CMOS图像传感器中低功耗流水线ADC的设计.doc

1、天津大学硕士学位论文CMOS图像传感器中低功耗流水线ADC的设计姓名：李红乐申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：姚素英20090501（），（），岬，毗，：（）（）（）（），（），：，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和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘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了谢意。学位论文作者签名：奎红承签字日期：年月多日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解鑫鲞

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3、围。这些应用领域包括：高清数字电视、无线通信、红外探测、图像传感器等。在图像传感器中，的集成方式主要有种，即像素级模数转换器（）、列并行模数转换器（）以及芯片级模数转换烈】（）。对于芯片级模数转换器而言，整个芯片只采用一个对整个像素阵列所采集的模拟信号进行模数转换，因而，要求具有较高的转换速度。而对于百万像素的图像传感器来讲，为保证较高的图像质量，除保证每秒较高的帧频外，还要求芯片级满足系统精度（一般为位）与性能指标（、等）的要求。流水线（）是一种可以同时实现高速、高分辨率的模数转换器结构，因而成为高性能图像传感器的首要选择。随着图像传感器越来越多的应用于移动便携设备，如手机、数码相机、笔记本

4、电脑等，对图像传感器的低功耗设计提出了要求，而流水线作为整个图像传感器系统的一部分，其低功耗设计也就变得十分重要。本文重点讨论的问题就是，如何在保证基本性能指标的前提下，设计功耗尽可能低的流水线。图像传感器的发展现状早在世纪年代初期，国外就已成功开发出图像传感器（），但在分辨率、动态范围、噪声和成像质量等方面都不如当时的，因而一直无法与之抗衡。到年代初期，随着超大规模集成电路以及工艺的快速发展，图像传感器显示出了强劲的发展势头，通过在单芯片内集成转换、信号处理、自动增益控制、精密放大和存储等功能，减小了系统复杂性，并降低了成本。此外，图像传感器还具有成品率高、单电源供电、低工作电压、低功耗、可

5、对局部像元编程随机访问等优点。第一章绪论目前，国外诸多公司和科研机构已成功开发出不同光学格式、多种类型的图像传感器，并将这些传感器应用于光谱学、射线检测、天文学（观测研究）、空间探测、国防、医学、工业等不同的领域。其中，（）公司采用岬制造技术及独特的有源阵列传感专利技术已制造出，及线阵图像传感器和具有低暗电流、高灵敏度、反光晕的面阵单片成像系统；公司也已推出，和的面阵光敏二极管图像传感器，其中面阵的最高读出速率可达；（）现能提供像素的黑白（或彩色）光敏二极管图像传感器，其图像质量、噪声和灵敏度接近或超过相应像素的，在反光晕、体积、功耗方面优于；采用技术最新生产的动态范围高达，帧频可达，的数据传

6、输速率可达，可用于生命科学，数字相机，特别适宜用在焊接、切割监测、机器人技术及交通管理等光线强度变化大的场合：此外，和国家半导体公司还采用工艺首次成功开发了万像素（）图像传感器，这是迄今为止全球集成度最高的器件，其像元尺寸为，芯片尺寸为。同时，为了在图像传感器技术领域占有一席之地，国内众多科研院所及公司也都开展了图像传感器的设计、研制和应用开发工作，并取得了一定的成绩，这其中包括：复旦大学、浙江大学、西安交通大学、中国科学院微电子研究中心、天津大学、深圳康达电子技术有限公司、方正科技信息产品有限公司、北京恩威电子技术有限公司、联想企业集团等。随着集成电路工艺的不断进步和完善，图像传感器将会取得

7、更为迅速的发展以及更为广阔的市场前景。图像传感器的结构图像传感器可以根据像素结构的不同，划分为：无源像素图像传感器【（）、有源像素图像传感器【】（）、数字图像传感器（）。下面将对这种不同的图像传感器结构进行简要介绍。无源像素图像传感器年首次提出了光电二极管型无源像素结构用，出现最早，结构也最简单，一个像素由一个反偏光电二极管与一个开关管构成，如图所示。由于无源像素单元结构简单，仅有一个光电二极管与一个选通管，故在给定第一章绪论的像元尺寸下具有最大的填充系数与高的量子效率，而且可以实现二维寻址。但由于读出列总线的电容较大，其读出速度较慢，读出噪声也较大，因而不适宜向大型阵列发展，限制了其应用。图

