10位65MHz ADC系统分析及MDAC设计

10位65MHz ADC系统分析及MDAC设计 分 类号 学号 M200972044学 校代码10487密 级 硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 10 位 65MHz ADC 系统分析及 MDAC 设计学 位 申请 关于撤销行政处分的申请关于工程延期监理费的申请报告关于减免管理费的申请关于减租申请书的范文关于解除警告处分的申请 人: 李 博学 科 专 业 : 微 电子学 与固体 电子学指 导 教 师 : 张 科峰 副 教授答 辩 日 期 : 2012 年 01 月 A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering System Analysis of 10 bits 65 MSPS Time-interleaved Pipeline ADC and MDAC DesignCandidate: Li Bo Major: Microelectronics & solid-state electronics Supervisor: Associate Prof. Zhang kefeng Huazhong University of Science & Technology Wuhan 430074, P. R. ChinaJanuary,2012独 创 性 声 明 本 人 声 明 所 呈 交 的 学 位 论 文 是 我 个 人 在 导 师 指 导 下 进 行 的 研 究 工 作 及 取 得 的 研 究 成 果 。 尽 我 所 知 , 除 文 中 已 经 标 明 引 用 的 内 容 外 , 本 论 文 不 包 含 任 何 其 他 个 人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集 体, 均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 ,即:学校有权保 留 并 向 国 家 有 关 部 门 或 机 构 送 交 论 文 的 复 印 件 和 电 子 版 , 允 许 论 文 被 查 阅 和 借 阅 。 本 人 授 权 华 中 科 技 大 学 可 以 将 本 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和汇编本学位论文。 保密?,在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密?。 (请在以上方框内打“ ?”) 学位论文作者签名:指导教师签名: 日期: 年月日日期: 年 月 日华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文摘要 随着数字信号处理技术、 计算机技术的发展及 SDR 思想的广泛使用, 对模数转换器的要求也越 来越高, 在过去的几十年中数据转换器也得到了广泛的研究, 时间交叉式并行流水线模数转换器由 于能兼顾精度、速度及功耗的要求,因而成为高速高精度低功耗 ADC 设计实现 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的首选。 本论文基于 0.13μm CMOS 工艺,设计 了一款用于基带采样,电源电压为 2.5 V ,采样 速率为 65MHz ,分 辨率为 10 位 的时间交叉式流水线模数转换器。采用无前端采样 保持(S/H )电路结构, 使用 1.5 位 MDAC 兼顾采样保持功能。 本文主要对流水线工作原理做了详细分析, 对第一级精度要 求做了定量计算,介绍了 MDAC 传 输曲线的演变,特别介绍了 dc 传输 曲线右移的原因,利用 ADC 传输函数阐述了整个演变过程的本质。电路设计方面本文着重于 MDAC 的设计论述, 该模数转换器 流水线采用 1.5 位 MDAC , 采用二阶系统响应对 MDAC 的保持过程建模, 将 MDAC 的信号建立过程 分为大信号建立和小信号建立过程, 推算 MDAC 内部运放性能需求。 内部运放采用混合型共源共栅 补偿两级运算放大器结构, 并对各电路进行 设计仿真, 在 tt 工艺角下测 得运放增益为 81.26dB,单 位增益带宽为 430MHz , 相位裕度为 67.2 ?,分别在 tt ,ff ,ss 工艺角下对运放和 MDAC 进行了仿 真, 并对不同工艺角下的仿真结果做了分析对比, 得出了小信号建立在整个信号建立的时间中只占 有很小的比例,虽然我们在设计的时候留下了 3/4 个保持周 期的裕度,但是实际比这要小的多的结 论。 