第一章引言 第一章引言 1.1概述 近些年来，随着计算机和微电子技术的高速发展，使系统级芯片成为当前 CMOS技术的一个发展潮流，明显的特征就是数字信号处理(DSP)技术己经广泛 地应用于军事、民用领域的各个方面。数字技术也借此机会得到了飞速发展，各 技术领域的数字化程度不断加深。数字电路可以完成越来越多的功能，并且可以 替代已有的许多模拟电路实现的系统。如美国已经宣布在2006年9月全面停播模 拟电视，全部采用高清晰数字电视。 虽然目前在信号传输和信号处理领域，大都采用数字系统进行信号处理。但 是，我们生活的自然界却是一个连续的模拟环境，来自于自然界的信号，如语音 信号、传感器信号等大多是模拟量，我们感知外界的方式也是模拟，并不能用数 字信号0和1的简单积累来等同。而且处理后的数字信号往往还要再转换为模拟信 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 在转换接口。 模数转换器(ADC)就是将模拟信号转换为数字信号的接口电路，它的功能是 把外界的模拟输入量转换为按照一定规则与之对应的数字编码。它是连接模拟信 号和数字处理电路的桥梁，只有通过它，才能对外界模拟信号进行采集和处理。 因此，模数转换器的发展就成为了系统级芯片发展的瓶颈。随着高速信号处理应 用的需求不断增加，模数转换器也必须向着高速度、高精度方向发展，以此满足 高分辨率图像、无线通信等领域的要求。 1.2高速高精度模数转换器的应用 随着无线网络技术、数字信号处理技术、计算机技术和高速数据采集技术的 不断发展，高速高精度的模数转换器被广泛应用于数字通信、自动控制等领域。 像HDTV(高清晰数字电视)、数字摄像机、医疗成像设备以及便携式的数据通信 系统等，都对模数转换器的性能提出了更高的要求。数字无线电接收器是目前比 较典型的应用，它的出现对模数转换器的发展更是一个直接的推动力。数字无线 电概念和结构的提出，一直都被称为无线通信的革命，它使数字通信系统越来越 多的功能可以通过软件来定义和数字处理，提高了系统的灵活性和适应性。 多年来模数转换技术一日千里，令接收器可以更大量采用数字集成电路。 图1.1就是数字无线电接收器基本结构图。接收器的数字电路越靠近天线，便越 1
第一章 引言 第一章 引言 1.1 概述 近些年来，随着计算机和微电子技术的高速发展，使系统级芯片成为当前 CMOS 技术的一个发展潮流，明显的特征就是数字信号处理〔DSP)技术己经广泛 地应用于军事、民用领域的各个方面。数字技术也借此机会得到了飞速发展，各 技术领域的数字化程度不断加深。数字电路可以完成越来越多的功能，并且可以 替代已有的许多模拟电路实现的系统。如美国已经宣布在2006年9月全面停播模 拟电视，全部采用高清晰数字电视。 虽然目前在信号传输和信号处理领域，大都采用数字系统进行信号处理。但 是，我们生活的自然界却是一个连续的模拟环境，来自于自然界的信号，如语音 信号、传感器信号等大多是模拟量，我们感知外界的方式也是模拟，并不能用数 字信号0和1的简单积累来等同。而且处理后的数字信号往往还要再转换为模拟信 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 在转换接口。 模数转换器(ADC)就是将模拟信号转换为数字信号的接口电路，它的功能是 把外界的模拟输入量转换为按照一定规则与之对应的数字编码。它是连接模拟信 号和数字处理电路的桥梁，只有通过它，才能对外界模拟信号进行采集和处理。 因此，模数转换器的发展就成为了系统级芯片发展的瓶颈。随着高速信号处理应 用的需求不断增加，模数转换器也必须向着高速度、高精度方向发展，以此满足 高分辨率图像、无线通信等领域的要求。 1.2 高速高精度模数转换器的应用 随着无线网络技术、数字信号处理技术、计算机技术和高速数据采集技术的 不断发展，高速高精度的模数转换器被广泛应用于数字通信、自动控制等领域。 