（电路与系统专业论文）十六位闪烁流水线型模数转换器的设计及实现.pdf

中文摘要 二十世纪七十年代微处理器( m p u ) 的发明和微控制器( 研c u ) 的最终出现曾一 度被认为是数字时代的开创之日，即为模拟i c 的终结之时。然而恰恰相反，在 消费和通信领域对于i c 的爆发式需求中，模拟i c 的重要作用越来越得到人们的 认可。而随着数字电路应用速度的提高，应用范围的扩大，对于混合信号i c 设 计的要求也越来越高。 模数转换器是典型的混合信号i c 。它具有将模拟信号转换成数字信号的功 能。在当今这个数字时代，其重要作用无需质疑。随着加工工艺的不断提高，设 计手段的不断完善，模数转换器的运行速度和转换精度也不断得以突破。这将为 模拟世界和数字世界之间的交互提供一条理想的途径。 本文在深入研究数字c m o s 电路、模拟c m o s 电路、比较器电路以及模数转换 器电路的基础上，提出了一种闪烁流水线模数转换器的设计方法，设计了一个十 六位闪烁流水线型模数转换器，完成了作为模数转换器组成单元的分压电路、差 分比较器和数字编码电路的设计。 文中的设计使用安捷伦公司的a d s 软件作为工作平台，按照自底向上的设计 方式，完成了十六位闪烁流水线型模数转换器的设计，并进行了仿真。得到的仿 真结果证明确实实现了模数转换器的功能，验证了所提出方法的可行性。同时， 本设计在主要性能及参数方面接近国际市场上最新产品，经过进一步完善可以投 入生产，因此具有一定的实际意义。 关键词： 混合信号电路流水线型闪烁型模数转换器 a bs t r a c t t h ei n v e n t i o no f m i c r o p r o c e s s o ra n dm i e r ec o n t r o lu n i th a sb e e nr e g a r d e da st h e b e g i n n i n go fc u g i m ia g e a n dt h et e r m i n a t o ro ft h ea n a l o gi ci n2 0 “c e n t u r y7 0 s o n t h ec o n t r a r y , t h ea n a l o gi ci sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ，b e c a u s eo ft h eh u g ed e m a n d o fi ci nc o n s u m p t i o na n dc o m m u n i c a t i o nd o m a h xf o rt h ei n c r e a s i n gw o r k i n g f r e q u e n c ya n d t h ee x t e n d i n ga p p l i c a t i o ns c o p e ，t h er e q u i r e m e n to fm i xs i g n a li ci s a d v a n c i n g ， a n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t o ri so n et y p i c a lk i n do fm i xs i g n 丑li c i tc a n t r a n s l a t e a n a l o gs i g n a li n t oe u g i t a ls i g n a l i nc u g i t a la g e ，t h ei m p o r t a n c eo f a d c i sv e r yo b v i o u s w i t ht h ea d v a n c i n gp r o d u c i n gt e c h n o l o g ya n dt h ei m p r o v i n gm e 卸l l sa n dm e t h o d so f d e s i g n , t h ew o r k i n gr a t ea n dp r e c i s i o ni sh i g h c ra n dh i g h e r t h i sw i l lo f f e ra w o n d e r f u la p p r o a c hf o rt h ea l t e r n a t i o nb e t w e e na n a l o gw o r l da n dd i g i t a lw o r l d am e t h o do f f l a s hp i p e l i n ea n a l o g t o - d i g i t a lc o n v e r t o rd e s i g ni sp u ta n da1 6b i t s a n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t o ri sr e a l i z e db a s e do nt h er e s e a r c ho fd i g i t a lc m o sc i r c u i t , a n a l