1、華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心數(shù)模混合信號(hào)集成電路設(shè)計(jì)數(shù)模混合信號(hào)集成電路設(shè)計(jì)第二講第二講 ADC華僑大學(xué)電子與信息工程學(xué)院電子工程系楊驍 凌朝東華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心Analog-To-Digitaln自然一切的界物理量如聲音、光、 溫度等都是以模擬信號(hào)的方式存在n隨著現(xiàn)代集成電路器件尺寸不斷減小，速度不斷加快，集成度不斷提高，廉價(jià)、高速的數(shù)字集成電路大量出現(xiàn),這些數(shù)字集成電路可以完成相當(dāng)復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處置義務(wù) n 數(shù)字信號(hào)處置技術(shù)具有更多的優(yōu)勢(shì)：便于傳輸、計(jì)算、存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn).普通都采用把復(fù)雜的信號(hào)處置義務(wù)放在數(shù)字域來(lái)完成，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度、本錢(qián)和功耗。 A/

2、DA/D和和D/AD/A是銜接模擬和數(shù)字的橋梁是銜接模擬和數(shù)字的橋梁 華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心ADC/DAC華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心常見(jiàn)的ADC全并行Flash ADC逐次逼近(Successive Approximation) ADC流水線(xiàn) (Pipelined) ADCSigma Delta ADC折疊 (Folding) ADC兩步型 (Two-Step Flash) ADC 內(nèi)插型(Interpolating) ADC 算法(Algorithmic ) ADC華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心常見(jiàn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)造n 精度與速度的折衷華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中存在兩種信號(hào)：在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中存在兩種信

3、號(hào)： 模擬信號(hào)模擬信號(hào) 數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào) 信號(hào)信號(hào)種類(lèi)種類(lèi)被采集物理量的電信號(hào)。被采集物理量的電信號(hào)。計(jì)算機(jī)運(yùn)算、處置的信息。計(jì)算機(jī)運(yùn)算、處置的信息。華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心ADC包括兩個(gè)過(guò)程：1、采樣時(shí)間離散化2、量化幅度離散化華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心采樣過(guò)程時(shí)間離散化n采樣過(guò)程即把延續(xù)時(shí)間離散化，這一過(guò)程必需滿(mǎn)足奈奎斯特采樣定理，即采樣頻率必需大于2倍的奈奎斯特頻率，也就是采樣頻率大于奈奎斯特率。假設(shè)不滿(mǎn)足采樣定理，采樣過(guò)程就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)頻譜的混疊。為了防止信號(hào)頻譜的混疊，信號(hào)在采樣前必需經(jīng)過(guò)一個(gè)抗混疊濾波器，把信號(hào)變?yōu)橐粋€(gè)帶限信號(hào)。這個(gè)過(guò)程可逆。適用的方法是參與堅(jiān)持器。常用的為零階堅(jiān)持器。華僑大學(xué)

4、IC設(shè)計(jì)中心量化幅度離散化n量化過(guò)程就是把模擬信號(hào)的延續(xù)幅值離散化，用有限的數(shù)字去表示模擬信號(hào)幅值的大小。量化過(guò)程是不可逆的，經(jīng)過(guò)量化得到的數(shù)字信號(hào)不能夠不失真地恢復(fù)到原來(lái)信號(hào)，它必定要引入量化誤差或量化噪聲。 華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心沖激串抽樣)(tft0)(tfst0STST2STST3t)(tST0)1(STST2STST2)(jF0mm)(jFS0mmSSST1)(ss0SSS)(jFS0mSST12Sm2Sm)()(1)()(21)()()()(SSSjFTjFjFttftfsssTs華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心信號(hào)重建華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心量化n量化過(guò)程把模擬信號(hào)的延續(xù)幅值離散化，用有限的數(shù)字去

5、表示模擬信號(hào)幅值的大小。量化過(guò)程是不可逆的，經(jīng)過(guò)量化得到的數(shù)字信號(hào)不能夠不失真地恢復(fù)原信號(hào)，它必定要引入量化誤差或量化噪聲。根據(jù)量化過(guò)程中量化器的輸入與輸出的關(guān)系，可分為均勻量化和非均勻量化，大多數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用均勻量化器。華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心ADC一些根本概念2fsNV _1210(,.,)outbNNDbbb b表示可以分辨的最小輸入模擬量 表示相鄰的數(shù)字輸出量之間的間隔，量化臺(tái)階 12()log( )MB 理想ADC位數(shù)與量化臺(tái)階數(shù)M的關(guān)系：3bit 那么有7個(gè)量化臺(tái)階數(shù)量化器的量化誤差在0 /2之間變化 華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心量化噪聲假設(shè)量化誤差為加性白噪聲后，可以得到其統(tǒng)計(jì)參數(shù)：均值m