8、像素结构图像素结构有源像素图像传感器为克服无源像素结构的缺点，可以采用有源像素结构，在像素内引入一个或几个放大器，在像素内对信号进行放大。图是光电二极管型有源像素单元的一种典型结构（），包括一个光电二极管、一个复位管、一个源随器输入管与一个行选管，其中放大器是源随器输入管与列共用的负载管构成的源跟随放大器。源跟随放大器的引入，增强了像素的驱动能力，缓解了无源像素读出速度慢的缺点；而由于引入复位机制，使得像素的噪声得以降低，因而，相对于具有灵敏度高、速度快、噪声低等优点，但由于每个像素内有三个晶体管与一个光电二极管，导致其像素尺寸较大、填充因子较低。数字图像传感器随着工艺水平的不断提高，数字图像

9、传感器可以在片内实现信号的数字化，在芯片内集成。目前，图像传感器中的集成方法主要有：像素级、列级与芯片级。）芯片级的数字图像传感器图为芯片级的数字图像传感器的示意图。芯片级目前多采用流水线来实现，由于整个芯片只集成一个，故要求具有较高的转换速度，对于视频信号，一般要达到。与此同时，高转换速度也会带来较高的功耗，但由于单独放在像素阵列之外，因而面积没有很大的限制。）列级的数字图像传感器图为芯片级的数字图像传感器的示意图。由于每列共用一个，第一章绪论因而可以降低的转换速度，但在列的方向上会限制的面积，目前多采用单斜结构或来实现。）像素级的数字图像传感器为了进一步降低的转换速度，可以采用像素级，即每

10、一个像元或每一个像元组（、等）共用一个，图为像素级数字图像传感器的示意图。由图可见，每个像素内包含了与，使得像素结构的复杂度大大增加，同时降低了填充因子。目前常用的有精简过采样结构的，以及多路位串行（）结构的。二丁工工鲁一上匕卫一一卜一斗卜一喜一叶十卜叶卜一一广广一崔一上一一一上一一一一卜一十卜卜一一，卜一，弋乡。弋夕图芯片级示意图图列级示意图图像素级示意图第一章绪论的性能参数模数转换器在本质上，是在某些离散的时间点，将模拟输入信号转换为对应的数字代码，模拟输入可以是哳之问的任意值，对于输入为。的一个信号，经过理想的比特模数转换器后，其量化结果为圪：景，乙占其中，为的位数，咋为的满量程，为各位

11、的数字量化输出，为量化误差。衡量一个的性能的好坏，必须根据其性能参数指标【加来确定，的性能参数分为静态特性参数与动态特性参数。的静态特性参数分辨率分辨率代表模数转换器可以最小量化的信号水平，定义为满量程除以量程的子区间数，即各个分立输出电平间的最小量化间隔：啪等（）一个高分辨率的可以比一个低分辨率的转换出更小、更精确的信号，但分辨率也会受到噪声、非线性因素等的影响而降低。量化误差量化误差是的固有误差，即使理想的，由于转换精度的限制，也会存在量化误差。图为位的传输特性曲线，横轴代表模拟输入，纵轴代表数字输出。由图可见，由于位数的限制，传输曲线从理想的直线（虚线）变为了台阶状，它和理想传输曲线之间

12、的差值就是的量化误差，如图中下半部分所示，一般要求的量化误差要小于，为了减小量化误差，应该增加的位数，即提高的转换精度。第一章绪论图一个位的传输曲线与量化误差示意图失调误差所谓失调误差，是指实际模数转换器的最低（或最高）判决电平与理想模数转换器的最低（或最高）判决电平之间的差值。增益误差所谓增益误差，是指除去了失调误差，将实际与理想模数转换器的最低判决电平对齐后，二者最高判决电平之间的差值。非线性误差一般，的非线性误差有种：微分非线性误差（，）与积分非线性误差（，）。对于一个理想的模数转换器而言，所有的判决电平都位于一条直线上，而对于一个实际的模数转换器来说，并不是所有的判决电平都位于一条直线

