来的问题也随着增加f 5 从而影响了精度 结果并没什么提高 同时级数的增 加也增人了芯片上很多的面积 流水线结构的一个缺点是引入了1 个满托的等枘时问 杠 d 1 0 位a d c 的情况f 在第一个输i 出数字有效之前需要6 个起始时钟周期 这6 个时钟周期 是冈为输入采样信号要通过9 级的传输才能获得1 0 位的转换精度 流水线a d c 所有的级依 靠 二相不交替时钟来驱动 详细情况见第3 章 幽22 显示了一级的一个内部模块囝 每级模块前面的输入是一个s 朋 采样保持 电 路 因为转换进行时 前一级同时处理r 一个采样信号 饵级有个占 位的子a d c 来提供 本级的数字输出 还有一个相同精度的子d a c 用拉把这个数字输出转换为一个相应的模拟电 压输出 初始输入采样信号减去这个电压得到误差电乐p 这个残余误差电压p 乘以一个 增益冈f 并且被作为t 送到下一级 其中的增益因子取决于级的精度 典酗值为2 一1 本设计中增益园子为2 这个因子的作用是使残余信号在下一级的操作范围内 本设计描述 的为每级1 5 位的9 级流水线结构 为了获得每级1 5 位 需要2 位数字输出 所以到数字 校正逻辑的位数为1 8 位 通过数字校正 最后a d c 的精度为1 0 位 衍 数掌输出 图2 1 普通流水线a d c 的模块幽 g 嚣 一控 图2 2 通用的级的内部模块图 表2l 给出了本设计流水线a d c 的仿真性能规格描述 这些都是基于室温 2 7 c 的 参数 条件如r 凡 5 1 2 胧 f 2 4 8 朋恐 爿 4 5 0 m 矿 其中b 巴 一 分别为采样频率 输a 频率和输入电压 规格值单位 采样速率 5 0姗z 有效码位 9 3 5位 电源电压 5 v 输入范用一1 剑1 v v c m2 5 v v c m o t a l v v r e f 3 v v r e f2v 功耗 1 9 2m w 电流损耗 4 0 m a 袭2 1 仿真性能规格表 表2 2 梦0 山了在本设计中的高层模块 这些模块的功能种情况将在第3 章 l l 第4 章中做 详细说明 宏模块名字 i增益级 2子a d c 3子n a c 4 时钟 5偶级 6 奇级 7 最后一级 8 移位寄存器 9 校止逻辑 2 3 流水线a d c 的优点与缺点 表2 2 宏模块列表 流水线a d c 是a d c 中 种流行的结构 它能在速度和精度上取得一个最优化的搭配 虽 然流水线a d c 的速度从本质上比不上f l a s h a d c 但是它的面积和功耗是随精度线性增加的 而f l a s h a d c 的面积和功耗是随精度呈指数增长的 所以精度一旦到了9 位或者以上 流水 线a d c 就成为一种非常有吸引力的选择方案 并行流水线结构 1 9 2 2 j 由于其功耗比较大从 而限制了精度 同样 虽然流水线a d c 的精度远不如现在也通用的非常高精度的 一 a d c 但是 一 a d c 中过采样的本质使整个转换器的速度只能是最高采样速度的一小部分 所以 过采样速度限制是过采样中一个潜在的问题 然而 流水线的并行本质取消了过采样的这个 问题 所以流水线a d c 与 一 a d c 相比 又具有速度上的优势 1 8 虽然逐次比较型 a d c 2 4 2 6 2 8 容易设计 但是其精度提高不上去 所以它还是不及流水线a d c 流水线优点有 1 简化了电路设计 2 每一级的冗余忙优化了重叠误差的纠正 具有良好的线性和低失调 3 每一级具有独立的采样 保持放大器 前一级电路的采样一 保持可以释放出来用下姓理下一次采样 因此允许流水线各级同时对多个采样进行处理 从 而提高了信号的处理速度 典刑的为i y w f o o 琊 4 功率消耗低 5 很少有比较 