6、及方差2。均值m表示了量化噪聲的直流分量，方差2那么表示了除去直流分量后，量化噪聲的平均功率。華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心n假設(shè)量化噪聲為白噪聲，那么其概率密度函數(shù)如圖 所示，其代數(shù)表達(dá)式為：量化噪聲概率密度函數(shù) 1 2( )0 ep e其它華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心理想ADC的SNRn假設(shè)輸入信號(hào)為峰峰幅值等于2A幅值為A的正弦信號(hào)，要使量化器不發(fā)生過(guò)載，那么A的最大值為VFS/2，輸入信號(hào)的平均功率為： 122(2)22BsignalAPn那么量化器實(shí)際上能得到的最大信號(hào)噪聲比為 2fsNV 222/23 210lg10lg(6.021.76)2/12BmaxASNRBdB量化器每添加一位，其SNR添加

7、大約6dB。 華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心理想ADC的特性n精度：n 1LSB=D=VFS/2Nn模擬輸入范圍：n -0.5D(2N-0.5)Dn對(duì)于3位ADC：n-0.5D7.5D華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心量化誤差的定義n量化誤差：模擬輸入與數(shù)字輸出經(jīng)過(guò)理想DAC之后的差值，n也稱(chēng)為余量電壓或量化噪聲華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心量化誤差曲線(xiàn)n斜坡信號(hào)輸入也稱(chēng)為余量曲線(xiàn)華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心n正弦信號(hào)輸入華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心ADC的動(dòng)態(tài)范圍n假定電路噪聲1 DNL的重要性質(zhì)：DNL0K 華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心存在失碼和非單調(diào)性時(shí)的DNL 存在失碼時(shí)，DNL為最小值-1DNL不能夠小于-1 轉(zhuǎn)換特性存在非單調(diào)性時(shí)：|DN

8、L|1 DNL的重要性質(zhì)：DNL0K 華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心靜態(tài)性能目的n積分非線(xiàn)性(Integral Nonlinearity, INL) :ADC的實(shí)踐轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)與理想轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)之間的偏向。積分非線(xiàn)性表示了ADC器件在一切的數(shù)值點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的模擬值和真實(shí)值之間誤差最大的那一點(diǎn)的誤差值，也就是輸出數(shù)值偏離線(xiàn)性最大的間隔。 LSB 。INL是DNL誤差的數(shù)學(xué)積分。1( )( )kiINL kDNL i華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心ADC的積分非線(xiàn)性(INL)nINL定義：n 實(shí)踐碼轉(zhuǎn)機(jī)點(diǎn)電壓與理想轉(zhuǎn)機(jī)點(diǎn)電壓之差n方法：n銜接兩個(gè)端點(diǎn)去除失調(diào)、滿(mǎn)幅度和增益誤差，n得出理想的轉(zhuǎn)換特性n測(cè)INL華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心求I

9、NL的方法方法1：用上述方法直接丈量求解，碼m的INL為方法2：根據(jù)DNL計(jì)算INL可以證明：INL是DNL的累加和華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心求解INL的例子華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心靜態(tài)性能目的n總之，非線(xiàn)性微分和積分是指代碼轉(zhuǎn)換與理想形狀之間的差別。非線(xiàn)性微分(DNL)主要是代碼步距與實(shí)際步距之差，而非線(xiàn)性積分 (INL)那么關(guān)注一切代碼非線(xiàn)性誤差的累計(jì)效應(yīng)。對(duì)一個(gè)ADC來(lái)說(shuō)，一段范圍的輸入電壓產(chǎn)生一個(gè)給定輸出代碼，非線(xiàn)性微分誤差為正時(shí)輸入電壓范圍比理想的大，非線(xiàn)性微分誤差為負(fù)時(shí)輸入電壓范圍比理想的要小。從整個(gè)輸出代碼來(lái)看，每個(gè)輸入電壓代碼步距差別累積起來(lái)以后和理想值相比會(huì)產(chǎn)生一個(gè)

