（微电子学与固体电子学专业论文）高速高精度adc集成电路的研究与设计.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术、多媒体技术、通信技术和微电子技术的高速发展，图像显 示、高性能控制器与传输器的广泛应用，极大地促进了高速、高精度d 转换器 的发展，它作为模拟信号和数字信号之间的接口有着不可替代的作用。高速、高 精度a d c 由于存在工艺兼容性、功耗和面积限制、噪声问题等设计难题而成为目 前研究热点。 本研究针对上述领域和难点取得创新性成果：提出a d c 在线数字修调法 ( o l d t ) ：提出混合模数转换结构；提出高性能余量放大器；提出宽带高性能采样 保持电路；发展代码密度法和相干测试法，结合高速采集卡解决了高速a d c 静态 参数和动态参数的测试问题；基于0 3 5 1 a mb i c m o s 工艺设计并成功研制8 位 2 5 0 m s s7 0 0 m h z 带宽a d c ，并已成功应用于国防工程装备且已投放市场。 论文的创新成果包括： 1 提出a d c 在线数字修调法( o l d t ) 。o l d t 利用数字控制电路及m o s 开 关实现了对器件静态参数的可重复性修调，具有可调整性及灵活性特点，极大的 缩短了研发周期。通过在线数字修调技术将a d c 生产过程中产生的工艺偏差进 行修正。这种在线数字修调方法可以普遍应用于模拟集成电路设计。 2 提出混合模数转换结构。采用5 级1 5 位级流水线与3 位f l a s h 结构实现 8 位采样率为2 5 0 m s p s 、带宽为7 0 0 m h z 的a d 转换器，这种混合结构不但能够 提高转换速度与精度，同时能够大大降低功耗和芯片面积。通过对电路中各关键 模块做深入研究与设计优化，使d n l 和i n l 典型值分别达到0 3 l s b 和 0 2 5 l s b 。 3 提出高性能余量放大器。利用余量放大器的减法、增益功能实现了流水线 结构级间数据传递及转换运算功能。通过对开关和电容的取值优化，消除了余量 增益电路对a d c 系统引入的微分非线性( d n l ) 误差，提高了a d c 的线性度和 精度。 4 提出高性能宽带采样保持电路。通过采用全差分结构及底极板采样技术， 消除了沟道电荷注入效应和时钟馈通效应，通过采用自举开关技术消除了沟道导 通电阻引入的非线性误差，通过采用共源共基一共源共栅结构，实现了宽带高增 益。 摘要 5 基于x f a b 及j a z zs e m i c o n d u c t o r0 3 5 p mb i c o m s 体硅工艺投片，样片在 对1 2 5 m h z 输入信号进行2 5 0 m h z 采样时s n r = 4 1 3 1 d b ，e n o b = 6 5 7 b i t s ， t h d = 5 1 7 7d b ，该电路已成功应用于国防工程装备且已投放市场。 6 发展代码密度法和相干测试方法，结合高速采集卡解决了高速a d c 静态 参数和动态参数的测试问题。 关键词：高速a d c ，流水线，采样保持，在线数字修调，余量放大器 n a b s t r a ( 了r a bs t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fh i g h s p e e dh i g l lp r e c i s i o na d ch a sb e e na c c e l e r a t e dw i t ht h e q u i c kd e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e r , m u l t i m e d i a , c o m m u n i c a t i o n , m i c r o e l e c t r o n i ca n d t h ew i d ea p p l i c a t i o n so ft h ei m a g ed i s p l a y , h i g hp e r f o r m a n c ec o n t r o l l e ra n dt h e t r a n s p o r t i ti sn o ts u b s t i t u t e dt h a tt h ea d o a c t s 舔t h ei n t e r f a c eo ft h ea n a l o gs i g n a la n d t h ed i g i t a ls i g n a l t h ep r o c e s sc o m p a t i b i l i t y , l i m i t a t i o no ft h ep o w e rc o n s u m p t i o na n d t h ea r e a , a n dt h en o i s ea r et h eh a n d i c a pf o rt h ed e s i g no ft h eh i 曲一s p e e dh i 曲p r e c i s i o n a d c s ot h es