o gc m o sc i r c u i t , a m p l i f i e rc b c u i ta n da n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t o r t h ec i r c m tf o r v o l t a g ed i v i s i o n , d i f f e r e n c ea m p l i f i e ra n de n c o d i n gc i r c m t a r en e e d e da s t h e c o m p o n e n to f t h ec o n v e r t o r t h ew o r k b e n c hi sa d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) b ya g i l e n t b ym o a n so f f r o mb o t t o mt ot o p a1 6b i t sf l a s hp i p e l i n ea n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r t o ri sd e s i g n e & t h ec o n v e r t o rh a sb e e ns i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l tv e r i f i e st h ev a l i d i t yo ft h e m e t h o d ，a n dp r o v e st h ef u n c t i o no f t h ed e s i g n ，t h ep e r f o r m a n c ea n dp a r a m e t e ro ft h e c o n v e r t o ra r ec l o s et ot h en e wp r o d u c ti nt h ei n t e r n a t i o n a lm a r k e t t h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o no f t h ed e s i g ni s n ti g n o r a b l e k e yw o r d s ：m i x s i g n a lc i r c u i t , p i p e l i n e ，f l a s h ，a n a l o g - t o ，d i g i t a lc o n v e r t o r 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，也不包含为获得墨注盘鲎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：签字日期：勿叼年，月，上日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 囱国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 毒- 卅 导师签名： 细绑季 签字日期：硝p 口6 年f 月，z 日签字目期：7 妒虹年、月j 爻日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 设计课题简介 随着电子技术日新月异的发展，电子电路的两大分支：模拟电路和数字电路 相互结合产生了许多具有广泛用途、功能强大的产品。模拟混合信号电路的设计 也愈发凸现其重要性。而在众多电子辅助设计工具中，能够进行模拟混合信号电 路的设计及仿真的有v h d l - - a m s 和v e d l o g a m s 等硬件描述语言，还有 c a d e n c e 公司的n c v e r i l o g 等工作平台。而本文使用安捷伦公司的a d s 软件进行 了自底向上的设计及仿真。 本文将设计一个十六位闪烁流水线型模数转换器。其主要组成部分为：参考 电压产生电路、差分放大器、编码电路以及实现流水线操作的相关电路。设计的 目标是将输入范围在l 伏的模拟电压值转换为由十六个“0 ”或“l ”组成的数 字信号。主要思路是将输入电压与参考电压进行比较，利用差分放大器判断比较 结果，产生一系列的电压值。然后根据这些电压值进行编码，最后输出标准的二 进制代码。整个模数转换器按照流水线的思路分为四级，每一级产生四位二进制 编码，由高至低依次生成。由此需要完成如下任务： 1 设计参考电压生成电路，每一级都需要将某个范围内的电压平均分成十 六份。 2 设计一个分辨率大于i 2 1 6 - - 1 6 5 5 3 6 的比较器。 3 。设计一个1 6 - 4 编码电路。 4 设计流水线操作控制电路。 本设计中使用了o 5 微米c m o s 工艺，利用模拟和数字电路的基本原理，构 建起整个电路。设计的结果显示，运用a d s 软件，进行了直流、交流、瞬态、s 参数等仿真，完成了模拟混合信号电路的设计及仿真任务。 