（微电子学与固体电子学专业论文）用于数字电源的并行模数转换器的研究与设计.pdf

摘要 摘要 最近几年，数字电源异军突起，引起了人们的广泛关注。与模拟电源相比， 数字电源有许多优势：更高的系统可靠性、灵活性和易于集成。 数字电源中的a d c 用来采样输出电压，然后反馈回数字控制电路，对电压 波动进行调节。与传统a d c 相比，数字电源应用对a d c 的参数指标有特殊要 求。a d c 的绝对精度要求很高，转换延迟时间要小。而一般a d c 的传统应用， 如信号处理，对数据吞吐率要求最高，对直流偏移量和转换时间有较大容忍度。 因此传统a d c 不适合数字电源应用，必须专门设计新型电路以符合数字电源的 需求，并且a d c 性能优劣的评价标准与传统亦有较大区别。 适用于数字电源的新型a d c 有若干种，本文的研究对象是窗1 3 型f l a s h a d c ，其优点是结构简单，受工艺偏差影响小，性能稳定。 本文的特色，一是提出了一种解决电阻均衡网络终端问题的新电路，二是提 出了一种优化多级预放大器输入管面积的方法，在总体输入失调不变的前提下， 能够使各级输入管面积之和最小，从而降低其栅电容对前级的负载效应。电路采 用特许半导体0 3 51 l r n 工艺设计。 后仿真结果表明，当输入正弦信号频率为2 0 4 1 0 1 5 6 2 5m h z ，时钟频率为2 0 m h z 时，s n r 为2 0 9 2d b ，s n d r 为2 0 0 3d b 。与s n r 的理论值2 2 6d b 相比， 仅损失1 7d b 。 测试结果表明，d n l 和i n l 的3 a 值是分别是o 9 6l s b 和0 8 1l s b ，均小 于1l s b ，完全满足设计要求。动态性能方面，当信号频率为lm h z ，时钟频率 2 0m h z 时，s n r = 1 8 9d b ，s n d r = 1 6 9d b ，满足设计指标。 关键词：窗1 3 型并行a d c ；数字电源；电阻均衡；面积优化 中图分类号：t n 4 3 1 摘要 a b s t r a c t i nt h el a s tf e wy e a r s ，d i g i t a lv o l t a g er e g u l a t o rm o d u l e ( d v r m ) g r o w sf a s ta n d c a u s e sa t t e n t i o n sw i d e l y c o m p a r e dt ot h ea n a l o gv o l t a g er e g u l a t o r , d i g i t a lc o n t r o l l i n g h a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g h e rs y s t e m l e v e lr e l i a b i l i t y , m o r ef l e x i b i l i t ya n de a s y f o ri n t e g r a t i o n n ea d ci nd v r mi su s e df o rs a m p l i n gt h eo u t p u tv o l t a g e ，a n dt h e nf e e d st h e s i g n a lb a c ki n t ot h ed i g i t a lc o n t r o lb l o c k c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a la p p l i c a t i o n s ，t h e d v r ma p p l i c a t i o nh a ss o m es p e c i a ls p e c i f i c a t i o n so na d c s f o re x a m p l e ，i tn e e d s h i g hd ca c c u r a c ya n dl o wc o n v e r s i o nl a t e n c y h o w e v e r , t r a d i t i o n a la p p l i c a t i o n ss u c h a ss i g n a lp r o c e s s i n gc a l le n d u r eaf a i r l yl a r g ed co f f s e ta n dc o n v e r s i o n 1 a t e n c yb u t n e e dh i g hc o n v e r s i o nr a t e s i ti sn e c e s s a r yt od e s i g nn e wa d c st om e e tt h ed v r m d e m a n d s ，s i n c et r a d i t i o n a la d c sa r en o ts u i t a b l ef o rd v r ma p p l i c a