10、總差別，這個(gè)差別就是非線(xiàn)性積分誤差。 華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心ADC動(dòng)態(tài)性能目的n靜態(tài)特性INL和DNL不能反映ADC抑制噪聲的特性以及信號(hào)頻率對(duì)性能的影響n(yōu)信噪比(Signal-to-Noise-Ratio, SNR)：信號(hào)功率與指定信號(hào)帶寬內(nèi)除去諧波之后的一切噪聲功率之比，普通用 dB來(lái)表示。SNR與輸入信號(hào)的幅度和頻率有關(guān)，并隨著輸入信號(hào)幅值減小而減小。n信號(hào)噪聲諧波失真比(Signal-to-Noise-Plus-Distortion Ratio，SNDR)：信號(hào)功率與指定信號(hào)帶寬內(nèi)一切噪聲功率(包括諧波分量)之比。它丈量的是輸出信號(hào)一切傳送函數(shù)非線(xiàn)性加上系統(tǒng)一切噪聲(量化、抖動(dòng)和假頻)的

11、累積效果。與SNR相比，SNDR隱含地表示了電路的非線(xiàn)性失真問(wèn)題。理想的ADC的SNR與SNDR相等，等于SNR=SNDR=6.02B+1.76dB。系統(tǒng)內(nèi)部噪聲會(huì)SNR小于實(shí)際值，能夠呵斥誤差的緣由包括：器件量化誤差、器件內(nèi)部噪聲和非線(xiàn)性噪聲。n 華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心ADC動(dòng)態(tài)性能目的n動(dòng)態(tài)性能目的n無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(Spurius-Free Dynamic Rage，SFDR)：信號(hào)功率與指定信號(hào)帶寬內(nèi)最大噪聲功率之比，普通最大噪聲為諧波信號(hào)，所以有時(shí)也定義為信號(hào)功率與指定信號(hào)帶寬內(nèi)最大諧波功率之比。雜波通常產(chǎn)生于各諧波中(雖然并不總是這樣)，它表示器件輸入和輸出之間的非線(xiàn)性。在頻域中，SF

12、DR是衡量線(xiàn)性特性的有效方法。 華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心ADC動(dòng)態(tài)性能目的n動(dòng)態(tài)性能目的n總諧波失真(Total Harmonic Distortion，THD)：信號(hào)功率與一切諧波分量功率和之比，在實(shí)踐計(jì)算時(shí)，只計(jì)算前幾次的諧波分量(普通為前6次諧波)，而忽略高次諧波分量。華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心ADC動(dòng)態(tài)性能目的n動(dòng)態(tài)性能目的n有效位數(shù)(Effective Number of Bits, ENOB)：有效位數(shù)ENOB是在ADC器件信噪比根底上計(jì)算出來(lái)的，它將傳輸信號(hào)質(zhì)量轉(zhuǎn)換為等效比特分辨率。經(jīng)過(guò)運(yùn)用快速傅立葉變換FFT算法來(lái)計(jì)算離散傅立葉變換DFT，制造商可以丈量ADC模塊的SNDR，并用其來(lái)計(jì)算

13、有效位數(shù)ENOB:SNDR(dB)-1.76dBENOB6.02dB華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心ADC動(dòng)態(tài)性能目的華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心ADC動(dòng)態(tài)性能目的nDatasheet中所指的16 bit是 ADC輸出的位數(shù)(而不是ADC的有效位數(shù)ENOB),普通而言，它指無(wú)丟碼No Missing Codes)精度。n無(wú)丟碼：當(dāng)輸入信號(hào)電壓ADC滿(mǎn)刻度輸入范圍內(nèi)掃描即從最小值到最大值逐漸變化，一切能夠的數(shù)字碼都將在ADC的輸出出現(xiàn)。DNL1,LSB 無(wú)丟碼(No Missing Co就能保證des)華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心ADC動(dòng)態(tài)性能目的n動(dòng)態(tài)性能目的n優(yōu)良指數(shù)(Figure of Merit，F(xiàn)oM)：衡量不同

14、帶寬和精度ADC在功耗方面的性能，功率效率 。22totENBPFOMBWADCENBADCBWADCtot其中P 為消耗的功耗，為的有效位數(shù)，為的帶寬華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心動(dòng)態(tài)目的n動(dòng)態(tài)特性：SNR、SNDR、SFDRn測(cè)試方法：輸入一個(gè)理想正弦波，對(duì)ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)展DFT分析，得出動(dòng)態(tài)特性華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心DFT分析nDFT：輸入為N個(gè)等時(shí)間間隔的轉(zhuǎn)換結(jié)果間隔為1/fsn輸出為0fs之間的N條等間距的頻率譜線(xiàn)，間距為fs/N，且關(guān)于fs/2對(duì)稱(chēng)n假設(shè)N=2k，可以用FFT快速算法計(jì)算DFTn理想正弦信號(hào)的DFT為單線(xiàn)譜：只需正弦頻率處有輸出，其他譜線(xiàn)為0華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心時(shí)域取值為整