1 2a d s 软件简介 a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 模拟设计软件是美国a g i l e n tt e c h n o l o g i e s 公 司的产品，该软件功能包括时域电路模拟( s p i c e ，l i k es i m u l a t i o n ) 、频域电路模拟 ( h a r m o n i cb a l a n c e 、l i n e a ra n a l y s i s ) 、电磁模拟( e ms i m u l a t i o n ) 、通讯系统模拟 ( c o m m u n i c a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o n ) 、数字信号处理器( d s p ) 的设计等。此外和多 家晶园厂商合作建立a d s d e s i g n k i t 及m o d e l f i l e 供设计人员使用。使用者可以 利用d e s i g nk i t 及软件模拟功能，进行通讯系统的设计、规划与评估，及 m m i c r f i c 设计。除上述的设计模拟功能外，a d s 也提供辅助设计功能，如 d e s i g ng u i d e 是以范例及指令方式示范电路或系统的设计规划流程，而 s i m u l a t i o n w i z a r d 是以步骤式界面进行电路设计与分析。a d s 还能提供与其它设 第一章绪论 计模拟软件( 如s p i c e 、m e n t o rg r a p h i c s 的m o d e l s i m 、c a d e n c e 的n c - v e r i l o g 、 m a t h w o r k s 的m a t l a b 等) 做联合仿真，加上丰富的元件应用模型库及测量，验证仪 器间的连接功能，提高了电路与系统设计的方便性、速度性与精确性。 在本文的设计中主要使用到了a n a l o g & r f 平台，平台中主要使用d c 仿真、 a c 仿真、瞬态仿真以及s 参数仿真。 原理图界面如图1 1 所示： 图1 1 a d s 的工作界面 通过模板选择菜单，可以选择集总元器件库、集总网络库、受控源库、频域 源库、调制源库、噪声源库、时域源库、直流仿真控制器、交流仿真控制器、s 参数仿真控制器、谐波平衡仿真控制器等原理图所需的各个要素。 a d s 还可以进行i c 版图的设计和绘制。图1 2 显示的是对一个设计好的 c m o s 传输门自动生成的i c 版图( 自动生成，晶体管位置有待调整) 图1 2 c m o s 传输门的i c 版图 第二章c m o s 门电路及编码电路的设计 第二章c m o sf - j 电路及编码电路的设计 本设计是使用安捷伦公司的a d s 软件进行设计，并采用的是c m o s 工艺。而 a d s 软件要求设计者从最底层的c m o s 管开始进行设计，并设定相关参数。因此 为了完整地论述设计的全过程，下面对c m o s 最基本的原理进行简单回顾，然后 介绍所将要使用到的各种逻辑门的设计。 2 1m o s 电路 2 1 1m o s 管基本结构及工作原理 在一块掺杂浓度较低的p 型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓 度的n + 区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d 和源极s 。然后在半导体 表面覆盖一层很薄的二氧化硅( s i 0 2 ) 绝缘层，在漏源极间的绝缘层上再装上一个 铝电极，作为栅极g 。另外在衬底上也引出一个电极衬底b ，这就构成了一个n 沟道增强型m o s 管。显然它的栅极与其他电极间是绝缘的。图2 1 ( a ) 、( b ) 分别 是它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由p ( 衬底) 指向n ( 沟 道) p 沟道增强型m o s 管的箭头方向与上述相反，如图2 1 ( c ) p t f 示。 4 罗鬈源强。 5 一栅；端。“漏极d l 蚓心d 。 l 耗尽层p 型硅衬底 】l i 勾道增强型m o s 管结椽示意囝 0 ) h 闷道增强型s 管代表符号缸) p 沟道增强型m o s 管代表符号 图2 1 由于这种管子是由金属、氧化物和半导体所组成，所以又称为金属氧化物半 导体场效应管，简称m o s 场效应管。它是目前应用最广的一种。根据栅极( 金 属) 和半导体之间绝缘材料的不同，绝缘栅场效应管有各种类型，例如以氮化 硅作绝缘层的m n s 管，以氧化铅作绝缘层的m a i s 管，等等。 下面以n 沟道增强型场效应管为例简要介绍一下m o s 管的工作原理。 底秸 。j1 村一 d tl 1 一 第二章c m o s 门电路及编码电路的设计 如果在栅、源极间加上一个正电源v o s ，并将衬底与源极相连。此时，栅极 ( 金属) 和衬底( p 型硅片) 相当于以二氧化硅为介质的平板电容器，在正栅源 电压v g s ( 即栅衬底电压v g b ) 的作用下，介质中便产生一个垂直于p 型衬底 表面的由栅极指向树底的电场，从而将树底里的电子感应到表面上来。