t u d ya i m i n ga tt h eh i 曲一s p e e dh i g hp r e c i s i o na d ci sb e c o m i n gt h ef o c u s t h ei n n o v a t i v ep r o d u c t i o n sc o n c e r n i n gt h ed e s i g no ft h ea d ca r es h o w ni nt h e f o l l o w i n g t h eo n l i n ed i g i t a lt r i m m i n g ( o l d t ) t e c h n i q u e ，t h em i x e da n a l o g - d i g i t a l t r a n s i t i o ns t r u c t r r e , t h eh i g l lp e r f o r m a n c er e s i d u ea m p l i f i e r , t h eh i g hp e r f o r m a n c e b r o a d b a n dt r a c ka n dh o l d ( t h ) c i r c u i t ，a n dt h ec o d ed e n s i t ya n dt h ec o h e r et e s t i n g p r i n c i p l ea r eb r o u g h tf o r w a r di nt h ed e s i g no ft h ea d c t h es t a t i c a n dd y n a m i c p a r a m e t e r sa n dc a l lb et e s t e de a s i l yb ya p p l y i n gt h eh i g hs p e e dc o l l e c t i n gc a r d t h e 8 b i t sa d cd e v i c eb a s e do nt h e0 3 5 u r nb i c o m sp r o c e s sw i t l lt h e2 5 0 m s ss a m p l i n g r a t ea n dt 1 1 e7 0 0 m h zb a n dw i d t hh a sb e e nt a p e do u ta n di sa p p l i e ds u c c e s s f u l l yi nt h e d e f e n s ee n g i n e e r i n ge q u i p m e n t s t h ei n n o v a t i v er e s u l to ft h ep a p e ri ss h o w ni nt h ef o l l o w i n g ： 1 t h eo n l i n ed i g i t a lt r i m m i n g ( o l d t ) t e c h n i q u ei sa p p l i e di nt h ed e s i g no ft h e a d c t h eo l d th o l dt h er e p e a t a b i l i t y , f l e x i b i l i t y , a n dh i g he f f i c i e n c yb ya d o p t i n g d 培t a lc o n t r o lc i r c u i ta n dm o ss w i t c h t h ee r r o rc o m i n gf r o mt h ep r o c e s si se l i m i n a t e d b yt h ed i g i t a lt r i m m i n gt e c h n i q u e ，a n dt h i st r i m m i n gt e c h n i q u ec a nb ew i d e l ya p p l i e di n t h ed e s i g no ft h ea n a l o gi n t e g r a t ec i r c u i t 2 a n8 b i t sa d cd e v i c ew i t ht h e2 5 0 m s ss a m p l i n gr a t ea n dt h e7 0 0 m h zb a n d w i d t hh a sb e e nd e s i g n e d ，w h i c hh o l dac o m p o u n ds t r u c t u r eo ft h ep i p e l i n ea n dt h ef l a s h s t r u c t u r e t h i ss t r u c t u r ec a nn o to n l yi m p r o v et h es p e e da n dt h ep r e c i s i o n , b u ta l s o d e c r e a s et h ep o w