（电路与系统专业论文）基于cmos工艺的10位sar+adc的研究与设计.pdf

基于c m o s 工艺的1 0 位s a r a d c 的研究与设计 摘要 随着电子计算机的广泛应用，以及信息论、数字信号处理等新兴科学的发 展成熟，人们越来越多的需要将模拟信号向数字信号进行转化，因而模数转换 ( a d c ) 也就成为现代信号处理系统中非常重要的模块，它是现实世界中模拟信号 向数字信号转换的桥梁，应用十分广泛。针对不同的应用领域特点，模数转换 器可能会采用不同结构。随着信号处理技术的飞速发展和模数转换器应用领域 的不断扩大，人们对模数转换器的速度、分辨率、功耗、信噪比、动态范围等 性能提出了更高的要求。 本文对各种结构模数转换器( a d c ) 的性能进行了分析和比较，选择了折中 性能比较好的逐次逼近寄存器结构的模数转换器( s a ra d c ) 作为研究重点。s a r a d c 是采样速率低于5 l i s p s 的中等分辨率应用的常见结构。s a ra d c 的分辨率一般 为8 位至1 6 位，具有低功耗、小尺寸等特点。这些特点使其具有很宽的应用范围， 例如便携电池供电仪表、笔输入量化器、工业控制和数据信号采集器等。 在本设计中。采用0 6 n n c m o s 工艺，单电源电压为2 ，5 v ，设计了1 0 位逐次逼 近寄存器型模拟数字转换器。在设计的过程中采用了一些技术，保证电路处理 模拟信号的速度和精度。采样保持电路中采用了虚拟开关技术，减小了开关电 荷注入而引入的非理想性特性；采用了差分跨导运算放大器，这个放大器采用 了米勒补偿的调零电阻，具有很好的增益和带宽；电压比较器采用的是开关前 置放大器加再生比较器的结构，具有较小的回馈噪声且能用于低电源电压的电 路中而不降低增益和带宽。寄存器及数字控制逻辑完全采用的是d 触发器来存储 和控制，简化了控制电路。 整个电路在软件上通过了系统级的仿真，仿真结果表明：该 d c 的分辨率达 到l o 位，最高采样速率l m s a m p l e s ，功耗为3 m w 。 关键词：逐次逼近寄存器，模数转换器，开关前置放大器，c m o s 。 r e s e a r c ha n dd e s i g no f1 0 - b i ts a ra d c b a s e do nc m o st e c h n o l o g y a b s t r a c t t h e r ea l em o l ta n dm o r er e q u i r e m e n t so f t r a n s f o r m a t i o nf r o ma n a l o gs i g n a l st od i g i t a l s i g n a l s 、) l ，i t ht h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no ft h ec o m p u t e ra n dt h ed e v e l o p m e n t 西n e w l y s c i e n c ea n dt e c h n o l o g ys u c ha si n f o r m a t i c s ，p r o c e s s i n go fd i g i t a ls i g n a l s ，e t c t ka n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e r ( a d c ) ，w h i c hi st h eb r i d g eo ft r a n s f o r m i n gf r o ma n a l o gs i g n a lbd i g i t a l s i g n a la n dt h ek e yo fd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n i q u e ，h a st h e r e f o r eb e e nw i d e l yu s e d i nm a n ya p p l i c a t i o nf i e l d s i ts h o u l db er e a l i z e di np r o p e ra r c h i t e c t u r ea c c o r d i a gt oi t s s p e c i f i ca p p l i c a t i o n w i n lt h ef a s td e v e l o p m e n to fs i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dt h e c o n t i n u a l l ye x t e n s i o no fa p p l i c a t i o nf