t i o n s a n dt h e e v a l u a t i o ns t a n d a r df o ra d cp e r f o r m a n c ei sq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lo n e t h e r ea r es e v e r a ln e wa d cs t r u c t u r e sp r o p o s e df o rd v r m a p p l i c a t i o n s ，a m o n g w h i c hw i n d o w e df l a s ha d ci ss t u d i e di nt h i st h e s i s i t sa d v a n t a g e sa r es i m p l ec i r c u i t s t r u c t u r e ，i n s e n s i t i v et op r o c e s sv a r i a t i o na n ds t a b l ep e r f o r m a n c e t h et h e s i sf e a t u r e sa t2p o i n t s ：o n ei st op r o p o s ean e wt e r m i n a t i o nm e t h o df o r t h er e s i s t o r - a v e r a g i n gt e c h n i q u e 砀eo t h e ri st op r o p o s ea na r e ao p t i m i z a t i o nm e t h o d f o ri n p u tt r a n s i s t o rp a i r si nm u l t i - s t a g ep r e - a m p l i f i e r s ，w h i c hm a k e st h et o t a li n p u t t r a n s i s t o ra r e ao fa l ls t a g e sm i n i m u mw h i l ek e e p i n gt h et o t a li n p u t - r e f e r r e do f f s e t w i t h i nad e s i r e dl e v e l t h e r e f o r et h el o a de f f e c tb yt h eg a t ec a p a c i t o ro nt h ep r e v i o u s s t a g ei sr e d u c e d t h ea d ci sd e s i g n e du s i n gc h a r t e r e d0 3 5h a lc m o s p o s ts i m u l a t i o ns h o w st h a tt h es n ri s2 0 9 2 d ba n ds n d r2 0 0 3d bw i t h 2 0 4 1 0 1 5 6 2 5m h zs i n ew a v ei n p u ta n d2 0m h z s a m p l i n gr a t e c o m p a r e d 、析ms n r s i d e a lv a l u eo f2 2 6d b ，t h el o s si so n l y1 7d b t e s t i n gs h o w st h a tt h ed n u sa n di n l s3 ov a l u ea r ea l t e m a t i v e l yo 9 6l s ba n d o 81l s b b o t ho ft h e ma r ew i t h i n1l s ba n dm e e tt h ea d c s p e c i f i c a t i o nv e r yw e l l t h es n ri s1 8 9d ba n ds n d r1 6 9d b 晰m1m h zs i n ei n p u ta n d2 0m _ n zc l o c k ， w h i c h m e e tt h ed e m a n d k e yw o r d s ：w i n d o w e d t y p ef l a s ha d c ；d i g i t a lv o l t a g er e g u l a t o r ；r e s i s t o ra v e r a g i n g ； a r e ao p t i m i z a t i o n c l cn u m b e r ：t n 4 31 第一章绪论 第一章绪论 1 1 模数转换器概述 模数转换器( a n a l o g t od i g i t a lc o n v e r t e r ，简称a d c ) 就是将模拟信号转换 成数字信号的接口电路，它的功能是将来自外界的模拟输入信号转换为与之相对 应的数字代码。