关键词: 流 水线,模数转换器,乘法数模转换器,dc 传输曲线,混合型补偿 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract :With development of digital signal processing technology and computer technology ,and the widely used of SDR idea, the requirements of the ADC is also increasing.In the past few decades, data conversion device has also been extensively studied, time interleaved pipelined ADC can do a better tradeoff in accuracy ,speed and power,so that the interleaved pipelined topology become the preferred solution of the high-speed high-precision and low-power ADC design This paper based on 0.13μm CMOS process,have designed a 10 bits 65MSPS pipelined ADC for baseband sampling, power supply voltage is 2.5 V. 1.5 bit MDAC perform both sample and hold function without the front-end S/H. This paper has done a detail system analysis of the pipelined ADC, introduced the evolution of MDAC dc transmission curve, described the nature of the whole evolution by analysis of ADC transfer function. In the circuit design, this discussion focuses on the design of MDAC, modeling the MDAC behavior in the hold-phase by second-order system response, the MDAC's signal set-up process is composed of two parts: small-signal and large-signal building,by which we can get the performance requirements. The internal op amp using hybrid cascode compensation two stage op-amp configuration, and the circuit design and simulation, the measured gain and phase margin of the op amp is 81.26 dB and 67.2 ? ,unity-gain bandwidth of 430MHz in tt process corner.Then have done the simulation of op-amp and MDAC in ss and ff process corner, and compare their differences.By the compare I get the conclusion that small signal build-up time is shorter than that we think Key word:pipeline ;ADC ;MDAC ;dc transmission curve ;hybrid compensationII 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文目 录 摘要I Abstract :. II 1 绪论 1 1.1 研究 背景. 1 1.2 流水 线 ADC 的 研究动态 和发展趋 势2 1.3 本文 的主要工 作. 3 1.4 论文 安排. 3 2 单 片高速 ,中等分 辨率 ADC 概述. 4 2.1 介绍 4 2.2 主要 性能指标5 2.2.1 模 数转换器 静态参数. 5 2.2.2 ADC 动态参数 10 2.2.3 数 模转换器 的 FOM 参数13 2.3 主要 结构14 2.3.1 全 并 行模数转 换器(flash ADC )14 2.3.2 两 步 式数模转 换器(two-step ADC ). 15 2.3.3 流 水 线数模转 换器(pipelined ADC ). 16 2.3.4 时 间 交叉式并 行模数转 换器(time-interleaved parallel ADC )17 2.4 本章 小结. 18 3 时 间交叉 式流水线 模数转换 器系统分 析19 3.1 时间 交叉式并 行流水线 模数 转换 器工作原 理 19 3.2 时间 交叉式流 水线模数 转换器传 函分析20 3.3 本章 小结. 28 4 乘 法型数 模转换器 的设计. 29 4.1 系统 设计目标 及分析 29 4.2 MDAC 分析与设 计30 4.2.1 开 关电容的 设计. 35 4.2.2 运 算跨到放 大器的设 计. 42 4.2.3 共 模 反馈电路 的设计 52 4.3MDAC 及 ADC 仿 真结果 57III 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文4.3.1MDAC 的仿 真 结果 57 4.3.2ADC 的仿真结 果 61 4.4 本章 小结65 5 结论. 67 5.1 总结 67 5.2 未来 研究方向67 致谢69 参 考文献 70 IV 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文1 绪 论 1.1 研 究背 景 集成电路是电子设备的基本 单元 初级会计实务单元训练题天津单元检测卷六年级下册数学单元教学设计框架单元教学设计的基本步骤主题单元教学设计 ,也是其稳定性能的支柱,对电子设备生产 商而 言 , 集 成 电 路 就 是 其 核 心 竞 争 力 所 在 。 