15、數(shù)周期的影響頻譜走漏整周期，輸出為單根直線(xiàn)整周期，輸出為單根直線(xiàn)非整周期，輸出頻譜走漏非整周期，輸出頻譜走漏不是不是ADC性能的反映，必需杜絕性能的反映，必需杜絕理想正弦輸入理想正弦輸入華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心頻譜走漏的緣由nDFT計(jì)算：有限長(zhǎng)序列周期沿拓實(shí)現(xiàn)無(wú)現(xiàn)場(chǎng)序列，假設(shè)非整周期呵斥信號(hào)失真華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心頻譜走漏的處理方法n方法1：n相關(guān)采樣，使輸入信號(hào)頻率與采樣頻率關(guān)聯(lián)，嚴(yán)厲保證整周期nfs采樣頻率；nfin-輸入信號(hào)頻率nN-FFT分析的點(diǎn)數(shù)4096、8192、nM-fin的周期數(shù)n例：fs=40M，N=1024，M=89, fin= 3.4765625MHzn常用在仿真中，可以準(zhǔn)確

16、地設(shè)置輸入信號(hào)頻率n實(shí)踐測(cè)試時(shí)，遭到信號(hào)源頻率精度的限制,難以保證整周期MinsffN華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心頻譜走漏的處理方法n方法2：對(duì)時(shí)域序列加窗處置Hanning 或Nuttalln測(cè)試常用方法，點(diǎn)數(shù)越多越準(zhǔn)確華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心根據(jù)DFT結(jié)果計(jì)算動(dòng)態(tài)性能nSNR信號(hào)信號(hào)噪聲噪聲華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心實(shí)踐ADC的頻譜n信號(hào)n直流分量n諧波失真n噪聲華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心ENOB通常比N小1.4左右nSNRnPnoise: DFT結(jié)果中除信號(hào)分量、DC分量和各次諧波分量之外的一切分量功率之和nSNDRnSFDR無(wú)失真動(dòng)態(tài)范圍nENOB有效精度1010logsignoisePSNRP1010log

17、signoisedistortionPSNDRPP1010logmax()sigharmonicPSFDRP華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心主要內(nèi)容nADC的概述nADC性能目的分析與測(cè)試方法nCMOS采樣電路n開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻引入的非理想性n開(kāi)關(guān)的時(shí)鐘饋通和電荷注入n采樣堅(jiān)持器構(gòu)造nCMOS ADC的構(gòu)造華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心主要內(nèi)容nADC的概述nADC性能目的分析與測(cè)試方法nCMOS采樣電路n開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻引入的非理想性n開(kāi)關(guān)的時(shí)鐘饋通和電荷注入n采樣堅(jiān)持器構(gòu)造nCMOS ADC的構(gòu)造華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心理想采樣堅(jiān)持電路華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心實(shí)踐采樣堅(jiān)持電路的問(wèn)題n開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻引入的非理想性n導(dǎo)通電阻引入

18、噪聲n導(dǎo)通電阻限制了帶寬，限制轉(zhuǎn)換速度n導(dǎo)通電阻是輸入信號(hào)的函數(shù)，存在非線(xiàn)性，呵斥SFDR降低n開(kāi)關(guān)的電荷注入和時(shí)鐘饋通華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心問(wèn)題1：kT/C噪聲n導(dǎo)通電阻與電容C構(gòu)成低通濾波器，產(chǎn)生的輸出噪聲功率為kT/C與電阻大小無(wú)關(guān)，在高精度ADC中有較大影響n(yōu)要求：kT/C量化噪聲功率n由此，可根據(jù)轉(zhuǎn)換精度確定采樣電容的大小華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心 采樣電容與轉(zhuǎn)換精度的關(guān)系n電容面積限制了乃奎斯特率ADC精度的提高n過(guò)采樣ADC可以降低對(duì)電容面積的要求華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心問(wèn)題2：導(dǎo)通電阻對(duì)速度的影響華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心導(dǎo)通電阻確定速度、精度和電容都要求低導(dǎo)通電阻華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通