i e l d s ，d a t ac o n v e r t e r i se x p e c t e dt oh a v em o r e i m p r o v e m e n ti n i t s p e r f o r m a n c e s ， s u c ha s s p e e d ,r e s o l u t i o n , p o w e rc o n s m n p t i o n , s i g n a l - t o n o i s er a t i oa n dd y n a m i cr a n g e ，e t e t h ep a p e rc h o o s es u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o nr e g i s t e ra n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r l 髓a sa n i m p o r t a n to b j e c tt os t u d ya f t e ra n a l y s i st h ep e r f o r m a n c eo fs o m e a d c s a ra d ci sac e n u n o na r c h i t e c t u r ef o rm i d d l et oh i g ha c c u r a c ya p p l i c a t i o mw h i c h r e q u i r et h es a m p l i n gr a t el e s st h a n5 m s p s i ng e n e r a l ，t h ea c c u r a c yo fs a ra d c i s8 - 1 2 b i l i th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o wp o w e ra n ds m a l ls c a l e 。e t c s a ra d ci sw i d e l yu s e di n m a n ya p p l i c a t i o nf i e l d s ，s u c ha si n s t r u m e n t se a s yt ot a k e n , a p p l i a n c e ss u p p l i e db yb a t t e r y ， p e ni n p u tq u a n t i z a t i o n ，i n d u s t r yc o n t r o la n ds i g n a lc o l l e c t o r ，e t c i nt h i sp a p e r , a1 0b i ts a p , d a ci sd e s i g n e db yu s i n go 6 u mc m o st e c h n o l o g ym d2 5 v p o w e rv o l t a g e i nd e s i g n ，s o m et e c h n i q u ei sa d o p t e dt oi m p r o v e t h ep r e c i s i o na n ds p e e do f t h ea n a l o gs i g n a l s a m p l ea n dh o l dc i r c u i tu t i l i z e sd u m m ys w i t c ht e c h n i q u et or e d u c et h e n o n - i d e a l i t yp e r f o r m a n c ec a u s e db ys w i t c hc h a r g ei n j e c t d i f f e r e n t i a lt r a n s c o n d u c t a n c e a m p l i f i e rw i t hc o m p e n s a t i o nh a sh i g h e rg a i na n db a n d w i d t h t h es w i t c h e do p e r a t i o n e o m p a r a t o ri m p r o v e st h ec o n v e r s i o nr a t eo fl o w - p o w e rl o w - v o l t a g es a p , a d c r e ：g i s t e r a n dd i g i t a lc o n t r o ll o g i c a lu t i l i z edt r i g g e rt os t o r ea n dc o n t r o l ，s