器进入眶稳态 从根本上消除了火花码和气泡 从而人人减少了a d c 的误筹 6 提高r a d c 的分辨率 但是看待事物是一分为二二的 任何一种类犁的a d c 优点的背后 总或多或少地存在着缺 点 流水线a d c 也不例外 它的缺点如f 1 复杂基准电路平i l 偏置结构 2 输入信号 7 必须穿过数级电路 造成流水延迟 3 同步所有输出需要严格的锁存定r f 4 对r 艺 缺陷较敏感 会影响增益非线性 失惘及其它参数 5 与其它转换技术相比 对印制板 布线更敏感 但是 合理地设计多层印制扳线能够克服上述许多不利因素 外部元件的选择和选用适 当璀号的流水线模数转换器 最好包括内部级间增益和误差失配校准 也能提高系统的性能 2 4 电流源偏置电路 电流源是c m o s 王c 设计中 个最基本的模块 被广泛应用于模拟集成电路设计中 理想 电流源的输出阻抗应该是无限人的 在电压电流特性曲线上 在很宽的电压范围上能生成一 个常数值的恒电流 然而有限的输出阻抗 o 有限的输出摆幅需要保持器件j 作在饱和区 这样最终限制了电流镜的性能 这里主要简述一下电流镜的工作原理和电路结构 图2 3 显示了基本的电流镜原理图 相应 的电流从m 1 流过 因为p 墨1 k d 2 所 以理论上通过m 2 的电流等于通过m 1 的电流 或者通过m 2 的电流是通过m 的电流的几倍 如果m 1 和m 2 的管于尺寸相i 司 那么通过的电流就相同 使忱保持确 饱和区 电流j n l 由 下式给出 拿 一巧 2 2j 其中8 k p w 江 k p 疋 i p s y t n 牲为鞍巍f 迁穆率 c 为搬氧地 窬 为介电常数 1 w 为栅氧厚度 为m o s 管的宽 上为m 0 s 管的k 以r 同 假设m 2 处r 饱和区 通过m 2 的输 l 电流为 拿 k 一 z 因为 p 0 1 所以漏电流的比为 2 2 2 3 这个等式显示了如俐凋整两个管子的 上值来得剑想要的输出l 电流 但是它并没 有显示输廿i 电流跟随通过m 2 电压圪是如何变化的 图2 3 中的参考电流 d l 由下式决定 d 婴专 二竽警 一 2 24 通过电流镜的最小电压 是由她保持在饱和状态设定的 即 7 p 矗一p 电流源的输出阻抗仅仅就是m 2 的输出阻抗 或者为 1 z 2 瓦 2 5 从式2 3 和2 4 可以看出 有三 l 2 w 和p 矗五个变量可以用米设置电流的 大小 通常在设计删0 s 电流镜的时候 p 基和 的值部先提前设定好 然后再根据需要的 电流求出相应的 值 选择所有用在电流源中管子的长度 把式2 3 简化为 生 堕 2 6 d 嵋 由上式可知 我们可以通过设置m 和m 2 的宽度米设置电流源电流的大小 住本设计中 采州的电流源电路如幽24 所示 由电阻r 和m l 确定了电流1 1 然后经 过调整m 2 m 3 m 4 m 5 等管子的宽长 比 根据上述等式可以得到想要得到的电流值 厦一届坠 生k一当厶 i k i n l 1 v d d 图2 4 本设计中电流源的形式 2 5 采样 保持 s i 电路 j 巧 5 采样 保持电路作为一个采样的器件广泛应片j 于转换器中 采样 保持电路存在一系列 的拓扑结构 它仃j 各有自己的优点 一种最简单的采样 保持电路如图2 5 所示 一个窄脉 7 而口在m o s f e t 的栅极 可以使输入电压信号 给采样保持电容c h 充电 闸门脉冲的宽度 大小应该达到当去除脉冲之前电容c 已经被充满电 其中的放大器只充当一个单位增益的 缓冲器 同时使保持电容和外接负载隔离起来 此电路为传统的采样 保持电路 由于开关 管沟道内电荷在关断后仍然继续流向采样保持电容 而在采样电容上引起附加的电压降使被 保持的信号电压产生失真 