19、電阻線(xiàn)性區(qū)任務(wù)電阻不為常數(shù)：信號(hào)越大，導(dǎo)通電阻越大引入非線(xiàn)性華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心添加采樣時(shí)間可降低電阻引入的非線(xiàn)性 HD2=-69.5dBFSHD3=-76.3華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心電源電壓對(duì)非線(xiàn)性的影響n(yōu)電源電壓添加對(duì)三次諧波改善更明顯華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心ADC的SFDR優(yōu)化措施nSFDR對(duì)采樣的非線(xiàn)性很敏感n處理措施：n增大開(kāi)關(guān)尺寸，降低電阻n添加了開(kāi)關(guān)的電荷注入n添加了漏源的非線(xiàn)性結(jié)電容，引入其他非線(xiàn)性n增大VDD/VFSn降低了動(dòng)態(tài)范圍n互補(bǔ)開(kāi)關(guān)n使VGS恒定并最大化華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心措施1：互補(bǔ)CMOS開(kāi)關(guān)互補(bǔ)開(kāi)關(guān)在電源電壓較高時(shí)，能顯著改善開(kāi)關(guān)性能低電源電壓使任務(wù)范圍減小華僑大學(xué)I

20、C設(shè)計(jì)中心措施2：Boot開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)恒定VGS采樣n根本思想開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，柵電壓VG為VDD+Vin使VGS一直等于VDD降低了導(dǎo)通電阻，并去除了非線(xiàn)性華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心適用的Boost開(kāi)關(guān)電路VDD倍增電路華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心VDD倍增華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心C1、C2下極板的電壓0VDD變化上極板電壓VDD2VDD變化華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心恒定VGS的實(shí)現(xiàn)華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心主要內(nèi)容nADC的概述nADC性能目的分析與測(cè)試方法nCMOS采樣電路n開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻引入的非理想性n開(kāi)關(guān)的時(shí)鐘饋通和電荷注入n采樣堅(jiān)持器構(gòu)造nCMOS ADC的系統(tǒng)構(gòu)造華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心時(shí)鐘饋通和電荷注

21、入n時(shí)鐘信號(hào)由高到低變化時(shí)輸出產(chǎn)生失調(diào)電壓n時(shí)鐘饋通n電荷注入華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心時(shí)鐘饋通和電荷注入分析1Case1：時(shí)鐘下降速度慢的情況：開(kāi)關(guān)關(guān)斷之前溝道依然存在，溝道電荷可以泄放到端，不存在電荷注入只受時(shí)鐘饋通影響華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心包含CDB，大小隨Vin變化，引入非線(xiàn)性華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心時(shí)鐘饋通和電荷注入分析2Case2：時(shí)鐘下降速度很快的情況：沒(méi)有溝道，電荷無(wú)法泄放，均勻地注入到端和D端失調(diào)電壓同時(shí)遭到時(shí)鐘饋通和電荷注入的華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心在任務(wù)速度范圍內(nèi)，盡量使時(shí)鐘下降的慢些，可以減輕電荷注入的影響，但時(shí)鐘饋通依然存在華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心開(kāi)關(guān)的時(shí)鐘速度對(duì)失調(diào)的影響華僑大學(xué)IC設(shè)

22、計(jì)中心時(shí)鐘饋通和電荷注入的處理措施n措施1：互補(bǔ)CMOS開(kāi)關(guān)n假設(shè)NMOS和PMOS的尺寸一樣，可以起到較好的改善作用nN管和P管遷移率不同，引起導(dǎo)通電阻的非線(xiàn)性華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心措施2：添加dummy管選擇L1=L2，W1=2W2，可以顯著抵消電荷注入問(wèn)題：1. 要保證時(shí)鐘的上升和下降匹配； 2. 開(kāi)關(guān)兩端阻抗匹配使Q1平分到兩端； 3. dummy管添加了寄生電容，降低了帶寬華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心措施3：差動(dòng)采樣失調(diào)誤差可抵消不能消除非線(xiàn)性誤差與信號(hào)有關(guān)的誤差華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心措施4：下極板采樣M2比M1提早一點(diǎn)時(shí)間關(guān)斷，使Cs的下極板沒(méi)有到地的通路當(dāng)M1關(guān)斷時(shí)，M1的電荷無(wú)法注入到Cs

