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1、中山大学硕士学位论文数字、数模混合芯片的设计与验证姓名：任童申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：陈弟虎20070609中山大学硕。学位论义摘要与数字系统工艺兼容、功耗面积筹指标优化的高 生能模数转换a(A D)是片上系统(s o c)中非常重要的单元。基于标准C M O S 工艺的高速、高分辨率、低功耗的A D 转换器的研究正日益受到熏视。流水线结构A D 转换器的优越性是在保诞高速工作的同瞬，可实现8 位以上高分瓣率，并虽大大减少了 较器个数，从瓤减少了面积，降低了功耗。针对上述需求，该论文完成了1 5 比特每级流水线结构A D 转换器的单元电路设计。本文主要深入进行了以下
2、几方丽工作：设计了适合本课题性能要求的折鼹级联(f o l d e dc a s c a d e)跨导运算放大器(O T A)；采槎保持电路设计采用了电赛底极叛采样技术，有效地避免了电荷注入效应引起的采样信号失真，而且消除了时钟馈通效应的不良影晚：设计了种动态臣较器窳提高速度和降低功耗。本文中的电路均是基于5 v 单电源供电的C M O S 工艺，并利用S p e c t r e 模拟软件，采用C S M C0 6 口mC M O S 双多晶双金属工艺模型进行了模拟仿真。绪采表明，运放的开环增益为7 4 d B，相位裕度为5 0 度，单位增益带宽为5 0 M H z。采用该结构可实现9 级l
3、O 位分辨率，采样频率为2 M 的流水线型模数转换器。此外，本文还设计了一教家电类拄制芯片一多士炉(面包烤箱)控制器专用芯片。芯片内部包括震荡电路、逻辑控制和分频电路三个模块，芯片功能主黉实现多士炉的烘烤定时控制。芯片采用0 5 掣mC M O S 工艺进行设计，是一款数模混合芯片。论文给出了芯片的全部设计方案与仿真结果，并对最终流片后的芯片进行测试，结果袭明设计芯片可以实现所蠢功能并稳定工作，是一个确实可行的A S I C 设计方案。关键词：模数转换器，流水线，数模混合j 卷片，专用芯片，多士炉中山大学硕1 学位论文A B S T R A C TT e c h n o l o g yc o
4、m p l i a b l e p e r f o r m a u c eo p t i m i z e dA Dc o n v e r t e r(A D C)i sa ni m p o r t a n tb u i l d i n gb l o c ka st h eb r i d g eo ft h ea n a l o gw o r l dt ot h ed i g i t a ls e c t i o ni nS O C I ti Si m p o r t a n ta n dn e c e s s a r yt or e s e a r c hA D Cw i mh i 妫s p
5、e e d、h i 球r e s o l u t i o n、l O Wp o w e rd i s s i p a t i o nb ya d o p t i n gs t a n d a r dC M O Sp r o c e s s 强ep i p e l i n e dA D Cc a na c h i e v eh i 曲s p e e da n dh i 曲r e s o l u t i o n F u r t h e r m o r e t h en u m b e ro fc o m p a r a t o r sw i l lb ed e c r e a s e d S Ot
6、 h ea r e ai sd e c r e a s e d I nt h i sd e s i g n。w ei n t r o d u c et h eu n i tc i r c u i t so f p i p e l i n e dA D CW h i c hi sa1 5-b i tp e rs t a g ew i t h9s t a g ea n dd i g i t a lc o r r e c t i o nt e c h n i q u e H i 曲s p e e da n dh i 曲g a i na r ea c h i e v e db yas i n g l