像HDTV（高清晰数字电视）、数字摄像机、医疗成像设备以及便携式的数据通信 系统等，都对模数转换器的性能提出了更高的要求。数字无线电接收器是目前比 较典型的应用，它的出现对模数转换器的发展更是一个直接的推动力。数字无线 电概念和结构的提出，一直都被称为无线通信的革命，它使数字通信系统越来越 多的功能可以通过软件来定义和数字处理，提高了系统的灵活性和适应性。 多年来模数转换技术一日千里，令接收器可以更大量采用数字集成电路。 图1. 1就是数字无线电接收器基本结构图。接收器的数字电路越靠近天线，便越 1
第一章引言 能发挥接收的优势，将本来只能由模拟电路实现的部分信号前端处理（例如信道 切换、下变频、滤波、解调等)转换为由可编程数字处理芯片(DSP)来实现，用户 只需将不同的数字处理模块下载到DSP即可灵活切换信道接入方式，就可接收来 自不同发射系统的信号如果可以将模数转换器置于射频系统的输出端，就可以直 接进行射频取样。但是为了能够预先抑制不需要的带外信号，以及满足模数转换 器所需要的频率范围，已接收的信号在输入模数转换器之前必须加以滤波，以及 自动增益控制。 Antenna Filter A/D Filter DSP Baseband Conveter 图1.1数字无线电接收器基本结构图 因此很多数字接收器采用折中的方法，先由输出端的第一及第二中频级将模 拟信号转为数字信号，使带外信号还未进入模数转换器之前先接收滤波，也确保 部分信号在未进入模数转换器之前先行在模拟级接收自动增益控制，以尽量避免 带内信号过驱动模数转换器。使信号在进行模数转换之前可以达到最大的信号增 益。此外，如果采用中频取样及数字接收技术，则无需另外加入中频级如混频器、 滤波器及放大器，有助于减低成本，而且系统设计工程师若采用可编程数字滤波 器取代固定的模拟滤波器，便可充分发挥设计上的灵活性。 1.3国内外研究现状和本文的研究目标 随着半导体技术的日益发展，数字技术相对于传统的模拟技术具有抗干扰能 力和稳定性强、电路结构简单、设计方便、集成度高以及灵活性和可移植性的特 点日益突出。因此，混合信号集成的设计出现了一些新的趋势：模拟技术数字化： 模数(A/D)和数模(A/D)转换器等模拟电路的速度随数字电路的速度的提高而 相应提高，成本和性能要求混合信号系统集成在单一芯片上。 在过去的20年里，随着CM0S工艺水平的长足进步和数字系统设计软件的日趋 成熟，使数字系统无论在处理能力还是处理速度上都取得了飞速的发展。相对而 言，模拟和数字接口电路的设计在很长一段时间内没有得到足够的重视，加之模 拟设计软件业不够成熟，模数接口电路的发展落后于数字电路的发展，因此，在 一些包括数模接口的电子系统，如数字电视视频系统和数字通信系统中，接口电 路的性能（如速度、精度）成为了限制整个系统性能的瓶颈。 为了消除数模接口电路对系统性能造成的限制，在国际上，各著名大学和实 验室里都有大量的研究人员从事于各种模数转换器的结构与基础研发工作，其研 2
第一章 引言 能发挥接收的优势，将本来只能由模拟电路实现的部分信号前端处理(例如信道 切换、下变频、滤波、解调等)转换为由可编程数字处理芯片(DSP)来实现，用户 只需将不同的数字处理模块下载到DSP即可灵活切换信道接入方式，就可接收来 自不同发射系统的信号如果可以将模数转换器置于射频系统的输出端，就可以直 接进行射频取样。但是为了能够预先抑制不需要的带外信号，以及满足模数转换 器所需要的频率范围，已接收的信号在输入模数转换器之前必须加以滤波，以及 自动增益控制。 DSP & Baseband LNA Antenna Filter Antenna Filter A/D Conveter RF IF 图1.1 数字无线电接收器基本结构图 因此很多数字接收器采用折中的方法，先由输出端的第一及第二中频级将模 拟信号转为数字信号，使带外信号还未进入模数转换器之前先接收滤波，也确保 部分信号在未进入模数转换器之前先行在模拟级接收自动增益控制，以尽量避免 带内信号过驱动模数转换器。