ot h ec i r c u i ti ss i m p l i f i e d t h ew h o l ec i r c u i ti ss i m u l a t e da ts y s t e ml e v e l t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep r e c i s i o ni s1 0b i t s r e s o l u t i o n , m a x i m u ms a m p l i n gr a t ei s1 m s p sa n dp o w e rd i s s i p a t i o no f 3 m w k e y w o r d s ：s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o nr e g i s t e r ；a n a l o gd i g i t a lc o n v e r t e r ；s w i t c h e d p r e a m p l i f i e r ；c m o s 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 l 图2 1 2 图2 1 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 插图、表格清单 信号处理系统4 模数转换系统4 3 位a d c 的理想输入输出特性一5 对输入模拟信号进行采样5 还原采样信号所用的滤波器的频率特性6 3 位a d c 的失调误差和增益误差7 3 位a d c 的d n l 误差和i n l 误差8 并行结构a d c 的原理框图1 0 二步式a d c 的原理框图一“ 流水线a d c 的原理框图1 2 逐次逼近型a d c 原理框图1 3 逐次逼近a d c 的转换过程1 3 过采样a d c 的原理框图1 4 s h 电路性能参数的描述1 5 基本的采样保持电路1 6 带输入输出缓冲的开环采样保持电路结构1 6 基本的闭环采样保持电路1 7 采样电路的跟踪和保持能力l g m o s f e t 采样开关的导通电阻1 8 m o s 管的导通电阻1 9 电荷注入效应1 9 采样电路的热噪声2 1 数模转换器的结构框图2 l 3 位d a c 输入输出传输特性2 i 3 位d a c 失调误差增益误差2 2 3 位d a cd n l 误差i n l 误差2 3 二进制加权电阻d a c 结构图2 4 二进制加权电阻d a c 的r 一2 r 梯形电路结构2 4 一个3 位电压按比例缩放d a c 电路结构2 5 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 l 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 图3 2 6 图3 2 7 图3 2 8 图3 2 9 图3 3 0 图3 3 1 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 基本的电荷按比例缩放d a c 结构2 5 m 位和k 位子d a c 组合成m + k 位d a c 结构2 6 由两个4 位子d a c 组成一个8 位按电荷比例缩放d a c 一2 7 比较器电路符号和理想的传输特性曲线2 7 有限增益比较器传输特性曲线2 8 失调电压对比较器传输特性的影响2 8 噪声对比较器的影响2 8 比较器的传输时延2 9 比较器的小信号输入时间响应2 9 两级开环比较器结构2 9 两级比较器的输出响应3 0 n m o s 管和p m o s 管锁存器3 0 锁存比较器的电路结构3 l 输入失调电压存储技术3 2 输出电压存储技术3 3 s a ra d c 结构框图3 4 采样保持电路3 5 两相非重叠时钟电路一3 6 两相非交叠时钟信号模拟图3 6 l o 电荷按比例缩放d a c 3 7 低电压运算放大器4 l 动态锁存比较器4 l 开关运算放大器比较器4 2 比较器的偏置电路4 3 p m o s 晶体管差分输入对4 3 前置放大器的交流小信号分析4 4 前置放大器输入输出噪声4 4 前置放大器的阶跃响应4 5 时钟频率在2 5 m h z 时比较器的瞬态响应4 5 c m o s 运放结构图4 6 低压放大器的结构图4 7 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 表4 1 表4 2 表4 3 表5 1 跨导放大器的幅频特性4 7 逐次逼近逻辑结构电路图4 8 逐次逼近寄存器的时序图4 9 比较器输出为1 时s a r 的波形4 8 采样保持电路输出响应5 0 a d c 静态参数测试的结构图5 l 1 0 位a d c 的微分非线性一5 