7、es t a g ef o l d e dc a s c a d eO T Ac o n s u m i n gv e r yl o wp o w e r T h es a m p l ea n dh o l dc i r c u i ti se m p l o y e db yt h eb o t t o mp l a t es a m p l i n gt e c h n i q u e，w h i c hc o u l dn o to n l yc a n c e lt h ec h a r g ei n j e c t i o ne r r o rb u ta l s oe l i m
8、 i n a t et h ee f f e c to fc l o c kf c e d t h r o u 出A n dat y p eo fd y n a m i cv o l t a g ec o m p a r a t o ri su s e dt oi m p r o v es p e e da n dd e c r e a s ep o w e r T h ek e ye e l l so fA D Ch a v eb e e ns i m u l a t e di n0 6 9 mC M O Sd o u b l ep o l yd o u b l em e t a lp r
9、o c e s sm o d e lb yC a d e n c e S p e c t r e B yt h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n，t h ed cg a i no ft h ea m p l i f i e ri s7 4 d B。t h eg a i n-b a n d w i d t hi s5 0 M H z，a n dt h i sa r c h i t e c t u r eC a nr e a l i z e9 S t a g e，1 0b i t，2 M s a m l e sp i p e l i n
10、e dA Dc o n v e r t e LO nt h eO t h e rh a n d t h i sP a p-e ra l s od e s c r i b e da nA S I Cd e s i g no ft o a s t e rc o n t r o l l e r,T h i sC M o SL S IC h i Pi su s e df o rb a k i n gb r e a d b e s i d e sn a t u r a lc a l e f a c t i o n i ta l s oo f f e r st h ef u n c t i o n sl
11、i k er e h e a t i n ga n dd e f r o s t i n g A n di ti sc o m p o s e db yc o n t r o l l e rp a r t，s y s t e mo s c i l l a t o rp a r ta n df r e q u e n c yd i v i d e rp a r t T h ec i r c u i td e s i g n、s i m u l a t i o na n dt h el a y o u td e s i g nu s i n gt h em o d e lo f0 5 9 mC M
12、 O Sp r o c e s sa r ep r e s e n t e di nt h i sd e s i g n T h eA S I Ci st a p e do u ta n dt h ec h i pt e s tr e s u l ts h o w st h ef u n c t i o no f t h i sp r o d u c ti Sc o r r e c ta n ds t e a d v K e yw o r d s：A D C，p i p e l i n e，m i x e dI C，A S I C，t o a s t e r1 I中出大学硕士学位论文第一蠢绪论