使信号在进行模数转换之前可以达到最大的信号增 益。此外，如果采用中频取样及数字接收技术，则无需另外加入中频级如混频器、 滤波器及放大器，有助于减低成本，而且系统设计工程师若采用可编程数字滤波 器取代固定的模拟滤波器，便可充分发挥设计上的灵活性。 1.3 国内外研究现状和本文的研究目标 随着半导体技术的日益发展，数字技术相对于传统的模拟技术具有抗干扰能 力和稳定性强、电路结构简单、设计方便、集成度高以及灵活性和可移植性的特 点日益突出。因此，混合信号集成的设计出现了一些新的趋势：模拟技术数字化； 模数（A/D）和数模（A/D）转换器等模拟电路的速度随数字电路的速度的提高而 相应提高，成本和性能要求混合信号系统集成在单一芯片上。 在过去的20年里，随着CMOS工艺水平的长足进步和数字系统设计软件的日趋 成熟，使数字系统无论在处理能力还是处理速度上都取得了飞速的发展。相对而 言，模拟和数字接口电路的设计在很长一段时间内没有得到足够的重视，加之模 拟设计软件业不够成熟，模数接口电路的发展落后于数字电路的发展，因此，在 一些包括数模接口的电子系统，如数字电视视频系统和数字通信系统中，接口电 路的性能（如速度、精度）成为了限制整个系统性能的瓶颈。 为了消除数模接口电路对系统性能造成的限制，在国际上，各著名大学和实 验室里都有大量的研究人员从事于各种模数转换器的结构与基础研发工作，其研 2
第一章引言 究目标主要集中在新型ADC系统结构、单元电路和具体的技术难点的突破；而公 司、生产厂家则主要对已经证实为准确、可靠的A/D转换技术，从设计、工艺、 生产成本等方面进行改进和完善，以期让这些技术和产品尽快应用于军民用领 域。国外MAXIM,ADI,TI和美国国家半导体(National Semiconductor)等主要 设计生产模拟IC的这些专业化大公司的产品代表了当今国际模数转换技术的领 先水平。除此以外，随着更先进的CMOS工艺不断应用于数字电路，近年来在高 性能ADC领域出现了一个明显的发展趋势，即用“极限”工艺实现“极限”指 标，其采用的工艺与主流数字工艺的距离比以往大大缩小。 精度10比特及以上的高速模数转换器广泛应用于数字视频和通讯系统中，为 了能够内嵌于单片数字系统，并适合便携设备使用，除了需要满足精度和速度的 要求外，也希望AD转换器消耗尽可能低的功耗和芯片面积。考虑到流水线结构 可以在速度、精度、功耗和芯片面积之间达到最好的折衷，目前大多数视频芯片 中的A/D转换器都采用这种结构。不过高速模数转换器通常需要消耗大量的芯片 面积、功耗和设计时间，因此如何优化设计低功耗、高速、高精度流水线模数转 换器也成为国际数模混合信号设计领域的研究热点。表1.1列出了代表目前国外 先进水平的两个高速、10位低功耗A/D转换器的主要性能指标。第一个A/D转换器 由美国Analog Device公司设计的AD92l5,第二个A/D转换器是Maxim公司生产的 MAX1180. 表1.1两个10位高速、低功耗模数转换器的主要性能指标 AD9215 MAX1180 电源电压 3V 3.3 分辨率 10 10 INL <0.65LSB <0.75LSB DNL <0.25LSB <0.4LSB 最大采样速率 105MS/s 105MS/s SINAD 58dB 50Mhz 57.6dB@50Mhz f.=105MS/s 最大功耗 120mW 125mW 从上面的介绍可以看到，目前发达国家对高速数据转换电路的研究开发己经达到 了很高的水平，由于各种原因，国内模数转换器的发展起步较晚，研究水平较为 落后，自主研发的产品进入市场的不多，而且主要集中在全并行、积分型、逐 次逼近型等低精度高速或低速高精度的结构上，高速、高精度的模数转换器研究 3