13、上，而是每一点都会存在一定量的偏移。是指实际的转换特性曲线中，所有台阶宽度与理想台阶宽度（）之差的最大值，而是指实际转换特性曲线中的量化参考值与理想的量化参考值之差的最大值，其中，量化参考值是指台阶跳变时所对应的模拟输入值。图为一个位的与的例子。弓暑。一廿一；毋第一章绪论图一个位的与示意图的动态参数信噪比（，）信噪比是指输出端的信号与噪声的比值，一般以为单位，记作或。其中，信号指基波分量的有效值，而噪声指奈奎斯特频率（）以下的所有非基波分量（不包括直流分量）的总有效值，可以表示如下（删【，掰】以。）（）对于一个理想的位的来说，其噪声主要是量化噪声，理论上的为（）（）这也是实际的的上限。信噪失真

14、比（或，）信噪失真比又称信纳比，是指被测输入信号的有效值与奈奎斯特频率以下的所有噪声与谐波分量（不包括直流分量）的总有效值之比，记作（），其数学表达式为（彳。，】以，。，】。【，聊】）（）第一章绪论其中，。倒为被测输入信号幅度的均方，为噪声幅度的均方根，么姗。为谐波分量。无杂散动态范围（，）一“图随输入信号的变化曲线无杂散动态范围表示输入信号的有效值与峰值杂散信号有效值之间的分贝值之差，即（）。）（。瓯）一，。）（）其另外一种定义方法为，产生最大的与产生的所对应的输入信号能量之比，要得到这个量，可以通过画相对输入信号幅度的曲线来得到，如图。总谐波失真（，）总谐波失真是指，输出信号中所有谐波分量

15、的总有效值与基波幅度的有效值之比，用表示，数学表达式为。（扣二二忑了葡）彳】膦（）其中，】娜为基波幅度的有效值，至么肌【邺】为二次到次谐波的均方根幅度。第一章绪论有效位数（，）在实际应用中，由于会存在噪声与失真，这会等效的降低的位数。实际可以达到的位数称之为的有效位数，表达式为本文结构（）（）本文主要分为六章，第一章中介绍了课题背景、图像传感器的发展现状、图像传感器的结构以及的性能参数指标；第二章介绍了几种常用高速的结构；第三章中通过仿真工具，对流水线进行了行为级的系统建模：第四章主要讲述的电路实现以及仿真结果；第五章从系统的角度出发，对流水线进行整体的性能仿真；第六章对全文进行总结，并对未来

16、的研究工作进行展望。第二章高速的原理及性能比较第二章高速的原理及性能比较在转换器的发展过程中，曾先后出现了许多的体系结构，有的侧重于高速度，有的侧重于高精度，有的则侧重于低功耗。下表为各种转换器的结构和性能特点的简单比较，从表中可以看出，速度、精度、功耗是转换器的三个重要约束条件，但这三者之间又相互依存、相互制约，任何的一种转换器都无法使三者同时达到最优，因而，要在三者之间进行折衷设计，以达到所期望的性能指标。另外，在要求高转换速率的场合（几十以上），可以采用全并行、两步式、折叠式、内插式以及流水线等结构的转换器。综合考虑高速、高精度、低功耗等性能要求，流水线转换器在三者之间达到了最佳折衷，因

17、而是本文的关注重点。表各种转换器的结构及比较全并行结构转换器全并行结构的又称为，是目前速度最快的一种。一个位的由个比较器组成，且包含“个参考电压值。每个比较器都采样输入信号，并与各自的参考电压进行比较，然后根据输入信号的大小第二章高速的原理及性能比较产生一个数字输出或。个比较器的数字输出一般称为温度计码，即在比较器的数字输出编码中，所有的都在上面，而所有的都在下面，与的分界线表明了输入信号的大小。一个位的如图所示。图中的编码器负责将温度计码转换为常用的二进制码。由于所有的比较器并行工作，故转换速度仅受限于比较器与采样器的速度。但随着分辨率的提高，的面积和功耗将以指数形式显著增加，硬件消耗较大。