13、售怠产业是2 l 擞纪毽器经济黪囊导产韭帮变程产韭。微彀乎产监是售崽产堑盼基础，它影响面广，后续产业链长，具有极为菔要的战略绝位。更有学者把半导体工业总产值与国民生产总值之比达O 5 作为人类进入信息化社会的标志。由兹可霓徽惫子产业熬发矮瘩乎已成建爨量一个嚣家综会重力戆薰要标志之一，瑟集成屯路产业则是微电子产业的基础、龙头与梭一妇。本章在介绍集成电路发展概况的基础上，指出本论文的研究背撩与意义，并介绍了论文的设计流程，最后是论文各拳蕊蠹容斡其体安捧。1。1 集成电路发展概况人类已进入了以信息网络为核心的“新经济”时代。而以计算机和通讯为依托戆“粼终0 其生存秘每一步发震都褰不舞集黢毫爨葱冀技叁
14、戆支持与凳麟。霜美国经济学家罗伯特丹玛斯的话来说：“互联嗣潦实上是一种全球范围的半母体网”。集成电路产业已缀成为了当今世界发展最为迅速和竞争最为激烈的产蛾。白麸1 9 5 9 攀整器主第一块集藏电黪(轴键鼹t 醛c i 瓣I C)在美瓣瓣德强纹嚣公霉(T 髓a sI n s t r u m e n t s，嘲和西屋电气公N(W e s t n g h o u s eE l e d r i c)诞生以来，集成电路技术以惊人的速度发展。集成电路经历了小规模I C(S S D，巾规模I C(I V l S D、大援横I C(L S D、超大筑揍I C(V L S I)帮褥大矮模I C(U L S D
15、 豹苓弱狳段，集成惫鼹夔I I=能(高集成度、高速度和低功耗等)迅速提高。I c 发展各阶段的主要特征如袭l-l所示擎凌1 9 6 5 年，I n t o l 公霉熬蘩始入之一葛壤。簿 繁(G o r d o nE M o o r e)囊J l 害落攀导体芯片中晶体管数目每两年大约翻一番，其性能墩将翻倍。邀匈话被人们称为摩尔定律。出集成电路发展的历史来瓣，其制作工憩中的特征线浇，则相对威的每过一我缭参3 0。过去熬足卡年戮来，集残毫爨戆发震蔻手宪全按照摩零寇壤，根据乐观的估计，这样的发展势头遥熏维持l O 到2 0 年【l】以最为常见的个人计孛由天学矮l 学纯论支算机的微处理器为例，I n t
16、 e l 公闭生产的3 2 能微处理器P c n f i u m 4，其蕊片内集成豹磊钵管鼗曩已缀越过了4 2 J (I n t e lP e n t i u m 43 0 6 6 弱俸警数强已经达到了5 5 0 0 片)。目前商北化半导体芯片制造技术的主流是O 1 8 p m O 1 3 F m 的线宽，预计今后将很快发展到0 0 6 a l n 甚至更小。从表1 1、表l 以中我们可以清楚看到随着铡造工艺不断提高，线宽邀速减小，蕊盼上集成的鑫体管的数蠢不酝增麓，芯片渐积不断增大。而I C 在性能迅速提高的同时，价格却迅速降低。隧着微电子技术戆不断避步，集成电路仍在高速发展。当前集成魄鼹发展
17、有两个童要方向，一楚依靠加工特征线宽的不断缩小使集成密度和速度不断提高，功耗不断降低，以制作出功能嫩强、性能更好、用途更广的I c 芯片；=是向系统芯片(S y s t e m0 1 1aC h i p，S 囤豹方自发展翻，帮单一芯靖戆功能翼趋溅犬。疆着C M O S 工艺的进步，由于C M O s 电路的低成本、低功耗以及速度的不断提高，C M O S 模拟电路设计的不断进步，C M O S 技术己被证明怒实现S O C 的最好选择。摸羧惫鼹是S O C 孛不霹蔌少熬郝分。垂予器穆足寸不颧壤小耪低电源懑蓬、诋珐耗等黉求，模拟C M O S 集成电路设计在不断地发展，在S O C 中变得越来越
18、重要。表1-1 集成电路发腥箨阶段的特征教旋除段1 9 6 6 年1 9 7 1 年1 9 8 0 艇1 9 9 0 年毅麓主要特征M S lL S lV L S IU L S I元r I：数芯片1 0 2 1 0 31 0 3 1 0 5l 矿l O71 0 7 1 0 9特链线鬻(芦m)|0 SS 33 l l速度功耗(tJ)l O”l O1 0 1l t 07 l O：栅氧化滕厚度(n m)1 2 0 1 0 01 0 0 4 04 0 1 51 5 1 0结深(掣m)2 1 21。2 O 50 5 4 0 20 2 O 1芯冀舔积(m 夸、N a t i o n a lS e m i
19、c o n d u c t o r(溪容拳导 勤。T l 在2 0 0 0 年成功收赡了巴尔布朗公司(B u r r-B r o w nc o r p o r a t i o n)。成为全球高性能数据转换器的主要供应商。A D I 公司将高电压半导体工艺与亚微米C M O S(互李 金鬓氧证蘩等簿髂)雾互李 双投鍪工艺穗绥会，嚣发出多秘多襻毫蛙戆簇羧集残电路，这些I C 不仅采用小封装鼹有承受3 0 V 工作电压的能力，同时提黼了性能，而且龌著降低了功耗。除此之外，还有M A X I M(美信)、M O T O R O L A(麟托罗拉)、F a i r e h i l d(4 f l l 耋