第一章 引言 究目标主要集中在新型ADC系统结构、单元电路和具体的技术难点的突破;而公 司、生产厂家则主要对已经证实为准确、可靠的A/D转换技术，从设计、工艺、 生产成本等方面进行改进和完善，以期让这些技术和产品尽快应用于军民用领 域。国外MAXIM, ADI , TI和美国国家半导体(National Semiconductor)等主要 设计生产模拟IC的这些专业化大公司的产品代表了当今国际模数转换技术的领 先水平。除此以外，随着更先进的CMOS工艺不断应用于数字电路，近年来在高 性能ADC领域出现了一个明显的发展趋势，即用“极限”工艺实现“极限”指 标，其采用的工艺与主流数字工艺的距离比以往大大缩小。 精度10比特及以上的高速模数转换器广泛应用于数字视频和通讯系统中，为 了能够内嵌于单片数字系统，并适合便携设备使用，除了需要满足精度和速度的 要求外，也希望A/D转换器消耗尽可能低的功耗和芯片面积。考虑到流水线结构 可以在速度、精度、功耗和芯片面积之间达到最好的折衷，目前大多数视频芯片 中的A/D转换器都采用这种结构。不过高速模数转换器通常需要消耗大量的芯片 面积、功耗和设计时间，因此如何优化设计低功耗、高速、高精度流水线模数转 换器也成为国际数模混合信号设计领域的研究热点。表1.1列出了代表目前国外 先进水平的两个高速、10位低功耗A/D转换器的主要性能指标。第一个A/D转换器 由美国Analog Device 公司设计的AD9215，第二个A/D转换器是Maxim公司生产的 MAX1180。 表1.1 两个10位高速、低功耗模数转换器的主要性能指标 AD9215 MAX1180 电源电压 3V 3.3 分辨率 10 10 INL <0.65LSB <0.75LSB DNL <0.25LSB <0.4LSB 最大采样速率 105MS/s 105MS/s SINAD fs=105MS/s 58dB @ 50Mhz 57.6dB@50Mhz 最大功耗 120mW 125mW 从上面的介绍可以看到，目前发达国家对高速数据转换电路的研究开发已经达到 了很高的水平，由于各种原因，国内模数转换器的发展起步较晚，研究水平较为 落后， 自主研发的产品进入市场的不多，而且主要集中在全并行、积分型、逐 次逼近型等低精度高速或低速高精度的结构上，高速、高精度的模数转换器研究 3
第一章引言 尚不多见。这严重限制了我国在集成电路设计尤其是系统集成方面的发展。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。本论文针对 3.3V电压的低功耗要求，设计一个功耗150mW以下的10比特100MHz采样频率的 流水线结构模数转换器。从系统设计到最终芯片测试的全流程上探讨高速模数转 换器的设计理论和测试方法，并提出了一些创新思想，希望论文期间所做的研究 能给高速高精度模数转换器的设计研究起到一定的借鉴作用。 1.4主要工作及论文的组织结构 在论文工作期间，作者查阅了大量有关数据转换方面的资料，较系统地研究 了各种数据转换器的结构和性能，设计完成了一个3.3V电源电压10bit100MS/s 流水线A/D转换器。A/D转换器己经完成电路版图设计并进行流片。 基于速度、精度、功耗之间最好的优化和折中考虑，本模数转换器采用了1.5 位的9级流水线结构实现，并在低功耗、高速和高精度三个方面做了细致的研究 工作，主要有：(1)研究并比较了流水线模数转换器的多级算法，对1.5位/级 流水线模数的结构和校正算法进行分析：(2)建立流水线模数转换器的部分模 型，包括了运放的各种非理想因素和各级电容匹配等主要误差源，初步确定电路 各级的性能参数；(3)高速增益自举低功耗跨导运算放大器(0TA)设计；(4) 采用改进型栅压自举(Bootstrap)采样开关来提高采样保持电路的精度与线性： (5)在运算放大器中采用新型结构的偏置电路，提高了运放的稳定性。 