2 i o 位a d c 的积分非线性5 2 a d c 动态参数测试的结构图5 3 伪谐波动态范围测量的频谱图5 4 电容器阵列的设计参数3 8 开关网络的设计参数3 8 开关运算放大器比较器的设计参数4 2 a d c 的性能指标5 5 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i 作及取得的研究成 果据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得金世王些盘堂 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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签字懒签字日期：加7 年如3 r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金魍e 些左堂 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，允许论文被查阅或借阋。本人 授权 金肥e 些厶堂 可以将学位论文的全部或部分论文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适用本授权书) 学位论文者签辄步茜两 签字日期：2 曲净，月爿日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 蜜斟 签字日期：莎7 年，月乡日 f 电话： 邮编： 致谢 三年的研究生学习生活快要结束了，值此毕业之际，我要向所有关心过我、 帮助过我的人表示感谢。 首先，要感谢窦建华老师。窦老师严谨的治学态度、对事业执着追求的精 神和诲人不倦的师德师风，都是我们学习的榜样。在读研期间，窦老师为我们 提供了优良的学习环境，在论文写作过程中，窦老师给予我精心的指导了热情 的鼓励。在生活上，窦老师给了我慈母般的关怀，在此，我对她表示深深的感 谢。 感谢我的同学、师兄和师弟，与他们的交流和讨论给了我很多启发。怀念 我们在一起设计，一起努力的时光，认识你们是我读研期间最大的收获之一。 我要特别感谢我的父母和我的爱人，在我遇到困难的时候你们一直支持、关心 和帮助我，没有你们就没有我的今天，非常感谢你们! 作者：杨秀丽 2 0 0 7 年5 月1 5 日 第一章导论 1 1 概述 1 1 1 本论文研究的背景、目的 近年来，随着通信和多媒体市场的快速增长，数字信号处理技术也得到了 迅猛发展，并广泛地应用于各个领域。采用数字信号处理技术能够方便地实现 各种先进的自适应算法，完成模拟电路无法实现的功能。因此，在许多应用上， 数字集成电路的出现己经不断地取代了模拟电路。数字电路所具有的设计上的 灵活性和制造工艺上的良好抗干扰性相比于模拟电路，具有压倒性的优势。 在信号传输和信号处理领域，现行的系统大都采用数字系统来进行处理，但是 由于来自自然界的信号，如语音信号、传感器信号、雷达回波信号等大多是模 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化为连 续的模拟信号以实现系统对外界的控制，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。 由于集成电路的集成度不断提高，越来越明显的趋势是将a d 转换器与大的 数字信号处理系统( d s p ) 或者数字电路集成在同一个芯片上。为了减少通过额 外的d c d c 转换产生多个电源电压( 即a d 转换器和数字电路用不同的电源电压) 所引起的花费，就要求a d 转换器和数字电路在同样的电源电压下工作( 即低电 源电压) 。信息高速公路发展的今天，大量的数据被存储在存储设备中，并不断 的存入和读出。为了在极短的时间里传输大量的数据，就要求存储设备具有很 高的传输率。在一些多媒体应用的场合，为了获得更高的传输速率，对于a d 转换器的速度也就提出了更高的要求( 即实现高速) 。要达到上面所提到的设计 目标( 低电压、高速) ，c m o s i 艺则具有很大的优越性。首先，c m o s i 艺与双极 性工艺相比，具有较低的花费和较高的集成度；其次，随着c m o s 工艺特征线宽 的不断降低，它可以达到和双极性工艺相当的速度。基于上述原因，本课题采 用0 6 n c m o s 工艺，来设计高速、低电压的逐次逼近型( s a r ) a d 转换器。 s a r 模拟数字转换器是采样速率低于5 m s p s 的中等至高分辨率应用的常见结 构。s a ra d c 的分辨率一般为8 位至1 6 位，具有低功耗、小尺寸等特点。这些特 点使其适用于视频信号处理和便携式通讯领域的高精度低功耗场合【z j 。 