18、对于一个位的，其需要的比较器数目为个，这会占据相当大的芯片面积，消耗相当可观的功耗。另外，如此多的比较器都要通过一个采样保持电路来驱动，这相当于采样保持电路驱动了一个非常大的负载电容，其建立时间会显著增加，从而极大的降低转换器的速度。此外，对于一个位的，要求其比较器的失调电压小于“，随着分辨率的提高，这一失调电压会变得非常小，因而，一般不适宜应用于高分辨率的场合，其分辨率一般小于位。输入两步式转换器图位的出为了进一步的提高分辨率，并保持较高的转换速率，在全并行结构转第二章高速的原理及性能比较换器的基础上，提出了两步式转换器，其电路结构如图所示。这种结构的转换器由两个全并行的、一个转换器与一个减

19、法器构成，其工作过程为：首先，由粗量化（）对输入信号进行量化，产生高，位的数字输出（），然后通过将此高位的数字输出转换为模拟信号，并从最初的输入信号中减去，所得的余量信号再通过细量化（）进行量化，产生低位的数字输出（）。最后，由高位与低位组合形成最终的数字输出码。由于两步式的最终数字输出要经过两次转换，因此，相对于全并行转换器来说，其转换时间要长一些，但仍然可以达到较快的转换速度。此外，两步式转换器所需要的比较器数目要远远小于相同分辨率的全并行结构的转换器，从而大大节省了功耗和芯片面积（例如，同样是位的转换器，全并行结构的需要个比较器，而两个都是位的两步式结构只需要个比较器）。流水线转换器图两

20、步式转换器年，第一个单片集成的流水线转换器成功问世，此后，这种结构的模数转换器获得了不断的改进，从而成为高速、高精度转换器领域的主流产品。流水线转换器的基本结构流水线（）的结构框图如图所示。从图中可以看出，这种结构的分为级，每级位（加是为了用于数字误差校正），最后第二章高速的原理及性能比较一级是一个位的全并行结构的。在结构组成上，主要包括采样保持（）电路、减法器、级间增益放大器以及数字误差校正电路。口“图的结构框图在开关电容实现时，采样保持（）器、减法器以及放大器被看作一个单独的电路模块，称为。虚线框中是每一级的具体结构，其具体的工作过程为：输入电压首先被采样保持（）电路采样，同时被数字化，形

21、成本级的数字输出，随后，转换的结果被转换为模拟信号，并从采样保持信号中减去，形成余差信号，然后，余差信号被放大倍，送至下一级。此过程重复进行经过每一级，直至完成最终的转捌】【】。目前，多采用开关电容技术实现，也有的采用电流模技术，但至今还不成熟。流水线转换器的优势流水线转换器由于在各级之间都加入了采样保持电路，使得各级之间可以实现并行工作，从而大大提高了转换速率。然而，流水线的结构使得数字码的输出延迟了若干个时钟周期，这在一些低速应用场合可能会不适用，但对于高速应用场合并不是一个明显的限制。另外，随着转换精度的增加，相对于两步式转换器来说，流水线的优势主要体现在增益放大器模块。流水线转换器中的

22、每一个增益级都会降低后续各级的精度要求，这样，在两步式转换器中，要有一半电路的精度达到整个的精度，而在流水线转换器中，只要求第一级的精度达到第二章高速的原理及性能比较整个的精度。例如，一个位的流水线可以采用级每级位的结构来实现（暂不采用数字校正技术），这样，每一级放大器的增益为，当第一级产生了本级的位数字量，并将余数电压放大倍传送到第二级时，剩余的级转换电路可以看作是一个位的流水线，这样，从每一级开始，后一级电路的精度要比前一级减少位。从而，在设计后级电路时，可以采用更简单的电路结构，消耗更少的功耗。此外，一般来讲，由于采取了分级操作，使得流水线每一级的有效分辨率都较低，从而，流水线的比较器数