中 国 的 集 成 电 路 市 场 近 年 来 一 直 保 持 非 常 快 速 的增长,其市场已经占了全球 35% 以上的份额,中国已成为最大的半导体市场之一。 据 CCID 的 预测,2012 年中国的集成电路市场规模将达 12,384 亿元人民币。 中国大陆 到时将 成 为 世 界 重 要 的 集 成 电 路 设 计 和 制 造 基 地 之 一 。 在 如 此 巨 大 的 市 场 中 , 除 了 通 用 和 专 用 数 字 芯 片 以 外 , 和 通 信 有 关 的 混 合 信 号 芯 片 及 高 速 分 频 器 将 会 占 有 很 大 的 比 [1] 例。 模数转换器是数据转换器的一种,属于数模混合信号类芯片,其作用是将模拟信 号 翻 译 成 数 字 信 号 , 使 我 们 能 用 数 字 的 方 法 处 理 、 保 存 或 传 输 模 拟 信 号 。 计 算 机 技 术 和 数 字 信 号 处 理 技 术 一 直 保 持 着 迅 猛 的 发 展 速 度 , 与 电 子 系 统 中 模 拟 部 分 相 比 , 数 字 电 路 表 现 出 对 噪 声 更 低 的 敏 感 度 , 对 工 作 电 压 和 工 艺 变 化 更 强 的 鲁 棒 性 , 设 计 相 对 容 易 且 能 自 动 化 的 测 试 , 同 时 提 供 了 更 多 的 可 编 程 性 , 所 以 我 们 常 常 会 想 如 果 我 们 把 一 切 都 数 字 化 , 那 么 生 活 将 变 得 简 单 而 快 捷 。 而 实 际 上 在 我 们 物 质 世 界 里 存 在 着 的 两 个 事 实 使 这 种 想 法 无 法 实 现 : (1 ) 自 然 界 发 出 的 信 号 是 模 拟 的 ; (2 ) 人 类 以 模 拟 的 形 式 感 知 信 号 。 而 且 , 数 字 信 号 经 过 介 质 的 损 耗 后 变 得 能 和 噪 声 相 比 较 , 所 以 我 们 常 常 要 以模拟信号的方式来处理这类数字信号。 所以我们需要数据转换器来联接这两个世界, 便 于 在 不 同 的 环 境 中 选 用 不 同 的 处 理 方 式 , 发 挥 模 拟 或 者 数 字 处 理 方 式 的 优 势 , 从 而 提 高 系 统 的 整 体 性 能 。 例 如 在 收 发 器 类 芯 片 中 , 我 们 用 数 字 信 号 处 理 的 方 式 完 成 调 制 解 调 , 用 模 拟 的 方 法 把 调 制 好 的 信 号 搬 移 到 适 当 的 频 率 点 发 射 出 去 或 者 接 收 进 来 。 所 以数据转换在消费类电子产品中应用也十分广泛, 例如 dc 播放器, 摄像机, 电话, 调 制 解 调 器 , 高 清 电 视 , 以 及 一 些 专 业 系 统 如 , 医 药 成 象 , 音 频 处 理 , 仪 器 仪 表 , 工 业 控制和雷达等。1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文近来随着软件无线电渐渐走出实验,对数据转换器也提出了新的要求。与处理器 不 同 , 软 件 定 义 无 线 电 中 数 据 转 换 器 的 作 用 是 降 低 设 备 成 本 , 提 高 系 统 灵 活 性 。 在 软 件 定 义 无 线 电 中 射 频 前 端 的 工 作 仅 仅 是 频 谱 搬 移 , 并 不 涉 及 任 何 调 制 解 调 的 工 作 , 在 发 射 端 所 有 的 调 制 工 作 都 在 数 字 环 境 下 由 数 字 信 号 处 理 技 术 完 成 , 然 后 经 过 数 模 转 换 为 已 调 模 拟 信 号 , 然 后 由 射 频 前 端 上 变 频 后 发 射 出 去 , 在 接 受 端 , 通 过 模 数 转 换 器 将 接受的模拟信号转换为数字信号,使用数字信号处理技术完成解调。 1.2 流 水线 ADC 的 研 究动 态 和发 展 趋势 流水线拓扑结构是8-14 位分辨率,采样率在几兆赫兹到几百赫兹模数转换器的流 [2] 行拓扑结构 。 流水线 拓扑结构流行的主要原因在于, 其是由结构简单的流水线级重复 排 列 组 成 的 , 与 相 同 分 辨 率 的 , 基 于 全 并 行 、 折 叠 式 的 奈 奎 斯 特 数 据 转 换 器 相 比 较 , 比 较 器 的 数 目 更 少 , 因 此 流 水 线 结 构 对 面 积 和 功 耗 能 有 更 好 的 控 制 。 过 去10 年 流 水 线 模 数 转 换 器 在 各 种 电 子 系 统 中 普 遍 使 用 开 始 , 其 性 能 提 升 方 面 的 研 究 就 络 绎 不 绝 , 主 要的研究方向是线性度的提高和功耗的降低。 [3][4] 近年来, 也出现了关于可重构模数转换器的研究工作 。 