40mhz - connecting repositories本文设计了一个采样频率为40mhz 的10...
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学校编码：10384 分类号 密级
学号：19820081153037 UDC
硕 士 学 位 论 文
十位 40MHZ 采样频率的流水式模数转换器 10-bit 40MHZ Sampling Rate Pipelined Analog-to-Digital
Converter
孙志新
指导教师姓名： 李开航 副教授
专 业 名 称： 微电子学与固体电子学
论文提交日期： 2011 年 6 月
论文答辩日期： 2011 年 6 月
答辩委员会主席：
评 阅 人：
2011 年 6 月
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声明人（签名）：
年 月 日
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本学位论文属于：
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公开学位论文，均适用上述授权。）
声明人（签名）：
年 月 日
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摘 要
随着通信技术的发展和数字产品的日益增长，作为连接模拟信号与数字信号
的桥梁，ADC 在信号处理中越显重要。ADC 的种类多种多样，它们的结构限制
了速度、精度以及功耗等各方面的性能。因此，不同的 ADC 在不同应用场合有
着特定的优势和市场。流水式 ADC 由于其速度快、精度较高、功耗相对较小的
原因广泛应用于数字通讯领域中。
ADC 的速度得益于工艺尺寸的缩小，但是精度却受到了限制。在 CMOS 工
艺中，尺寸下降导致了晶体管的本征增益的衰减；在深亚微米工艺中，器件的匹
配系数不是很高，运放会产生较大的失调电压，电容也有可能会有较大的不匹配，
这些都将限制了 ADC 的精度，这就要求 ADC 要具有模拟或者数字补偿电路。
近年来，数字校正算法成了提升 ADC 性能的一个有效方法。
本文设计了一个采样频率为 40MHZ 的 10 位九级结构流水模数转换器，该
模数转换器使用 3.3V 工作电压，功耗为 95.7mw。采用前 8 级 1.5 位、 后一级
2 位的结构，由两相不交叠时钟控制各级流水线的交替工作。另外，在采样保持
电路中使用了带开关电容共模反馈的增益自举套筒式差分运算放大器，具有很高
的增益和带宽，同时采用预放大动态锁存比较器，既有很快的比较速度又能有效
地消除失调电压。
关键字： 流水式模数转换器；采样保持；运算放大器；比较器；时钟
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ABSTRACT
With the development of communication technology and the growing number of
digital products,ADC(Analog-to-Digital Converter) technology, the bridge between
analog signal and digital signal, has become more and more important in signal
processing.ADC technology has many different types with different performance in
speed , precision, power consumption and so on. Therefore,each type of ADC has its
specific advantages and markets.Because of its high speed,high precision and low
power consumption,Pipelined ADC is widely used in digital communication field.
With the reduction in craft dimension, ADC technology has achieved a higher
speed,but its precision is restricted.In the CMOS process,the intrinsic gain of the
transistor decreased because of the reduction in dimension.In the deep submicron
process,the matching ratios of the components is not very high, as a result, the offset
voltage of the operational amplifier will be higher.The capacitors may also have a big
mismatch.These all limit the accuracy of the ADC and require the ADC to have a
analog or digital compensation circuits.In recent years,digital calibration algorithm is
used to improve the performances of ADC.
In this paper, a 40MHZ 10-bit pipelined ADC is designed in SMIC 0.13um
CMOS process.The ADC operates under a 3.3V power supply and consumes 95.7 mw
power. The whole circuit is comprised of 9 stages,all have 1.5 bits per stage except for
the final stage which has 2 bits.A two-phase non-overlapping clock is generated to
control the alternating of each stage.Besides,a fully differential telescopic-gain
-boosted operational amplifier with a switched capacitor common-mode-feedback
-circuit is used in S/H circuit,it has achieved a high DC gain and a high bandwidth.
Also,a pre amplification dynamic latch comparators is used because of its high speed
and low offset voltage.