23、上M2的VGS是固定值，關(guān)斷時(shí)引起的誤差可以差動(dòng)采樣消除華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心主要內(nèi)容nADC的概述nADC性能目的分析與測(cè)試方法nCMOS采樣電路n開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻引入的非理想性n開(kāi)關(guān)的時(shí)鐘饋通和電荷注入n采樣堅(jiān)持器構(gòu)造nCMOS ADC的系統(tǒng)構(gòu)造華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心基于下極板采樣的翻轉(zhuǎn)式采樣堅(jiān)持器f1和f2為不交疊時(shí)鐘，即不能同時(shí)使開(kāi)關(guān)導(dǎo)通f1比f(wàn)1d略微提早關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)下極板采樣華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心跟蹤相華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心 堅(jiān)持相華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心處在信號(hào)通路上，采用boosted的恒定VGS開(kāi)關(guān)，減小導(dǎo)通電阻，添加線(xiàn)性度。其他開(kāi)關(guān)可采樣CMOS開(kāi)關(guān)華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心適用的差動(dòng)方式的翻轉(zhuǎn)

24、式采樣堅(jiān)持器閉環(huán)增益等于1反響系數(shù)等于1，必需保證運(yùn)放的穩(wěn)定性和速度單級(jí)的增益提高性運(yùn)放為首選構(gòu)造華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心下極板采樣的電荷再分布式SHAn f1相：X節(jié)點(diǎn)的電荷：n f2相：X節(jié)點(diǎn)的電荷n電荷守恒：失調(diào)項(xiàng)由差動(dòng)采樣消除華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心差動(dòng)電荷再分布的輸入輸出可實(shí)現(xiàn)可編程增益華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心利用電荷再分布式構(gòu)造實(shí)現(xiàn)運(yùn)算n電荷再分布式構(gòu)造跟蹤相：S1和S3導(dǎo)通，S2關(guān)斷堅(jiān)持相：S2導(dǎo)通，S1和S3關(guān)斷可實(shí)現(xiàn)大于1的放大倍數(shù)12()oiosCVVVC華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心時(shí)鐘生成電路n產(chǎn)生雙相不交疊時(shí)鐘及下極板采樣時(shí)鐘華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心Flash ADC。21

25、21NN個(gè)比較器個(gè)串聯(lián)電阻123、速度快，一次比較完成， 速度僅所比較器的限制、面積大，功耗大。3、輸入電容大。、精度有限。電阻匹配特 性限制、非線(xiàn)性輸入電容、 比較器的失調(diào)，8bit4、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需采樣保持電路RRR2R2華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心Flash ADC n量化器中比較器的輸出信號(hào)為溫度碼，所以需求譯碼電路來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度碼到二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)溫度碼到二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換的譯碼電路有多種類(lèi)型，如ROM譯碼器，Wallace Tree譯碼器，F(xiàn)AT Tree 譯碼器，多路開(kāi)關(guān)(multiplexer)譯碼器。 溫度碼(y4y1)One-Out-of-N碼(a5a1)二進(jìn)制碼(d3d1)0000

26、00001000000100010001001100100010011101000011111110000100華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心Flash ADC n溫度碼到二進(jìn)制碼電路30201101bbbb1 ofn 溫度碼碼1n選 電路華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心溫度碼到二進(jìn)制碼電路n氣泡問(wèn)題Flash ADC中一般不用采樣保持電路，如果輸入信號(hào)變化比較快而各個(gè)比較器進(jìn)行比較的時(shí)間又不一致時(shí)，就可能導(dǎo)致比較器輸出發(fā)生錯(cuò)誤華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心溫度碼到二進(jìn)制碼電路n氣泡問(wèn)題氣泡3031212111110101bbbbbbbbFs0.52相差滿(mǎn)刻度華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心溫度碼到二進(jìn)制碼電路n氣泡問(wèn)題1n采用三輸入與

27、門(mén)來(lái)產(chǎn)生 選 編碼，可以抑制溫度碼中只有一個(gè)氣泡碼的誤差當(dāng)檢測(cè)多個(gè)氣泡碼，則需要復(fù)雜的抑制電路華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心溫度碼到二進(jìn)制碼電路n比較器亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題當(dāng)比較器兩個(gè)輸入端信號(hào)差別較小時(shí)，則需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間才能產(chǎn)生穩(wěn)定的邏輯，這種情況稱(chēng)為比較器的亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題。華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心溫度碼到二進(jìn)制碼電路nGray編碼華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心溫度碼到二進(jìn)制碼電路n格雷碼的運(yùn)用，不但可以抑制亞穩(wěn)態(tài)帶來(lái)的問(wèn)題，還可以減小氣泡的影響，當(dāng)氣泡的數(shù)量添加時(shí)，格雷碼的輸入依然與無(wú)氣泡時(shí)溫度碼對(duì)應(yīng)的格雷值，從而可得到合理近氣泡華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心主要內(nèi)容nADC的概述nADC性能目的分析與測(cè)試方法nCMOS采樣電路nCM