所以存在时钟溃通效应和载流子注入效应 1 0 1 4 这种载流子 注入效应的不利因素可以采用伪开关技术来避免 但是它对两个开关管的相互匹配性要求很 高 从而限制了它的抵消效果 文献 1 0 f 1 3 中表明 利用电容下极板采样技术可以避免电 荷注入效应的影响 因此本设计的采样 保持电路是按照电容下极扳的原理来设计 闻门赫冲 图2 5 一个基本的采样傈持电路 0 v o u t 挈r 丐 一 1 瓢 o l v 图2 6 电容下极板采样技术 图2 6 f i 2 表示的是电容f 极板采样技术的原理蚓 f 是输入的采样信号 当时钟西为 高电平时 信号电压通过开关管a 正传到采样电容q 上 此时 彳2 的控制时钟中 为高电平 电容的右极板接地电位 因此 电容c s 的左极板电压跟随信号电压作相应的变化 接着时 钟m 跳变为低电平 此时开关管 f 2 截至 闻此电容右极扳和地之间的通路被截断 极板 上的电荷也冈此失去泄放网路 此时极扳上保存的电荷量为9 c 此后 不管电容的 左极板加多大电压 电容两端的电压差值 矿 g c 一 始终保持不变 实质上已经完成 了电压保持的功能 随着 变为低电平 开关管m 关断 信号此时的输入电压值旷 会在 电容的右极板上以圪 y 的形式体现 其中的 为m 关断瞬间输入信号的电压值 以发现 在这个采样 保持电路中 当肼i 关断后 不管其沟道内有多少电荷注入到电容 上 在输出 端的电压圪 7 矿始终保持不变 有效地避免了电荷注入对输山屯压值 的影响 在本没汁中 考虑剑数模混合电路中 由丁数字逻辑电路的脉冲尖峰信号会通过衬底耦 合剑地电1 奇 中 从而在地电位中引进一个噪卢信号 因此实际上的地电位的i u 压值并不是始 终为0 的 而是有一定的波动 假如在采样 保持期间 那么以上推导的采样 保持值辅确度 就要减低 所以奉设汁中m 2 卜面接l 避免电荷注入的推导同理 具体如图31 6 所示 2 6 每级1 5 位结构及其如何消除对比较器的精度要求 这里说的级就是流水线的每级 如果是1 值的 用一个比较器的输出就可以代表 比较 器的输山可能是o 和1 如果是2 何的 两个比较器输f 的组台可能为0 0 o l 1 0 l l 如 果我们想得到15 位的 那么也需要两个比较器的组合 我们这里用a b 表示比较器的输出 组合 川a b 为o o 0 1 儿代表1 5 位的二个状态 隐 0纽型丝 单端输入和输出 2 0 0 oj 1 1 汀 7 j 髟 致射 i v c vv c 艟 22 双辖输入和输出 图2 7 每时钟周期l5 位的转移特性曲线 接下来我们考虑图2 7 所示的转移特性曲线 这里用的就是1 5 位的三个电平 我们可 以由等式2 7 1 3 写出1 5 位情况的特性曲线方程式28 和2 9 2 y j 6 o 一6 m 2 7 圪 2 一万6 o 一万6 k w 一口62 k m k w 2 8 或者 w 而 警丽粤埘 孚 或者如果曲 o o r l 2 那么吒 2 k 2 如果 d 6 o l k 一 1 1 所以 一h n 一 0 l 肼n 一所n 一 一 h 一 l 一 一一 一 一 一且t 1 l 一一一一一i 1 一 一 八 i 彳 一 一量一 骱 匝40 00 口 自 j 一 一 一 25 5 25 3 2 5 1 一 一2 4 9 2 7 2 5 7d s g 一 5 b 一 1 尊 一10 州i 鼻学 一i i o g 屯c 1 p 一 i e 1 唧 坤7 41 4o j 1 57 0 0 5 r r 口n i t n tr 一 e u 1 图3 1 1 电压比较器的转换时间 3 2 2 差分比较器的仿真结果 图3 1 2 显示了用来仿真在两个门限电压时差分比较器性能的电路 标识 d i f f