由于深亚微米技术带来 的 低 本 征 增 益 , 低 供 电 电 压 以 及 器 件 的 失 配 , 使 使 用 传 统 的 流 水 线ADC 设 计 技 术 设 计 更 高 线 性 性 的 模 数 转 换 器 更 有 挑 战 性 , 线 性 度 的 提 高 也 成 为 了 一 个 更 需 要 创 造 力 的 研 究领域。 低功耗能增加电池使用寿命, 从而在移动系统消费市场更实用, 更有竞争力, 因 此 对 流 水 线 模 数 转 换 器 低 功 耗 的 要 求 也 十 分 迫 切 。 在 有 线 系 统 中 多 个 并 行 的 模 数 转 换 器 被 集 成 在 一 块 芯 片 上 , 产 生 了 大 的 功 耗 同 时 产 生 了 高 的 热 量 , 因 此 需 要 更 昂 贵 的 封装来增 强 散 热 能 力 , 所 以 低 功 耗 同 时 也 意 味 着 更 高 性 价 比 的 封 装 。 现 代 电 子 产 品 的 低 碳 趋 势 , 及 用 更 低 成 本 、 功 耗 完 成 同 样 的 功 能 的 想 法 迫 使 可 重 构 模 式 成 为 了 一 个 新 兴 的 研 究 领 域 , 设 计 复 杂 的 可 重 构 电 子 系 统 已 经 成 为ADC 设 计 者 最 感 兴 趣 的 领 域 之 一 [2] 。 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文1.3 本 文的 主 要工 作 在查阅大量文献和用于基带采样的芯片资料后, 本课题决定采用TSMC 0.13μm 的 CMOS 工艺 , 研究和设计了一个用于基带采样的电源电压为2.5V , 分辨率为10位, 最高 采样频率为65MHz的时间交叉式流水线结构的模数转换器。 处于对功耗的考虑, 采用两路时间交叉式 的整体结构, 在两路之间共用一些模块, 处于对 参考 电压失 调的 鲁棒性 考虑 ,每路 采用1.5位每 级 的流水 线结 构。该 模数 转换器 采用无前端采样保持结构,以MDAC 作为其核心器件,完成采样保持,余量电压计算 的工作:l 将 流 水 线 结 构 及 与 其 相 关 的 模 数 转 换 器 结 构 进 行 了 分 析 和 比 较;2 研 究 并 分 析了1.5bit 每级的流水线结构, 演变过程。3 对模数转换器的核心模块MDAC 进 行了分 析, 设计及仿真。4 分 析了工艺角仿真结果。5 使用AB 类共模反馈电路实现了连续时 间大信号共模反馈。 1.4 论 文安 排 第一章主要介绍了论文的研究背景 ,模数转换器的发展动态及主要应用领域。 第 二 章 主 要 介 绍 了 单 片 高 速 , 中 等 分 辨 率ADC 的 各 种 主 要 的 性 能 指 标 及 其 物 理 意 义,简单介绍了流水线结构及与其相关的模数转换器结构,并进行了分析和比较。 第三章 首先 介绍了 时间 交叉式 并行 流水线 模数 转换器 的基 本原理 ,然 后介绍 了1.5 位每级的流水线模数转换器的结构,dc 传输曲线演变过程。 第四章 介绍 了1.5位MDAC 的设 计 过程, 用二 阶模型 分析MDAC 保 持 状态的 稳定 过 程,得出了其对运算放大器的性能需求,然后对MDAC 内 的 运 算 放 大 器 电 路 进 行 了 设 计仿真, 在各个工艺角下对MDAC 和运放性能进行了仿真分析, 对ADC 在tt 工艺角下进 行了仿真。 第五章介绍了电路各个模块的仿真结果以及整体电路的仿真结果,对本文的工作 总结及展望。3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文2 单片高速,中等分辨率 ADC 概述 2.1 介绍 高速通常指采样率在几十兆赫兹到几百兆赫兹之间,中等分辨率指数模转换器位 [2] 数在8-14位间, 流水线及时间交叉式流水线是这类数模转换器的主流结构 。 移动系统, CCD 成 象 , 超 声 波 医 学 成 象 , 数 字 接 收 机 , 基 站 , 数 字 影 像 , 高 速 以 太 网 等 是 其 主 要 的应用领域。 表1-1是现在工业界的一些用于基带采样的模数转换器芯片, 从表中可见 它 们 的 分 辨 率 都 在10~14 位 , 但 其 有 效 位 数 均 在10 位 左 右 , 采 样 率 集 中 在40~65MHz 之 间 , 功 耗 都 在 百 毫 瓦 的 数 量 级 。 在 功 耗 方 面 需 要 注 意 的 是 , 这 些 数 模 转 换 器 都 是 作 为 产 品 而 存 在 的 , 为 了 扩 大 其 应 用 范 围 , 设 计 者 赋 予 这 些 芯 片 多 种 工 作 模 式 , 多 种 可 配 置 的 功 能 , 造 成 转 换 器 的 复 杂 度 大 大 提 升 , 因 此 这 些 产 品 级 数 据 转 换 器 的 功 耗 普 遍 比 较 高 , 如 果 仅 针 对 某 种 特 定 的 系 统 进 行 设 计 , 而 省 去 其 他 各 种 配 置 环 节 , 功 耗 可 以 大 大的降低。 