论文的组织结构如下： 第二章首先介绍了模数转换器结构的发展，接着介绍了普遍采用的1.5位/ 级流水线模数转换器的结构和算法。最后一部分介绍了流水线模数转换器的电路 实现方法，并且提出了每级流水线精度要求。 第三章中主要介绍了ADC各模块的技术背景和具体电路实现。 第四章中讨论了芯片最终实现时的一些全局考虑因素和版图的设计。 第五章研究了高速ADC的测试理论和方法，介绍了具体测试电路的设计。 第六章是总结和未来工作的展望。 4
第一章 引言 尚不多见。这严重限制了我国在集成电路设计尤其是系统集成方面的发展。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。本论文针对 3.3V电压的低功耗要求，设计一个功耗150mW以下的10比特100MHz采样频率的 流水线结构模数转换器。从系统设计到最终芯片测试的全流程上探讨高速模数转 换器的设计理论和测试方法，并提出了一些创新思想，希望论文期间所做的研究 能给高速高精度模数转换器的设计研究起到一定的借鉴作用。 1.4 主要工作及论文的组织结构 在论文工作期间，作者查阅了大量有关数据转换方面的资料，较系统地研究 了各种数据转换器的结构和性能，设计完成了一个 3.3V 电源电压 10bit 100MS/s 流水线 A/D 转换器。A/D 转换器已经完成电路版图设计并进行流片。 基于速度、精度、功耗之间最好的优化和折中考虑，本模数转换器采用了1.5 位的9级流水线结构实现，并在低功耗、高速和高精度三个方面做了细致的研究 工作，主要有：（1）研究并比较了流水线模数转换器的多级算法，对1.5位/级 流水线模数的结构和校正算法进行分析；（2）建立流水线模数转换器的部分模 型，包括了运放的各种非理想因素和各级电容匹配等主要误差源，初步确定电路 各级的性能参数；（3）高速增益自举低功耗跨导运算放大器（OTA）设计；（4） 采用改进型栅压自举(Bootstrap)采样开关来提高采样保持电路的精度与线性； （5）在运算放大器中采用新型结构的偏置电路，提高了运放的稳定性。 论文的组织结构如下： 第二章首先介绍了模数转换器结构的发展，接着介绍了普遍采用的1.5位/ 级流水线模数转换器的结构和算法。最后一部分介绍了流水线模数转换器的电路 实现方法，并且提出了每级流水线精度要求。 第三章中主要介绍了ADC各模块的技术背景和具体电路实现。 第四章中讨论了芯片最终实现时的一些全局考虑因素和版图的设计。 第五章研究了高速ADC的测试理论和方法，介绍了具体测试电路的设计。 第六章是总结和未来工作的展望。 4
第二章系统结构设计 第二章 系统结构设计 2.1模数转换器的回顾 A/D转换器的雏形最早是伴随着PCM(pulse code modulation)技术在电话中 的使用出现在上个世纪30年代的。然而，直到上个世纪50年代，随着数字计算 机和各种航空器及导弹数据处理系统的出现，AD转换器才获得了进一步的发 展。近20年，由于深亚微米集成技术的日趋成熟，促使AD转换器发生了从分 立实现到单片集成的革命。早期用分立元件实现的AD转换器，不仅成本高、 而且体积和功耗也大的惊人。单片集成AD转换器的各方面性能都远远超过了 它的前辈，随着数字技术的发展，模数转换器主要的应用领域不断拓宽，广泛应 用于多媒体、通讯、自动化、仪器仪表等领域，同时模数转换器也有了长足的进 步和发展。现在人们对转换器性能的要求越来越高，其技术难度越来越大，但是 对模数转换技术的研究开发更加活跃，不断将产品向更高性能推进。新型的模数 转换器正朝着结构不断简化、低功耗、高速、高分辨率的方向发展，同时还要考 虑体积、便捷、多功能、与计算机及通信网络的兼容性。 2.2高速模数转换器的的介绍 在AD转换器的发展过程中，出现了许多种体系结构。