e rc o n s u m p t i o na n dt h ea r e a t h ev a l u eo ft h ed n la n dt h ei n li st h e 4 - 0 3l s ba n dt h e0 2 5 l s br e s p e c t i v e l yb yo p t i m i z i n gt h ed e s i g no ft h ec i r c u i t 3 t h eh i 曲p e r f o r m a n c er e s i d u ea m p l i f i e ri sd e s i g n e d t h ed a t at r a n s m i s s i o na n d i ! i o p e r a t i o ni sc a r r i e db yt h es u b t r a c t i o ng a i nf u n c t i o no ft h er e s i d u ea m p l i f i e r 1 1 1 ed n l f 3 1 t o ri se l i m i n a t e db yo p t i m i z i n gt h ec a p a c i t ya n dt h es w i t c h t h el i n e a r i t ya n dt h e p r e c i s i o n a lee n h a n c e d 4 1 1 他t l i g hp e r f o r m a n c eb r o a d b a n dt m c i r c u i ti sd e s i g n e d t h ec h a n n e le h a l g e i n j e c t i o na n dt h ec l o c kf e e dt h r o u g ha l ee l i m i n a t e db ya d o p t i n g t h ef u l ld i f f e r e n c e s t r u c t u r ea n dt h eb o t t o m p l a t es a m p l i n g t h en o n l i n e a re 1 1 r o ri se l i m i n a t e db ya d o p t i n g t h eb o o t s t r a p p i n gs w i t c h n eb r o a d b a n dh i g hg a i ni sa c h i e v e db ya d o p t i n gc o m m o n s o u r c eg o m l t l o nb a s ea n dt h ec o m m o ns o u r c ec o m m o ng a t es 仃u c h l i e 5 t h ev a l u eo f t h es n r , t h ee n o b ，a n dt h et h di st h e4 1 3 l d b ；6 5 7 b i t s ；5 1 7 7 d br e s p e c t i v e l yw h e ns a m p l i n g 、析n 1t h e2 5 0 m h zt ot h e1 2 5 m h zi n p u ts i g n a l t h e p r o c e s si st h ex f a ba n dt h ej a z zs e m i c o n d u c t o r0 35i _ t mb i c m o s 6 t h es t a t i cp a r a m e t e ra n dt h ed y n a m i cp a r a m e t e ra r et e s t e db yt h ec o d ed e n s i t y a n dt h ec o h e r et e s t i n gp r i n c i p l e ，a n dt h eh i g hs p e e dc o l l e c t i n gc a r di sa p p l i e di nt h e t e s t i n g k e y w o r d s ：h i g hs p e e da d c ，p i p e l i n e ，t r a c kh o l d ，d i g i t a lt r i m m i n go n l i n e ，r e s i d u e a m p l i f i e r i v 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注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教 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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 嗍半年d 二 