1 1 2 国内外研究状况分析 目前发达国家对高速数据转换电路的研究已经达到了很高的水平，相比较 而言国内模数转换器的发展起步较晚，在研发水平方面与国外相比还十分落后， 这严重限制了我国在集成电路设计尤其是系统设计方面的发展。近年来随着设 计环境和工艺条件的快速改善，国内单位，如浙江大学超大规模集成电路设计 研究所，在高速高精度模数转换器领域也开展了一些研究。但设计大多数仍处 于模仿国外设计的阶段，不能提出自己的创新性设计方案，而且，研究的成果 多以计算机仿真结果的形式，而不是以实际芯片测试结果的形式来验证。为了 缩短与国外先进水平之间的差距，我们急需加强在这个领域的研究。因此研究 模数转换器具有非常重要的意义。 1 2 本论文的研究内容、拟解决的关键问题及创新之处 1 2 1 研究内容 本课题将以中速、高精度、低电压的逐次逼近结构模数转换器的分析 和设计为研究方向，该结构的a d 转换器包括采样保持电路，比较器电路， d a 转换器电路和逐次逼近寄存器控制电路。设计主要遵循标准的模拟电 路的设计流程。采用的是0 6 t u nc m o s 工艺，其采样频率可达到1 m h z ，精 度为l o 位。在设计过程中首先要确定系统的性能指标，如电源电压、动态 输入范围、功耗、转换精度、采样速率等，以便于深入了解a d c 的设计。 然后根据系统的性能要求确定系统的结构，并初步确定系统中各模块的电 路结构。根据近似公式从手工计算开始，用仿真软件s m a r t s p i c e 进行优化， 如果仿真结果未能达到性能指标，需要改进结构或查找资料以寻求达到设 计要求的方法。如果所有模块都分别达到性能指标要求，然后将各模块组 成系统并对系统进行仿真和参数优化，直到整个系统的性能指标达到要求。 1 2 2 本论文拟解决的关键问题 1 选择合适的电路结构和分析其性能并调节电路参数( 尤其是模拟模块 的参数) 使a d c 的精度、速度达到系统要求。 2 设计出的模数转换器功耗要小，转换速率要比较快。 3 电压比较器是模数转换器的关键模块，因为采用的是0 6p m c m o s 工 艺，2 5 v 的电源电压，所以要对比较器进行改进，使其能能够满足整 个系统的精度和速度要求。 4 采样保持电路所需要的运算放大器应采用低电源电压结构，负载采用 宽幅镜像电流源，以增大信号摆幅。 1 2 3 本论文的创新之处 1 本论文提出了一种新型的电压比较器结构，采用前置放大器加高速锁 存器的结构。在前置放大器的输出级电源和地之闻分别采用开关控制， 一方面减小了回馈噪声，另一方面应用在低电源电压电路时，不会减 小前置放大器的增益带宽，从而可以满足本课题模数转换器的速度和 精度要求。 2 采样保持电路采用虚拟开关来补偿因开关电荷注入而引入的非线性误 差。 2 3 寄存器控制逻辑电路全部采用的是d 触发器，没有采用门控制单元， 使电路结构比较简单，不会因采用各种门电路而引起的竞争和冒险。 4 所采用的开关均与参考电压或“地”相连，避免因过驱动较小而产生 、较大的电阻，限制电路的速度。 第二章数据转换的基本原理 数据转换是任何信号处理系统中的主要方面。分为两个部分：模数转换 ( a d ) 和数模转换( d a ) 。信号处理系统的基本框图如图2 1 所示【3 1 。 畸骨甘圆 图2 1 信号处理系统 从“现实世界”引入的模拟输入信号( 如，声音、图像等) 被传感器感知 到，通过模数转换器( a d c ) 进行处理。模拟输入信号在时间上和数值上都是 连续的，该信号通过a d c 转换为在时间和数值上都是离散的一系列数字信号。 当输入是数字形式时，数据可通过信号处理器( d s p ) 进行处理。应用不同时， d s p 需要额外的接口给系统提供不同的功能。数据处理结束以后，通过数模转 换器( d a c ) 转换为模拟形式信号。 本章首先根据a d c 的特性参数给出总体概述，接着详细描述不同结构的 a d c ，最后对于几种应用比较多的a d c 结构进行比较。根据功耗、速度和精 度要求不同，突出每种结构的优点和缺点。 2 1 模数转换器 2 1 1 一般步骤和采样定理 在a d c 中，因为输入的模拟信号在时间上是连续量，而输出的数字信号 码字是离散量，所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间( 亦即时间坐标轴上 的一些规定点上) 对输入的模拟信号取样，然后再把这些取样值转换为输出的 数字量【4 1 。因此，一般的a d 转换过程是通过采样、保持、量化和编码这四个 步骤完成的，如图2 2 所示h j 。 模拟输入数字输出 图2 2 模数转换系统 在转换过程开始之前，加入了一个抗混叠阿置滤波器。该滤波器的作用是 限制输入信号的带宽使之不超过采样频率的一半，以遵循采样定理。为了避免 出现频谱混叠现象，加入该滤波器是非常有必要的【6 l 。采样保持电路( s h ) 负 责把输入信号从连续的时间信号转换为离散的时间信号，采样需要明确采样时 间白j 隔。