Key words: Pipelined ADC; S/H; Opeational Amplifier; Comparator; Clock
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I
目 录
第 1 章 绪 论 ........................................................................................1
1.1 课题的背景和意义 ......................................................................................1 1.2 国内外研究现状 ..........................................................................................2 1.3 本文的目标及内容安排 ..............................................................................2
第 2 章 模数转换器简介及结构介绍 ..................................................5
2.1 模数转换器简介 ..........................................................................................5 2.1.1 模数转换器的工作原理....................................................................5 2.1.2 A/D 转换器性能提高的主要方向....................................................5
2.2 几种模数转换器介绍及比较 ......................................................................6 2.2.1 全并行结构 A/D 转换器...................................................................6 2.2.2 多级 A/D 转换器...............................................................................7 2.2.3 逐次逼近 A/D 转换器.......................................................................8 2.2.4 流水式 A/D 转换器...........................................................................9 2.2.5 过采样Σ-ΔA/D 转换器..................................................................10
2.3 流水式结构与其它结构的比较................................................................12 2.3.1 与逐次逼近型比较..........................................................................12 2.3.2 与闪速型比较..................................................................................12 2.3.3 与Σ-Δ型比较 ................................................................................13
2.4 本章小结 ....................................................................................................13
第 3 章 流水式 A/D 转换器的原理分析和性能参数 .......................15
3.1 流水式 ADC 结构介绍及算法分析 .........................................................15 3.1.1 流水式 ADC 结构介绍 ...................................................................15 3.1.2 1.5 位/级结构及算法分析 ..............................................................16
3.2 ADC 的性能参数 ......................................................................................19 3.2.1 ADC 的静态参数 ............................................................................19 3.2.2 动态范围..........................................................................................22 3.2.3 信噪比..............................................................................................22 3.2.4 有效位数..........................................................................................22
3.3 本章小结 ....................................................................................................23
第 4 章 流水式 ADC 的电路实现 .....................................................25
4.1 MOS 开关 ..................................................................................................25 4.1.1 单管模拟开关..................................................................................25 4.1.2 CMOS 传输门开关 .........................................................................26 4.1.3 MOS 开关的电荷注入与时钟馈通 ................................................27 4.1.4 栅压自举开关..................................................................................28
4.2 采样保持电路 ............................................................................................29
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II
4.3 运算放大器的设计 ....................................................................................31 4.3.1 运算放大器的指标设计..................................................................31 4.3.2 运放结构的选择..............................................................................32 4.3.3 套筒式增益自举运算放大器..........................................................32 4.3.4 运放的频率响应分析......................................................................35 4.3.5 运放仿真..........................................................................................35
4.4 开关电容共模反馈 ....................................................................................36 4.5 偏置电路 ....................................................................................................37 4.6 比较器 ........................................................................................................38
4.6.1 预放大动态锁存比较器..................................................................39 4.6.2 动态比较器的仿真..........................................................................40 4.6.3 时钟电路..........................................................................................41
4.7 全加器电路 ................................................................................................42 4.8 整体电路 ....................................................................................................43 4.9 本章小结 ....................................................................................................44
第 5 章 版图设计 ................................................................................45
5.1 匹配问题 ....................................................................................................45 5.1.1 晶体管的匹配..................................................................................45 5.1.2 电容的匹配......................................................................................46