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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 和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 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应遵守此规定) 签名：互虹导师签名：一 日期： 年月【日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着计算机技术、多媒体技术、信号处理技术和微电子技术的发展，电子技 术的应用已渗透到军事、民用领域的各个角落，不断推出先进的电子系统。未来 的电子系统需要将更多的电路一数字的和模拟的集成到一个硅片上，以降低成本、 降低功耗、缩减体积和减少印刷电路板数据总线的辐射噪声。显然，对于这种模 数混合集成电路来说，标准的数字c m o s 工艺在成本、功耗和实现的便利性上都 是最优的选择。在混合信号系统中，a d 转换器( a d c ) 是一个十分关键的部分。 随着数字信号处理技术在高分辨率图像、视频处理即无线通信等领域的广泛应用， 对高速、高精度、基于基准c m o s 工艺的可嵌入式a d c 的需求日益迫切【i 】。此外， 更要求有基于低功耗、小面积、低电压以及可嵌入式设计的a d c 核心模块。c m o s a d c 的性能主要取决于所采用的电路结构、主要单元电路( 运算放大器和比较器) 的性能、合理的版图设计以及工艺等因素。流水线结构( p i p e l i n e a r c h i t e c t u r e ) 是 一种既能实现高速又能实现相当分辨率的结构；宽带高速运算放大器和高速比较 器将提升a d c 的转换速率；而合理的自校准技术、数字修调技术和混合信号电路 版图设计将有益于a d c 的性能的提高。 1 2 目前a d c 的发展趋势 由于通讯及数字信号处理的快速发展，对a d c 的需求也提出了更高的要求， 从目前市场上高性能的a d c 不断面世，及国外著名i c 设计公司在a d c 方面的发 展计划可以看出【2 1 ，a d c 在今后主要发展趋势是是向高分辨率、高转换速率、低 功耗、单电源低电压、单片化、c m o s 型方向发展。 1 3 研究目的和意义 目前，国内a d 、d a 方面的研究主要集中在中等转换速度、中等精度范畴， 多采用电阻、电容网络等结构为主。而高速、高精度的新型a d 研究尚不多见。 电子科技大学博士学位论文 对于上述其他的主流新结构和新技术，国内由于受到工艺条件、设计的限制，也 很少有人涉及。系统仿真是非常重要的，它从系统级进行优化，从而在保证功能 的情况下降低单元电路的设计难度；系统时钟的驱动、周期、占空比以及各周期 之间的延时大小直接影响到整个系统的工作；前端采样保持电路的线性度、噪声、 增益、输入输出范围和对后端的驱动能力都直接影响到后面各个子a d c 的工作； 特别是噪声会被后面的电路放大，这是p i p e l i n e da d c 研究的一个重点。从实际应 用上讲，p i p e l i n e d a d c 速度快、功耗低、面积相对小、价格相对低，特别适合应 用于通信领域；系统时钟和前端采样保持电路几乎是所有a d c 设计都需要的，尽 管不同a d c 对系统时钟和前端采样保持电路的要求各不相同，但本课题的研究是 具有通用性的。 国内外研发表明，国内a d c 、d a c 技术与国外存在明显距。国外高速高精度 a d c 分辨率和采样率大多集中在1 2 1 4 位、8 0 - - , 1 5 0 m h z ，系统结构以p i p e l i n e 结 构为主，生产线所采用的工艺以b i c m o s 和0 3 5 u r ns i c m o s 为主，并且特征 尺寸在不断降低。而国内对于8 位p i p e l i n e 型高速a d c 采样率主要集中在1 0 0 m s 1 2 0 m s 两之间，而本论文设计的8 位2 5 0 m s s 高速采样率在国内尚不多见。 目前国内应用的高性能a d c 主要依靠进口，对国防现代化和民用电子工业的 发展相当不利。除工艺水平限制以外，其基础研究和设计能力是两大主要的制约 环节。 国内研究所、高校和设计公司正积极研究新型转换器电路系统结构、新型基 本电路单元、工艺匹配与容差和标准实用化器件工艺模型库等基础技术，设计生 产自主高性能a d c 已成为当务之急，这将具有现实、深远的意义。 1 4a d c 的性能指标 不同的应用系统，对a d c 性能指标【3 8 】要求区别很大，通常a d c 性能参数主 要有以下几点： 1 4 1 静态参数 ( 1 ) 分辨率 a d c 的分辨率是指转换器所能分辨的最小量化信号的能力。对于二进制的n 位分辨率的a d c 所能分辩的最小量化信号或量化电平的能力为2 n 个。如果a d c 的输入范围是0 那么这个a d c 能分辩的最小电平为胆n 。 