近十几年来，随着数字集成电路的飞速发展，在一块芯片上已经 实现了可集成几千万个元件的数字系统，数字信号处理系统( d s p ) 的数字处理 能力也越来越强。与模拟信号处理系统相比，数字信号处理系统具有动态范围大、 可靠性高、功耗低、轻便灵活以及可实现智能控制等优点，适于各种应用场合。 从而在信号的传输和处理方面，数字电路比模拟电路具有更大的优势，现行的系 统大都采用数字系统来进行处理。然而由于自然界的基本信号，如传感器信号、 语音信号、雷达回波信号等大多都是模拟信号，因此信号处理系统所要处理的大 部分信号都是模拟信号。而且，系统在进行数字处理之后，往往还要将这些数字 信号再转换为连续的模拟信号以实现对系统对外界的控制。因此，在模拟世界和 数字处理系统之间，必然要存在接口部分。一个典型的信号处理系统的处理过程 如图1 1 所示。 模掇输入 预处理( 滤波 一 后缝理( 模敛 和模数转换) 转换和滤波) 图1 1 信号处理系统框图 第一部分的框图为信号的预处理部分，这部分包括滤波部分和模数转换部 分，它的作用是将来自外界的连续信号转换成为数字系统可识别的数字信号。第 二部分为数字处理部分，其根据系统功能的不同对数字信号进行数字处理。第三 部分是后处理部分，其功能是将系统处理过的数字信号再转变成为模拟信号以便 系统实现对现实世界的控制，它包括数模转换器和滤波电路部分。随着数字信号 处理技术的发展，系统处理数字信号的速度也越来越快。由于模数转换器和数模 转换器在数字系统与外界之间起桥梁的作用，因此要求作为接口的模数转换器和 数模转换器也要满足数字处理系统对速度和精度的要求。通常模数转换器的结构 和功能都较数模转换器要复杂，这是因为模数转换器在进行模数转换时要对模拟 信号进行采样、保持、量化、和编码。而且，模数转换器内部包含了数字和模拟 电路，是典型的数模混合电路。模数转换器从早期的组件型和混合集成型到单片 第一章绪论 集成再到现在作为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，模数转 换器的发展充分体现了模拟和数字系统相互结合的趋势。 当今模数转换器研究的一个主要方向是将双极( b i p o l a r ) 工艺和m o s 工艺 相结合。前者的速度快，而后者的集成度高，输入阻抗高，功耗小。两者优点的 结合极大的推动了模数转换器的发展。随着设计技术的发展和生产工艺的进步， 现在市场上不断出现高性能的模数转换器，其在速度和分辨率方面与以往的模数 转换器相比有了极大的提高。按设计的原理分类，传统的模数转换器可以分为积 分型和比较型两大类，积分型包括单积分型、双积分型、电荷平衡型和脉宽调制 型；比较型按大类可分为反馈比较型和非反馈比较型，前者可分为逐次近似比较 型和跟踪比较型，后者可分为串行型、并行型和改进型。一般而言，积分型模数 转换器主要用于低速应用；反馈型用于中速应用；串行比较型和并行比较型主要 用于高速领域。 1 2模数转换器的发展趋势 高性能的模数转换( a d ) 接口电路常使用在混合信号处理( m i x e ds i g n a l p r o c e s s i n g ) 的电路设计上，随着半导体制造技术的日益精进，产品的趋势朝向低 成本、低耗电量、多功能及体积小的便携式产品上发展，因此单片系统 ( s y s t e m o n a - c h i p ，s o c ) 设计也就被用来解决日益复杂的电路设计，这也表 示除了性能外，电路设计时的功率消耗、复杂度及整合能力也是现今电路设计上 的重要考虑因素。 目前a d 转换器主要的研究方向大多着重在有效位及速度上的提升，这样 才可以处理更快且更复杂的模拟信号，但在通信网路或是磁盘驱动器读取通道 ( d i s k - d r i v er e a d c h a n n e l ) 的应用中，a d 转换器的分辨率只须6 - b “即可，其设 计的重点在于要求快速的转换时间及较低的功率消耗，并且采用c m o s 的制造 工艺来设计，以降低生产成本及提高电路的整合能力。目前低分辨率的a d 转 换器电路大部分是利用c m o s 的方式来设计，这样不但可以设计出便于应用的 i p 组件，可轻易地与其它不同的电路集成在同一芯片上，也可以降低制造成本 及增加可靠度。 模数转换和数模转化是混合信号处理系统中的关键部分。随着半导体技术的 连续发展和器件技术尺寸的持续缩小，数字电路已经能同时达到高速和低功耗。 这种趋势对混合信号集成电路( i c ) 的发展产生了一下几个影响：首先，系统的 工作更多的由数字电路完成而不是由其相应的模拟部分完成；其次，为了充分发 挥先进工艺的优势，模数转化和数模转化的速度必须紧跟工艺的发展速度；最后， 第一章绪论 研发费用和性能的限制使得混合信号处理系统很难在单片上实现很高的集成度。 由此可以看出模数转换电路设计的几个重要的发展趋势： ( 1 ) 高分辨率和高精度 现代信息技术的高速发展，在多媒体领域内越来越要求数字化信源具有更大 的动态范围，这就要求各类信号转换和处理芯片的精度越来越高，也就是要求模 数转换器具有高分辨率。高分辨率的模数转换器常采用的是一型结构，该结 构的a d 转换器己被用于数字音频、视频系统中，大大提高了音频、视频信号 的动态处理范围和信噪比。 ( 2 ) 高速度 模数转换器的速度永远都是人们追求的目标，现今数字化信源的带宽越来越 宽，转换器的工作速度也越来越高，速度和精度之间的矛盾日益突出，虽然流水 线结构能够在一定程度上缓解速度和分辨率之间的矛盾，为数字视频和数字通信 领域提供了高速、高分辨率的a d 转换器。但是对于某些特定条件下的模数转 换器的工作速度的要求还将不断地提高，人们通过不断地改善制造集成电路的工 艺，将不断的提高模数转换器的工作速度。目前，流水线a d 转换器的速度已 突破4 0 0 m s s ，f l a s h 加转换器的速度突破2 g s s 。属于中、低速的逐次逼近型、 一型的a d 转换器的转换速度也在不断提高，一型a d 转换器采样速 度已达到数十兆。 ( 3 ) 低电压和低功耗 随着便携消费电子产品的广泛应用，以及电路集成度的不断提高，均要求电 路的工作电压和功耗不断地降低，模数转换器也不例外。目前，使用1 8 5 v 单 电源的a d 转换器已经十分流行，a d 转换器的功耗己降低到几十毫瓦。 ( 4 ) s o c 集成技术 小型表面贴装芯片技术的出现，满足了系统的小型化要求和自动贴装生产线 的需要。s o c 要求模数转换器采用标准c m o s 工艺设计。深亚微米工艺特征尺 寸的缩小使得信号的动态范围变小，要达到良好的信噪比就必须降低噪声的大 小。单片系统易于集成化实现，特别是能与数字电路( d s p , c p u ) 集成在同一芯片 上，构成模数转换子系统，大大简化了系统结构，提高了系统可靠性。 1 3本论文的研究内容和目的 本文的研究内容和目的是设计用于数字电源( d i g i t a lv o l t a g er e g u l a t o rm o d u l e ， d v i 洲) 应用的a d c 。 电源是各种电子设备必备的组成部分，直接影响到电子设备的技术性能指标 第一章绪论 以及工作是否安全可靠。常用的直流稳压电源有线性电源和开关电源两大类。电 源控制一直以来都采用模拟方式实现。然而最近几年，数字电源异军突起，引起 了人们的广泛关注。与模拟电源相比，数字电源有许多优势：更高的系统可靠性、 灵活性和易于集成。基于数字控制的系统能使用更少的元器件，因此可以增强系 统的可靠性。为了满足新要求，或优化和校正系统，数字控制器可以通过软件增 加、删除和修改任何系统参数，使系统变得相当灵活。由于数字控制器可以非常 方便地集成通信功能，所以能容易地实现多个系统的集成和级联。 1 3 1 数字电源对a d c 性能的新要求 数字电源中的a d c 用来采样输出电压，然后反馈回数字控制电路，对电压 波动进行调节。与传统a d c 相比，数字电源这一特定应用对a d c 的参数指标 有以下特殊要求。 一，为保证电源系统输出精确，a d c 的绝对精度要求很高，其中既包括a d c 的直流偏移量要小，也包括最低有效位( l s b ) 要很小。在传统的通信音 像处理应用中，直流偏移量可以方便地在系统级校正，代价仅仅是缩小一 定的输入范围。但是电源系统中直流偏移量直接反映到输出误差上，是无 法校正的。l s b 的大d , n 决定了电源输出精度。 二，电源系统为了实时控制，要求a d c 的转换时间( 输入信号和输出信号的时 间间隔) 要小。而传统a d c 主要用在信号处理上，对数据吞吐率要求最高， 对转换时间则有较大容忍度。可见，数字电源a d c 和传统a d c 的很多设 计指标是相悖的，必须从电路实际特性出发考虑设计方案。 根据数字电源应用的特殊要求，已有若干种新型a d c 结构被开发出来，例 如窗1 ：3 型f l a s h a d c ，延迟线( d e l a y 1 i n e ) a d c ，和环振a d c ( r i n g a d c ) 3 3 】。 延迟线a d c 和环振a d c 的电路全部由数字逻辑单元组成，易于和逻辑控制模 块集成；缺点是电路性能受电源电压，工艺偏差和版图寄生参数的影响敏感；窗 口型f l a s h a d c 的优点是结构简单，容易做到高精度指标，电路性能稳定。需要 注意的是，由于应用环境不同，新型a d c 的指标评价体系与传统有很大区别。 1 3 2 本文a d c 的设计难点 适用于数字电源的几种a d c 结构各有特点，本文的研究方向是f l a s h 型 a d c 。当今的微处理器( 奔腾4 ) 工作时的电流摆率达到了5 0 a u s ，预计将来的 微处理器工作时的电流摆率要达到3 5 0 a u s ，这就要求电压控制模块具有非常高 的响应速度。因为a d c 位于反馈环路中，a d c 的相移会降低环路响应，所以 - 4 第一章绪论 以及工作是否安全可靠。常用的直流稳压电源有线性电源和开关电源两大类。电 源控制一直以来都采用模拟方式实现。然而最近几年，数字电源异军突起，引起 了人们的广泛关注。与模拟电源相比，数字电源有许多优势：更高的系统可靠性、 灵活性和易于集成。基于数字控制的系统能使用更少的元器件，因此可以增强系 统的可靠性。为了满足新要求，或优化和校正系统，数字控制器可以通过软件增 加、删除和修改任何系统参数，使系统变得相当灵活。