模拟集成电路课程设计解析资料优秀PPT.ppt

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1、第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 D/A转换的信号处理过程 第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 （1）采样和保持）采样和保持 采样：把在时间上是连续的输入模拟信号ui转换成在时间上是断续的信号，输出脉冲波的包络仍反映输入信号幅度的大小。取样定理，采样信号的频率fs和输入模拟信号的最高频率fimax之间必需满足下述条件:fs2fimax 因为每次把取样电压转换为相应的数字量都须要确定的时间，所以在每次取样以后，必需把取样电压保持一段时间。第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 （2）量化和编码）量化和编码 在用数字量表示取样电压时，也必需

2、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S表示。编码是把量化的数值用二进制代码表示。把编码后的二进制代码输出就得到A/D转换的输出信号，对同一正弦波，若S越小，误差将越小，编码时所需二进制代码的位数就越多，对器件要求也越高。第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 图 6-36给出一个A/D变换的原理框图，在这个框图中，量化器就是一系列加不同参考电平的电压比较器，当输入电压 高于该比较器的参考电平Uref时，比较器输出的数字量为“1”；低于参考电平Uref时，输出为“0”。图 6-37 给出一个3位A/D转换器的转换特性。第六

3、章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 图 6-36 A/D转换器的原理框图 第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 图 6-37 3位A/D转换器的转换特性第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 2.A/D转换器的主要指标 (1)辨别率，即“位数”(bit数A/D数字化的字长)。这是一个表达精度的指标。假如A/D转换器的满刻度输入为UFSR，位数为N，则量化电平 量化误差 量化噪声方差 (6-48a)(6-48b)(6-48c)第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 在AD转换过程中，量化会产生失真，而采样和编码都不会产生失真，量化

4、误差所造成的失真被认为是主要的噪声源。模拟输入u可以限制在满量程输入范围(FS)。量化器的步长尺寸由VLSB=FS/2N给定。可以看到量化器的工作是非线性的，其噪声行为在某种程度上依靠于输入信号。在特殊环境下，假如ADC的输入信号是随机的，量化步长充分的小一量化噪声可以假定为“加性白噪声”。第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 分析指出，辨别率每提高一位，量化信噪比将提高 6.02 dB。(2)采样率，即最高时钟频率，这是一个表达A/D转换器转换速度的指标。(3)其它静态特性指标还有失调误差、增益误差、非线性误差(积分非线性、微分非线性)等，其意义与D/A转换器的静态误差相同

5、。第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 6.4.2 A/D转换器的分类及应用 A/D转换器的类型很多，有高速并行Flash A/D，有速度与精度折中较好的流水线A/D，有辨别率很高的适合语音处理的-A/D，有适用于数字电压表的双斜率积分式A/D，也有适用范围很广的逐次比较式A/D等等，如图 6-38 所示。第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 6.4.3 A/D转换器电路举例 1.逐次比较型A/D转换器 逐次比较型A/D转换器是一种低成本，辨别率和速度都比较好的A/D转换器，因此应用特别广泛。例如用CM

6、OS工艺实现的 12 bit、3 s AD7672就是较好的逐次比较型A/D 转换器。该A/D转换器的原理框图如图 6-40 所示。其工作过程介绍如下。第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 图 6-40 逐次比较型A/D转换器 第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 电路收到转换吩咐后，首先将逐次靠近寄存器置“0”(清零)。当第一个时钟脉冲到来时，逻辑限制电路先将逐次靠近寄存器最高位(Dn-1)置“1”，其它位置“0”，经过D/A转换器重新转换为模拟电压Uo(相当于UFSR/2)，然后将此电压回送到比较器，与输入信号Ui比较。若 UoUi 数字输出最高位改为“

7、0”(6-49)第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 其次个时钟脉冲到来时，逻辑限制电路将寄存器次高位置“1”，并与最高位一起送到D/A转换器，将 其输出电压Uo 与Ui再次比较。若 Uo Ui 数字输出次高位改为“0”(6-50)第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 图 6-41 逐次比较、逐次靠近A/D转换过程 第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 2.闪电式(Flash)A/D转换器 闪电式A/D转换器是一种速度最高的A/D转换器，最高采样率可达几十兆、几百兆，甚至GHz数量级。闪电式A/D接受并行处理结构，例如一个3位Flash A

8、/D的简图如图 6-42 所示。第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 图 6-42 一种Flash A/D转换器简图 第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 为了削减比较器数量，可接受“子区式”A/D。如图 6-43 所示，将A/D分成两段：高 4 位(粗量化)和低4位(精量化)，这样所需比较器数量仅为 2(2N-1)=2(24-1)=16个 比255个要少得多，不过增加了一个D/A和一个求和电路，速度也要受点影响，但总的来说可以节约很多硅片面积。第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 图 6-43“子区式”A/D转换器 第六章第六章 模拟集成