2 第一章绪论 ( 2 ) 微分非线性( 例忆) 微分非线性( d i f f e r e n t i a ln o n 1 i n e a r i t y ，d n l ) 是a d c 实际转换特性码宽与理 想码宽( 1 l s b ) 的相对偏差，一般取最大值，单位为l s b 。对于一个理想a d c ，其 微分非线性为d n l = 0 l s b ，也就是说每个模拟量化台阶等于1 l s b ，跳变值之间的 间隔为精确的1 l s b 。当一个a d c 的数字输出随着模拟输入信号的增加而增加时 ( 或保持不变) ，就称其具有单调性，相应传输函数曲线的斜率没有变号。若d n l 误差指标1 l s b ，就意味着传输函数具有保证的单调性，没有失码。在a d c 的 转移曲线中，定义每个数字码i 对应的理想输入电压为k ，实际输入电压为k ， 那么输出码i 对应的微分非线性误差是 d n l ：坠二塑一l i 0i2-1(1-1) v t s s 是理想情况下使a d c 的输出变化一位的最小输入电压。a d c 的微分非线性一 般取所有d n l j 的最大值，即 d n l = m a x ( d n l1)0i2n-l( 1 2 ) 如图1 1 所示 ( 3 ) 积分非线性( 肌) 积分非线性( i n t e g r a t e dn o n - l i n e a r i t y ，i n l ) ，是a d c 的实际转换曲线相对于 理想转换曲线的最大偏差，单位为l s b 。它表示实际转换曲线偏离理想曲线的程 度。输出数字码i 对应的积分非线性实际就是实际电压值巧与理想电压值k 的 差，公式为 崛：掣；封掣把峨 kk2 。 从式( 1 - 3 ) 可看出i n l 实际上就是d n l 的积分，同样，整个a d c 的积分非 线性是所有i n l f 中的最大值 i n l - - m a x ( i n l i ) l i 2 n( 1 - 4 ) 如图1 1 所示。 ( 4 ) 失调( o f f s e t ) 失调( o f f s e t ) 是由于a d c 的运算放大器、比较器存在失调电压和失调电流引起 的。这些失调电流和失调电压是由组成它们的m o s 管的失配造成的。失调误差使 得转换器的输入信号为零时，仍然存在非零的输出电压或电流，如图1 1 所示。 ( 5 ) 增益误差 3 电子科技大学博士学位论文 a d c 增益误差( g a i ne r r o r ) 的定义为( 圪乃) 与( 一乃) 之差，其中n = 2 n l 。是指满量程输出数字码时，输出最大的数字码所对应的实际模拟输入电 压与理想模拟输入电压的差。它使系统传输特性曲线绕原点偏移理想特性曲线一 定的角度。由于增益误差的影响，当增益大于正常值时，输入的模拟信号还没有 达到最大幅度值，而数字输出就已经输出全“1 的数字码；当增益小于正常值时， 输入最大幅度值的模拟信号，而数字输出也还没有出现全“1 的数字码。 1 4 2 动态参数 图1 1 ：a d c 静态指标 a d c 的动态参数反映了a d c 在高速工作条件下的性能，一般通过输出频谱 图定义。在a d c 的输入端加满量程的正弦信号，对输出作快速傅立叶变换( f f t ) 分析，就可以得到如图1 2 所示的输出频谱图。 o 一2 0 一4 0 q 一枷 静 罄8 0 一1 0 0 1 2 0 u 蓐刍i i 率h z ) l 2 图1 - 2 ：a d c 输出频谱图 设采样信号频率为石，采样点数为m ，信号功率归一化为0 d b ，横轴所表示的 频率范围为f d 2 ，输入信号功率为只，噪声的总功率为r ，信号谐波的功率为 删锄，本底噪声( n o i s ef l o o r ) 的平均功率为r 础。f l o o r 。 ( 1 ) 信号与噪声的功率比( s n r ) 4 第一章绪论 信号与噪声的功率比( s i g n a l t o - n o i s er a t i o ，s n r ) 简称信噪比，是输出端信 号功率与总噪声功率之比，单位为d b 。公式定义为 s n r = l o l o g l o p 厅)( 1 5 ) 理论上，a d c 的信噪比取决于a d c 的量化噪声，对于n 位精度的a d c ，设 它的量化噪声范围为( a 2 ，a 2 ) ，其中a = il s b 。则噪声总功率为 只= 蔓阱y = 万v 2 ( 1 - 6 ) 最大输入信号幅度为2n a ，则最大信号功率为 只= 吾曼( 华删( 等) 弘= 半 ( 1 7 ) 将上述两式带入式可以得到s n r 的理论公式为 s n r = i o i o g l 0 2 2 n + 1 0 1 0 9 1 0 1 5 = 6 0 2 n + 1 7 6( 1 8 ) ( 6 ) 信号噪声畸变比( s n d r ) 信号噪声畸变比即是信号与噪声和谐波的功率比( s i g n a l t o - n o i s e a n d d i s t o r t i o nr a t i o ，s n d r ) ，是a d c 的一个重要参数，单位为d b 。