当v g s 较小时，感应到衬底表面上的电子数很少，并被衬底表层的大量空穴中和掉：直 至v g s 增加超过某一临界电压时，介质中的强电场才在衬底表面层感应出“过剩” 的电子。 于是，便在p 型衬底的表面形成一个n 型层称为反型层。这个反型层 与漏、源的区之间没有p n 结阻挡层，而具有良好的接触，相当于将漏、源 极连在一起。若此时加上漏源电压v d s ，就会产生i d 。形成反型层的临界电压， 称为栅源阈电压( 或称为开启电压) ，用v b 鼬、表示。这个反型层就构成源极和 漏极的n 型导电沟道，由于它是在电场的感应下产生的，故也称为感生沟道。 显然，n 型导电沟道的厚薄是由栅源电压v q s 的大小决定的。改变v o s ，可 以改变沟道的厚薄，也就是能够改变沟道的电阻，从而可以改变漏极电流i d 的 大小。因此栅源电压v g s 能够控制漏极电流i d 。 上述这种在v g s = 0 时没有导电沟道，而必须依靠栅源正电压的作用，才能 形成导电沟道的场效应管，称为增强型场效应管。 n 沟道增强型绝缘栅场效应管的特性曲线( 示意图) 如图2 2 所示。图2 2 ( a ) 的转移特性是在v d s 为某一固定值的条件下测出的，当v g s v t i 十l v t 2 i ，v d d 适用范围较大可在3 1 8 v 。两只管子的电气特性完全 对称。 第二章c m o s 门电路及编码电路的设计 图2 ，8 c m o s 反相器 现将c m o s 反相器工作原理说明如下： 当输入为低电平v m = 0 v 时，v g s l t ( v t i ，t 1 管截止；i v g s 2 l v t 2 ，t 2 导通。 电路中电流近似为零( 忽略t l 的截止漏电流) ，v d d 主要降落在t l 上，输出为高 电平v o h - z v d d 。同理，当输入为高电平v m = v d d 时，t l 导通t 2 截止，v d d 主要 降在t 2 上，输出为低电平v o l = 0 v 。可见电路执行逻辑“非”功能。 f=a ( 2 - 2 ) 2 2 2c m o s 传输门( t g ) c m o s 传输门电路和逻辑符号如图2 9 ( a ) 、( b ) 所示。它由一只p m o s 管 和一只n m o s 管并联而成。 ( a ) c c ( b ) 图2 9 c m o s 传输门( a ) 电路图( b ) 逻辑符号 工作原理： 当控制端电压c = 0 v ，c = v d d 时，输入信号v i 由0 v d d 变化时，t n 和 t p 均截止，传输门呈现高阻状态，相当于开关断开，c l 上的电平保持不变，这 种状态称为传输门保存信息。 点砷审 第二章c m o sf - j 电路及编码电路的设计 当控制端电压c = v t ) v ，c = 0 v 时，v i 由o ( v d d - w ) 范围变化时t n 导通； v l 在v t v d d 范围变化时t p 导通，即v i 在0 v d d 范围变化时，t 、t p 中至少 有只管子导通，使v o v i ，这相当于开关接通，输入电压v i 的变化传到输出 端，这种状态称为传输门传输信息。 由于m o s 管的对称性，其源、漏极可以互换，输入和输出端互换可以同样 工作，且传输电压无损失，因此这种门是适合双向传输 2 2 3 与非门 图2 1 0 为二输入端的与非门电路。它由两个并联的p m o s 管t 3 、t 4 和两个 串联的n m o s t i 、t z 管组成。当输入端a 和b 为高电平时，t 1 和t 2 导通而t 3 和t 4 截止，输出低电平；当输入端a 和b 有一个或一个以上为低电平时，与该 低电平相连的n m o s 管截止，p m o s 管导通，电路输出高电平，所以该电路具 有与非逻辑功能。 ，：面( 2 3 ) 图2 1 0 与非门 2 2 4 异或门 c m o s 异或门如图2 1 1 所示，它由三个c m o s 反相器和一个c m o s 传输门 组成，工作原理如下： ( 1 ) 输入端a 和b 相同 当a = b = 0 时，t 0 断开，则c = 日= l ，f = c = 0 ； 当a = b = 1 时，t g 接通，c = b = 1 ，此时反相器2 的两只m o s 管都截止， 输出f = c = o 。 ( 2 ) 输入端a 和b 相异 当a = l ，b = 0 时，t g 导通，c = b = 0 ，f = c = l ； 第二章c m o s 门电路及编码电路的设计 当a = 0 ，b = l 时，t g 断开，c = 口= 0 ，f = c = 1 综上所述，该电路执行异或逻辑功能 f = a o b = 4 b + 4 口 ( 2 - 4 ) 图2 1 1 异或门 2 2 5c m o s 电路的特点 1 功耗低： c l f i o s 集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场效应 管总是处于一个管导通，另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为零。实际 上，由于存在漏电流，c m o s 电路尚有微量静态功耗。