28、OS比較器nCMOS ADC的構(gòu)造華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心理想比較器n比較兩個(gè)模擬電壓的瞬時(shí)值，輸出數(shù)字“0或“1n延續(xù)時(shí)間或分立時(shí)間n性能：n精度：增益和失調(diào)n速度：小信號(hào)帶寬、建立時(shí)間、過(guò)載恢復(fù)時(shí)間n功耗n輸入電容n回踢華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心增益要求華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心實(shí)現(xiàn)高增益的方法n特殊的“放大n不要求線(xiàn)性n不要求延續(xù)時(shí)間，在給定的某個(gè)時(shí)辰放大n能夠的實(shí)現(xiàn)方法：n單級(jí)放大：開(kāi)環(huán)OTAn多級(jí)放大：多級(jí)電阻負(fù)載差動(dòng)對(duì)級(jí)聯(lián)n帶正反響的鎖存器華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心假設(shè)用OTA作比較器最高頻率：400KHz華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心多級(jí)級(jí)聯(lián)n影響速度的要素：?jiǎn)渭?jí)增益和級(jí)數(shù)華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心正反響鎖存器華僑大

29、學(xué)IC設(shè)計(jì)中心鎖存器的等效增益華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心實(shí)踐比較器的構(gòu)造n在鎖存器之前采樣預(yù)放大的緣由n失調(diào)：鎖存器的失調(diào)為10100mVn共模抑制n減小回踢n消除亞穩(wěn)態(tài)華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心預(yù)放大器對(duì)失調(diào)的抑制華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心失調(diào)消除技術(shù)華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心nOutput Series Cancellation華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心nInput Series Cancellation華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心比較器實(shí)例1n失調(diào)消除階段華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心實(shí)例2華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心實(shí)例(3)華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心實(shí)例(4)n動(dòng)態(tài)比較器華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心主要內(nèi)容nADC的概述nADC性能目的分析與測(cè)試方法n

30、CMOS采樣電路nCMOS ADC的構(gòu)造n串行ADCn逐次逼近ADCnFLSAH ADCn插值、折疊、折疊插值n流水線(xiàn)ADC華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心各種ADC構(gòu)造的速度和精度華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心低速串行A/D轉(zhuǎn)換器單斜率原理：斜坡電壓為0時(shí)，開(kāi)場(chǎng)計(jì)數(shù)；等于Vin時(shí)，停頓計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的輸出結(jié)果正比于Vin優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、低功耗；INL只取決于諧波電壓的線(xiàn)性度，與其它器件無(wú)關(guān)；缺陷：速度很低；高精度時(shí)，產(chǎn)生斜坡電壓難度大華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心雙斜率雙斜率A/D轉(zhuǎn)換器方塊圖轉(zhuǎn)換器方塊圖 原理：積分器先對(duì)Vin積分充電，再以Vref進(jìn)展放電，直到積分器輸出等于Vth。計(jì)數(shù)器的輸出結(jié)果正比于Vin/Vref優(yōu)點(diǎn)：

31、無(wú)需斜坡發(fā)生器、簡(jiǎn)單缺陷：速度很低；運(yùn)用：絕大多數(shù)的數(shù)字萬(wàn)用表采用這種ADC華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心雙斜率雙斜率A/D轉(zhuǎn)換器的任務(wù)波形轉(zhuǎn)換器的任務(wù)波形 *INrefVOUTREF VNN華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心主要內(nèi)容nADC的概述nADC性能目的分析與測(cè)試方法nCMOS采樣電路nCMOS ADC的構(gòu)造n串行ADCn逐次逼近構(gòu)造nFLSAH ADCn插值、折疊、折疊插值n流水線(xiàn)ADC華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心逐次逼近SAR構(gòu)造也稱(chēng)為算法型也稱(chēng)為算法型ADCADC華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心n算法原理華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心逐次逼近過(guò)程二分搜索原理DAC輸出輸出精度高，可到達(dá)16位；對(duì)于N位ADC，轉(zhuǎn)換一個(gè)結(jié)果需求N個(gè)時(shí)

32、鐘周期；精度與速度的折衷，通常在MHz級(jí)別華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心SAR實(shí)例華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心主要內(nèi)容nADC的概述nADC性能目的分析與測(cè)試方法nCMOS采樣電路nCMOS ADC的構(gòu)造n串行ADCn逐次逼近構(gòu)造nFLSAH ADCn折疊插值n流水線(xiàn)ADC華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心FLASH構(gòu)造：高速ADC并行構(gòu)造，高速轉(zhuǎn)換，可達(dá)GHz構(gòu)造復(fù)雜，共需求2N-1個(gè)比較器輸入寄生電容大， 2N-1 個(gè)比較器的輸入電容華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心FLASH ADC的誤差源華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心氣泡的影響n(yōu)常見(jiàn)的溫度碼譯碼電路華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心n防氣泡的譯