表1-1:基带采样ADC 芯片资料总结 1206 1207 AD9244 ADS5122 ADS807 ADS800 THS1041 Unit Resolution 12 12 14 10 12 12 10 bit Sample rate 40 65 40/65 65 53 40 40 Msps SNR 68.6 68.5 73 59 67.5 63 60 dB SNDR 68.3 68.4 72 58 67 63 59.7 SFDR 90 88.7 86 72 82 66 72 dBc ENOB 11.053 11.069 11.667 9.342 10.837 10.172 9.624 bit INL ?0.3~0.7 ?0.4~0.7 ?1.4 -2.5~+2.5 ?2.0 ?1.9 ?0.75 LSB DNL ?0.3~0.7 ?0.3~0.8 ?0.7~0.1 -0.9~1.0 ?0.5 ?0.6 ?0.3 LSB Offset error ?0.2~1.1 ?0.2~1.2 ?0.3~1.4 ?0.2 ?0.2 ?2.6 ?0.7 %FS Gain error ?0.3~4.8 ?0.3~4.9 ?0.6~2.0 ?0.1 ?1.5 ?0.4 ?3 Power 159 316 300 733 335 390 103 mW 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文2.2 主 要性 能 指标 与 其 他 任 何 电 路 或 者 功 能 模 块 一 样 , 我 们 需 要 用 一 些 性 能 参 数 去 评 估ADC 的 性 能 [5] 好 坏 。 对 于ADC 而 言 我 们 习 惯 于 将 其 性 能 指 标 分 为 静 态 参 数 和 动 态 参 数 。 静 态 参 数 [6] 包括: 失调误差、 增益误差、 微分非线性和积分非线性 ; 动态参数包括: 信噪比、 信 [7] 噪失真比、有效位数、无杂散动态范围 。 2.2.1 模 数 转 换器 静 态参 数 当ADC 用 于 测 量 与 控 制 等 数 率 比 较 低 的 环 境 下 时 , 我 们 将 更 关 心ADC 的dc 特 性 , 例如INL 、DNL 、 增益 及失调误差等。 相对而言ac 特性便没有那么重要, 但是我们依然 要用动态参数评价ADC 的综合性能。 2.2.1.1 分 辨 率 分 辨 率 即 为 相 邻 编 码 间 的 距 离 。 我 们 通 常 使 用 输 出 数 据 位 数 或 者 最 低 有 效 位 (LSB ) 所 代表的模拟电压量来表示其分辨率。 我们通常使用式2.1来表示1LSB , 其中 FS 为满量程输入范围。 FS LSBn 2(2.1 ) 因 为 应 用 的场 合 的 不 同, 所 以ADC 的 分 辨 率有 多 重 表 示形 式 : 如 式2.1 ,LSB 的权 重表示方法, 以满量程的百万分 几的表示方法 (ppm FS ) , 分贝等表示方法。 为了能正 确 的 比 较 不 同 数 据 转 换 器 在 不 同 表 示 方 法 下 的 分 辨 率 性 能 , 我 们 需 要 在 不 同 表 示 形 式 [8] 间进行换算。表2-1以不同的方式表示了LSB 的大小 。 位数(n) 2n 电压(10V FS ) ppm FS %FS dB FS 2-bit 4 2.5V 250000 0.25 -12 4-bit 16 625mV 62500 0.0625 -24 6-bit 64 156mV 15625 0.015625 -36 8-bit 256 39mV 3906 0.00390625 -485 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文10-bit 1024 9.77mV 977 0.000976563 -60 12-bit 4096 2.44mV 244 0.000244141 -72 14-bit 16384 610?V 61 6.10352E-05 -84 16-bit 65536 152.59?V 15 1.52588E-05 -96 18-bit 262144 38.15?V 3.8 3.8147E-06 -108 20-bit 1048576 9.54?V 1 9.53674E-07 -120 22-bit 4194304 2.38?V 0.24 2.38419E-07 -132 24-bit 16777216 596nV 0.06 5.96046E-08 -144 表 2-1 LSB 的不同表示方式 2.2.1.2 增 益 误 差 增益误差是指ADC 中 余 量 放 大 器 的 增 益 误 差 , 增 益 误 差 迫 使ADC 的dc 传输曲线的 斜 率 发 生 改 变 , 其 本 质 是 数 据 转 换 点 间 的 距 离 发 生 改 变 。 当 增 益 变 大 时 , 数 据 转 换 点 [8] 间距变小, 有效模拟输入范围变小; 反之则数 据转换点间距变大, 输 出 数据范围变小 。 增益误差的情况如图2-1所示。 从图中可以很清 楚地看到, 增益误差会减 少有效的模拟 输 入 范 围 或 者 有 效 的 数 字 输 出 范 围 。 图 中 的 零 点 误 差 是 由 增 益 误 差 引 起 的 , 在 没 有 失 调误差的情况下,零点误差可以直接反映增益误差的情况。 +FS/2 DATA 零 点误差 (zero error ) 理想ADC 传输曲线 实际ADC 传输曲线 -FS/2 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文图 2-1 ADC 增益误差(图中没有失调误差) 其物理意义为, 当增益误差为正时 (实际增益大于理想增益) , 则为图 2-1 中处于 实线下方的一条虚线的情况, 如果输入信号为峰峰值是-FS/2~+FS/2 的正弦波, 那么信 号上边缘被 “削平” , 反之等效为正弦信号峰峰值线性减小 (不存在非线性失真的情况 下) ,中 心点平变低,不发生信号边缘被“削平”的现象。 