20、、N E C(基本电气、H i t a c h i(R 黢)等公主l 凌蠢各垂豹A D 产鑫。4串出大学硕士学位论文在学术界己研发出最高分辨率为2 4 位的A D 转换器；从采样速率角发看，霹毫这2 0 0 M S P S。魄翔S h a t i qM。J a m a l 等在2 0 0 1 年采薅势联多遥遒流承线缭构研发出1 0 位，2 0 0 M S P S 采样速率的A D 转换器嗍；Y u n C h i u 等在2 0 0 4 年采用电容误差乎均技术移嵌襄C M O S 增熬绳毫技术，磷发出1 4 霞，浆榉速率兔1 2 M S P S的A D 转换器【4】；C a r l RG r
21、a c e 等猩2 0 0 5 年采用B o o t s t r a p p e d 数字校正技术克服了A D 恒定闭环增菇误差和有限转化速率的问题，研发出1 2 位，采样速率为8 0 M S P S 豹A D 转抉器溺；J i p e n g 瓢d 在2 0 0 5 年袋麓0 9 V 低瓣工艺骚发爨渤耗仅有1 2 m W，无寄生动态杂散范围达到7 7 d B 的A D 转换器砸】这些A D 转换器的舔发圣莞骥A D 不錾自麓褒邃、裹糖度、低电压帮低磅耗戆方翔发震。国内模数转换器和数模转换器的发展起步较晚。但是近馨来也引起了熏视，目前半鼯体生产工艺技术的不断进步，2 0 0 0 年膝，国内也迅
22、速建立了十多家弧微米、深鞭微米豹工艺线，对我国自纷设谤有垂蠢矮蓼 产投豹A D，D A 挺供T 霞利的流片条件。我国在单芹、混合及模块集成技术方面都投入了一定的科研力量，已研制出8、1 0、1 2、1 4、1 6 位的模数转换器和数模转换器产品戚样品舆型产瑟瘩平必：8 整模数转羧器静建立辩阕秀4 0 0 n s，1 0 位模数转羧嚣豹建立辩麓参手2 5 a s(如S A D 5 7 1)，1 2 1 6 位的模数转换器的转换时间可达z s 爨级啊但怒能进入商品市场批量供应用户需求的产鼎则不多。表l-3 为国内研究机构的最薪避展：表l-3 部分嚣内模数转捺嚣掰发逶震机构性能结构避E 展东南大掌l
23、 o b i t 4 0 MP i p e l i n e C M O S求宠成清华大学1 3 b i 5 MP i p e l i n e C M O S穗完成清华大学1 6 b i t5 娜O K 带宽S i g m a-d e l t aC M O S来完成复B-大学l o b i l3 3 MP i p e l i n e C M O S憋完成掰；玉，嚣前发达溺家对高速数据转换器的研究开发已经达到了很高静窳平，国内在这方面的研发水平与国外相比还比较落后，这极大的限制了我国在集成电路设诗尤其是系统集成方瑟鲍发展，并且对于嚣家信患安全墩楚很大的威胁，获们急需加强在这个领域静研究在论文期阔所
24、徽豹这些探讨饿研究希望能够对高速、高精度模数转换器的设计起到一定借鉴作用。5串垂凡学硕一l“学链论文I 3 2 流水线结构模数转换器的发展前景谯A D 转换器的设计中，速度、精度、功耗和芯片藏袄是几个最熏爱的约束条件，它们之间存在相互联系、相互制约的辩证关系。任何一种体系绪构的A D转换嚣都无法谈上述靼令约衷条秽弱时达到簸绽，只链农囊弱之瓣辑衷。在凌诗一个转换器之前，酋先要根据系统的具体要求，在这几个约束条件之闯进行折衷，来决定采用哪一种体系结构，然后再对体系缡构和具体单元电路进行优化以达到最馕瞧戆。之所以选择流水线结构的A D 作为本文的研究对象，怒因为：从速鹰上考虑，全并行快闪型A D 转
25、换器具有最快的速度。但是随着转换位数的增加，其所用的毙较器赫兹嚣氇会惫裁瑷热捧l。裁蘧哭毒在辫婺裹逮盈怼精度要求苓舞豹壤琵下才使用全并行的快闪型A D 转换器；从精度上考虑，-a A D 转换器具有最高的精魔，面且由予其又具有低价格、高性能、具有集成化的数字滤波功熊、与D S P兼容瞧从而更容努集成等霞点，落诧得磊了广泛的应焉瞪j，是当前静研究热点。但是-A A D 转换器的工作速度不商，目前限于应用在裔频信号的处理中。滚水线结构A D 转换器最避发震褥攫迅速，它豹耱发簧毫予抉阅型A D 转换器，速度要高于A A D 转捩器，实现了速艨、精度、功耗及芯片面毂的最优组合。当前在市场上销售的应用予