5.2 整体布局 ....................................................................................................46 5.3 电路版图 ....................................................................................................46 5.4 本章小结 ....................................................................................................48
第 6 章 总结与展望 ............................................................................49
6.1 总结 ............................................................................................................49 6.2 展望 ............................................................................................................49
参考文献 ..................................................................................................51
读硕士期间发表的论文 ..........................................................................53
致 谢.......................................................................................................55
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III
Contents
Chapter 1 Introduction...........................................错误！未定义书签。 1.1 Background And Significance......................................................................1 1.2 Present Research Situation of Home and Abroad......................................2 1.3 The Objective and Contents of Thie Thesis................................................2
Chapter 2 Introduction of ADC and Structures of ADC......................5 2.1 Introduction of ADC.....................................................................................5
2.1.1 Principle of ADC..................................................................................5 2.1.2 The Main Improvenment of ADC Performance ..................................5
2.2 Introduction and Comparison of Several Structres of ADC.....................6 2.2.1 Flash ADC............................................................................................6 2.2.2 Multistep ADC.....................................................................................7 2.2.3 SAR ADC.............................................................................................8 2.2.4 Pipelined ADC .....................................................................................9 2.2.5 Σ-ΔADC..........................................................................................10
2.3 Comparison of Pipelined ADC and Other Structures .............................12 2.3.1 Comparison with SAR ADC..............................................................12 2.3.2 Comparison with Flash ADC.............................................................12 2.3.3 Comparison with Σ-ΔADC ..........................................................13
2.4 Summary......................................................................................................13
Chapter 3 Principle and Performance Parameters of Piplined ADC 15 3.1 Structure of Piplined ADC and Analysis of Algorithm............................15
3.1.1 Introduction of Pipelined ADC ..........................................................15 3.1.2 1.5Bit Per Stage and .........................................................................16
3.2 Performance Parameters of ADC..............................................................19 3.2.1 Static Parametres of ADC ..................................................................19 3.2.2 DR......................................................................................................22 3.2.3 SNR....................................................................................................22 3.2.4 ENOB.................................................................................................22
3.3 Summary......................................................................................................23
Chapter 4 Circuit of ADC ...................................................................25 4.1 MOS Switch.................................................................................................25
4.1.1 Single-tube Analog Switch ................................................................25 4.1.2 CMOS Tranmission Gate Switch.......................................................26 4.1.3 Charge Injection and Clock Feed-through.........................................27 4.1.4 Bootstrapped Switch ..........................................................................28
4.2 S/H................................................................................................................29 4.3 Design of OPA .............................................................................................31
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IV
4.3.1 Indicators of OPA...............................................................................31 4.3.2 Structure Selection of OPA ................................................................32 4.3.3 Telescopic Gain-boosted OPA ...........................................................32 4.3.4 Frequency Response of OPA .............................................................35 4.3.5 Simulation of OPA.............................................................................35
4.4 CMFB...........................................................................................................36 4.5 Bias Circuit ..................................................................................................37 4.6 Comparator .................................................................................................38