2.2.1.3 失 调 误 差 失 调 误 差 是 指 模 数 转 换 器 中 余 量 放 大 器 的 输 入 失 调 误 差 , 使 模 数 转 换 器 的dc 传输 曲 线 的 输 出 编 码 转 换 点 发 生 了 改 变 。 对 于 一 个 理 想 的 模 数 转 换 电 路 , 它 转 换 的 第 一 个 输 出 代 码 发 生 在1/2LSB , 实 际 的 模 数 存 在 失 调 误 差 , 迫 使 其 第 一 个 输 出 代 码 转 换 点 相 [8] 对于1/2LSB 发生变化,所以我们定义这个相对变化量为失调误差 。 +FS/2 DATA 零点误差 (zero error ) 正失调 误差 理 想ADC 传输曲线 -FS/2 实 际ADC 传输曲线 负 失调误 差 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文图 2-2 ADC 失调误差 该图中无增益误差 如图2-2 中 所 示 , 当 模 拟 输 出 信 号 的 范 围 固 定 时 ( 恒 为-FS/2~+FS/2 ) , 无 论 失 调 误 差是正 还是 负都会 减小 数据输 出范 围。图2.2 中不存 在增 益误差 ,易 见此时 零点 误差与 失调电压是相等的,如果同时存在失调误差和增益误差,那么两者就不相等。 其 物 理 意 义为 , 假 设 输入 信 号 为 峰峰 值 是-FS/2~+FS/2 的正 弦 波 , 当发 生 正 失调误 差时,等效为正弦波上缘被“削平” ,反之则是等效为下缘别“削平” 。 2.2.1.4 微 分 非 线 性 性 微 分 非 线性描 述 的 是实际ADC 相 邻 码 间 距与理 想ADC 的 相 邻 码间距 之 差 。对于 理 想的ADC 电 路, 微分非线性为 ‘0 ’ , 并且每个代码宽度为1LSB 。 我 们把微分非线性用 [9][10] 式2.2定义 : V ?V Data ?1 Data DNL?1( 22 ) V LSB 式(2.2 ) 中 的V 表 示 输 出 代 码D 所 对 应 的 输 入 电 压 ,V 表 示 两 个 相 邻 代 码 理 Data LSB 想 电 压 差 ,即 一 个LSB 。 其 在 模 数转 换 器 传 输曲 线 上 的 具体 表 现 如 图2-3 所 示 ,过 高 的 微分非线性,不仅能引起ADC 输出 编码错误,也能影响ADC 电路的 动态参数。 其物理意义为,等效在输入正弦信号上叠加了一个与DNL 相关的噪声量。8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文输出 编码 DNL error 理想ADC 传输曲线 实际ADC 传输曲线 输入模 拟量图2-3 ADC 的微分非线性 2.2.1.5 积 分 非 线 性 性 我 们 通 常定义 积 分 非线性 误 差 为ADC 实 际 传输 特 性 曲线与 理 想ADC 曲 线 的 最大 偏 离 。 也 被 定 义 为 微 分 非 线 性 误 差 的 和 , 但 是 非 线 性 误 差 的 和 的 方 法 , 对 其 整 体 的 线 性 的描述性不如前者好, 所以我们通常使用前者, 即如图2-4所示, 得出最大的偏移距离 [11][12] 作为INL 。在没有增益和失调误差的情况下,我们用下式手算INL : V ?V Dout zero INL?D( 23 ) out V LSB 式(2.3)中V 为输出数据D 所对应的输入电压,V 是输出数据零对应的输入 Dout out zero 电压 也就是-FS/2 , V 即为1LSB 的电压量。 几乎所有的非理想因素都会对DNL 和INL LSB 产生贡献,例如制造过程中产生的工艺误差,所以DNL 和INL 的误差显得随机性很强, 规律和趋势性很弱,所以较失调及增益误差而言,较难校正。 其物理意义可以表述为, 输入正弦波发生了非线性失真, 这个线性失真与INL 相关。9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文输出 编码 INL 相邻中 点 的连线 两端中点的连线 实 际ADC 传 输曲线 输入 模拟量图 2-4ADC 的积分非线性 2.2.2 ADC 动 态 参数 当ADC 用 于 模 拟 信号的 采 集 ,特别 是 可 恢复性 采 样 的时候 , 我 们则更 关 心ADC 的 动 态 性 能 , 此 时 静 态 特 性 仅 用 于 参 考 。 我 更 多 的 利 用ADC 的 信 噪 失 真 比 , 总 谐 波 失 真 等参数,与其他模块的性能参数结合起来评估整条信号链路的动态性能。 2.2.2.1 信 噪 比 (SNR ) 模数转换器中所说的信噪比,与我们在运放中常说的信噪比有一点区别,我们在 运 放 里 所 说 的 信 噪 比 是 从 频 谱 的 角 度 , 有 用 信 号 的 能 量 与 所 有 非 有 用 信 号 谱 线 的 能 量 [13] 之比, 而在 模数转换器中信噪比中的噪声仅仅指量化噪声, 这里信噪比用式2.4定义 :? A[] rms in SNR20log dB 10 A[] rms q(2.4 ) 式2.4中A [rms] 为模数转换器输入信号的有效值,A [rms] 为模数转换器量化噪声 in q 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文的 有 效 值 。 