单个门电路的功耗典型值 仅为2 0 m w ，动态功耗( 在l t , 强i z7 - 作频率对) 也仅为几m w 。 2 工作电压范围宽： c m o s 集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压。国产c c 4 0 0 0 系列的集成电路，可在3 1 8 v 电压下正常工作。 3 逻辑摆幅大： c m o s 集成电路的逻辑高电平“l ”、逻辑低电平“0 ”分别接近于电源高电 位v 。及电源低电位v 。当v 。= 5 v ，v 矿0 v 时，输出逻辑摆幅近似5 v 。因此，c , t 0 s 集成电路的电压利用系数在各类集成电路中指标是较高的。 4 抗干扰能力强： c m o s 集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的4 5 ，保证值为电源电 压的3 0 。随着电源电压的增加，噪声容限电压的绝对值将成比例增加。对于 v * = 1 5 v 的供电电压( 当v 豁：0 v 时) ，电路将有7 v 左右的噪声容限。 5 输入阻抗高： 第二章c m o s 门电路及编码电路的设计 c m o s 集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联电阻构成的保护网 络，故比一般场效应管的输入电阻稍小，但在正常工作电压范围内，这些保护二 极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄露电流，通常情 况下，等效输入阻抗高达1 0 3 1 0 1 1o ，因此c m o s 集成电路几乎不消耗驱动电路 的功率。 6 温度稳定性能好： 由于c m o s 集成电路的功耗很低，内部发热量少，而且，c m o s 电路线路结构 和电气参数都具有对称性，在温度环境发生变化时，某些参数能起到自动补偿作 用，因而c m o s 集成电路的温度特性非常好。一般陶瓷金属封装的电路，工作温 度为- 5 5 + 1 2 5 ；塑料封装的电路工作温度范围为- 4 5 + 8 5 。 7 扇出能力强： 扇出能力是用电路输出端所能带动的输入端数来表示的。由于c m o s 集成电 路的输入阻抗极高，因此电路的输出能力受输入电容的限制，但是，当c m o s 集 成电路用来驱动同类型，如不考虑速度，一般可以驱动5 0 个以上的输入端。 8 抗辐射能力强： c m o s 集成电路中的基本器件是m o s 晶体管，属于多数载流子导电器件。各 种射线、辐射对其导电性能的影响都有限，因而特别适用于制作航天及核实验设 备。 9 可控性好： c m o s 集成电路输出波形的上羿和下降时间可以控制，其输出的上升和下降 时间的典型值为电路传输延迟时间的1 2 5 1 4 0 。 1 0 接口方便； 因为c m o s 集成电路的输入阻抗高和输出摆幅大，所以易于被其他电路所驱 动，也容易驱动其他类型的电路或器件。1 2 1 1 2 3 】 2 3 编码电路的设计 根据设计思路，需要设计一个将1 6 个比较器的输出结果编译成4 位二进制 代码的编码器。编码逻辑如下所示： o u t p u t 【4 】= c 8 o u t p u t 3 】= c 8 c 4 + 6 1 2 o u t p u t 2 】= c i o c 1 2 + c 6 0 6 8 + c 2 c - 4 + 6 - 1 4 o u t p u t 1 】= c 1 4 c 1 3 + c 1 2 c 1 1 + c 9 c 1 0 + c 7 c 8 + c 5 c 6 + c 3 c 4 + c 2 c i + c 1 5 第二章c m o s 门电路及编码电路的设计 本文中所用的s p i c e 模型参数如表2 1 所示：【1 7 】 表2 1 一级s p i c e 模型( n m o s 和p m o s 器件) n m o s 模型 l e v e l = l n s u b - - 9 e + 1 4 t o x = 9 e t i m j = 0 4 5 p m o s 模型 l e v e i = l n s u b = 5 叶1 4 t o x = 9 争9 m ，：o 5 v 砷司7 l o = o 0 8 e - 6 p b = o 9 s w = o 2 v t o = - o 8 l d = o 0 9 e 6 p b ：0 9 m j s w ：0 3 1 7 0 b ，5 0 c j = 0 5 6 e - 3 c g d o = 0 4 e 1 9 g a n 他= o 4 u o = 1 0 0 c j = 0 9 4 e - 3 c g d o = o 3 e 9 其中，各个参数的意义为： v t o ： v ；o 时的阈值电压 g a m m a ： 体效应系数 p h i ： 2o ， t o x ： 栅氧厚度 n s u b ： 衬底掺杂浓度 u ) 源漏侧扩散长度 u o ： 沟道迁移率 l a m b d a ： 沟道长度调制系数 c j ： 单位面积的源漏结电容 c j s w ： 单位长度的源，漏侧壁结电容 p b ： 源，漏结内建电势 m j ： c j 