26、视频和通信领域的A D 转换器大多采用流水线结兹。袭1 4 列举7 些虚弱簇缓瓣刘D 豹瞧戆簧求。表I-4 部分颁域对A D 的性能耍求廊H j 领域I精鹰耍求速度要求光线竭域霹l6-1 0 b i tll。5 0 M海镦存储器l6-8 b i t5 0 2 0 MA D S Ll1 2 1 6 b i t3 一1 0 MI数q：T Vl8 1o b i t2 0 M数磷樱魂、摄像祝l私1 2 b i t2 0 MC A T V 解码调制器I8 1 0 b i tI1 0 2 0 MH D T Vl1 0 b i tl5 0。7 5 M搿露捂1 琢数字孛菝l3，1 2 b i tl O o 2
27、 M裔频放大器I1 6 b i t 以上16中m 犬学硕士学位论文流水线结构模数转换器由于冀予区转换、溅水操作的结构特点，在实现较高耪溲豹模数转换对爨然旋傈持较嵩静速度和较祗豹功耗。籀瓣阌烁垄A f D 转换嚣而言，在相同的精度下流水线结构具有小得多的面积，而且流水线结构本身所具有的设计自由度和灵活度，也为实现速度、功耧、电压和面积优化等课题掇供了广阔静研究空溺n 田。努井，在实辩魄路实现对，C M O S 流水线模数转换器静精度要受到许多电路和工装非理想因豢的影响，其中最重要的有：电容失配、比较器失调、跨夥运算放大嚣(拶魏)有限增焱等。基于缓童足点，C M O S 流拳线模数转换器电路设计技
28、术的研究在以下三个方面都很活跃：(1)速麟优化狳?疆骜荸元惫鼹本身懿繁宽髑穗应速度努，磅究工终童要在手我织缀毫踌的建立特征(运放压摆率增强设计、反馈放大器零极点的合理分布、压摆区和线性建立区的合理分割)，在流水线结构中增加局部的流水或并行操作。2)瑰裁、低毫压、小嚣积设计技零在功耗和面积方面，主要有结构的研究，如级分辨翠分配和缴间缩减(s c a l i n g d o w n)系数的优化；单元电路(主要是运放和比较器)的必亭复用技术；以及摹元电藏豹低功耗竣谤，魏魂态镶蓑、毫漉鑫举逶放秘凄态魄较器。在鬣耄压方面，主黉有运放的r a i l t o-m i l 设计，弱反型工作和背栅驱动，模拟开
29、关的电压自举，开关运放等技术，以及电流源、开关电流A D 的研究(3)校壤技零实现1 0 b i t 以上的A D 时，一般要采用一定的校准措旄。校准技术根搬所处理的信号域的不同，可以分为数字校准和模拟校准数字校准熏点发展对激度、毫深等臻凌交量苓敏感鹁螽套毽懿憨技术；模羧授准猿了零魏貔元俘嚣鬣授灌方法外，电容交换、电容误差平均等技术的研究也很活跃m】除此之终，近年来随着C M O S 患产工艺技术的不断进步，在高性能A 毋领域出现了一个琚显豹麓势，即使掰“极限”工艺蜜现“极鞭”捂标，采耀麓差流数字工艺的差距不大的生产工艺来擞产模拟电路总的来说，流水线与过采样结梅的模数转换器是最共有发展潜力的蕊
30、种A D 络祷，因为前者阿l：乏在达到巍糖度豹弼对达到高采样速率，两后者羹|j 霹瑷达翻超离耪度(2 4 位以童)，丽这些优势都是其他类溅模数转换器所不具备的。国内模数转换器的发展起步较晚，研究水平事孛由太学硕。学纯论盆较为落后，自主歼发的产品主臻集中在全并行、积分行、逐次逼近型等低精度高速或低速裹薅凄瓣络搀上。透零来随羞设诗黪壤襄工艺条馋戆抉速改豢，聱内单位，如浙江大学越大规模集成嘏路设计研究所，在高速高精度模数转换器领域也刀二展了一些研究。但是，国内的设计大多数仍处于模仿国外设计的阶段，不能提出蘸悉戆剖囊毪设谤方案，嚣魏零论文羲选撵漉瘩线结揍A D 转换器终为赣究豹重点。1。3。3 零文熬
31、裁赣点与设谤流纛奔绥对于本论文的第一个主体部分，流水线结构模数转换器的设计，其优点在于：1。竣诗戆电路在继号斡输入壤镁耀了一个采群镖簿龟爨，掇然本文没蠢涉及芯冀的版图设计，但仍然采用了底极板采样技术。使得注入到簸分采样电容上的一阶误熬电荷相同，不引入差分误熬电压，降低M O S 开关非线性，改善了系统线性；2。瓣予设诗孛魄铰电匿建立懿魄爨夔失缀谟麓瘸题，采溺数字校歪技零，降低7系统对比较电压建立电路失调的要求，从而允许采用速度高，功耗小憾是精度不高的交叉耦合动态比较电压建赢电路，从而使设计的模数转换器的速度达到2 M H z，霹应嗣予巾毫速系统。鬻1-1 是零文模数转换嚣豹设谤流程窝傻惩工曩：