整个转换过程以量化和编码器输出结束，在这里产生了时间和空间均 离散的数字信号，数字信号的输出位数取决于转换器的精度。 4 图2 3 所示是3 位a d c 的输入输出特性。为了使输出的数字码字接近于 采样信号，a d c 中的参考电压进行了一系列的量化阶梯，选择最接近于采样信 号的阶梯作为数字输出码字。输入信号和输出码字之间的差值称为量化误差。 输入信号的某一区域将会映射到同一个输出码字，其原因是必须有一个最小步 长或者是必要的精度才能产生一个码字到另一个码字的转换6 1 。 d 硼 暖 靴 1 1 0 1 ：三 m 0 0 1 0i $ mm4 8 埔6 87 80 1 1 82 sj 84 85 8 m v i 图2 33 位a d c 的理想输入输出特性 如上所述，即使一个理想的转换器在转换过程中也会产生误差，而实际的 a d c 还会因为内部单元器件的非理想因素而产生其它类型的误差。在下面的章 节中将讨论如何减小量化误差和非理想误差在转换器性能方面的影响。 l 、采样定理 可以证明，为了正确无误地运用图2 4 中所示的取样信号。v s 表示模拟信 号v i 的取样值，必须满足( 7 - s ) ： z 2 嘣 ( 2 1 ) 式中工为采样频率，兀。为输入信号v i 的最高频率分量的频率。式( 2 - 1 ) 称为采 样定理。 v s 图2 4 对输入模拟信号进行采样 在满足式( 2 1 ) 的条件下，可以用一个低通滤波器将信号v s 还原为v i ，这 个低通滤波器的电压传输函数i a ( 叫在低于k 的范围内应保持不变，而在 z l 以前应迅速下降为零，如图2 5 所示。 因为每次把采样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次 采样以后，必须把采样电压保持一段时间。可见，进行a d 转换时所用的输入 电压，实际上是每次采样结束时的v i 值。 图2 5 还原采样信号滤波器的频率特性 2 、量化和编码 我们知道，数字信号不仅在时间上是离散的，而且在数值上的变化也不是 连续的。这就是说，任何一个数字量的大小，都是以某个最小数量单位的整倍 数来表示的。因此，在用数字量表示取样电压时，也必须把它化成这个最小数 量单位的整倍数，这个转化过程就叫做量化。所规定的最小数量单位叫做量化 单位，用表示。显然，数字信号最低有效位中的1 表示的数量大小，就等于 。把量化的数值用二进制代码表示，称为编码。这个二进制代码就是a d c 的输出信号。假定需要把o l v 的模拟电压信号转换成3 位二进制代码，这时 便可以取a = 1 8 v ，并规定凡数值在o 一1 8 v 之间的模拟电压都当作0 看 待，用二进制的0 0 0 表示；凡数值在i 8 v 一2 8 v 之间的模拟电压都当作l 看待，用二进制的0 0 l 表示，等等。不难得出，最大的量化误差可达到， 即1 8 v 。 2 2a d c 的性能参数 理想a d 转换器的量化特性仅由量化方式、输出数字的位数和码制决定。 实际a d c 的性能参数主要分为动态特性和静态特性。其中静态特性与时间无 关，反映的是实际量化特性与理想量化特性之间的偏差【3 4 “。主要有o f f s e t ( 失 调误差) 、g a i ne r r o r ( 增益误差) 、d n l ( 微分非线性误差) 、i n l ( 积分非线性误差) 。 动态特性主要有转换速率、信噪比s n r ( 信噪比) 、s f d r ( 无杂散动态范围) 。 2 2 1 分辨率( r e s o l u t i o n ) 分辨率是a d c 最基本的，也是最重要的参数之一。a d 转换器的分辨率 是指转换器所能够分辨的最小量化信号的能力。它有数字分辨率和模拟分辨率 之分。数字分辨率是指转换器输出码字的位数，输出的位数越多，转换器的分 辨率也就越高。模拟分辨率是指a d 转换器所能分辨的模拟输入量的最小增量， 是指1 l s b 所代表的模拟量。1 l s b 的量程可以通过( 2 2 ) 式得到 l s b = v r e f 2 ” ( 2 2 ) 式中的v r e f 是a d c 所采用的参考电压，n 是输出码元的位数。 6 2 2 2 失调误差( o f f s e t ) 和增益误差( g a i ne r r o r ) 在一个理想的a ，d 转换器中，输入电压为零时输出码元为零。但是由于电 路内部元器件的不匹配，要想在a ，d 转换器的输出端产生零码元，需要在输入 端输入一定的电压。理想和实际所需要的输入电压差称为失调误差。图2 6 ( a ) 所阐述的是3 位a d c 的失调误差。 增益误差，如图2 6 ( b ) 所示，是指除去失调误差，也就是把实际的a d c 和理想的a d c 的最低判决电平对齐之后，两者的最高判决电平之间的差值。 也可以用满量程的百分比来表示【6 j 。 图2 63 位a d c 的增益误差与失调误差 2 2 3 非线性误差( n o n 1 i n e a r i t y ) 非线性误差用实际的转换曲线和理想转换曲线的最大偏差来表示。