公式中的幂指数 m j s w ： c a s w 等式中的幂指数 c g d o ： 单位宽度的栅漏交叠电容 c g s o ： 单位宽度的栅一源交叠电容 j s ： 源，漏结单位面积的漏电流 p h l = o 9 l a 田d a = o 1 c j s w = 0 3 5 e - 11 j s = 1 0 e 一8 p h i = 0 8 l a 咀d a = o 2 c j s w = 0 3 2 e - l l j s ：= 0 5 e 8 ( 单位：v ) ( 单位：v 1 。) ( 单位：v ) ( 单位：m ) ( 单位：g i l l 4 ) ( 单位：i t ) ( 单位：c m 2 v s ) ( 单位：v 1 ) ( 单位：f m 2 ) ( 单位：f m ) ( 单位：v ) ( 无单位) ( 无单位) ( 单位：f m ) ( 单位：f m ) ( 单位：a m 2 ) 第二章c m o s 门电路及编码电路的设计 利用前面阐述的原理，首先进行基本逻辑单元的设计。 2 3 1 反相器 图2 1 2 显示了所设计的反相器结构。 ：m m o o “s e t 吾t “誓擎 l t n 口”z 口5q m 田2 1 2 反相器 对反相器进行仿真，其电路如图2 1 3 ，仿真结果见图2 1 4 。 囝2 ，1 3 反相器测试电路 v h 札 图2 1 4 反相器测试仿真波形 从仿真波形中可以看出反相器的正常工作电压范围是o o 2 伏和0 7 1 0 伏。而在0 2 o 7 伏范围内由于管子处于未饱和状态，输出值不是我们所需要的， 暧0 。m，二南瓷 o 焉一。 v v v 圄 第二章c m o s 门电路及编码电路的设计 因此应尽量避免该情况的出现。 2 3 2 与门 图2 1 5 显示了所设计的与门结构。 图2 1 5 与门 由于前面给出的逻辑表达式中大量使用的是与逻辑，因此在与：l l e f 的基础上 设计了与门。以便后面使用起来更加方便。 对与门进行仿真，其电路如图2 1 6 ，仿真结果见图2 1 7 。 f 一? 圈 _ _ _ ；_ _ _ _ _ _ 一 雾dc 图2 1 6 与f - j 谫l j 试电路 第二章c m o s 门电路及编码电路的设计 厂 j oi2345 v t e s l 图2 1 7 与门测试仿真波形 从波形中可以看出，当一端输入置于“l ”，另一端输入从0 伏变化到5 伏的 电压值。输出结果实现了与逻辑的运算。 2 3 3 或门 图2 1 8 显示了所设计的或门结构。 宙2 1 8 或门 由于给出的逻辑表达式中主要使用的是或逻辑，因此在或非门的基础上设计 了或门。 对或门进行仿真，其电路如图2 1 9 ，仿真结果见图2 2 0 。 + 一匝圈 一 ， ” d c 图2 1 9 或门测试电路 第二章c m o s 门电路及编码电路的设计 b1234 妇s t 图2 2 0 或门测试仿真波形 从波形中可以看出，当一端输入置于“0 ”，另一端输入从0 伏变化n 5 伏的 电压值。输出结果实现了或逻辑的运算。 2 4 编码电路的设计 使用上面设计好的元件，实现四个复杂程度不同的逻辑表达式。为了各个支 路的传输延迟尽可能一致，在计算较为简单的支路添加了成对的反相器。图2 2 l 是编码电路在模数转换器电路中的截图。 图2 2 1 编码电路 编码电路输入0 伏到l 伏逐渐变化的电压，其仿真的结果如图2 2 2 所示。 5 4 3 2 l o o ：o ， 第二章c m o s 门电路及编码电路的设计 口 o o jojn i口j1 j 帆 懒 o j | | | | 第三章比较器的基本原理及设计 第三章比较器的基本原理及设计 经过上一章的设计得到了构建模数转换器的最基本元件，本章将使用这些元 件设计一个具有较高精度的比较器。其中比较器是以差分放大器为基础加以改造 而来，因此先简单介绍一下差分放大器的基本原理。 3 1c m o s 差分放大器的基本原理 图3 1 展示了一个基本c m o s 差分放大器的电路图。主要由差分输入级和放 大级，以及偏置电路组成。在差分输入级要求对管的物理特性应尽可能一致。 围3 1 差分放大器基本结构 差分放大器处理的是差模信号和共模信号。 差模信号的定义和表示： 当差分放大器两输入端分别作用着数值相等、极性相反的输入信号电压，即 v i l = - v 晓，则称为差模输入信号。 v j l = - v i 2 = v i d ，2 ，v “- v i 2 = v “ ( 3 - 1 ) 当差分放大器两输入端分别作用着数值相等、极性相同的输入信号电压，即 v i l - - - - - v ，2 = v i ，则称为共模输入信号。 = 半+ 半= + 导 2 a ， = 半一半= 一导 b z b ) 实际加至u 差分放大器输入端的信号电压往往为任意信号，可将任意信号分解 为差模信号和共模信号的叠加，这样，对这两种特殊输入信号求解输出电压，然 后再叠加，则可实现差分放大器在任意输入条件下的性能分析。 第三章比较器的基本原理及设计 从理论上讲，m o s 型放大器的性能往往比双极型( b i p o l a r ) 放大器差，但是它 们可用于高速发展的v l s i 工艺制造。