e r e n t j 一c o m p a r a t o r 的模块包含一个图3 6 显示的电路 输出a 的差分比较嚣门限值 为半 输出b 的差分比较器fj 限值为半 这是通过一 和 的连接方法来决定的 仿真中 一保持在2 3 v 从2 4 5 v 斜坡上升到2 5 5 va 经过开关网络的作用后 电压比 较器的j e 相输入端为 k 华 电压比较器负相输入端为 y 二 二 卜 4 参考图3 6 中所示的开关网络和电压比较器的组合 时钟的幅度设置为5 v 额率殴置 为1 0 2 4 m h z 图3 1 3 显示了在不同fj 限值f 瓶个筹分比较器的性能 输入取之经过开关网 络之后 即电压比较器之前的输入 在硝结束时输入被锁定进行比较 在硝时输出有效 可以看山著分比较器在1 0 0 m h zf 性能相当立 毳 甚烁豢萋 1 哪 p h l j p p h l l p 删胁棚a l c 帅阳r n o r p 2 v c m 一 善 咕 篦 磊乒 v r 一 v r e t c l k 9 i k 2 p 簪 p h l 2 p p h l l p m h n 伽l c m o a r a t o r p h l 2 d p h l1 卜 一 吾芒i v m 娈主 一 3 0 1 毋 30 0 2 2 0 1 4 9 2g 日 2 5 0 17 0 7 a 3b 一 一1 0 0 图3 1 2 用来测试差分比较器的电路 p n e a 0 二i e s ia j f 1 r n t k p o r t o 删o ic 矿1 71 0 22 2 出酶 t r 口n 日1 e n tr e 口o n s e i o j 一 i i 一 二 j j 一 l li i j o 一一 一二i 徽躲 c c m 叫n 一 柏措占龊喘 腊 凫麟揣甜鼎 搏 加 m c 一 凡t nh 做凡 姝凡r 鼻臆九 h 啵 p 3 3 予d a c 幽3 1 3 在1 0 0 洲z 下差分比较器 子a d c 的性能 rd a c 的作 是提供一个代表输入采样信号中餐化部分的模拟电压电平的增益级 输入 信号减击餐化部分信q 产生一个残余信号 这个残余信号被送到f 一级 同时 3 21 也已 经提过 子d a c 根据fa d c 的输出计算出本级的数字字输出 对一个每级i 5 位的结构来说 子a d c 可以有3 种二进制状态 0 0 0 1 1 0 中的一种 这3 种状态 0 0 o i 1 0 分别各 白对应子d a c 的输出二争 o 孚 参考图3 5 中子d a c 的l j 限值侥置利本级相麻的一进匍 输出 3 3 1 子d a c 电路 子d a c 的概念和逻辑采用 2 3 中所述 优化n m o s 开关侵它远行在1 0 0 删zr 图3 1 4 显示了用来完成子d a c 和级输出的逻辑和开关的组合 用n 1 0 s 开关可以比用p m o s 开关占有 更小的物理面积 时钟 从子a d c 两个差分比较器的输出 a l 和b 1 以及它们的两个互补 信号的组合作为二个3 输入与非门的输入信号 子a d c 输出的互补信号用反相器得到 m s b 和l s b 管脚形成3 种二进制输出状态中的其中一种 这些都作为中间数据被发送到移位寄存 器 它们在所有9 级的输出都到来之前一直保持在移位寄存器中 p 幺和 为相应于本级 给定的二进制输出的子d a c 的模拟输出 p 赢和 为增益级的输入 在增益级中原始输入 一 信号减去它们形成残余信号 且生成的残余信号要乘以一个增益因子2 增益因子2 是为了 确保残余信号传输到下一级时保持在正确的门很范围内 正是因为这个原因 所以子d a c 的输出呓 和 不是二争 o 二争 而是一珞 o 增益因子2 