该误差 又可分为微分非线性误差( 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 ) 和积分非线性误差 ( i n l ：i n t e g r a ln o n 1 i n e a r i t y ) 。对理想的a d 转换器而言，相邻的两个判决电平 之间的差值正好是一个l s b 。对实际的a d 转换器而言，这些差值不会正好等 于一个l s b 。这些差值与1 l s b 之间的差就是微分非线性误差，如图2 7 ( a ) 所示。d n l 可以用下式来表示： d n l ( n ) = d e c i s i o n l e v e l ( n + 1 ) 一d e c i s i o n l e v e l ( n ) 一厶s b( 2 3 ) 由此可见，微分非线性误差的数值依赖于具体的输出码字。如果不指定具 体的码字而衡量整个a d 转换器的微分非线性误差指标，是指所有码字的微分 非线性误差中最大的一个。 对于理想的a d 转换器而言，所有的判决电平都位于一条直线上。而对实 际的a i d 转换器而言，这些判决电平不会都位于一条直线上，每点都会存在 或多或少的偏移。如图2 7 ( b ) 所示。为了计算积分非线性误差，需要根据从 实际芯片中测量出的判决电平拟合出一条最佳直线。一般来说，评判拟合最佳 程度的标准有如下二个：端点一端点准则，最小方差准则和最大值最小准则， 最常见的准则是端点一端点准则和最小方差准则。很明显可以看出最小方差准 7 则所计算出的积分非线性误差最小。也可以把积分非线性误差理解成去除失调 误差和增益误差后实际的a d 转换器的传输曲线和理想a d 转换器的传输曲线 之间的差值。 图2 73 位a d c 的i n b 误差和d n l 误差 可以看出，只有当失调误差、增益误差和非线性误差三者之和小于1 2 l s b 时，再加上系统本身固有的i 2 l s b 量化误差，系统的总误差才有可能在 i 2 l s b 范围内。对于总误差范围在i 2 l s b 范围内的n 位a d 转换器，才可 以称其精度为n 位。 2 2 4 信噪比 关于信噪比，可以简单地分为两种，一种是通常意义上所讲的信噪比，也 称s n r ( s i g n a l t o n o i s e r a t i o ) ，即信号对噪声的比值，其中噪声能量等于总能 量减去信号能量和谐波的能量；另外一种信噪比称为s n d r ( s i g n a lt on o i s e a n dd i s t o r t i o nr a t i o ) ，即信号对噪声和失真总和的比值。可以看出，在一般情 况下，s n d r 要低于s n r 。与s n r 相比，s n d r 考虑了谐波的影响，所以在实 际测量时更倾向于采用后者。 2 2 5 动态范围 s f d r 就是s p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e ，即无噪声和谐波的动态范围。在 定义这一概念时，把谐波和噪声都称为伪信号( s p u r i o u s ) 。在计算s f d r 时，只 要对信号作频谱分析，然后测出信号的幅度和噪声与谐波中最高尖峰之间的距 离。 2 2 6 采样速率、转换时间和转换速度 采样速率是指模数转换器在单位时问内读取的模拟信号的次数。转换时间 是指从指令发出到输出完整有效的数字码字所需要的时间。转换速率是指模数 转换器在单位时间内完成的转换次数。因为在相邻两次之间总存在复位时问， 所以转换速率和转换时间的关系是： 8 转换速率= l ，( 转换时间+ 复位时间)( 2 4 ) 2 3 模数转换器( a d c ) 的结构对比 第三章将会详细介绍a d c 的几个重要的电路模块，包括s h 电路、d a c 和比较器。下面讨论a d c 几种比较常用结构及其基本工作原理，指出各自的 优缺点l l “。 2 3 1 并行结构a d c 并行结构a d c 是各类a d c 中转换速率最高的一种，对于高速、高带宽的应 用场合，它是一种非常理想的选择。一般用于高速数据采集、人造卫星通信、 雷达信号处理、采样示波器和高密度磁盘驱动等对速度要求很高的场合。并行 结构a d c 这种模数转换器的工作原理十分简单，如图2 8 所示。一个n 位的并 行结构a d c 通常需要2 ”一1 个电压比较器，基准间隔为最低有效位电压( 即l s 8 ) ， 由一组电阻分割总参考电压源实现，由低到高分别加到各比较器负的输入端作 为基准比较电位。输入信号进来后，转换是同时进行的。输入为0 时，全部比 较器关闭；输入为l l s b 的电压值时，最低位的比较器翻转；输入电压继续增 加会有越来越多的比较器改变状态。当输入为一个斜波信号时，比较器输出为 一个s 形曲线。