由于数字控制器可以非常 方便地集成通信功能，所以能容易地实现多个系统的集成和级联。 1 3 1 数字电源对a d c 性能的新要求 数字电源中的a d c 用来采样输出电压，然后反馈回数字控制电路，对电压 波动进行调节。与传统a d c 相比，数字电源这一特定应用对a d c 的参数指标 有以下特殊要求。 一，为保证电源系统输出精确，a d c 的绝对精度要求很高，其中既包括a d c 的直流偏移量要小，也包括最低有效位( l s b ) 要很小。在传统的通信音 像处理应用中，直流偏移量可以方便地在系统级校正，代价仅仅是缩小一 定的输入范围。但是电源系统中直流偏移量直接反映到输出误差上，是无 法校正的。l s b 的大d , n 决定了电源输出精度。 二，电源系统为了实时控制，要求a d c 的转换时间( 输入信号和输出信号的时 间间隔) 要小。而传统a d c 主要用在信号处理上，对数据吞吐率要求最高， 对转换时间则有较大容忍度。可见，数字电源a d c 和传统a d c 的很多设 计指标是相悖的，必须从电路实际特性出发考虑设计方案。 根据数字电源应用的特殊要求，已有若干种新型a d c 结构被开发出来，例 如窗1 ：3 型f l a s h a d c ，延迟线( d e l a y 1 i n e ) a d c ，和环振a d c ( r i n g a d c ) 3 3 】。 延迟线a d c 和环振a d c 的电路全部由数字逻辑单元组成，易于和逻辑控制模 块集成；缺点是电路性能受电源电压，工艺偏差和版图寄生参数的影响敏感；窗 口型f l a s h a d c 的优点是结构简单，容易做到高精度指标，电路性能稳定。需要 注意的是，由于应用环境不同，新型a d c 的指标评价体系与传统有很大区别。 1 3 2 本文a d c 的设计难点 适用于数字电源的几种a d c 结构各有特点，本文的研究方向是f l a s h 型 a d c 。当今的微处理器( 奔腾4 ) 工作时的电流摆率达到了5 0 a u s ，预计将来的 微处理器工作时的电流摆率要达到3 5 0 a u s ，这就要求电压控制模块具有非常高 的响应速度。因为a d c 位于反馈环路中，a d c 的相移会降低环路响应，所以 - 4 第一章绪论 a d c 数据转换的延迟时间越小越好。一般来说，多级a d c 的数据采样率尽管可 以很高，但是其延迟时间较长。p i p e l i n e 结构受限于多次比较，s i g m a - d e l t a 结构 则是由于数字滤波会带来较大延迟。在d v r m 应用中，响应速度是关键参数， 因此f l a s h 结构具有较强的吸引力。 现在f l a s h a d c 的研究方向主要是在中等精度的条件下提高采样率。常见的 参数是： 6b i t 量化，输入范围与电源电压相比拟，l s b 在十几至几十毫伏； 采样率通常1g h z 以上。但是，在数字电源应用中，a d c 的l s b 直接关系到输 出电压的稳定度。当今主流c p u 电压已经要求稳定在毫伏级别，所以在l s b 低 至几个毫伏的条件下设计f l a s h a d c ，是一个新的研究方向和挑战。 另一方面，从实用性考虑，输出电压要在较大范围内可调，即a d c 要有较 大的输入范围，如果采用传统结构，则量化比特数要远高于6b i t ，会给设计带来 极大的困难。因此，必须改进结构，调和低l s b 和大输入范围的矛盾。窗口型 f l a s h a d c 是解决这个矛盾的一个方法。即设计一个有限输入范围的a d c ，但是 这个输入范围的共模电平可以上下浮动，从而间接覆盖一个较大的输入范围。 低l s b 的目标，采用电阻均衡网络加面积优化的方式实现。在预放大器的 输出端连接横向电阻，该电阻与放大器的输出电阻构成电阻均衡网络。把输入管 的o f f s e t 当作噪声处理，根据空间滤波器理论，某个放大器输出端的总噪声是其 左右相邻的若干个放大器( 不相关) 噪声的加权叠加，所以总噪声下降，o f f s e t 降低，可以允许更小的l s b 。 因为电阻均衡的效果有限，单凭电阻均衡网络不能达到设计要求，只能增加 输入管面积。增大输入管面积会带来各种负面问题，在多极串联预放大器结构中， 如何分配各级面积，使不利影响最小，也是需要研究的问题。本文提出了一种创 新的面积优化方法，在保证o f f s e t 满足指定要求的情况下，使各级输入管面积之 和最小，从而降低增加面积带来的缺点。 第二章模数转换器理论基础 第二章模数转换器理论基础 本章简要阐述了模数转换器的理论基础，主要有三部分内容。一是模数转换 器的数学模型和奈奎斯特定理等基本原理，二是刻画模数转换器性能的参数指 标，三是介绍了适用于高转换速率的f l a s h 型模数转换器结构。 2 1模数转换器基本原理 模数转换器的功能是以一定的时间间隔对连续变化的模拟信号采样，并将每 一个采样信号用数字编码表示出来。