32、豳I-1 流求线A D 设讦流程与使用工兵奔缮8一。卿|耋爱至薹曼中由大学硕士学位论文熬个设计鲍工作环境说明如下：l。操佟系统：U n i x；2 软件环境：C a d c n c a o：3 仿真模型；C S M C0 6 9 mC M O S 双多晶敢金属工艺模型。根据上述流程豳，分步骤简单介绍设计流穰：(1)根据实际需求制定总系统S P E C(规格)，进杼模块划分和予模块的功能定义；(銎对子模块分剐逶弦营级电路设谤，著数原璎翔懿形式在C a d e n e 昏C o m p o s e r软件里输入，制作褶威子电路的S y m b o l(符号)，以备上层的咆路调用；(3)将所有的子电
33、路输入到顶层电路中，形成顶朦电路结构图，检查并保存，确扶电路鬻无误；(4)在C a d e n c e 环境巾启动A n a l o gC i r c u i tE n v i r o n m e n t 仿真环境，选择仿真工具S p e c t r e 对各子电路进行仿真，再进行顶层电路仿真根据仿舆结构对电路结构和蟊俸警参数遘孬调整，蹇至电路薅爽毪鼹达到设谵要求。总岂，整个设计遵循经典的模掇电路设计流耩，采用业界酱遍使用的C a d e n c e模拟集成电路设计工舆，所完成的Z 作主要是芯片的前端设计，包括模数转换器熬各毫爨模决设嚣与蘩褰。对于使用C a d e n c e 软件对电路进行
34、仿真的方法由于相关资料较少，奉文将在第四章中以对跨导运算放大器的仿真为例来进行说明论文夔第二黎分怒一令完全毯瑟瓣设诗方寰。采薅鑫瑗囊下戆歪囊站羧谤方法，设计了一款家电炎控制器(多士炉)专用芯片。芯片最终融流片并通过测试，测试结粜液明本文所设计的芯片可以应用于现今的部分多士炉产品中。多惫”隽英文。t o a s t e r”熬浮学，多圭炉焱我霉称之秀巍动垂蔻冀烤妒、瑟包烘烤嚣等。它是一种专门用于将丽包切成片状并重新烘烤的电热炊具由于多士炉的功熊逐渐增强，外观也越来越漂亮和小巧，它得到很多人的喜爱，在美国还藏立7 专门夔多士爹薅携建。按瓣包藏曼方式萄分巍魏秀武、骜薮式嚣流动式多士炉按功能调节方式分
35、为手动调节、自动调节和自动一手幼调节的多士炉按控制结构分为温控型和时控型多士炉。一糖鬻惩戆多妒豹努蕊懿爱1-2 9 示：9中垂天学鞭i：学链建立麓1 吨一种鬻掰戆多萨此专用芯片的设计环境说明如下：1 勰片类型：数模混合；2。设诗工其：E C S，X i l i n xI S E，M o d e l s i m，T a n n e r：3 制造工艺：O 5 9i nC M O S 王艺。1 4 论文各鬻带的具体安排零沧交戆蠹容安撵魏下：第二章主要讨论了几种主流A D 的架构，介绍了A D 转换的基础蠼论，然后论述流承线A D 工佟豹基本骧理靼主要电鼹模块鹣功能。在此基礁上，讨论了影响1 5 经，
36、缓滚水线结梅A I D 麓馈缆静各穗闲索。第三章介绍了流水线A D 的电路设计，论述了对各个模块电路设计时的主要考虑毽素窝实现方式。嚣黠潞论流水线A D 魄路串主要涣慧滚豹影魄。第透章主要铮对第三章设冲静电路进行魏傍囊，并静耩仿囊蘩暴。第五章对多士炉控制器专用芯片给出一个完整的设计方案，包括电路设计与赞冀维采，芯冀版强设诗驭及最终芯片豹测试结果等。第六章是对全部论文工露瓣结论帮震鼙。I O中n|大学硕士学位论文第二章模数转换器的基本原理与结构模数转换器(A)的功能篱单来说裁是把模羧穰号转换成数字信号，遴鬻这穆转换是线性的。由于数字量与模缀爨有着本质的不同，不可虢把所有豹输入模拟信号连续转化成数
37、字倍号，所以A D 一定是对时间离散处理的电路。本章介绍了各种基本瓣模数转疑器缝捧，著重点对本文质袋爆瓣滚衣线终稳避萼亍7 分糖。2 1A D 转换器熬本原理介绍图2 1 表示了一般A D 的结构图。个前置的滤波器也称去伪滤波器(a n t i a l i a s i n gf i l t e r)，它可以把输入信号中高于某一频率的频谱丧除，以避免离频信号滢叠掰A D 煞工箨鞭带受。蘸鬟去葫滤波萋嚣溪紧鼹采样，傺簿电路，它帮瑷把输入的模拟信号取样猩一个时间点保持不变，以便让后级的电路把这个固定的电平转化成所需的数字编码，这个时间也叫A D 的转换时间(c o n v e r s i o nt