4.6.1 Preamplifier-latch Comparator ..........................................................39 4.6.2 Simulation of OPA.............................................................................40 4.6.3 Clock Circuit......................................................................................41
4.7 Full Adder Circuit.......................................................................................42 4.8 The Whole Circuit........................................................................................43 4.9 Summary......................................................................................................44
Chapter 5 Layout Design .......................................................................45 5.1 Mismatch Issue............................................................................................45
5.1.1 Match of Transistor ............................................................................45 5.1.2 Match of Capacitance ........................................................................46
5.2 Overall Layout ............................................................................................46 5.3 Circuit Layout .............................................................................................46 5.4 Summary......................................................................................................48
Chapter 6 Summary and Prospect ........................................................49 6.1 Summary......................................................................................................49 6.2 Prospect........................................................................................................49
References ................................................................................................51
Paper Published During Postgraduate Time........................................53
Acknowledgement ...................................................................................55
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绪 论
1
第1章 绪 论
1.1 课题的背景和意义
当今社会正逐步迈入全面数字化的时代，在过去的十几年里数字信号处理技
术取得了突飞猛进的发展。数字信号处理技术正逐步取代模拟信号处理技术进入
其以往所占的众多领域，并成为数字化时代信号处理的主流方式。其主要原因是：
与模拟电路相比，数字电路具有噪声灵敏度低、抗干扰能力强、稳定度高、适应
性广、设计及自动测试容易、可编程性更广泛等特点。同时，也由于集成电路工
艺的进步使数字电路的性能得以不断提高。大规模集成电路（VLSI）工艺可使
每新的一代数字电路获得更高的速度，每个芯片实现更多的功能、更低的功耗和
成本。另外，电路结构的改进和计算机辅助设计（CAD）分析与综合工具的进
步也促进了数字集成电路的发展。
虽然数字电路与模拟电路相比具有诸多优点，并在很多领域正在逐步取代模
拟电路，但是我们生存的物理环境却离不开对模拟信号的处理。首先，自然界出
现的信号几乎都是模拟量，如温度、压力、时间、速度、电压、电流、语音、光
通量等；其次，人类感知和保留信息的方式是模拟方式。为了能在数字信号处理
系统中处理所感测的现实信号，那么作为模拟世界与数字世界之间接口的模数转
换器是必不可少的。因此，模数转换器的地位非常重要，也是不可替代的。
A/D 转换器的应用领域很广，如图像处理、语音处理、仪器仪表、工业控
制、通信、雷达等。具体的产品也有很多，如 CD 唱机、便携摄像机、数码相机、
电话、调制解调器、数字声广播收发机等[1-8]。
由于传统的并行 ADC 其并行信号处理的特点，具有很高的转换速度，但是
其电路规模、功耗和面积会随分辨率指数的增大而增大，因此，并行 ADC 仅适
用于高速低分辨率的 A/D 转换。所以设计新型 A/D 转换器来提高 ADC 的性能显
得尤为重要。流水式 ADC 具有高速、高精度和低功耗等特点，在大部分领域如
通讯、视频处理领域中都得到广泛的应用。
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绪 论
2
1.2 国内外研究现状
自从上世纪 70 年代 A/D 转换器开始同时采用双极性工艺和 CMOS 工艺，随
着 CMOS 工艺精度的不断提高，复杂度和成本的不断减小，CMOS 工艺制作的
单片 A/D 转换器已成为主流。由于通讯及数字信号处理的快速发展，对 ADC 的
速度和精度也提出了更高的要求。国外 ADC 分辨率和采样率大多集中在 12-14
位、80-150MHz，系统结构以 Pipeline 结构为主，生产线所采用的工艺以 BICMOS
和 0.13um SI-CMOS 为主，并且特征尺寸在不断降低。
在国内，随着近几年来微电子行业的迅速发展，设计水平己进入超深亚微米
阶段，已具备了 0.35um、0.18um、0.13um 的设计能力。但是，从对国内外研发、
生产动态的调研分析可以看出，总体而言，我国 ADC 研制的设计技术、工艺技
术和封装测试技术等方面与国际先进水平存在一定的差距。而其一些主流的新结
构和新技术，由于受到工艺条件、设计水平的限制，也少有人涉及。有些大学的
实验室曾做过有益的探索工作，但是也仅限于电路的模拟仿真阶段。目前国内应
用的高性能 ADC 主要依靠进口，对民用电子工业的发展和国防现代化相当不利。
除工艺水平限制以外，其设计能力和基础研究是两大主要的制约环节。国内研究
所、高校及设计公司正积极研究新型基本电路单元、新型转换器电路系统结构、
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
ADC 已成为当务之急，这将具有现实、深远的意义。
1.3 本文的目标及内容安排
本文的设计目标是实现一个时钟频率为 40MHZ 的高速、高精度和低功耗的
10 位流水式 A/D 转换器。用 Cadence 0.13um 工艺实现该转换器的电路设计、模
拟仿真以及版图设计。
本文共分为六章，主要架构如下：
第一章为绪论，说明研究的背景和意义。
第二章简单的介绍了模数转换器 ADC 的原理，并介绍了几种不同结构的模
数转换器，讨论了这几种结构的优缺点，说明了选择流水式 A/D 转换器的原因。
第三章介绍了流水式 A/D 转换器的工作原理，以及对采用了 1.5 位/级结构
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绪 论
3
的介绍，论证 1.5 位/级结构的算法。 后介绍了 ADC 的一些性能参数。
第四章为本文的主体部分，从电路上完成整个流水式 ADC 的设计，并对电
路中一些主要结构进行详细的说明以及对这些电路模块进行模拟仿真。
第五章讨论了一些版图设计中的注意事项并给出了主要电路模块以及整体
电路的版图。
第六章为论文的总结和展望。
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模数转换器简介及结构介绍
5
第2章 模数转换器简介及结构介绍
2.1 模数转换器简介
2.1.1 模数转换器的工作原理
A/D 转换器是将在幅度和时间上连续变化的模拟信号转换为在幅度及实践
上均为离散变化的数字信号。模拟信号的数字化通常需要三个步骤，即采样、量
化和编码。如图 2.1，用一个抗混叠滤波器的前置滤波器来避免高频信号在 ADC
的基带中引起混叠。抗混叠滤波器经常通过 ADC 本身的带宽有限特性来实现。
与抗混叠滤波器相接的是一个采样保持电路，这个电路使得输入到 ADC 的模拟
信号在转换为一个等价的输出数字码期间保持不变。这个时间周期称为 ADC 的
转换时间。转换通过量化完成，量化器的本质是将参考信号分割成子域。通常为
2N 个子域，这里 N 是数字输出编码的位数。量化步骤找出对应采样后的模拟输
入的子域。知道了这个子域就允许数字处理器对相应的数字位进行编码。因此，
在转换时间内，一个被采样的模拟输入信号被转换为一个等价的数字输出编码。
通常常用的编码格式包括二进制码、温度计码、格雷码和 2 的补码等，其中二进
制码是 广泛应用的格式[9]。
图 2.1 A/D 转换器的基本框图
2.1.2 A/D 转换器性能提高的主要方向
高速度。由于需要数字化的信源带宽越来越宽，从音频、视频到射频，要求
转换器的工作速度越来越高。
高精度。由于需要数字化的信源的动态范围越来越大，人数对数据处理的质
量要求也越来越高，因此需要转换器的精度不断提高。
易于单片集成。目前，实现低成本、低功耗和高可靠性的单片集成系统即片
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模数转换器简介及结构介绍
6
上系统（SOC）已成为一种趋势。一个完整的电子系统往往是数模混合集成系统，
包括数字电路、模拟电路、模数和数模转换电路[10]。
2.2 几种模数转换器介绍及比较
2.2.1 全并行结构 A/D 转换器
全并行结构 A/D 转换器也称作直接 A/D 转换器或闪速（flash）A/D 转换器，
从概念上讲，它是 简单而且是速度 快的 A/D 转换器[10]。这种 A/D 转换器由
于需要大量比较器，因此功耗、面积等硬件代价较大，输入电容也大。其分辨率
受限于参考电压的精度和比较器的失调电压。对于 CMOS 工艺而言，还需要在
小失调电压与高速转换速度之间作折中考虑。因此，该结构一般多应用于 6 至 8
位精度的场合。全并行 A/D 转换器是高速 A/D 转换器中 经典的基本形式，其
他结构的高速 A/D 转换器大都是在此基础上发展而来的。
图 2.2 全并行结构 A/D 转换器
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