不同的结构侧重于 不同的需求，有的侧重于高精度，有的侧重于高速度，有的侧重于低功耗，有的 侧重于低硬件消耗。在当今各种AD转换器中，按基本的转换原理划分，可分 为奈奎斯特Nyquist)A/D转换器和过采样(Oversampling)A/D转换器。 对于奈奎斯通AD转换器，其主要特征是：每一个被采样的模拟信号都被 转换为唯一与之相对应的数字信号，即采样速率和转换速率相同。而过采样型是 一类通过提高过采样比（采样速率与转换速率的比值）来达到高动态范围的AD 转换器。在目前所有的AD转换器中，过采样型是精度最高的，但由这类转换 器从本质上是通过牺牲速度来换取高动态范围的，所以它的转换速率较低（一般 小于10MSs),这种转换器广泛用于音频处理、图像处理等低速、高动态范围 领域。目前，大多数的高速A/D转换器都属于Nyquist型，其中包括快闪型、两 步快闪型、主从型、折叠插值型、积分型和流水线型等。 表2.1是简单概括和比较了上述各种模数转换器结构和性能特点，同时明显 的体现了模数转换器在速度、精度、功耗这三个方面是重要的约束条件，他们之 间并非相互独立，而是存在相互联系、相互制约的辩证关系。任何一个体系结构 的模数转换换器都无法使上述三个约束条件同时达到最优，而只能在它们之间折 5
第二章 系统结构设计 第二章 系统结构设计 2.1 模数转换器的回顾 A/D 转换器的雏形最早是伴随着 PCM(pulse code modulation)技术在电话中 的使用出现在上个世纪 30 年代的。然而，直到上个世纪 50 年代，随着数字计算 机和各种航空器及导弹数据处理系统的出现， A/D 转换器才获得了进一步的发 展。近 20 年，由于深亚微米集成技术的日趋成熟，促使 A/D 转换器发生了从分 立实现到单片集成的革命。早期用分立元件实现的 A/D 转换器，不仅成本高、 而且体积和功耗也大的惊人。单片集成 A/D 转换器的各方面性能都远远超过了 它的前辈，随着数字技术的发展，模数转换器主要的应用领域不断拓宽，广泛应 用于多媒体、通讯、自动化、仪器仪表等领域，同时模数转换器也有了长足的进 步和发展。现在人们对转换器性能的要求越来越高,其技术难度越来越大，但是 对模数转换技术的研究开发更加活跃，不断将产品向更高性能推进。新型的模数 转换器正朝着结构不断简化、低功耗、高速、高分辨率的方向发展，同时还要考 虑体积、便捷、多功能、与计算机及通信网络的兼容性。 2.2 高速模数转换器的的介绍 在 A/D 转换器的发展过程中，出现了许多种体系结构。不同的结构侧重于 不同的需求，有的侧重于高精度，有的侧重于高速度，有的侧重于低功耗，有的 侧重于低硬件消耗。在当今各种 A/D 转换器中，按基本的转换原理划分，可分 为奈奎斯特(Nyquist) A/D 转换器和过采样(Oversampling)A/D 转换器。 对于奈奎斯通 A/D 转换器，其主要特征是：每一个被采样的模拟信号都被 转换为唯一与之相对应的数字信号，即采样速率和转换速率相同。而过采样型是 一类通过提高过采样比（采样速率与转换速率的比值）来达到高动态范围的 A/D 转换器。在目前所有的 A/D 转换器中，过采样型是精度最高的，但由这类转换 器从本质上是通过牺牲速度来换取高动态范围的，所以它的转换速率较低（一般 小于 10MS/s），这种转换器广泛用于音频处理、图像处理等低速、高动态范围 领域。目前，大多数的高速 A/D 转换器都属于 Nyquist 型，其中包括快闪型、两 步快闪型、主从型、折叠插值型、积分型和流水线型等。 表2. 1是简单概括和比较了上述各种模数转换器结构和性能特点，同时明显 的体现了模数转换器在速度、精度、功耗这三个方面是重要的约束条件,他们之 间并非相互独立,而是存在相互联系、相互制约的辩证关系。任何一个体系结构 的模数转换换器都无法使上述三个约束条件同时达到最优，而只能在它们之间折 5