输入信号高于门限电压时，比较器输出为逻辑值1 ；反之，比 较器输出为逻辑值o 。在a d c 时钟同步信号下，系列数字锁存器( 每个比较 器后接一个锁存器) 对比较器输出状态进行判断并锁存。锁存器输出数字信号后 经编码器编写成输出所需的数字码。 这种转换器的突出优点是结构简单、速度快。它可以称为迄今为止速度最 快的一种a d 转换结构，其转换速度只受比较器和门延迟时间的限制，比较过 程一次完成。多数高速和超高速a d 转换器部是采用这种结构。但是，全并行 a d c 的超高速是以牺牲器件功耗来得到的。一般来说，全并行转换结构存在以 下不足： ( 1 ) 成本高、功耗大、元件多、芯片面积大。由于一个n 位a d c 至少需要 2 ”一1 个等值分压电阻、2 ”一1 个比较器。2 “一1 个数字锁存器以及相关的数字 编码器和寄存器等，因此随着分辨率的增加，转换器内部元器件数目以几何级 数的速度增加。所以，全并行a d c 的分辨率不能做到很高，以目前的工艺水 平仅能做到l o 位分辨率。而且，这样一个l o 位全并行a d c 的成本、功耗和 芯片面积等都大得惊人，仅适合于某些军用和专用系统。 ( 2 ) 输入电容大。使用中必须外接一个功率缓冲放大器来驱动a d c 输入， 而大电流驱动又容易引起过冲、振荡、噪声及大失真等问题。 ( 3 ) 电路内部的数字连线太多，数字电路产生的噪声对模拟电路造成的影 响会破坏模拟电路的灵敏度。 ( 4 ) 一个8 位全并行a d c 内部至少需要2 5 5 个采样锁存器。在整个满刻度 9 模拟输入范围内，转换器每进行一次转换，采样锁存器仅作出一次判断锁存。 而且，此判断的结果决定了转换器输出码的变化。很明显，采样锁存器的使用 效率不高。 v 耐v i “ 图2 8 并行结构a d c 的原理框图 通常，全并行a d c 中比较器阵列中的是温度计码。在温度计码中，只有0 与1 之间的数字瞬变位置直接包含了与输入模拟信号相关的信息。因此，全并 行结构中的比较阵列包含了冗余信息。 2 3 2 二步式a d 转换器 由于v l s i 技术的日益成熟，不断地推动着a d 转换器朝着超高速，低成 本方向发展。尽管全并行a d c 在超高速领域仍然占据着一定位置。但是，其 芯片面积和商功耗限制了它的应用。目前，在很多应用领域，二步式a d c 已 经逐渐取代了全并行a d c 。虽然二步式a d c 的采样速度仅为全并行a d c 的一 半，但其芯片面积和功耗比全并行a d c 要低得多。这一点使得二步式a d c 尤 其适合于嵌入式系统设计以及一些超高速民用领域。 二步式a d c 是分区式a d c 的一种简单结构。从降低：苍片面积和功耗的目 的看，分区式a d c 的子区域越多，所需的比较器越少，功耗也越低。然而， 这样一来，a d c 的转换速度也越低。所以，对一个超高速a d c 而言，二步式 结构就足以满足a d c 的需要l l “。 图2 9 为一个二步式a d 转换器工作原理框图。它主要由二个闪烁a d c ( 一 个a d c 完成粗糙级m s b 部分转换，一个a d c 完成精细级l s b 部分转换) 。一 个高精度d a 转换器，一个减法放大器，一个采样保持放大器，一个输出寄存 器以及相关的时钟控制电路组成。转换开始时，在第一个时钟信号作用下，模 拟输入信号首先被采样保持放大器采样并保持，然后，采样信号由粗糙级a d c 转换成数字信号并存入输出寄存器。高精度d a c 转换器同时将m s b 部分的数 1 0 字信号转换成为模拟信号。这一模拟信号与采保放大器的保持信号在减法放大 器相减，产生的残差信号经放大器放大后，在第二个时钟信号同步下，再次被 精细级a d c 转换成数字信号，第三个时钟信号出现后，输出寄存器同时输出 m s b 和l s b 信号。这样，两步式a d c 就完成了一次转换。 模拟输a v i n 数据输出 图2 , 9 二步式a d c 的原理框图 与全并行结构相比较，二步式结构是牺牲了转换速度来换取低功耗和小芯 片尺寸的，一个二步式8 位a d c 在采用3 位+ 5 位的结构形式时，用了3 8 个比 较器；如果采用4 位+ 4 位的结构形式。则仅需要3 0 个内部比较器。由此可见， 在相同分辨率下，二步式结构所用元件要比全并行结构的元件少许多。由于采 用的是两步转换形式，其转换速度最多只能达到全并行a d c 转换速度的一半。 二步式a d c 由于增加了一个采样保持放大器和一个d a 转换器，其设计难度 有所增加。设计中，内部功能块的设计，单元之间的匹配，减法放大器与第二 级闪烁a d c 满刻度范围的匹配都存在一定的难度。此外，在同一个芯片上集 成一个超高速采样保持放大器难度极大，其建立时间和孔径时间都非常难于控 制。内部d a 转换器虽然仅需要3 位分辨率，但为了获得8 位的a d c 线性误 差，要求其转换精度必须高于8 位。二步式