在子d a c 输出送到 增益级之前已经经过考虑了 表3 2 列出了子d a c 输出 p k i 和屹 2 的所有可能状态以 及本级相应的输出 m s b 和l s b n 1 0 s 开关网络产生模拟输出的速度将通过优化 以达到 1 0 0 m h z 的需求 a l a 2b 1b 2 欢 m s bl s b p 二 2 ol 01 1 o 0 oiiol0l p 么 1o1ollo y 毛v 二 表3 2 级输出的真值表和相应子d a c 的输出 鐾虽 3 3 2 子d a c 仿真结果 图3 1 4 子d a c 电路原理圈 子d a c 的仿真用的测试电路和测试条件都与子a d c 相同 参考图3 1 2 的测试电路及子 节3 2 2 中的测试条件 仅仅需要添加图3 1 4 的电路就可以r 两个差分比较器的输出 a 和b 连接到图3 1 4 子d a c 电路的输入 a 1 连接到a b l 连接到b 图3 1 5 显示了子d a c 的输入 模拟输出 数字输出和显示输出有效的改的波形 比较 表3 2 和i 璺 31 5 的结果可知子d a c 在时钟频率为1 0 0 m h zf 的功能正确 表3 2 中的p 么i 和 2 分别对应图3 1 5 中的 和 例如 对于a l b l 和晚都为商电平时 从表32 中我 j 可以看到子o a c 的差分输出为p p 惫r 相应的数字输出为l o 圆3 1 5 显示了 相同的结果 7 口 一t p h i 一2 三一艺 j 厂 nn 门 门 门几n 几几 厂1 门 口j 门厂1n 厂 几 一 一 一 3 d 一 一1 日 7d 3 口 一 一10 20 一 0 0 一 一2 口 二u j 一 几一叫 凸 j f f 1f l j 邶 l 一丑 4 8 b t i m e s 1 2 1 6 2 口 3 4 增益级 图3 1 5 在1 0 0 j l i zf 子d a c 的性能 每级的晟后一个模块是增益级 增益级的作用是从原始输入信号中减去子d a c 的模拟输 出得到残余信号 并且把此残余信号送到下一级的输入 此模块包括一个采样保持 s h 电路 一个o t a 运算跨导放大器 积分电容和开关 3 4l 下极板采样保持电路 s h 图3 1 6 为根据流水线增益级而得剑的简单的采样和保持电路 当采样时间结束时 电 容的下极板充电到k 上极板充电到 f 极板开关在上极板开关之前关断 当不 连接 时电容f 极板允许浮空 这样就可以阻i e 任何来自n m o s 开关的电荷注入 同时控制 压降 加在电容极扳r 因此电容上所想要的电爪采样信号就得到了保存 注意杓 实际电 路中电容r 极扳连接在o t a 输入差分对其中的一个栅极上 这个栅极被充电剑k 类似丁 开路电路 一 一 一 u j 壤 上 图3 1 6 下极板开关的原理 l e le s c o p i co t a 结构 本设计采用了t e l e s c o p i c 结构的o t a l e le s c o p i c0 t a 主要是因为它比别的结构简 单而且可以具有很快的速度 在 2 1 中有各种放大器的比较 最后没计所用的t e l e s c o p i c 结构的o t a 结构如图31 7 所示 输入和输出管脚代表电路中连接的节点 完整的原理图见 32 1 有一差分对来感应输入电压的区别 如果此差分对工作在饱和区 当其中的一个晶 体管打开时 另一个将关断 则其中的一条支路将向输出流出电流 而兄一条支路从输出负 载吸收电流 输入晶体管的矽 值很大 可以提供一个高的跨导系数 使电荷很快地移动 剑测试电容上 必须特别注意的是 输入差分对一定要工作在饱和区 而不是在线性区 工作在线性区 将导致o t a 的非线性 