重慶大學本科學生畢業設計（論文）4位CMOS流水線ADC的設計學生：學號：指導教師：專業：重慶大學光電工程學院二OO九年六月GraduationDesign(Thesis)ofChongqingUniversityDesignofA4-BitCMOSPipelinedADCUndergraduate:XiaoShengqiangSupervisor:AssociateProfessorPanYinsongMajor:ElectronicScienceAndTechnologyCollegeOfOptoelectronicEngineeringChongqingUniversityJune2009重慶大學本科學生畢業設計（論文）中文摘要I摘要隨著數字信號處理技術的迅速發展和成熟，將需處理的模擬信號轉換成數字信號來進行信號處理的方法得到了越來越廣泛的應用。ADC作為連接模擬和數字世界的接口電路，在這種處理方法中占據著十分重要的地位，甚至影響到了數字信號處理技術的應用和推廣。此外，作為IC設計主流的CMOS技術的不斷發展帶來了越來越明顯的速度、功耗、和成本優勢，特別是SOC技術、數模混合IC設計技術的出現，更是把ADC的設計重新推到了設計的重要地位。本文設計了一個4位CMOS流水線ADC，采樣速率為20MSPS。在了解了CMOS流水線ADC的原理和分析了若干設計的優缺點后，主要做了以下的工作：（1）采用翻轉結構的采樣保持電路，降低了功耗；（2）采用了數字糾錯技術和增益誤差校正技術，減小了系統的誤差；（3）采用一種動態比較器來提高速度、降低功耗，該動態比較器直流功耗為0；（4）對各個核心單元電路進行了仿真，并結合設計要求進行了優化。研究結果表明，本次設計達到了要求，具有一定的理論價值和應用前景。關鍵詞：ADC，流水線，采樣保持，子ADC，子DAC重慶大學本科學生畢業設計（論文）ABSTRACTIIABSTRACTBecauseoftherapiddevelopmentandmaturingofdigitalsignalprocessingtechnology,toconverttheanalogsignalstodigitalsignalsbecomesmoreandmorepopular.Asaconnectionofanaloganddigitalcircuits,ADCplaysagreatroleinthisprocessing,andevenmoreaffectstheapplicationandpromotionofdigitalsignalprocessingtechnology.Inaddition,theunceasingdevelopmentofCMOStechnologywhichisamainstreamofICdesignbringsmoreandmoreobviousspeed,power,andcostadvantages,andespeciallytheSOCtechnologyandmixed-signalICdesigntechniquesturnup,whichputtheADCdesigntothemostimportantstatusindesign.ThispaperdesignsafourbitsCMOSpipelineADCanditssamplingrateis20MSPS.BystudyingtheCMOSpipelineADCsprincipleandanalyzingtheadvantagesanddisadvantagesofseveraldesignsthesethingshasbeendone:(1)Usingtheflipstructuresamplingcircuittoreducethepowerconsumption；(2)Usingthedigitalcorrectiontechnologyandgainerrorcorrectiontechnique,toreducetheerrorofthesystem；(3)Usingadynamiccomparatorsforhighspeedandlowerpowerconsumption,andthedynamiccomparatorsdcpoweris0；(4)simulatethemainunitcircuitandoptimizethedesignfortherequirements.Theresearchresultsshowthatthedesignmeetsthestandards,andhascertaintheoreticalvalueandapplicationprospect.Keywords：ADC,pipelined,sample-hold,sub-ADC,sub-DAC重慶大學本科學生畢業設計（論文）目錄IV目錄摘要.IABSTRACT.II1緒論.51.1課題背景.51.2國內外研究現狀及發展方向.61.3論文結構安排.82流水線ADC的原理分析.92.1流水線ADC的工作原理.92.2模數轉換器的性能參數.123流水線ADC誤差分析及性能改進.153.1流水線ADC誤差分析.153.1.1MOS采樣開關的誤差.153.1.2MDAC電路的誤差分析.163.1.3比較器失調.183.2減小誤差的措施.183.2.1底極板采樣技術.183.2.2數字校正技術.184核心單元電路的設計.204.1采樣保持電路的設計.204.1.1采樣保持放大器的設計.204.1.2采樣保持模塊的設計.224.2子ADC的設計.244.2.1比較器的設計.244.2.2編碼電路(DECODER)的設計.264.3子DAC的設計.274.3.1與非門電路的設計.284.3.2子DAC電路及仿真.294.4數字校正電路的設計.315版圖設計.335.1版圖設計簡介.335.1.1版圖設計概述.33重慶大學本科學生畢業設計（論文）目錄IV5.1.2各種元器件的繪法.335.2單元電路的版圖設計.355.2.1采樣保持放大器的版圖設計.365.2.2采樣保持模塊的版圖設計.375.2.3動態比較器的版圖設計.385.2.4編碼器的版圖設計.395.2.5與非門電路的版圖設計.405.2.6子DAC版圖設計.415.2.7D觸發器的版圖設計.42結論.43致謝.44參考文獻.45重慶大學本科學生畢業設計（論文）2流水線ADC的原理分析IV1緒論1.1課題背景隨著計算機技術、多媒體技術、信號處理(DSP)技術、微電子技術的發展，電子技術的應用己經逐漸滲透到軍事和民用領域的各個角落，不斷推出先進的電子系統。目前，在信號傳輸和信號處理領域，大都采用數字系統進行信號處理。但是，對來自于自然界的信號，如語音信號、傳感器信號等大多是模擬量，而且處理后的數字信號往往還要再轉換為模擬信號，以實現系統對外界的控制。因此在模擬世界和數字處理系統之間，必然要存在轉換接口。當前先進的電子設備系統中，它的前端和后端處理都分別應用到A/D(Analog-to-Digital)和D/A(Digital-to-Analog)轉換器。模數轉換器(ADC)就是將模擬信號轉換為數字信號的接口電路，它的功能是把外界的模擬輸入量轉換為按照一定規則與之對應的數字編碼。在現代先進的電子系統前端和后端都要用到高性能1（包括高分辨率2、高速、低功耗、小面積等等）的模數轉換器和數模轉換器，來改善數字處理技術的性能，特別是諸如雷達、聲納、高分辨率視頻和圖像顯示、軍事和醫療成像、高性能控制器與傳動器，以及包括無線電話和基站接收機在內的現代數字通訊系統。A/D和D/A轉換器的市場呈穩步增長的發展趨勢，在現代軍用和民用電子系統中均顯示出其重要地位。2000年的市場銷售額己達20.3億美元。在單片ADC的實現方面，相繼提出了全并行(Flash)、子區式(Subranging)、折疊-插值(FoldingandInterpolating)、流水線(Pipelined)、過采樣(OverSampling)、-和并行時間交織(ParallelTime-Interleaved)等結構。其中全并行結構由于其全并行信號處理的特點，在現有的結構中速度最高，輸入到輸出延遲最小，但隨著分辨率的增加，內部元件數目呈幾何級數上升，同時對電阻等元器件精度和匹配特性提出嚴格的要求；折疊插值結構應用折疊和插值技術糾正了全并行結構中電路規模指數增長的缺點，但折疊處理限制了信號帶寬，并且對晶體管的跨導和匹配特性提出了很高的要求；子區式結構通過將轉換范圍分區和信號分步的方法來換取電路規模和功耗