23、目较相同分辨率的全并行与两步式要少很多，从而，节省了相当一部分的面积与功耗。综合来讲，流水线的优势主要体现在：）流水线各级在两相不交叠时钟的控制下并行工作，大大提高了转换速率；）流水线的各级都加入了采样保持电路，从而可以对高频输入信号进行精确的采样，另外，由于级间放大器的增益大于，使得后级的非线性效应可以被前级的增益所衰减：）转换器的整体芯片面积与功耗随着分辨率的增加基本上是线性增加的，而在全并行结构中，芯片面积及功耗是随着分辨率呈指数增加的，这样，在位以上分辨率的应用中，流水线可以明显的降低面积和功耗；）通过采用数字校正技术，可以将非理想因素对电路线性度的影响降到最低，放宽对比较器失调电压的

24、要求，从而采用动态比较器以减小功耗。流水线转换器速度与功耗分析速度分析目前，流水线转换器多采用开关电容结构来实现。在工艺中，运用开关电容技术可以将流水线中的、采样保持器、减法器以及放大器合并成一个放大器电路来实现，这个模块称为。在本质上就是一个开关电容放大器。在开关电容电路中，的工作速度与反馈因子呈正比，与级间电压增益呈反比。在中，电压增益级的带宽与反馈因子的关系可以表示为【】（）其中，为反馈因子，为的增益带宽积，如果不考虑输入寄生电容的影响，有级间增益，即级间增益与反馈因子呈反比，因此，的增大会降第二章高速的原理及性能比较低反馈因子，并进而降低环路带宽，增大级间建立时间，降低转换器的工作速度

25、。因而，在增益带宽积一定的前提下，若要加快建立速度，就要最大化反馈因子最小化级间增益，所以，为达到速度优化，应该取，即单级电路的分辨率（有效分辨率）为位，所以，从高速度的角度来考虑，单级分辨率一般采用每级位的结构，这也是高速高精度流水线经常采用的方案。功耗分析研究单级分辨率与系统功耗的关系，可以在很大程度上指导电路设计，从而达到系统低功耗的设计指标。在流水线转换器中，功耗主要来源于两部分：与比较器【。在流水线分辨率一定的前提下，如果每一级的单级分辨率较小，则整个流水线就需要较多的级来完成，这样，比较器的数目会相对较少，但的数目会相对较多，因而，所消耗的功耗会很大；另外，如果每一级的单级分辨率较

26、大，则整个流水线只需要较少的级即可完成，这样，的数目会相对较少，但比较器的数目会相对较多（近似指数增加），因而，比较器所消耗的功耗又会很大。因而，综合考虑，流水线每一级的单级分辨率不宜太小也不宜太大，即存在一个最优的子级分辨率，可以使系统功耗优化达到最佳【】【】。另外，由于流水线采用开关电容结构来实现，故的动态功耗与其驱动电容的电容值呈正比，为了降低功耗，就要使电容的电容值达到最小，为此，可以在各级之间采用采样电容的尺寸缩减（）技术来降低功耗，但在减小电容值的同时，又要考虑到对系统噪声以及信噪比的影响，因而，在系统功耗与信噪比之间存在一个折衷。对于分辨率一定的流水线，如果在各级之间都采用采样电

27、容的技术（特别是当级数较多时），为保证系统一定的信噪比，后级的电容值不能太小，这样，前几级的电容值就会非常大，相应的前几级的功耗也会非常大，从而与低功耗的设计初衷相违背。因而，一般常用的做法是，在流水线的前几级采用采样电容的技术，而在后几级均采用一个相同的最小可允许电容值，这个最小可允许电容值一般根据系统噪声的要求，通过行为级建模仿真来确定；另外，在流水线的前几级，采样电容值相对较大，因而可以忽略寄生电容的影响，但在流水线的后几级，采样电容值相对较小，已可以与寄生电容相比拟，因而，寄生电容的影响不能忽略，从这个角度考虑，在流水线的后几级也不适宜采用技术【】。此外，还存在一个最优的级间尺寸缩减因