9、电路设计基础模拟集成电路设计基础 流水线型模数转换流水线型模数转换流水线ADC接受多个低辨别率的闪烁式子ADC对采样信号进行分级量化，然后将各级的量化结果进行延迟对准和数字校正后，产生一个高辨别率的数字输出。第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 工作原理工作原理首先每一级的SAI电路对本级的输入信号进行采样和保持，然后送到子AD进行量化，产生“位数字量；接着”位数字量被送到DA转换器，产生与之对应的模拟电压送到减法器，从保持的信号中减掉该模拟电压得到一个余量信号：将该余量信号放大2q后输出，作为下一级的输入信号。在k级流水线结构中，这一过程要重复k一1次，第k级为标准的闪烁结

10、构。为了克服每级子AD内部的失调和非线性，每级流水线输出中都有冗余位，经过校正后共同构成最终的N位输出。第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 优缺点优缺点优点：每级子电路中都有SH电路，可以使流水线各级同时运作，整个流水线电路的转换速率取决于子电路的转换速率，与流水线结构的级数无关；每级子电路输出都包含冗余位，结合数字校正技术来提高辨别率；与同辨别率的闪烁型AD转换电路相比，它能大大降低电路规模与功耗。缺点：须要困难的基准电路与偏置结构；输入信号必需穿过数级电路，造成流水线延迟；各级输出必须要严格同步；要求严格的两相不交叠时钟等。第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路

11、设计基础 辨别率选择辨别率选择最优的每级辨别率由两个因素确定：系统的转换速率和辨别率从转换速率的角度看，希望每级辨别率最小。因为选择最小的每级辨别率，能将级间增益最小化，有利于提高转换速率，同时也使芯片的面积和功耗最小。常见的选择1.5位的每级辨别率，其中1位为有效辨别率，0.5位为冗余位，对应的的级间增益仅为2。第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 延迟对准电路延迟对准电路由于流水线结构ADC的级与级之间是交替工作的(即前一级采样时，后一级保持)，那么对一给定的模拟信号，其第一级输出在12个时钟周期内产生，其次级输出要在第一级输出12个时钟周期后才能产生，后面每级以次类推。

12、这样，每一级的输出对应不同的时钟周期，造成各级输出的不同步。为了将全部级输出的数字结果都能在同一时间送到校正电路，必需接受延迟对准电路。可接受移位寄存器第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 过采样过采样ADC名称说明：求和，差值传统Nyquist ADC：传统的Nyquist模数转换器采样频率fs一般是输入信号频宽的两倍，此时定义Nyquist频率fN=fs/2，符合Nyquist抽样定理的表述。存在不须要的带外信号接近转换器的带宽，不想要的高频重量会混叠入信号带内。因此必需在采样系统之前要接受一个衰减较大的高阶抗混叠滤波器。同时ADC必需有采样保持电路，使ADC有足够的时间

13、将采样幅值与内部产生的参考电压进行比较。第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 Nyquist速率ADC，其采样与采样之间是相互独立的。而在过采样艺ADC中，输出的数据与前面的采样是相关的。第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 过采样转换理论过采样转换理论整个量化噪声能量可以对整个整个量化噪声能量可以对整个ADC工作的信号带内的功率谱密度积分得到工作的信号带内的功率谱密度积分得到:一个简洁的提高精度的方法是运用部分带宽。通过一个简洁的提高精度的方法是运用部分带宽。通过ADC的采样频率远高于的采样频率远高于Nyquist速率来获得，然后通过数字滤波得到想要的带宽

14、内的信号，因此可以速率来获得，然后通过数字滤波得到想要的带宽内的信号，因此可以减小整个量化器噪声的能量。这个技术，即过采样。减小整个量化器噪声的能量。这个技术，即过采样。第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 过采样转换理论过采样转换理论过采样比(OSR):带内噪声功率由下式得到:最大的SNR(信噪比)，也称输出动态范围DR由下面给出:这个表达式显示OSR尺可以改进SNR由上式过采样频率越大，噪声对转换系统的影响越小第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 一阶增量一阶增量调制原理调制原理对于一个模拟信号，假如采样速率很高，采样间隔很小的状况下，那么相邻采样点之间的信号幅度一般不会变更太大，前一采样点信号的幅值加上或者减去1VLSB或者不变，就能够得到后一采样点的信号幅值。若将前后两样值的差进行量化编码，同样可以用数字表示原始信号，这就是过采样的基本原理。第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 一阶调制一阶调制一阶调制器输出频谱图带内噪声功耗简化为对1阶调制器，OSR每增加一倍，SNR提高9dB，或等价于辨别率提高1.5位。第六章第六章 模拟集成电路设计基础模拟集成电路设计基础 二阶调制二阶调制二阶调制输出谱上式显示了，对2阶调制器，OSR每增加一倍，SNR增加15dB，或辨别率改进2.5位。