且所需面积比双极型放大器小很多( 1 3 1 5 ) ，当c m o s 放大器用于v l s i 芯片内部时，与通用的单级放大器不同，它的增益、 失调及频率特性只要达到中等水平即可满足要求。【1 3 】【1 4 】 差分电路具有下列特点： 1 、具有抑制零点漂移能力 差分电路由于管特性相同和电路元件对称，所以当温度升高时，两管的集电 极电流将得到同样的增量，即i c l = t c 2 而双端输出为： v o = i c i r c a i c 2 r c = 0 ( 3 3 ) 所以输出没有零点漂移。 2 、共模输入时，具有抑制放大能力 通常把幅度相等，相位相同的一对输入信号，称为共模信号，由电路图可见， 当v i l = v i 2 时，在对称条件下双端输出： vo=kvilkv吐=0(3-4) 3 、差模输入时，具有放大能力 通常把幅度相等，相位相反的一对输入信号，称为差模信号。当v “= - v j 2 差模输入时，两对c m o s 管的漏极输出分别为v o l = 一k v i l 、v 0 2 = - k v j 2 ；所以， 差模放大倍数为：l l l 】【1 2 】 a v d ：a v d = ( 、r o l v 0 2 ) ( v i r v 国= ( - v “k - v i l k ) 2 v i i = - k ( 3 - 5 ) 3 1 1 差分放大器的一些重要参数 1 输入阻抗 第一级包括p 沟道差分对管q l q 2 、n 沟道电流镜负载q 3 c 1 4 和电流源q 5 。 第二级包括n 沟道共源放大器q 6 和p 沟道电流源负载q 7 。由于运放的输入连 接到m o s 管的栅极，输入阻抗可以看作近似无穷。同样第二级的输入阻抗也可 以看作近似无穷。 2 输出阻抗 输出阻抗是将运放输入端连接到小信号参数地时，由输出端反向观察得到的 阻抗。 r o = i 白( f 0 6 ，r o t 为q 6 、q 7 管的输出电阻) ( 3 6 ) 3 开路电压增益 由于第二级输入电阻近似无穷，运放的电压增益可以通过将两级分别考虑来 得出。第一级的小信号电压增益为： a = 鱼= 白 e ( 3 - 7 ) 第三章比较器的基本原理及设计 c r m l 和r 0 1 分别为第一级的跨导和输出电阻。由( 3 3 ) 式可以推出： a = “k 8 白) 同理可以得到第二级电压增益。 因此可以得到： 如= 一箩d r o ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) 4 ；a 如= 一岛k 慨k k 峙) ( 3 1 0 ) 4 输出摆幅 输出摆幅是指当增益近似为常数，所有管子工作在放大区时，输出电压、r o 的范围。当输出电压小于v 晰- v 。时，q 6 工作在未饱和区。同样，输出电压大 于v d d 1 v 。7 i 时，q 7 也工作在未饱和区。因此输出摆幅为： v 嘶- v 。v o v - i v 卅i ( 3 1 1 ) 5 共模抑制比 差分放大器差模性能和共模性能具有很大的差异。除了共模输入电阻( 即每 个输入端看进去的输入电阻) 远大于输入电阻( 即两个输入端看进去的输入电阻) 外，最主要的是共模电压增益远小于差模电压增益。或，差分放大器具有放大差 模信号的能力，而对共模信号具有抑制作用。 评价差分放大器对共模信号具有抑制作用的强弱用共模抑制比( k c m r ) 来 表示。 单端输出时： = 降l 佩越大，差分放大器对共模信号具有抑制作用越强。 分贝数：盖舀口( d 功：2 0 l g k m k c m 的近似表示：丘“如如 6 共源放大器的性能小结 共源放大器的交流通路和等效电路如图3 2 所示。 ( 3 一1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 第三章比较器的基本原理及设计 + 讥 一 + 1 乳 一( a ) 交流通路 k sg d + v o 一 ( b ) 交流等效电路 图3 2 共源放大器 其主要参数为：1 1 8 1 1 2 0 】 r - 。 兄= 岛0 4 = 一如幢l l 吃) 缸= 击，d = 筹粤一v z o + 圳 k = + ，呖丽一琢) ，：丢厄两，乞：笋 ，2 瓦、2 批 k 2 专 + v o 一 ( 3 - 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) ( 3 - 1 9 ) ( 3 2 0 ) 3 2 电压比较电路 比较器用通用运算放大器和专用集成比较器的区别在于以下两点： ( 1 ) 比较器的一个重要指标是它的响应时间，它一般低于1 0 2 0 n s 。响应 时间与放大器的上升速率和增益带宽积有关。因此，必须选用这两项指标都高 的运算放大器作比较器，并在应用中减小甚至不用相位补偿电容，以便充分利用 通用运算放大器本身的带宽来提高响应速度。 ( 2 ) 当在比较器后面连接数字电路时，专用集成比较器无需添加任何元器 件，就可以直接连接，但对通用运算放大器而言，必须对输出电压采取锚位措施， 使它的高、低输出电位满足数字电路逻辑电平的要求。i l j 【1 0 1 第三章比较嚣的基本原理及设计 3 3 差分比较器的设计 模数转换器功能的最简单概括就是将模拟信号转化为数字信号。