采样过程如图2 1 所示，模拟信号每隔时间 t 被采样一次，因而时间变量t 被采样间隔t 离散化： t = n t ，f = o ，l ，2 ， ( 2 1 ) 理想采样 模拟 信号 采样 信号 图2 1 采样过程 根据信号处理理论，采样过程的数学描述是 y ( f ) = x ( f ) s ( f ) ：艺x ( 刀丁) 6 ( 丁) 2 2 其中，y ( t ) 是采样信号，6 ( f ) 是d i r a c 函数。式( 2 2 ) 表明采样信号y ( t ) n - - j 以看作是载波信号s ( t ) 对基带信号x ( t ) 调制的结果。 利用f o u r i e r 变换得到x ( t ) 与s ( t ) 的频谱分别为： 吧 x ( c o ) = f p ( f ) 】_ ix ( f ) e - j , 酣d t ( 2 3 ) + s ( ) = f 【s ( f ) 】= q g ( w - n m ) ( 2 4 ) 其中采样角频率q = 2 z c t 。 第二章模数转换器理论基础 利用连续时间系统频域卷积定理，可得采样信号与模拟信号的频谱关系， y ( c o ) = 二 ) 堆s ( c o ) 】 。2 z r ( 2 5 ) 、一。一， = q x ( c o - n c o s ) 式( 2 5 ) 说明，将原始模拟信号的频谱x ) 平移至整倍数频率他处，结 果即是采样信号的频谱y ( c o ) 。n y q u i s t 定理指出： 令x ( f ) 为带限信号，即x 细) = 0 ，当l 国i c o , 时；那么，x ( t ) 能唯一由它的 采样序y l j x n t ，n = 0 ，l ，2 ，所确定，当且仅当 q = 2 c o m( 2 6 ) 其中，l 2 a ) , 被定义为奈奎斯特率。n y q u i s t 频率是不失真地恢复模拟信号所需的 最低采样频率，也是确保不会发生频谱混迭失真的最低频率。 连续变化的模拟信号的状态是无限的，但是数字编码的状态是有限的，以 有限的数字编码表达无限的模拟信号，必然会引入误差，称之为量化误差。设量 化器满摆幅输入范围是r ，输出为b 位二进制数字码。则量化器的满量程输入范 围被等分成2 b 个量化台阶。假设量化电平为q ，那么， q = 击 ( 2 7 ) 厶i 或者写成： 罢：2 8 1 ( 2 8 ) r 、7 这个理想的量化电平通常称作最低有效位( l s b ) 。 量化信号和采样信号之间的误差称为量化误差， e ( n t ) = x o ( n t ) 一x ( n t ) ( 2 9 ) 量化误差的范围， 一等 p ( 玎丁) 垒2 ( 2 1 0 ) 理想量化误差的统计模型假定量化误差e 在区间 q 2 ，q 2 _ j 2 的概率分布为 均匀分布，其概率密度函数是， p = 胪慧他 亿 量化误差的均值为零，方差为， 第二章模数转换器理论基础 一 e 一e e 】) 2 = i 一e 】) 2 p ( e ) d e ：土n 沈：垡 ( 2 1 2 ) d 1 - 0 1 21 2 2 2a d c 的性能参数 下面将介绍一些a d e 的常用性能参数，包括静态参数、频域动态参数和时 域动态参数。 2 2 1 静态参数 a d 转换器的静态参数是衡量a d c 在低速或者是固定电压下的性能指标。 这些参数包括微分非线性( d n l ) 、积分非线性( 玳l ) 、失调误差( o f f s e te r r o r ) 、 增益误差( g a i ne r r o r ) 【1 1 。 ( a ) 失调误差 如图2 2 所示，失调误差( o f f s e te r r o r ) 是理想与实际的失调量的差值。a d c 的理想失调量是数字输出码为0 时对应的模拟输入范围的中间值。这个误差使得 所有的输出统一向某个方向偏移一定的量。在实际应用中，这个误差通常可以被 补偿校正。 o 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 o 1 o 0 0 0 i d e a io f f s e t lo l g l l a lo u i p u ， c o d e ， ：7 萃i ， - ，三：j l ，1 fi 广产一 a n a l c ，? 7 。一1 。垤一些e，li li i t = h 。f f 蜮e 肋r 。5 ，4 l s b 图2 2 失调误差 ( b ) 增益误差 当失调误差被校正后，在传输曲线上，理想的饱和输出点和实际的饱和输出 点之差称为增益误差。饱和输出点就是，当数字输出码为最大值时，对应的模拟 输入范围的中间点。这个误差体现了理想传输曲线和实际传输曲线的斜率差异。 为了消除非线性失真，有些时候可以采用预校正技术【2 1 。 ( c ) 微分非线性 第二章模数转换器理论基础 一 e 一e e 】) 2 = i 一e 】) 2 p ( e ) d e ：土n 沈：垡 ( 2 1 2 ) d 1 - 0 1 21 2 2 2a d c 的性能参数 下面将介绍一些a d e 的常用性能参数，包括静态参数、频域动态参数和时 域动态参数。 2 2 1 静态参数 a d 转换器的静态参数是衡量a d c 在低速或者是固定电压下的性能指标。 这些参数包括微分非线性( d n l ) 、积分非线性( 玳l ) 、失调误差( o f f s e te r r o r ) 、 增益误差( g a i ne r r o r ) 【1 1 。 ( a ) 失调误差 如图2 2 所示，失调误差( o f f s e te r r o r ) 是理想与实际的失调量的差值。a d c 的理想失调量是数字输出码为0 时对应的模拟输入范围的中间值。这个误差使得 所有的输出统一向某个方向偏移一定的量。在实际应用中，这个误差通常可以被 补偿校正。 o 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 o 1 o 0 0 0 i d e a io f f s e t lo l g l l a lo u i p u ， c o d e ， ：7 萃i ， - ，三：j l ，1 fi 广产一 a n a l c ，? 7 。一1 。垤一些e，li li i t = h 。f f 蜮e 肋r 。5 ，4 l s b 图2 2 失调误差 ( b ) 增益误差 当失调误差被校正后，在传输曲线上，理想的饱和输出点和实际的饱和输出 点之差称为增益误差。饱和输出点就是，当数字输出码为最大值时，对应的模拟 输入范围的中间点。这个误差体现了理想传输曲线和实际传输曲线的斜率差异。 为了消除非线性失真，有些时候可以采用预校正技术【2 1 。 ( c ) 微分非线性 第二章模数转换器理论基础 o 1 0 0 o 0 1 1 o 0 1 0 o 1 o o l s b l s b d1z34 图2 3 微分非线性( d n l ) 对于a d c 来说，微分非线性( d n l ) 误差定义为实际的数据转换的步长偏 离理想的步长q 的差值，如图2 3 所示。其中实际的数据转换步长定义为转换时 相邻两个数字对应的模拟量的距离，理想步长为最低有效位( l s b ) 。通常会将 这个差值再除以l s b ，以得到归一化结果。 d n l k ：当姜艘 ( 2 1 3 ) 蟛 ) 积分非线性 积分非线性( n l ) 定义为实际传输函数曲线与一条参考直线的偏差。这条 参考直线既可以是使得i n l 最小的最佳直线，也可以是连接传输函数曲线两端 点的直线。在进行积分非线性的测量时，失调误差和增益误差都要事先校正为零。 前一种方法称为最佳直线法，能得到最好的测量结果，但是过程复杂；后一种方 法称为端点法，简单直接但结果稍差。 2 2 2 频域动态参数 常用的频域动态参数包括，信噪比( s n r ) 、信号与噪声加谐波失真比 ( s n d r ) 、总谐波失真( t h d ) 、无杂散动态范围( s f d r ) 、和有效比特位( e n o b ) 。 实际的a d 转换器都包含额外的噪声源和非线性，如器件本征噪声，衬底耦合 噪声等，使得a d 转换器的性能恶化，偏离理想情况下的信噪比。 ( a ) 信噪比( s n r ) 如前一小节所述，即使理想的a d c 也会因为有限的输出状态而在量化过程 中产生噪声，称为量化噪声。对于实际的a d c ，噪声的来源就更广泛了。为了 评估这个噪声对系统的影响，定义信噪比为输出端包含的输入信号功率与噪声功 率的比值，通常这个比值不包括谐波失真。对a d 转换器施加一个正弦信号， 对输出的数字信号进行快速傅立叶变换( f f t ) ，分离出输入信号的能量和噪声 能量，即可计算出信噪比( s n r ) 。具体的说，信噪比是基波频谱分量的幅度与 其它除去直流分量和谐波分量的谱分量的和的方根的比值。信噪比的公式为： 第二章模数转换器理论基础 s n r = 2 0 l o g i 了v s i g n a li ( d b ) ( 2 1 4 ) 7 i s e 理想情况下，转换器的噪声只由量化噪声组成，最大的理论信噪比为： s n r n = 1 7 6 + 6 0 2 n ( 2 1 5 ) 可以看到，a d c 的分辨率每增加一位，s n r 增加6 0 2d b 。 ( b ) 信号与噪声加谐波失真( s n d r ) 顾名思义，信号功率与噪声加谐波信号功率比值，即是信号与噪声加谐波失 真比。与信噪比的区别是，比值的分母中包含谐波分量。需要指出的是，此处的 谐波分量不包含直流分量。表达式为： - ，、 姗脱0 1 0 9 v n o i s e i s i g n a l = j ( d b ) ( 2 1 6 ) ( c ) 总谐波失真( t i - i d ) 总谐波失真( t h d ) 是另一个重要的参数。由于a d c 的非线性，输出频谱 中除了基频信号外，还包含基频整数倍的信号( 即谐波) 。t h d 定义为所有谐波 功率的总和与基频信号功率之比值。 ( d ) 无杂散动态范围( s f d r ) 无杂散动态范围( s f d r ) 指载波频率( 最大信号成分) 与次最大噪声成分或谐 波失真成分之比，s f d r 通常以d b c ( 相对于载波频率幅度) 表示。 ( e ) 有效比特位( e n o b ) 有效位的测量基于输入满幅正弦波信号a d c 的s n d r 的测量，公式定义为： e n o b ：s n d r - 1 7 6r 2 17 ) 6 0 2 值得注意的是e n o b 的测量与输入信号的频率和幅度有关。