38、i m e)。转换豹过程 簸就是量纯魏避程，宅有一令量纯蘧线，照台阶款，愁基准电平分裁缀多小的区间。例如Nb i t 的A D 就有2“个小区间，缀化过程就鼹在转换时间内找到与输入的采样电平槿对应的量化区间。找到了该爨化区间，数字处理器就熊够把它编璐弱对痤翡数字输出。A-囤目瑁日三采样，保持量化编码圈2-1 模数转换避纛A D 的频率特性很重要。为保诋不产生采样融程的失真，采样频率必须满足奈奎斯特采样定理，期采样频率必须大于输入信号最高频率的甄倍，采样僚号才能无失冀耱重建原信琴。采雳这种禳理静转换嚣称为奈奎赣撩转换器。所浆集的采样信号是一个在时间上离散而在幅度上连续的信号序列。熬化器对这一序列
39、中孛蠢人学矮l 学证论文的每个采样值进行照化，将连续的信号幅度假用与有限个数中最接近的个数字售号采表示。最瑟褥。量囊二豹翁弩雳一定豹编鹞方式戆数字寒表示。2 2A D 转换器的性能参数模数转换器肖着许多性能参数，它是选用器件的主要依据，也是我们设计A D 的目标。理想A D 的量化特性仅出量化方式、输出数字的位数和码制决定。萁参数胃戳分秀涎类：静态毪麓参数秘魂态毪筑参数。静态缝能参数与输入售号没有关系，反映的是实际量化特饿与理想量化特性之问的偏藏，A D 的静态指标取决予光源器件的贩粼和比较器的性能。而动态性能参数与输入信号相关。典型的静态特性爵戳跌输入输出直流健输特性螽线攥霉窭，魏灞蘸误差、
40、失调谟差，差分非线性(D N L)和积分非线性(r N L)等。随着倍号和时钟频率的升高，动态误差影响越来越明显。动；蕊特性包含转换速率、信噪比(S N R)、时钟馈通(C F T)、压摆率f S l e wR a t e)、尖峰躲渖(G l i t c h e s)、建立误差(S e t l i n gE r r o r s)簿等。霞藏，静态特往代表着A D 的最好性能。静态特性和动态特性都可以在频域反映出来。如静态误差褒频域表现为谐波失真增大，时钟馈通(C F T)增加了奈囊斯特频率倍频成分，丽尖跨脉冲掰增加了输出频谱的麓颓成分等等。因既，在籁域可瑷嗣信嗓院(S N R)，谐波总失真(T
41、H D)等等来表示。A D 转换器露嚣糖量纯方式(1 铋，一种是余入式，一秘楚舍去式。前者寿舍有I入，最大量化误藏为岱8；惭舍去式只禽不入，其最大量化误差为1 个L S B。2 2 1 静态毪髓参数(1)分辨率分辫率是麓分辨输入模毅信号最，l、豹交纯篷。分辨率衣兰释表示意法：数字分辨率、模拟分辨举和相对分辨帛。A D 输出的数字位数决定了最低有效位对应的模拟餐毽，敖用使数表示A I D 的数字分辨率，通常所说的分辨率就是攒数字分辨率。模掺分辨率怒撵A I D 艇分辨的最夸输入模羧量僮，郄L S B 大小静奄流或电串出太擘硕士学位论文压，该馑矮常是A D 的最小输入模拟爨。樱对分辨率是震模 堇1
42、 分辨率与额定满度赣灭鼙程F S R(F u I IS c a l eR a n g e)靛繇缓寒表示。模数转换器中的噪声或非线性特性会降低模数转换器的有效分辨率。所以在表征摸数转换器的分瓣枣时需要网辩测量它的噪声皲线性度。表2-I 表示了分辨率与霞鼗骢关系；袭2-1A D 分辨率与位数的荧系(F S R=I O V)位数弱数捆对分辩攀(I L S B)分辨率(I L S B)(I m V)82 5 6O 3 孕l 篝3 9 11 0l，0 2 40 0 9 7 9 7 71 24，0 0 60 貔睡2 4 41 41 6，3 8 4O 0 0 隅O 6 l1 66 5，5 3 60 0 0
43、1 5 O 1 5f辫蘩发模数转换器的精度可分为绝对精度和相对耩廉两种。道常所说的精发怒指相对精度。指经过转换艏所得的结果树对于实际值的准确度，除了转换器自身阐有懿量纯诶麓醛羚，还有蹰秀实酝器传瓣嚣理怒特蛙蕊产生懿误麓，它羡竣了模数转换器实际的转换曲线和理想翻线之间的最大偏差它们怒失调误差(o f f s e te r r o r)，增靛误差(g a i ne r r o r)、非线墼E 误差(n o n l i n e a re f r o r)、电源误差(p o w e re r r o r)窝臻声(n o i s e)等累擞黥缝票，萁孛餐纯误差(q u a n t i z s 畦o n
44、n o i s e)爨螽龛带来鹃藏无法避免，般在+I L S B 之内绝对耩麇指A D 输出的数字编码所对应的模拟爨与A D 输入模拟量的差蹦，所以提高A D 的分辨率，髓在一定程度上提高A D 的绝对蕤囊。耱度毒嚣耱表示方洼，一种楚熏瀵量程范鬻夔吾势魄袭录，舅一辩爨骧最低位(L S B)对应的模拟输出值为单位表示。在繁然应用中，姗电话的调制解调器，需要用剐非线性的A D，健绝火多数A D 翡襞翰特毪是线链鹃。篷蓦分辨攀圭舞，A D 靛赣入一赣枣撩链蓬舞于象耋线。理想的A D 的传输特性曲线由涉长均匀的分激台阶组成，所以理想的A D 也存在非线性，即量化误整实际的A D 的传输特性曲线中分段台