量 化 噪 声 是 理 想 的ADC 唯 一 的 噪 声 源 , 当 满 量 程 的 正 弦 波 作 为 输 入 时 , 其 信噪比可表示为:? FS / 2 2 SNR20log dB 10 N FS / 2 12 (2.5 ) N 22 2 12 式中FS 为模数转换器的模拟输入范围, FS/ 为输入为正弦波的有效值, FS/ 表示其量化噪声的有效值。式(2.5 )可近似表达为: SNR6.02N 1.76dB (2.6 ) 2.2.2.2 信 噪 失 真 比 (SINAD ) 信噪失真比与我们在运算放大器中常说的新造比是一个意思,即从频谱的角度, 有 用 信 号 的 能 量 与 所 有 非 有 用 信 号 谱 线 的 能 量 之 比 。 当 然 在 实 际 情 况 下 , 我 们 无 法 得 到 除 有 用 谱 线 外 的 所 有 谱 线 的 能 量 , 所 以 在 实 际 测 试 中 我 们 通 常 采 用4 次或者8 次 谐 波 [14] [12] 以内的谱线 。通过以 上描述,很自然的我们能用式2.7来计算信噪失真比 : A[] rms in SINAD20log dB 10 A [] rms N ?HD (2.7 ) A [rms] 为有用信号 (或输入信号) 的有效值,A [rms] 为有用信号意外的所有 in N ?HD 谱线的有效值之和。其物理意义与我们在运放中常说的信噪比基本一致。 2.2.2.3 ADC 的有效位数(ENOB ) 有效位数是描述一个实际模数转换器的总噪声性能(信噪失真比性能)相当于一 个多少位的理想模数转换器 (仅存在量化噪声) , 所以我们将信噪失真比带入信噪比的 [15] 计算公式2.6中反算位数,即得到有效位数,如式2.8 : ENOBSINAD 1.76/ 6.02 (2.8 ) 它 的 物 理 意 义 为 , 以10 位分辨率的 ADC 电 路 为 例 , 如 果 该ADC 的 有 效 精 度 为9.2 11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文位,那就是说这个10 位 ADC 电 路 产 生 的 总 噪 声 相 当 于9.2 位的理想ADC 电 路 产 生 的 量 化噪声(因为理想的ADC 仅有量 化噪声) 。 2.2.2.4 ADC 的 总 谐 波 失 真 比 我 认 为 总 谐 波 失 真 是 对ADC 线 性 的 从 频 域 的 另 一 种 描 述 , 好 比 我 们 在 描 述 运 放 的 [16][17] 线性性的时候测试三阶交协点一样,我们用2.9式来手算这个参数 : 2 2 2 A ?A?A HD _ 2[rms] HD _3[rms] HD _N[rms] THD20log 10 A in[] rms (2.9 ) 式2.9 中A [rms] 表示ADC 输 入 信 号 的 有 效 值 ,A [rms] 到A [rms] 表示ADC in HD _ 2 HD _N 的数据输出还原成电压, 经过傅里叶变换后对应谐波的有效值。2~4 次谐波是其主要分 量。 2.2.2.4 无 杂 散 动 态 范 围 无 杂 散 动 态 范 围 是 从 频 域 整 体 衡 量ADC 的 精 度 , 它 在 数 学 上 定 义 为 输 出 信 号 的 基 波分量与ADC 输 出 信 号 的 最 大 失 真 信 号 分 量 的 比 值 , 如 图2-5 所 示 , 一 个 大 信 号 经 过 ADC 后 会 对 周 围 的 小 信 号 造 成 多 大 的 影 响 。 例 如 我 们 使 用 数 码 照 相 机 正 对 着 一 盏 台 灯 拍 照 , 如 果 我 们 想 把 台 灯 旁 边 的 一 个 发 光 的 小 灯 泡 也 清 晰 的 记 录 下 来 , 这 个 时 候 我 们 的 相 机 就 需 要 很 好 的 无 杂 动 态 范 围 , 我 们 使 用 式2.10 手算ADC 电 路 的 无 杂 散 动 态 范 围 [18] :? A[] rms in SFDR20log 10 A [] rms spur _ (2.10) 式2.10中A [rms] 表示ADC 电路 在一定频率和幅度的正弦信号输入时, 输出信号基 in 波分量的有效值,A [rms] 表示ADC 电路输 出最大杂散信号的有效值。 spur_ 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文SFDR图2-5 无杂散 动态范围 2.2.3 数 模 转 换器 的 FOM 参数 [13] 我们常用 FOM (figure-of-merit ) 来比较不同模数转换器性能间的差别, 如式 2.11: Power FOM?pj /step 2.11 ENOB ?2?fs 这里 f 为采 样频率,ENOB 为有 效位数,power 为功耗,FOM 是 用容 易 测 量 的 性 s 能参数构成的一个能对 ADC 在 精度方面进行笼统评价的值, 它单位的含义是每一步所 消耗的功耗。从 FOM 的表达式中不难发现,FOM 越低代表模数转换器的性能越好。 不同的模数转换器结构完全有可能得到相似的 FOM 值,但是通常来说,分辨率越低, FOM 值越小。所以同样数字分辨率的模数转换 器间用 FOM 比较性能会更科学。