而且导致很筹的暂态响应 如直流增益的减小 t e le s c o p i c 结构与其 它的方法不同在于它需要的共模输入不同于共模输出 因为输入筹分对要t 作在饱和区 这 必须在t e l e s c o p i c 结构州在一个大的电路中之前要考虑好 如果0 t a 的差分输山崩到另一个 0 t a 的若分输入 它们的共模模式麻该进行调整 晶体管m 1 0 5 和m 1 0 6 占 输入对输山进行缓冲 这两个管子都j 作在线性区 它们充当小电 阻 它们都受o t a 的增益白举部分的偏置 图3 1 7 t e l e s c o p i co t a 结构 增益自举 增益白举的原理见图3 1 8 本屯路经 2 9 中修改而成 实质上m l l 0 和m i l l 充当一个 简单的带电流源负载的简单共源n m o s 放大器 这个辅助放大器的输出提供一个输出电压来 偏置m 0 5 和m 1 0 6 的栅极 这个辅助放大器的增益乘以t e l e s c o p i c 部分的增益 就可以提 供一个很高的直流增益 结果可以很好地建立 因为在信号路径上没有加栅极 所咀它也不 影响屯路的速度 有研究证明增益自举可以加快建立时间 11 增人通过辅助放大器的电流可以把电路的 非主极点移到虚轴 1 1 1 这也产生了增大电路单位增益带宽的效果 在某种程度l 辅助放 人器的增益减小 电路不能获得所需的精度 电流的过度增加也会引起系统的不稳定 图3 1 8 增益自举部分 宽摆幅共源共栅偏置网络 图3 1 9 显示的偏置网络是建立在宽摆幅共源共栅电流镜 1 0j 基础之上的 之所以要选 择共源共栅源 是因为它可以保证t e l e s c o p i c 放大器上半部分的偏置电流尽可能的恒定 以确保处理的精度 共源共栅配置中的一个晶体管镜射电流 别的晶体管基本卜是充当在电 路中变化的电压和电流源之间的一个缓冲器 宽摆幅配置减少了普通的共源共栅偏置中的信 弓摆幅的限制 其源共栅偏置不一定在电路的下半部分 刚为共模反馈电路会对偏置电流进 行调整 防 r 输出漂移 共模反馈电路将在下面讨论 v l v 2 v 4 图3 1 9 宽摆幅共源共栅偏置电路 共模反馈 当放大器提供充分的增益时 全差分0 t a 中的共模反馈保持输出不漂移过高或者过低以 至于超出范围 共模反馈 c m f b 电路如图3 2 0 所示 它建立在 1 0 中的设计基础之上 它用两个差 分对去感应平均输出电压和外部提供的共模电压v c m 的差别 v c m f b 抖j 来偏置一个偏置电流 源中的晶体管 以来防止共模模式发生漂移 只要通过0 t a 上部和下部的电流保持相当好的 平衡 c m f b 电路中的电流不需要太大 由于共模反馈电路只在电路的下部添加偏置电流 上半部分的电流稍微高一些 在本设计中 通过c m f b 的电流人约为2 0 u a 幽3 2 0 共模反馈电路 完整电路 图3 2 l 所示的电路为本流水线设计的o t a 电路 图3 2 l 完整0 t a 电路原理圈 t e l e s c o p i c0 t a 的测试 这里对0 t a 进行不同的测试 包括暂态响应测试和频率响应测试 图3 2 2 显示了测试o t a 暂态响应的测试电路图 通过5 0 0 f f 的电容 v 电压的差别加 在了输入 这些电容上的电荷传输到反馈电容上 在输出产生一个l v 的电压差别 输入通 过虚短路接在一起 阶跃输入钓上升时间为2 n s 更短的上升时间增加了阶跃响应的速度 图3 2 3 的电路崩来进行仿真l e l e s c o p i co t a 的开环增益 在c a d e n c e 软件中进行a c 分析 测试0 t a 时还包括测试反相运算放大器和止相运算放大器 