45、阶的步长并不是舞匀魏，这些禳差造成实际A D 骢尊绫萎E 骜萎。j#线毪误差霹议努是揍在没蠢增益误差和偏移误差时，嶷际传输曲线与理想曲线怨整，非线性误差一般不爨超过l 善孛垂夫学矮j j 举佼论支1 L S B。因为非线性误差是由A D 特性随模拟输入信号幅假变化而引熊的，因此，裴线瞧误差是不殇於缮豹，虽豢瀑度交诧孵，数篷还会增擞。有巍类嚣线性特性来表，谯A D 的特健：差分非线後(D N L：D i f f e r e n t i a lN o n l i n e a r i t y)和积分非线性(I N L：I n t e g r a lN o n l i n e a r i t y)。：
46、i：；ij：!丫：；：；：；i；l；，r|；：；理想0 8l 82 堪3 1 84 85 t 86 87 1 88 8楼摄输入；!，!；m 沁B r 朋i”“P 粥；，r 矗。，。；i 料矗。：|)(：。1：!”一5”模掾输入n HV r e f图2-2 理想模数转换器输i l酬2-3 模数转抉器的I N L 和D N L如图2-2、2-3 所示，差分非线性表征了A 传输特性曲线中的实际步长与理怒步长之麓懿差壤；瑟积势 线瞧燹蓦表锰了A D 实际抟输褥毪篷线每瑗憋戆壹线传输特性曲线之间的差。D N L 和I N L 都以L S B 为单位来袋征。当A D 转化曲线发生负跳炎时，则会产嫩非单调性
47、的曲线。这种非单调性可敬弱D N L 来羧测。霞为当输墩是数字蔫琴，j 萝 畜熬魏交穆是整数篷，爱零理想A D 每一次跳变怒1 L S B，如果实际的A D 的跳变有2 L S B 或更大，则有漏码出现。如果D N L -I 姻B，则会发嫩非单调的曲线。1分析可知，哭窍当失调误麓、增益误蓑释菲线垂误熬三者之秘夺乎珏Z1时，苒加上转换器自身固有的士皇上骝的量化误差，系统的总误差范围_ 有可能Z在1 L S B 范围内。瓣手慧误差藏强在I L S B 蠹愆N 经A D 君舔其耪度为N 建。2 2 2 动态性能参数(1)采样速率、转换时间和转换速度采样速率是指模数转换器谯单位时间内读段的模拟债母的次
48、数。转换时白J 是撵麸攒令发壅戮输出完整骞效豹数字爨嚣要黪辩裁。转换逡率是撂模数转换器在单位时自j 内完成的转换次数。因为在相邻两次之间总存在笈位时间，所以转换速t 4啪蝴数字输出辩中出天学硕士学位论文率和转换时问的关系怒：转换速率=l(转羧辩鬻+复霞辩糯)(2-I)(2)信噪比(S N 砌关予信噪比，可以简单地分为蹲挚争，一种是遏常意义上所说的信噪魄，也称S N R(S i g n a l 幻N o i s eR a t i o)，鄂信弩对噪声魄缀，其中噪声穗璧等于慧能爨减去信号能爨和谐波的能缴；另外一种信噪比称为S N D R(S i g n a lt oN o i s ea n dD i
49、 s t o r t i o nR a t i o)，即信号对噪声和失真总j 和的比值。辩予理想豹模数转换器，其输熬只包含考鬃纯误差，可淤通过式托吨)圣 算：S N R 一(6 0 2+1 7 6)棚(2 2)鑫一般薅况下，S N D R 要低予S N R。稳魄S I 目R，S N D R 考虑了谐波夔影赡，S N D R 岛输入信号的犏度和频率有关，所以在实际测量时更倾向于采用后者。(3)动恣范围A D 戆动态蓬整=t o 时，V i n=0，并且电容的初始电压等于V D D。这样，在t=t o 时，M I 的栅源墩疆等于V D D，并置它戆漏投电匿也等予V D D。V m=0C L Kj
50、M l科lC L KJ M lC L K V o u t 0。-I 厂一l黝銎一：=j-V D Dr-一C L KI、h ti，一+I V 论圈3-2 不同输入电平和初始条件F 的采样E 乜路响应因此M 1 工依在饱和态，电容放电电流为：要箴炙孚(一)2(3-I)当V o u t 降低捌V o u t=V D D-V t h 时，M 1 进入线性区；器件仍然继续对C H 放电，蕊到V o u t 接近零。对于V o u t 7 0 d B，单位增蔻带宽 5 0 M H z。设诗一个放火器首先趸璎报据其用途逑铎一种合适的电路结构。瀚3-8 为运放的原理框图，蒺分跨导级构成了运放的输入级，有时还起