公式定义为 s n d r = 1 0l o g l o ( 只( r + 加锄) ) ( 1 9 ) ( 7 ) 无杂波动态范围( s f d r ) 动态范围( d y n a m i cr a n g e , d r ) 是能指被处理的最大输入信号与最小输入信号 的比值，无杂波动态范围( s p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e ，s f d r ) 即是a d c 输出 频谱中信号功率与最大谐波功率之比。在频谱图上可以很容易的得到s f d r ，即直 接测量信号与最大谐波功率的功率差即可。s f d r 是反应a d c 线性度的重要参数。 公式定义为 彤1 d 尺= lo l o g t o ( 只，l 甜缸加锄) ) ( 1 一lo ) ( 8 ) 有效位数( e n o b ) 有效位数即是e f f e c t i v en u m b e ro f b i t s ( e n o b ) ，在实际的应用中常常是先 测得a d c 得s n d r ，采用式( 1 9 ) ( 用s n d r 代替式中的s n r ) 反推出的有效位数 的公式来计算有效位数。 e n o b = ( s n d r - - 1 7 6 ) 6 0 2( 1 - 1 1 ) 5 电子科技大学博士学位论文 此时式中的s n d r 是a d c 实际的信号与噪声和谐波的功率比，不仅包含了量化噪 声和谐波功率，还包含时钟抖动、失调等误差因素。 ( 9 ) 总谐波失真( t h d ) 总谐波失真( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，t h d ) 是总谐波功率与信号功率比，公 式为： t h d = 1 0 l o g ( ( ；p a b 咖。捌 m 坳 式( 1 - 1 2 ) 表示第2 n 次谐波的功率与信号功率之比，在实际应用中一般n 取5 或 者1 0 。 1 5 论文写作安排 第一章绪论 讲述了a d c 的发展现装及高速a d c 的重要性和研究目的，给出a d c 各种性能 参数，介绍本论文的主要工作和论文写作安排。 第二章高速a d c 的分类 对目前研究中常见的各种高速a d c 结构的工作原理和优缺点进行简介，由此 总结出各种高速a d c 结构的性能和应用范围。 第三章流水线a d c 的结构算法分析及研究 讲述了a d c 的子单元的结构算法及各种误差分析，同时讲述了校正和数字修 调原理。 第四章流水线a d c 单元电路结构设计及性能分析 对a d c 系统中重要单元电路进行了分析与设计，并对设计中的重要问题进行 了阐述。 第五章版图布局与测试 说明高速a d c 版图中布局布线原则，给出了流片测试结果和电路仿真结果， 并对结果进行分析总结。 第六章结论和工作展望 回顾本研究的主要工作，总结创新成果，展望未来工作的研究重点和前景。 6 第二章高速a d c 的发展动态及性能参数 第二章高速a d c 的发展动态及性能参数 实际的应用领域中，由于不同领域的系统要求，对a d c 的性能要求各有侧重， 随着通信及数字信号处理的高速发展，高速高精度a d c 的重要性显得尤为突出。 目前主要的高速a d c 主要有f l a s h 、t w o - s t e pf l a s h 、折叠内插和p i p e l i n e 型a d 转换器。下面将分别介绍以上几种类型。 2 1f l a s h a d 转换器( 全并行a d c ) f l a s ha d 转换器又称全并行模数转换科9 m 】，这种模数转换器结构被认为是 现今可以实现最高频率转换的一种结构，它可以在一个时钟周期内完成模拟信号 的采样，比较和输出。在nb i t 的f l a s ha d 转换器中，输入信号通过2 n 一1 个比 较器同时与间隔电压相等的一系列参考电压进行比较，并在一个时钟节拍内完成 比较过程，得到相应的数字码输出。如图2 1 所示： 输出 图2 1 - 一个n b i t 的h a s h a d 转换器 虽然f l a s ha d 转换器在各种a d 转换器结构中，能完成最高的转换速度，但 是从图2 1 中我们也可以看出，f l a s h 转换器结构的复杂性与它分辨率位数的大小 成指数关系，即如果一个a d 转换器的要求的分辨率为nb i t ，那么要求的比较器 7 电子科技大学博士学位论文 数量就为2 n 一1 个，所以f l a s h a d 转换器一般不用来实现转换精度要求高的模数 转换过程。具体原因分析如下： ( 1 ) f l a s ha d 转换器的参考电压由内部集成电阻串分压形成，因此参考电压 的线性度直接影响到整个f l a s ha d 转换器的性能，而一般内部集成电阻分压可以 达到的最高分辨率仅为1 0b i t 。 ( 2 ) 高分辨率的a d 转换器需要高精度的比较器。而高精度的比较器通常是以 牺牲功耗和转换速度作为代价的。 ( 3 ) 在f l a s h 结构中，a d 转换器的分辨率与功耗和芯片面积成指数关系。 ( 4 ) 采样时钟的抖动和扭斜在电路中是很难控制的。他们集中反映在并行的比 较器阵列时钟控制信号的不一致上。这种由于时钟的抖动、扭斜以及比较器的偏 置误差、输入信号的延迟等在比较器的输出锁存器上造成的输出结果的错误通常 叫“温度码 上的“气泡 。