图3 2 4 显示了测试反相放 大器的配置 输入有8 0 0 m v 的直流fj 限值 o t a 的负输山开路 使它成为个单端输出 其 中的电阻做反馈 使整个电路有一个有限增益 幽32 5 显示了测试止相放大器的配置 在此测试中 测试等分输山并且与差分输入相 比 整个电路由r 电阻的存在有个止的非零增豁 图3 2 2 暂态响应的测试电路 图3 2 3 开环增益的测试电路 图32 4 反相放大器的测试电路 屿 誊 吣 l h 争 图3 2 5 止相放大器的测试电路 仿真结果 测试电路暂态响应的结果在图32 6 中 左边的波形为o t a 的输入和输出 右边的波形 显示了差分输出电压 目的是为了在输出处理之后得到一个1 v 的差别 至少有1 0 位的精度 注意 麸模输入信号正好在共模输出之下 这样就可以保证如上所述的输入差分对处于饱和 区 只要输出差别可以区分到2 1 0 v 或者l m v 之内 o 私就可以得到1 0 位的精度 图3 2 7 显示了一个典型的建立n 十间测试 差分输出在3 8 n s 内可以得到9 9 9 m v 而且在3 5 n s 内返 同小于l m v 图3 2 8 显示了开环增益的仿真结果 仿真电路有一个6 3 d b 的直流增益 在8 6 5 k h z 时 有一3 d b 的带宽 输山波形也说明r 只通过0 t a 和通过输出缓冲器的频率响应的对比 仿真 的单佗增益频率大约为i g h z 然而模拟缓冲器使高频超过i o m i k 的测试不能进行 剧3 2 9 显示了反相放大器的输入和输出 测试的增盏大于一6 v v 图3 3 0 显示了正相放大器的著分输入和输出 左图显示了实际的输出电压 右图显示 了著分输入和等分输 i 的波形 n e 1 v o c 1r o s t c t 3 口e 0 0 e l i t 0aij 口05 口0 n 10 u t i m e 目 11 日 1 0 0 m 一1 0 0 m j 一5 日b m m 一 一v 1 w o 一 i l 2 5 t i m u s 15 2 图3 2 6 暂态响应仿真 o m e 计甜n i 7 in t t 7 l t n r 日8 s e 0 目 9 9 8 日0 n9 9 90 日n10 日0 0 u1 口b 1 0 u1 0 日2 0 u1 日0 3 0 u1 即4 口u 图3 2 7 l 沿的建立时间测试 m m m 嘶 嘶 7 b j 一 一 l p fj ll 1 iil r i 0 一 n d n a 0 一f r 甜0 0 t l b6 c 口旷ql j c 蛳 1 e 7 5 cr d n s e 7 d a j 口 叩 g i v 叶川 一 j r er j r l i n a 一 1 g 州 胆 啪 1 1 5 0 5 0 1 口 一1 0 d 一 一3 0 5 0 7 口 一9 0 1 明 1 1 一8 0 0 巾 6 日0 n 1 牛0 0 m 2 口0 m 日叩 1 a a1 k 1 口k 日0 v o b 州恕r 僦i j 甜 艳 j 图3 2 8 频率特性仿真 口 删 i 1 e 町 帆 m p i n e r e s t 科 1 o l 却r 54 j2 2 0 胁 t r o n s i e n lr e s d o 几s e 八八 v b u f e j v 厂 f j 4 j 八 7 1 l 40 m5 日m 口 j 一 宝 ipol i v p 飞 k o 日 9 c 6 n r n 乱 唧t 口 n t 却r f 5 培 一 日r t s l e n tr e 8 j o 一 目 v 0 一b o6一o 5 0 i 2 日m40 m t i m e s 3 4 3 增益级设计 5 口m日0