13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文2.3 主 要结 构 2.3.1 全 并 行 模数 转 换器 (flash ADC ) 有些模数转换器构架发展了很多年,同种结构的发展的过程主要是在功耗、速度 及 精 度 之 间 侧 重 于 某 方 面 做 出 折 中 。 但 是 也 有 些 模 数 转 换 器 构 架 的 发 展 来 自 于 全 并 行 模数转换器的变形,或者在其结构组成中直接存在全并行结构。 全并行模数转换器通过将模拟输入直接与各参考电压比较,把一个模拟量表示为 数字量 ,如 图2.6所 示 。这些 固定 的参考 电压 将整个 模拟 输入范 围分 成了若 干个 相等的 区 间 , 区 间 的 数 量 决 定 了 整 个 全 并 行 模 数 转 换 器 的 精 度 , 通 过 比 较 确 定 模 拟 输 入 量 在 哪 个 区 间 之 内 , 从 而 决 定 输 出 编 码 。 例 如15 个 参 考 电 压 将 整 个 模 拟 输 入 范 围 分 成 了16 个区间, 即4位的精度, 所以10精度就需要1023个参考电压, 从中我们不难看出全并行 结 构 的 弊 端 在 于 参 考 电 压 随 分 辨 率 位 数 成 指 数 增 长 , 者 意 味 着 面 积 功 耗 也 随 分 辨 率 成 指 数 增 长 , 因 此 全 并 行 结 构 的 分 辨 率 很 受 限 制 。 所 以 全 并 行 模 数 转 换 器 通 常 用 于 低 分 辨率8 位 及以 下 的 场合 。 全 并 行结 构 的 主 要优 势 在 于 只需 要 一 个 时钟 周 期 就 能完 成 一 次 模 拟 输 入 采 样 并 输 出 数 据 , 而 且 在 全 并 行 结 构 中 比 较 器 是 主 要 的 模 拟 结 构 , 其 他 部 分多为数字模块, 所以全并行结构通常具有较高 的速度 (可以达到几个GHz ) , 所以后 来 有 些 结 构 ( 比 如 两 步 式 结 构 ) 为 了 提 高 分 辨 率 的 同 时 不 增 加 过 多 的 面 积 , 同 时 又 能 [14] 保持较高的速度,就会用全并行结构进行一些改变或者用全并行结构的思想。14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文VREF Vin n 2 Comparators Am+1 Vm+1 Am Digital Vm Output A2 A1图2-6 全并行ADC 结构 框图 2.3.2 两 步 式 数模 转 换器 (two-step ADC ) 全并行转换器的输入电容, 面积及功耗随分辨率的指数增长, 使其在8位分辨率以 上 变 得 难 以 实 现 , 所 以 设 计 者 们 寻 求 了 其 他 的 , 能 够 在 这 几 个 参 数 间 提 供 更 宽 松 折 中 的拓扑结构 ??两步式构架。 如图2-7所示, 两步式构架由前端采样保持, 高位全并行 模 数 转 换 级 , 数 模 转 换 器 及 低 位 全 并 行 模 数 转 换 器 构 成 , 该 结 构 用 速 度 为 代 价 换 取 功 耗 、 面 积 和 输 入 电 容 的 降 低 。 在 两 步 式 数 模 转 换 器 中 , 首 先 由 高 位 全 并 行 模 数 转 换 器 coarse flash ADC 对 输入进初步量化,得到高位,然后通过DAC 将 高位的数据转换为 已 量 化 的 高 位 电 压 , 用 输 出 电 压 减 去 已 量 化 的 高 位 电 压 便 得 到 未 量 化 的 地 位 电 压 , 低 位模数转换器(fine flash ADC ) 对低位电压进行量化编码得到低位的数据 位,最后将 15 Decoder华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文[19][20] 两个全并行转换器的数据输出拼接起来便是最终的数据输出 。 如果在图2-7中使两个全并行模数转换器的位数相同且都为n,则C 点插入一个放大 倍数位2n的余量放大器, 那么这个两步式ADC 就变为了一个没有冗余位的n位每级的流 水线模数转换器,只是这个流水线模数转换器只有两级。 Φ2 + Coarse Fine LSBs Vin - S/H Flash DAC Flash + ADC ADC MSBs Φ1图2-7 两步式ADC 原理 框图 2.3.3 流 水 线 数模 转 换器 (pipelined ADC ) 流水线结构是对两步式结构的一种发展,在速率,分辨率,功耗及器件极限间提 供更为灵活的折中关系。 如图2-8 所示, 为流水线结构的示意图, 每一级的结构都一样, 每 一 级 都 有 两 个 工 作 相 位 : 采 样 相 位 和 保 持 相 位 。 每 一 级 在 采 样 相 位 都 会 采 样 前 一 级 的 输 出 , 每 一 级 在 保 持 相 位 都 会 保 持 稳 定 的 余 量 输 出 作 为 下 一 级 的 输 入 , 相 邻 的 两 级 采 样 相 位 和 保 持 相 位 相 互 交 错 , 而 完 全 不 交 叠 , 所 以 在 同 一 时 刻 相 邻 的 两 级 可 能 同 时 处于保持状态而不会同时处于采样状态。 一个模拟输入量会依次的经过每一级的量化, 每 一 级 都 会 输 出 相 应 的 编 码 , 通 常 第 一 级 输 出 最 高 位 的 编