具体表现为，在正常情况下比较器的输出是从某一参考 电压起以下的所有比较器输出都为逻辑“1 ”，而此参考电压值以上的所有比较器 输出都为逻辑“o ，但是由于上述各种原因使得本来在应该全部输出逻辑“1 的 位置，比较器的输出锁存到数字逻辑信号“o ，这样的输出结果就称之为“气泡”。 ( 5 ) e h 于在f l a s h 结构中，模拟输入信号直接与2 n 1 个比较器连接，其输入电 容相应的为2 n l g ( 岛是单个比较器的输入电容) ，大的输入电容限制了信 号的输入带宽，而且还会产生模拟输入信号到参考电压的馈通，引起参考电压的 偏移，以及输入信号的非线性失真。这些作用在f l a s h a d 转换器上会引起其动态 和静态性能的恶化。 综上所述的各种特点使得f l a s ha d 转换器虽然可以完成最高速度的量化，但 是其量化精度却受到限制，一般不会高于8b i t 。为了进一步提高a d 转换器的分 辨率，克服上述f l a s h 结构的各种缺陷，减小比较器的数目和芯片的功耗、面积， 在f l a s h 结构的基础上，又发展出了许多其它的结构。 2 2t w o s t e pf l a s ha d 转换器的结构和特点 t w o s t e pf l a s ha d 转换器是由两个f l a s ha d 转换器组成【1 3 】【1 4 】【2 4 1 。它不像一 般的f l a s h a d 转换器在一个时钟周期内完成信号的比较、锁存和输出，而是将比 较、量化分为两步完成。第一步通过一个高位a d 转换器完成高位数字信号的量 化，第二步在低位a d 转换器中，量化得出低位的数字信号。整个步骤参考示意 图2 2 。模拟输入信号i n p u t 被同时送入一个模拟减法器和一个高位的f l a s ha d 8 第二章高速a d o 的发展动态及性能参数 转换器中，在高位f l a s h a d 转换器中量化的信号被一个d a ( 数模) 转换器重新 转换为模拟信号，它与原始模拟信号的差值被低位的f l a s h a d 转换器量化为低位 数字信号输出。从图中可以看出整个t w o s t e pa d 转换器的电路结构包含了两个 f l a s ha d 转换器、一个d a 转换器和一个模拟减法器。其中模拟减法器和d a 转 换器的精度直接影响了低位数字量化的准确性，它们产生的非线性误差会无损的 传递给下一级量化。 m s bh 1 图2 - 2 ：t w o - s t e pf l a s ha d 转换器 这种结构的f l 嬲ha d 转换器虽然所用的量化时间比单纯的f l a s ha d 转换器要 长，但是它减少了比较器的数量，从而也减少了芯片的功耗，面积以及输入电容， 这样的结构可以使得它的量化精度提高到1 0b i t 。与单纯的f l a s ha d 转换器相比 较，它所用到的比较器仅为2 2 w z 个。 2 3 折叠内插a d 转换器 折叠内插结构的a d 转换器【1 5 - 2 0 】也是从f l a s h 结构上演变而来的一种高速、低 时间延迟的a d 转换器，它如同前面所讲的t w o s t e pf l a s h a d 转换器一样，其目 的也是为了减少比较器的数量。 折叠的原理是利用一个折叠器将一个线性递增的信号转变成为一个周期性信 号。这样利用高位c o a r s ef l a s ha d 转换器和精确的低位f l a s ha d 转换器可以并 行的将输入信号进行量化比较，减少了比较器的数量。 在折叠a d 转换器中低位精确f l a s h a d 转换器的工作过程是将折叠后的周期 信号进行等分比较量化，但是由于实际的折叠后的信号并不是我们期待的线性周 期信号，而是非线性的周期信号。其非线性的典型特征是在折叠后信号的顶部出 现的小的平顶失真。如图2 4 反应的一样。 9 电子科技大学博士学位论文 ( a ) lv 如t f x s m l ：) l e 8b i t s ，f f 。8- ，： 。声rj 。- 。一。一， l 一， ： ，一一： ： z 一7 ；i； ； 。；。彳 ： ： ： ：互二天宅；，人乏；，人皂；，人璺； 一 f s m、一 ( b ) 图2 - 3 ：( a ) 折叠( f o l d i n g ) a d 转换器折叠信号的原理【9 】 1 0 u tju i 一 a 1 a i ，八、，、 i ，、，八、 j r l ；八门；八八 r l - o 0 图2 _ 4 ：折叠信号的非线性引起的平项失真9 1 打忡i 啪n 峪幻r ：，2 i m 1 ，o l 幻ni l l o l o r ：x 4 ( b ) 图2 5 ：( a ) 一次内插( b ) 三次内插 1 0 一一 第二章高速a o e 的发展动态及性能参数 为了解决折叠信号的非线性失真问题，内插技术( i n t e r p o l a t i o n ) 被引入了折 叠a d 转换器的设计中。内插技术的原理是利用了放大器的输入线性范围不为零 的特点，在相邻放大器都处于线性放大区间时，对其输出的两个差分放大线性信 号进行内插，在这两个信号间产生一个新的差分线性输出信号，如图2 5 ( a ) 所 展示的那样。