在小信号幅度 时，a d c 的性能受量化噪声的限制，幅度增大时，失真将会起主要作用。 2 2 3 其他参数 ( a ) 功耗 a d 转换器的功耗包括两个因素：动态功耗和静态功耗。动态功耗是指电路 中各个器件的容性负载所需的功耗，即电容周期性充放电过程中消耗的能量，它 很大程度上取决于频率、电压。静态功耗是指由器件中所有晶体管源极到漏极的 漏电流引起的功耗，以及电路工作时阻性负载功耗之和。漏电流很大程度上取决 于结温和晶体管尺寸。根据普遍规则，器件工艺技术尺寸越小，泄漏功耗就越大。 然而，在静态功耗随着工艺技术缩小而增加的同时，动态功耗却随之减小，这是 1 0 第二章模数转换器理论基础 由于较小线宽的工艺有着更低的电源电压以及较小的分布电容。 ( b ) 转换时间和转换速率 a d c 完成一次转换所需的时间称为转换时间( 1 a t e n c yt i m e ) 。具体来说，从 开始采样输入模拟信号起，到完成有效的数字数据转换的那一时刻即为转换时 间。显然，对于一个实际工作的a d c 来说，转换时间包括多种成分：输入多路 传输器的切换时间；缓冲放大器的建立时间；采样时间：转换器实际转换时间； 以及存入缓冲寄存器所需要的时间等。 转换速率( d a t a c o n v e r s i o nr a t e ) 是指两个连续的数字输出码输出时间间隔的 倒数。转换速率和转换时间没有必然的联系。 一般来说，对于f l a s h a d c 和s a r a d c ，转换时间的倒数即为转换速率( 每 秒转换次数) 。但对于分级流水线型a d c ，转换速率可能高于转换时间的倒数。 这是因为在a d c 内部，每一次的采样值都会保留几个周期，经多次运算后再 输出。 2 1 3并行( f l a s h ) a d c 本节介绍并行结构的模数转换器。并行a d 转换器也称为f l a s h a d 转换器， 是目前己知速度最快的a d 转换器结构。图2 4 为并行f l a s ha d 转换器的结构 图。 它由采样保持电路( s a m p l e a n d h o l d ) ，2 一1 个预放大器和比较器，2 个电 阻，编码器以及时钟系统组成。参考电阻串把参考电压分成2 个阈值电压。采 样保持电路采样输入信号，经过预放大器放大，再由比较器与放大的电压相比较， 然后锁存输出。 比较器输出的是温度计编码，如果采样电压比参考电压高，则输出高电平1 ； 否则输出低电平o 。编码器检测此编码中的0 1 转换点，然后输出对应的二进制 码或格雷码。一般地，编码器中会包含消火花电科5 1 ，以解决当温度计编码中有 不止一个0 1 转换点时的冲突问题。这种异常状态主要有两个来源：比较器的亚 稳态以及不匹配的比较器延迟。 f l a s ha d 转换器因为是直接比较，比较器的数量随分辨率的提高而呈指数 增长。例如要实现1 0 位分辨率，就需要1 0 2 3 个比较器。所以分辨率受限于管芯 尺寸、过大的输入电容以及数量巨大的比较器所产生的功率消耗。结构重复的并 行比较器之间还要求精密地匹配，因此任何失配都会造成静态误差，如使输入失 调电压( 或电流) 增大。f l a s h a d 转换器常用在高速、中等分辨率( 6 8 位) 的场 厶 4 卅 口。 第二章模数转换器理论基础 图2 4 并行模数转换器 2 3 1 各个模块的设计考虑 2 3 1 1 采样保持电路 岛 采样保持电路最重要的参数是输入带宽和线性度。此外，因为预放大器的总 输入电容可能相当大，所以采样保持电路需要有大电容驱动能力。 f l a s h a d c 的采样保持电路并不是绝对必须的，输入电压也可以直接施加在 预放大器上，此时，动态比较器的锁存兼有采样保持的作用。但是，因为预放大 器的有限带宽，它对不同的信号延迟不同，会产生3 阶畸变【7 1 。 如果使用采样保持电路，那么采样时刻就有一个清晰的定义，因而频域响应 会更好。 2 3 1 2 预放大器 大多数情况下，预放大器由简单的差分对组成。其最主要的设计参数是失调 第二章模数转换器理论基础 图2 4 并行模数转换器 2 3 1 各个模块的设计考虑 2 3 1 1 采样保持电路 岛 采样保持电路最重要的参数是输入带宽和线性度。此外，因为预放大器的总 输入电容可能相当大，所以采样保持电路需要有大电容驱动能力。 f l a s h a d c 的采样保持电路并不是绝对必须的，输入电压也可以直接施加在 预放大器上，此时，动态比较器的锁存兼有采样保持的作用。但是，因为预放大 器的有限带宽，它对不同的信号延迟不同，会产生3 阶畸变【7 1 。 如果使用采样保持电路，那么采样时刻就有一个清晰的定义，因而频域响应 会更好。 2 3 1 2 预放大器 大多数情况下，预放大器由简单的差分对组成。其最主要的设计参数是失调 第二章模数转换器理论基础 电压，d c 增益，建立速度和输入电容。 失调电压来自于器件的失配。而失配主要由器件的面积决定：面积越大，失 配越小，失调电压也越小，但是寄生电容会增大。从而导致预放大器变慢，输入 电容增加，功耗增加。所以，在速度，功耗，和精度之间存在折衷关系。均衡技 术可以缓解这种折衷关系。 均衡技术现在常用于高速f l a s h