10位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的芯片設(shè)計(jì)

1 引言

A/D轉(zhuǎn)換器是模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)接口的關(guān)鍵部件，可以將需要測(cè)量的模擬信號(hào)精確地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)。一旦以數(shù)字形式出現(xiàn)，就能簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行處理，從而提取出有用的信息。

現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）已經(jīng)成為一個(gè)相當(dāng)重要的電路單元。很多控制類芯片（MCU）和信號(hào)處理芯片（DSP）都盡量在片內(nèi)集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器。因此，基于嵌入應(yīng)用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)單芯片系統(tǒng)時(shí)很有價(jià)值的。

因逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中只使用一個(gè)比較器，芯片占用的面積很小。在速度要求不高的場(chǎng)合，具有很高的性價(jià)比[1]。

本設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)是優(yōu)化內(nèi)部單元電路結(jié)構(gòu)，以提高精度和轉(zhuǎn)換速率。作者基于0.6μm數(shù)字CMOS工藝，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了采樣頻率達(dá)3MHz、10位精度、內(nèi)部采用雙時(shí)鐘結(jié)構(gòu)的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。與其相應(yīng)的單時(shí)鐘方式相比，能夠在不影響轉(zhuǎn)換精度的前提下提高ADC的轉(zhuǎn)換速度。

2電路設(shè)計(jì)與分析

2.1 轉(zhuǎn)換器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理圖如圖1，包括比較器，D／A轉(zhuǎn)換器，逐次逼近寄存器，時(shí)序產(chǎn)生及數(shù)字控制邏輯電路。根據(jù)逐次逼近的時(shí)間要求，時(shí)序產(chǎn)生電路可產(chǎn)生變換頻率的時(shí)鐘，提供給數(shù)字控制邏輯電路。數(shù)字控制邏輯電路控制著整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程，根據(jù)比較器的輸出結(jié)果依次序確定逐次逼近寄存器中數(shù)字各碼元的值。
對(duì)于逐次逼近型ADC來(lái)說(shuō)，其轉(zhuǎn)換誤差主要由內(nèi)部DAC轉(zhuǎn)換誤差、比較器失調(diào)、帶寬限制以及輸入噪聲產(chǎn)生。而其中內(nèi)部DAC電路設(shè)計(jì)得好壞對(duì)整個(gè)ADC的轉(zhuǎn)換精度起著關(guān)鍵性的作用。

2.2 D/A轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)有很多種，分為電壓定標(biāo)、電荷定標(biāo)、電流定標(biāo)等。不同結(jié)構(gòu)的D/A轉(zhuǎn)換器在性能上是有差異的。單純采用一種定標(biāo)方式，需要有很高的匹配精度，否則很難實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)換。

本設(shè)計(jì)中的D/A轉(zhuǎn)換器采用高位電荷定標(biāo)、低位電壓定標(biāo)的方法。其原理框圖如圖2所示。
此種結(jié)構(gòu)的DAC，其微分非線性、積分非線性與匹配容許公差的關(guān)系可由方程(1)、(2)表示，其中，M表示高位的位數(shù)，N為總的位數(shù)。

(1)(2)

采用二進(jìn)制加權(quán)的電容器陣列完成高五位定標(biāo)，電阻串完成低五位定標(biāo)的電路結(jié)構(gòu)，要使得DNL和INL均要小于0.8，則要求匹配的容差ΔR/R≤2.58％，ΔC/C≤0.0756％。由結(jié)果可以看出，這種DAC結(jié)構(gòu)，對(duì)電容的匹配特性要求較電阻要高一些。但是最大和最小的電容之比不是很大，為16倍，因而，能在實(shí)際的版圖繪制時(shí)，采用電容共中心對(duì)稱的設(shè)計(jì)，盡可能滿足其匹配性的要求。

2.3 比較器的設(shè)計(jì)