图2 5 ( a ) 是一个内插因子为2 的内插放大器输出波形图。具体下 一级量化位输出的判断，是通过比较图中输出信号v o u t 相对于水平轴上零交叉点 的位置得出的。 图2 5 ( a ) 在两个信号间进行的一次内插，得到一个信的中间信号，内插因 子为2 ，( b ) 利用电阻串在两组信号间进行3 次内插，得到3 组内插信号，内插 因子为4 。 如果不考虑输入失调、内插放大器及电阻等内部器件的不匹配性，那么理想 情况下，内插技术可以减小输入电容，电路中比较器的数目，和消除单纯折叠器 中输出折叠信号的非线性对a d 转换器性能的影响。 虽然折叠、内插结构的a d 转换器有上述优点，但是由于电路中将线性输入 的信号折叠成周期性的差分信号，所以折叠因子( n ) 越高，则折叠后的输出信号 的频率越高( 为输入信号频率的n 倍) ，因而在折叠a d 转换器中往往要求比较 器具有高速、高精度的特点，这在输出分辨率高的a d 转换器设计中是很难满足 的 2 1 1 1 2 2 2 3 。 2 4p i p e l i n ea d 转换器的结构和特点 p i p e l i n ea d 转换器是通过高速、低分辨率的a d 转换器的级联来实现【2 5 】一般 a d 转换器很难达到的高分辨率和高速度。它可以遏制由于分辨率的增加而给其 它a d 转换器带来的高功耗，芯片面积和输入电容的增长等一系列问题。具体来 说p i p e l i n e a d 转换器的特点有以下几点： ( 1 ) p i p e l i n e a d 转换器可以如同f l a s ha d 转换器一样在每个时钟周期完 成一次量化，因而它可以获得较高的速度【2 4 】。 ( 2 ) 因为采样的频率并不由p i p e l i n ea d 转换器的状态决定，所以电路中 比较器的数量并不随分辨率的增加而呈指数增长，而是呈线性比例的增长，这意 味着转化器的分辨率有多大就相应的会有多少个比较器，这样不仅缩小了芯片的 面积也减小了系统的功耗。 ( 3 ) 理论上来说，p i p e l i n ea d 转换器的分辨率不受输入信号的影响。在 电子科技大学博士学位论文 电路允许的情况下可以持续的增加p i p e l i n e a d 转换器的状态数。 图2 - 6 ：n 个状态的p i p e l i n ea d 转换器 就象图2 - - 6 所展示的那样，在p i p e l i e na d 转换器中【2 7 】，它中间的每一个状 态都由一个s h ( 前置采样保持) 电路、一个通常是lb i t 分辨率的a d 转换器、一 个相应的d a 转换器、一个模拟减法器和一个有限增益的o p a ( 运算放大器) 组 成。如同t w o s t e pa d 转换器的工作原理一样，在p i p e l i n ea d 转换器中前一级 输入的模拟信号被同时送入一个模拟减法器和一个lb i t 的a d 转换器中。在a d 转换器中量化的输出结果一是作为量化后的数字信号输出，一是作为d a 转换器 的输入信号，被重新转换成相对应的模拟信号，与原始的模拟信号相减。得出的 差值信号，通过一个有限增益的运算放大器电路的缓冲后，输出到下一级。由此 可以知道，在传统的p i p e l i n e 结构中，每一级的信号处理过程都可以划分为两个不 同的状态。在第一个状态中，输入信号被采样保持电路采样后、信号经过a d 和 相应的d a 装换，保存在d a 转换器的输出端上。在第二个状态，保存在d a 转 换器输出端的信号与采样保持的输入信号相减后，其差值被有限增益运算放大器 放大。放大后的信号被保存在运算放大器的输出端上，等待下一级控制信号的到 来。 但是p i p e l i n e a d 转换器的第个数字量化输出结果相对于其它结构的a d 转 换器来说有n ( p i p e l i n e 的状态数) 个时钟周期的延迟【2 引。这无疑的限制了p i p e l i n e a d 转换器在某些场合下的具体应用。而且在p i p e l i n e a d 转换器中，如果不能保 证每一级的量化精度，即是说，如果不能保证系统中每一级内部的电路都工作在 1 2 第二章高速a d c 的发展动态及性能参数 我们设计的误差范围内的话，那么每一级的量化误差都会毫无保留的影响到它随 后所有各级的量化结果。特别是每一级中的d a 转换器、s h ( 采样保持电路) 电 路、模拟减法器和有限增益放大器等这些基本的模拟电路由于内部器件或参数的 失配，或外在噪声的影响所产生的非线性误差都会无损的传递给下面各级。因而 整个p i p e l i n e a d 转换器对内部具体电路的精度要求很高，特别是在前端的各级状 态中，通常要求额外的数字纠正电路或模拟纠正电路对信号进行监控和输出信号 的纠正。而且高精度的采样保持电路、比较器电路、数模转换电路、模拟减法器 等电路的设计同时又必须以牺牲电路的尺寸、功耗、速度等方面的性能为代价， 所以当系统要求的数字输出信号的分辨率高于1 2b i t 时，高速的p i p e l i n e 结构的 a d 转换器的设计就会变得非常困难。 2 5 本章小结 主要分析了现今比较流行的几种高速a