28、子，可以使系统功耗达到最优，且这个缩减因子近似等于级间放大器的增益【】。在实际设计当中，每一级的采样电容值大小以及级间尺寸缩减因子的选第二章高速的原理及性能比较取，也要通过行为级仿真来确定，这将在第三章中进行讲述。最后，从比较器的设计角度来考虑。随着每一级单级分辨率的提高，对比较器失调电压的要求会越来越严格，从而比较器的设计难度也越来越大，因而，为了简化比较器的设计，每一级的单级分辨率也不宜过大。此外，由于数字校正技术放松了对比较器失调电压的要求，当单级分辨率较低时，还可以采用动态比较器来进一步降低系统静态功耗；如果单级分辨率过高，则由于失调电压的条件限制，必须采用低失调电压的静态比较器结构，

29、这会导致比较器部分静态功耗增加。综上所述，选用每级位的结构【叭，在流水线的前几级采用采样电容的尺寸缩减技术，并在中使用动态锁存结构的比较器，可以使流水线转换器的系统功耗达到最优。每级位流水线算法及实现每级位流水线算法在流水线转换器的发展过程中，出现过许多的校正算法，其中，最成功的算法是年提出的数字校正算法。这种算法的最大优点是，可以在很大程度上消除比较器的失调电压，且实现起来相对容易。因而，采用这种算法理论上可以达到更高的分辨率。下面就以每级位的流水线为例，来讲述这个算法。在每级位的流水线中，子模数转换器（）中有个比较器（最后一级除外，最后一级有个比较器），假设流水线的输入信号范围为（这里，）

30、，则比较器的个判决电平为珞（）与（），比较器的数字输出经过编码电路后，得到的最终输出为，这三个编码。流水线前级的转换曲线如图所示，其中，虚线表示比较器存在失调电压时的转换曲线，其传输函数的关系如下一比一圪一圪圪（）圪从转换曲线图和传输函数关系中可以看出，每一级子模数转换器的转换范围都是（），只要任何一个判决电平的偏移量不超过，就能保证本级最终的余量输出仍在的范围内，不会超出下一级的转换范围，也不会因为下一级过载而引入非线性误差。这样，只要子模数转换器的非线性误差小于，该非线性误差就可以被后续的数字校正电路校正过来。”阿鲫明明忱惋抛叭咖办咖比一圪，、【矿第二章高速的原理及性能比较膏衍图流水线前级

31、的转换曲线图流水线最后一级的转换曲线最后一级不能被校正，所以需要个标准的转换电平，转换曲线如图所示，其量化输出函数表示为矿（）（）（）矿一，（）矿圪（）所谓的数字校正电路就是根据流水线各级直接输出的数据位，纠正其中子模数转换器所引入的非线性误差（即比较器失调电压引入的误差），从而得到最终无冗余的数据位。图为数字校正算法的示意图，其中、。分别为第级数据输出的高位与低位。如果整个流水线转换器的量化范围为【，则这种结构可以完全消除中，比较器不大于所。水的失调电压。从图中可以看出，这种算法其实十分简单，只需要把每一级的量化值错位相加即可得到最终的正确量化结果。毗图数字校正算法示意图第二章高速的原理及性

32、能比较每级位流水线电路实现对于位精度的每级位的流水线，一共有级，每一级由产生位的数字输出，数字输出经转换为模拟量，并从本级的输入信号中减去，将得到的余量电压放大倍后，送入下一级。级共产生位的数据输出，然后通过数字校正电路错位相加，得到最终的位量化结果。流水线每一级的结构框图如图所示【。在实际的电路设计中，均是采用全差分的形式来实现，这里为了简化，选择单端的电路结构来解释其工作原理。电路采用开关电容的结构来实现，整个电路模块在两项不交叠时钟的控制下工作。在第一个时钟周期相，输入信号送入中，产生本级的位数字输出；与此同时，开关闭合，与对输入信号进行采样。在第二个时钟周期相，断开，闭合，将电路连接成