比較器在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中是不可缺少的重要單元。通常我們比較關(guān)心比較器的傳播延時(shí)、分辨度、以及共模輸入范圍等。在實(shí)際的比較器設(shè)計(jì)中，為了滿足整個(gè)電路的精度和速度的要求，采用兩級(jí)差分放大器作為前置放大，最后采用一級(jí)差分輸入的自偏壓差分放大器將比較結(jié)果輸出。為了消除比較器的失調(diào)電壓，在兩級(jí)放大器的輸入端采用電容進(jìn)行耦合。這種結(jié)構(gòu)降低了輸入電壓失調(diào)的影響，提高了比較器的分辨性能[2]。其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

當(dāng)FB和Reset開關(guān)閉合時(shí)，標(biāo)記為Cvi的電容將每一級(jí)放大器的輸入端自動(dòng)置零。輸入電壓通過(guò)電容C1和C2加到第一級(jí)比較器。

比較器中，A1和A2兩個(gè)差動(dòng)放大器采用圖4所示的電路結(jié)構(gòu)。M1和M2組成輸入差分對(duì)，M3，M5，M4和M6組成帶有正反饋的負(fù)載，以提高電路增益。 M3和M4的跨導(dǎo)要比M5和M6的跨導(dǎo)小，使這個(gè)電路結(jié)構(gòu)成為弱正反饋電路，并且以之構(gòu)成二級(jí)正反饋電路，其后再跟一級(jí)跟隨器輸出[2]。M7和M10是電流放大級(jí)，M8，M9，M11和M12組成第二級(jí)帶正反饋的負(fù)載，而M14，M15，M16和M17則組成兩個(gè)跟隨器輸出級(jí)[3]。

比較器的最后一級(jí)是差分輸入的自偏壓差分放大器，電路如圖5所示。當(dāng)正相輸入電壓Vin+增加時(shí)，M1和 M3的漏極電壓降低，使得M6導(dǎo)通，產(chǎn)生的電流經(jīng)M4到漏極輸出端，輸出高電平。在上述過(guò)程中，M5的電流幾乎為零；當(dāng)Vin+的電壓降低時(shí)，M5導(dǎo)通，由M2和M5形成電流沉，輸出低電平。電壓比較的結(jié)果最終經(jīng)M7和M8驅(qū)動(dòng)后從Vout輸出，送到移位寄存器。

2.4 時(shí)鐘及數(shù)字控制電路的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換，N位字的轉(zhuǎn)換時(shí)間為N個(gè)時(shí)鐘周期。一旦所加的時(shí)鐘信號(hào)確定，單次轉(zhuǎn)換的時(shí)間也就確定了。但是，頻率過(guò)快的時(shí)鐘信號(hào)也將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換精度降低。

采用分壓式和電荷分布式相結(jié)合的混合式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換器在進(jìn)行高五位和低五位比較時(shí)所需要的時(shí)間是不相同的。在進(jìn)行高五位逼近的時(shí)候，是由輸入電壓或者參考電壓對(duì)電容進(jìn)行充放電，等效時(shí)間常數(shù)較小，所需的時(shí)間較短；而進(jìn)行低五位逼近時(shí)，是通過(guò)電阻串的節(jié)點(diǎn)對(duì)電容充放電，等效時(shí)間常數(shù)較大，時(shí)間較長(zhǎng)。如果要提高電路的響應(yīng)速度，就需要減小電阻或者電容值。這樣的做法常會(huì)增加芯片的功率消耗和降低匹配精度。如采用單一頻率的時(shí)鐘，則首先要滿足較慢的低五位轉(zhuǎn)換時(shí)的時(shí)間要求，這就會(huì)形成高五位在逼近時(shí)的“等待”狀態(tài)，限制了模數(shù)轉(zhuǎn)換的速度。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部工作采用雙時(shí)鐘的設(shè)計(jì)。通過(guò)時(shí)序及數(shù)字控制邏輯電路，給高五位和低五位的逼近過(guò)程分別提供相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)，從而減少總體轉(zhuǎn)換時(shí)間。如圖6所示，外部時(shí)鐘clk經(jīng)過(guò)四分頻，得到一個(gè)低頻的時(shí)鐘信號(hào)f1以供選擇。內(nèi)部電路在進(jìn)行逐次逼近轉(zhuǎn)換的時(shí)候，產(chǎn)生select信號(hào)來(lái)選擇所需要的時(shí)鐘信號(hào)。所選的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)整形電路后送至內(nèi)部使用。采用雙時(shí)鐘的電路結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)相同的轉(zhuǎn)換精度前提下，轉(zhuǎn)換速率可以有很大的提高。

