流水線ADC的行為級仿真

摘要：行為級仿真是提高流水線(pipeline)ADC設(shè)計(jì)效率的重要手段。建立精確的行為級模型是進(jìn)行行為級仿真的關(guān)鍵。本文采用基于電路宏模型技術(shù)的運(yùn)算放大器模型，構(gòu)建了流水線ADC的行為級模型并進(jìn)行仿真。為驗(yàn)證提出模型的精度，以一個7位流水線ADC為例，分別進(jìn)行了電路級與行為級的仿真，并做了對比。結(jié)果表明這樣構(gòu)建的行為級模型能較好地反映實(shí)際電路的特性，同時仿真時間大大縮短。
關(guān)鍵詞：運(yùn)算放大器；流水線ADC；行為模型；行為級仿真

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A／D converter)是各種電子系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用的一種基本電路，其性能的好壞最終影響著所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能。分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快、性能優(yōu)越的模數(shù)轉(zhuǎn)換器一直是集成電路設(shè)計(jì)中最具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)任務(wù)。由于ADC的關(guān)鍵部分是模擬的，因此其設(shè)計(jì)很大程度上依賴于電路仿真，但用通常的電路仿真工具對ADC作晶體管級仿真需要耗費(fèi)大量的時間。為此人們采用數(shù)字集成電路層次式設(shè)計(jì)的思想，提出了先建立行為級模型進(jìn)行行為級的仿真優(yōu)化，再在電路級進(jìn)行具體電路設(shè)計(jì)，以縮短整體設(shè)計(jì)時間的方法。MATLAB／Simulink、VHDL-AMS與Verilog-AMS等工具與語言及相應(yīng)仿真軟件為實(shí)現(xiàn)這類模擬-數(shù)字混合電路系統(tǒng)的行為仿真提供了實(shí)現(xiàn)手段。
行為級仿真的關(guān)鍵是仿真的精度，這主要又取決于各單元電路行為模型的精度。在以往文獻(xiàn)中，各單元電路采用的模型一般是在基本功能模型中增添一些反映電路常見非理想特性的環(huán)節(jié)構(gòu)成的，對電路的非線性效應(yīng)或高階動態(tài)效應(yīng)考慮不足，不能全面反映電路的工作特性，因此精度有限。流水線ADC中的一個主要單元電路是運(yùn)算放大器，采樣一保持電路、MDAC主要是由運(yùn)放構(gòu)成的，比較器基本等價于一個開環(huán)的運(yùn)放，因此運(yùn)放模型的精度基本決定了整個ADC行為仿真的精度。文中對運(yùn)算放大器采用了基于電路宏模型技術(shù)構(gòu)造的模型，并以此模型為基礎(chǔ)構(gòu)成采樣一保持、MDAC及比較器電路的模型，從而保證這樣得到的行為級仿真有較高精度。
下面先介紹文中采用的運(yùn)算放大器模型，接著介紹一個7位流水線ADC的結(jié)構(gòu)及其行為級模型，然后給出行為仿真的結(jié)果及與電路級仿真結(jié)果的比較。從結(jié)果可以看出采用本文的行為模型進(jìn)行仿真，可得到高精度的仿真結(jié)果，同時消耗的仿真時間大大縮短。

1 運(yùn)算放大器模型
在模擬或模擬-數(shù)字混合信號電路的高層仿真中，運(yùn)算放大器通常被等效成一個以受控電源為基礎(chǔ)，加上對有限增益帶寬、擺率、輸出電阻等非理想因素的考慮組成的一個線性模型。這樣的模型雖然包括了運(yùn)放的一些重要非理想效應(yīng)，但沒有考慮運(yùn)放的非線性，也沒有考慮運(yùn)放的高階動態(tài)效應(yīng)。當(dāng)運(yùn)放的工作速度較高，或低電壓工作進(jìn)入非線性區(qū)時，可能會導(dǎo)致較明顯的誤差。事實(shí)上，閉環(huán)運(yùn)放在階躍信號作用下建立時間的準(zhǔn)確分析必須考慮非線性與線性兩個工作區(qū)間。因此，在ADC等電路的行為仿真中采用更全面的運(yùn)放模型是有必要的。
文中采用基于電路宏模型技術(shù)構(gòu)造的運(yùn)放模型。這一模型是根據(jù)運(yùn)放電路的具體結(jié)構(gòu)經(jīng)過簡化得到的，最初是針對雙極型運(yùn)放的，后來被推廣到MOS運(yùn)放，也包括輸入級、中間級與輸出級，可重現(xiàn)運(yùn)放的幾乎所有特性指標(biāo)。輸入級由一對差分對構(gòu)成，可模擬運(yùn)放的失調(diào)電壓／電流、共模特性，中間級與輸出級主要由受控源與電阻、電容組成，模擬運(yùn)放的增益、頻率與輸出特性，輸出級還包括幾個二極管以反映運(yùn)放的限幅限流特性。
由于Hspice等仿真器中可用PWL等形式直接描述元器件的非線性特性，因此我們對上述模型做了簡化，將原模型中的輸人級差分對用一個非線性受控源表示并與中間級合并，帶二極管限幅的輸出級用一個線性受控源進(jìn)行等效。這樣得到的模型如圖1所示。其中Vin為輸入的差模電壓，Cc為二級運(yùn)放的補(bǔ)償電容，I0、I1分別對應(yīng)的是非線性壓控電流源及線性壓控電流源，R2為輸出電阻，電容C1是用來建立相位裕度。這一模型不僅反映了增益、帶寬、輸出電阻等常見的運(yùn)放非理想特性，也包括了放大器的非線性及兩階動態(tài)效應(yīng)。