33、负反馈的形式，而此时的下极板连接到的输出端，的输出电压由，的位数字输出来决定。最后，在玩端得到本级的余量电压输出。因此，本级的输入输出关系式为（导）一圪一，（净圪砒册一，针（）（苦）圪一砌绷圪针对于每级位的流水线转换器，级间放大器的增益为，所以，这里选择。一一一图开关电容实现的每级流水线结构第二章高速的原理及性能比较小结本章中讲述了几种高速的结构及其工作原理，并重点分析介绍了流水线的基本结构、工作原理、相对其它几种高速的优势以及算法和电路实现，这对后面的系统仿真和电路设计具有一定的指导意义。第三章每级位流水线的系统级建模仿真第三章每级位流水线的系统级建模仿真随着集成电路工艺的不断进步，芯片的设

34、计复杂度日益增加，相应的设计周期也越来越长。为了缩短设计周期，就要尽量减少设计的重复性，以使芯片尽快投产，并进入市场。在传统的模拟电路设计中，一般都是直接从电路级的仿真入手，这样，只有在整体的电路设计完成以后，才能发现结构上的问题，在此基础上再重新设计电路，往往会延误设计周期，影响项目进程。流水线是一个复杂的数模混合系统，其中包括：采样保持电路（）、电路、子模数转换器电路（）、时钟对齐电路与数字校正电路等。为了能够在系统级上保证设计方案的可行性，就需要对整个进行行为级的系统仿真，并通过仿真确定子模块的性能参数，以指导后续的电路设计。目前，对于系统的行为级建模仿真可以采用的设计工具有：、等。其中

35、，是比较常用的数学工具软件，其具有强大的数值计算能力、丰富的专业工具箱以及优良的图形界面，而其中的】工具箱可以用来方便的完成系统模型的搭建，因而是本文的选择。每级位流水线的理想模型流水线每一级的实现对于每级位的流水线，其每一级的传输函数为矿：（圪一益）圪，一（圪一），一吃盯（）（一矿）时，哪，吃，其中，为本级的模拟输入，为本级的输出，为本级子模数转换器（）的数字输出，为量化参考值（设计中取为），与水分别为个比较阂值。从上面的公式可以看出，实现此传输函数需要用到个模块：用于比较输入信号与闽值信号，产生本级的数字输出；第三章每级位流水线的系统级建模仿真：根据数字输出选通对应的参考电压值（、）；：从

36、输入信号中减去对应的参考电压值，得到本级的余数输出；：实现倍增益放大。另外，一般在每级的最前端还要有一个采样保持模块（），整体的每级实现如图所示，表给出了各个模块的含义。图流水线每一级的实现表每一级用到的模块模块名称作用用于产生的输出，作为的输入实现对输入信号的采样保持，采样时间由的采样频率决定一维的查找表：用于实现和模块实现输入信号与参考信号的相减模拟余数放大，或用于数字移位用于显示结果每级位流水线系统功能验证将多个上述模块级联在一起，并在输入端施加一个正弦信号（），就可以对系统功能进行验证。下面以一个位的流水线为例，来讲述验证过程。首先将上述模块级联个，然后加入适当的数字处理模块（主要是用

37、于数字移位），最后输入一个的正弦信号并进行仿真，之后就可以通过观察输出结果。仿真结果如下图所示，图（）为每一级的输出，图（）为最后的数字输出。从图中可以看出，该系统可以完全实现的模数转换功能。第三章每级位流水线的系统级建模仿真（）每一级的输出（）最后的数字输出图位每级位流水线的输出位每级位流水线的最终实现为了实现位精度每级位的流水线，需要将个上述模块进行级联构成前级，第级是一个简单的，可以用实现即可；然后，通过模块对各级的数出进行数字移位，即第级的数字输出乘以，第级的数字输出乘以，第级的数字输出乘以；最后，通过模块将经过移位之后的各级数字输出相加，即得到最后的位量化结果。整体的实现如图所示。图位每级位流水线