33、碼器華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心降低FLASH構(gòu)造的復(fù)雜度nFLASH構(gòu)造的優(yōu)勢(shì)是高速n但精度難以超越8位n功耗和面積限制n降低FLASH構(gòu)造復(fù)雜度的方法n插值法n折疊法n折疊差值法n流水線(xiàn)構(gòu)造華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心主要內(nèi)容nADC的概述nADC性能目的分析與測(cè)試方法nCMOS采樣電路nCMOS ADC的構(gòu)造n串行ADCn逐次逼近構(gòu)造nFLSAH ADCn插值、折疊、折疊插值n流水線(xiàn)ADC華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心用插值法減少比較器中的預(yù)放大器內(nèi)插添加了判別電平，減小了Cin。放大器的傳輸曲線(xiàn)和增益值不重要，重要的是：交點(diǎn)位置要準(zhǔn)確-+-+把閃速ADC的比較器分成預(yù)放大器和鎖存器兩部分。預(yù)放大器的傳輸曲線(xiàn)：閾

34、值附近為線(xiàn)性；其他非線(xiàn)性；遠(yuǎn)離閾值的兩端飽和+-+ -華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心預(yù)放大器+鎖存器的比較器華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心2插值華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心插值的其它實(shí)現(xiàn)方式21121 122interinter1212= =R VRVCVC VVVRRCC華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心4-Interpolating ADC華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心NoImage總的電壓傳輸曲線(xiàn)16個(gè)溫度計(jì)碼通常采用格雷碼插值可以減少放大器的數(shù)量，不能減少鎖存器的的數(shù)量！華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心折疊減少比較器的數(shù)量折疊率折疊率F：每個(gè)折疊模塊輸出電壓躍變的次數(shù)小區(qū)域數(shù)：每個(gè)折疊模塊輸出電壓躍變的次數(shù)小區(qū)域數(shù)華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心折疊ADC華僑

35、大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心6-bit折疊ADC華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心折疊器實(shí)現(xiàn)華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心折疊器的輸入輸出特性華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心失真問(wèn)題華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心添加折疊數(shù)減小失真華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心多折疊的波形華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心8位折疊ADCMSB：3位，LSB：5位；直接flash：255比較器；折疊后：40個(gè)比較器華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心折疊插值 ADC折疊可減少比較器數(shù)量，不能減小輸入電容；內(nèi)插相反、互補(bǔ)。華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心主要內(nèi)容nADC的概述nADC性能目的分析與測(cè)試方法nCMOS采樣電路nCMOS ADC的構(gòu)造n串行ADCn逐次逼近構(gòu)造nFLSAH ADCn插值、折疊

36、、折疊插值n兩步ADC、流水線(xiàn)ADC華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心兩步ADC單用一級(jí)時(shí)，量化誤差較大，余量電壓為單用一級(jí)時(shí)，量化誤差較大，余量電壓為eq1用第二個(gè)用第二個(gè)ADC來(lái)對(duì)余量電壓量化來(lái)對(duì)余量電壓量化華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心第二級(jí)第二級(jí)ADC的量化誤差為的量化誤差為eq2華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心兩步ADC的實(shí)現(xiàn)存在問(wèn)題存在問(wèn)題1：Fine ADC精度要求很高為精度要求很高為ADC總精度總精度LSB/2存在問(wèn)題存在問(wèn)題2：速度問(wèn)題，每添加一級(jí)需求添加一個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)完成轉(zhuǎn)換速度問(wèn)題，每添加一級(jí)需求添加一個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)完成轉(zhuǎn)換華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心處理措施1：級(jí)間放大添加級(jí)間增益級(jí)，添加級(jí)間增益級(jí)，A=2B1兩級(jí)兩級(jí)ADC可以采用同樣的電路可以采用同樣的電路華僑大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心處理措施2：第二級(jí)添加采樣堅(jiān)持兩級(jí)同時(shí)任務(wù)：兩級(jí)同時(shí)任務(wù)：第一級(jí)對(duì)第第一級(jí)對(duì)第n次采樣進(jìn)展轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生余量電壓次采樣進(jìn)展轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生余量電壓同時(shí)，第同時(shí)，第2級(jí)對(duì)級(jí)對(duì)n