而本设计中 采用的闪烁流水型模数转换器需要将输入的模拟信号与参考电平进行比较，从而 得到二进制数字信号。因此比较器的设计是整个设计的关键部分。 本设计中采用差分放大器的基本结构，同时考虑到模数转换器的工作速度， 以及其后面连接的数字电路的要求，其整体结构如图3 3 所示。 囝3 3 差分比较器电路结构图 比较器的输入部分是按照差分比较器的结构设计的。而为了提高速度没有使 用相位补偿电容。同时为了满足数字电路逻辑电平的要求，设计了两级反相电路， 将输出电位钳置在5 伏( v d d ) 或0 伏。由于设计要求为1 6 位，即比较器的分 辨能力在1 2 1 6 = 1 6 5 5 3 6 0 0 0 0 0 1 5 伏以上。 图3 - 3 所示的比较器电路，有三个输入端和一个输出端，分别是v d d 、v i n 、 v r e f 和v o u t 。v d d 是电源连接端，本设计接入的是直流5 伏电压。v i n 是输入信 号端，待转换电压信号由此端口输入。v r e f 是参考电平输入端，参考电压由此端 口输入。v o u t 是输出端。比较的结果将从这个端口输出，如果输入信号比参考 电压高，输出为“l ”；如果输入信号比参考电压低，输出为“0 ”。下面图3 4 所 示的是对比较器进行仿真的示意图。 第三章比较器的基本原理及设计 图3 4 比较器仿真示意图 图3 4 中参考电平设定为0 0 0 0 4 5 6 伏，输入电源为5 伏，输入信号设定为 o 0 0 0 4 5 7 伏。仿真结果如图3 5 所示。 雪 兰 旦 3 1 4 4 2 2 8 8 3 1 4 4 2 2 6 8 0 o0 20 4a 60 ，81 o 2141 61 82 0 t i m e s e c 图3 5 仿真结果 输入信号比参考电平高0 0 0 1 毫伏， 面的数字电路判断识别为逻辑“1 ”。 改变输入信号，使其低于参考电平， 输出结果约为3 1 4 4 伏。基本可以被后 其仿真示意图如图3 6 所示。 黜 荦 们 3 3 第三章比较器的基本原理及设计 e c 3 o 艺 卫 图3 6 比较器仿真示意图 输入信号改为0 0 0 0 4 5 5 伏，其他条件不变，输出结果如图3 7 所示。 7 6 6 ，8 8 0 7 0 8 9 7 6 6 ，8 8 0 7 0 8 9 7 6 6 8 8 0 7 0 8 9 7 6 6 8 8 0 7 0 8 9 7 6 6 8 8 0 7 0 8 9 o oo ，20 40 60 8101 21 41 61 82 0 t i m e ，s e c 图3 7 仿真结果 输入信号比参考电平低o o o l 毫伏，输出结果约为0 ，7 6 6 9 伏。基本可以被后 面的数字电路判断识别为逻辑“o ”。 综上可以看出所设计的比较器可以实现所期望的功能。 对比较器进行直流瞬态分析。其示意图见图3 8 和3 9 。 第三章比较器的基本原理及设计 了 o z 叱 i - - 5 0 0 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 4 9 9 9 9 9 9 9 4 ，9 9 9 9 9 9 9 图3 8 比较器直流瞬态分析 0 00 5101 ，52 ，02 53 03 54 0 t i m e ，u s e c 圈3 9 瞬态分析输出波形 从图3 8 中可以看到输入频率为1 0 m h z 的正弦波。而输出的第一个波峰处 于7 6 3 7 n s 对刻，其交流值已经与后续波峰基本相同。由此可见比较器的建立时 间是非常短暂的，经过估算大约在5 n s 左右。 耋每一 。 妒i一o=甄p乒 第三章比较器的基本原理及设计 3 4 小结 本章利用上一章得到的逻辑门元件设计了差分结构的比较器，经过仿真分析 所设计的比较器能够满足数字逻辑电平的设计要求。比较器的分辨能力在l 2 埔 以上，能够用作1 6 位模数转换器的比较电路。 第四章闪烁流水型模数转换器的设计 第四章闪烁流水型模数转换器的设计 采用数字信号处理能够方便地实现各种先进的自适应算法，完成模拟电路难 以实现的功能，因此，越来越多的模拟信号处理正在被数字技术所取代。模数转 换技术就是模拟系统和数字系统之间的桥梁并得到日趋广泛的应用。本章将在简 单介绍各种模数转换算法的基础上，利用前面几章得到的功能模块搭建起一个完 整的闪烁流水型模数转换器。 3 1 1 4 1 4 1 模数( a d ) 转换 就是将模拟信号转换为数字信号的过程。其基本过程如下： 1 ) 将一个连续变化的信号x ( t ) 采样转换成时间上离散的采样信号x ( n ) 。 考虑奈奎斯特采样定理和电路的一些其他特性，采样频率大致为2 5 。( 。 为x ( t ) 最高频率成分) 。一般，采样脉冲的宽度k 是很短的，故采样输出是断 续的窄脉冲，这部分称为采样。 2 ) 由于数模转换需要一定的时问，要把窄脉冲数字化，要将采样输出所得 到的模拟脉冲保持一段时间，这部分称为保持。 3 ) 将连续幅度的采样信号转换成离散幅度的数字信号称为量化，量化的主 要问题就是量化误差，这部分称为量化。 4 ) 最后是将量化后的信号按照一定的规则编码成二进制代码输出，这部分 称为编码。实现以上过程的技术种类众多，从早在上世纪就出现的积分型到最新 的流水线模数( a ，d ) 转换技术