3 電路的仿真分析及芯片實(shí)現(xiàn)

在Cadance的模擬電路仿真環(huán)境中，作者使用上華0.6μm 工藝的器件模型對(duì)電路性能進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，采用雙時(shí)鐘電路結(jié)構(gòu)，可以在不影響轉(zhuǎn)換精度的前提下，提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作速度。

圖7是單次模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程的仿真波形。其中，cp是外部電路送入轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)時(shí)鐘；clk信號(hào)是由內(nèi)部電路產(chǎn)生的變頻時(shí)鐘；net_in信號(hào)和dac信號(hào)波形反映了轉(zhuǎn)換器的逐次逼近過(guò)程；comp信號(hào)是比較器的結(jié)果輸出。圖中，comp信號(hào)輸出的波形代表二進(jìn)制數(shù)字量是1010101010。從圖中可以看出，整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程使用到了兩種時(shí)鐘：高五位逼近速度快，相應(yīng)地選用高頻的時(shí)鐘；低五位逼近速度較慢，選用低頻時(shí)鐘。在雙時(shí)鐘工作時(shí)，較好地考慮了高五位和低五位在轉(zhuǎn)換時(shí)間上的差異，提高了整個(gè)ADC芯片的工作速度。

圖8是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的連續(xù)工作的仿真波形。其中，Vin是輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的25kHz、振幅1V的正弦波信號(hào)，波形dac是模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字結(jié)果對(duì)應(yīng)的模擬量?？紤]到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，所以，兩個(gè)信號(hào)的對(duì)比是通過(guò)信號(hào)的平移得到的。從仿真的結(jié)果看出，模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作良好。

在版圖設(shè)計(jì)的時(shí)候，考慮到ADC芯片屬于數(shù)?；旌想娐罚獪p小數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾，提高整個(gè)ADC芯片的抗噪聲性能。解決方法是將兩種電路盡量遠(yuǎn)離，以及在敏感的模擬電路周圍加上保護(hù)環(huán)[4]。在模擬電路板圖的繪制時(shí)，更要仔細(xì)考慮元件在電路中的作用，以及元件間的匹配性問(wèn)題，在走線的時(shí)候也要減少信號(hào)線之間的串?dāng)_。對(duì)于元件匹配性要求高的元件，我們采用了共中心的版圖畫法，盡量減少器件失調(diào)。
作者設(shè)計(jì)的10位逐次逼近型ADC在無(wú)錫華晶上華0.6μm 、雙多晶硅、雙金屬層CMOS工藝上流片實(shí)現(xiàn)。ADC的芯片照片如圖9所示。芯片總面積為1.9 mm×1.7mm。其內(nèi)部核心電路的面積為0.8 mm×1.0mm。

4 結(jié)果與結(jié)論

流片加工完成后，對(duì)實(shí)際的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了測(cè)試。芯片在單一電源5V下工作，模擬電壓輸入范圍是0~5V。在采樣頻率為3MHz的條件下工作時(shí)，ADC的功率消耗為35mW，其積分非線性（INL）和微分非線性（DNL）均小于0.8LSB。所設(shè)計(jì)的ADC轉(zhuǎn)換器，已作為嵌入式單元模塊用于上海大學(xué)微電子中心設(shè)計(jì)完成的定頻空調(diào)控制芯片中，并已得到預(yù)期的結(jié)果。
本文針對(duì)內(nèi)部采用混合式DAC結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)了具有變換頻率功能的時(shí)鐘電路結(jié)構(gòu)，為調(diào)整和優(yōu)化此類逐次逼近型ADC提供了一個(gè)可參考的方法。該方法較好地處理了比較過(guò)程中逼近時(shí)間不一致的問(wèn)題，通過(guò)減少高五位逼近時(shí)的“等待”時(shí)間，提高整體轉(zhuǎn)換的速度。由于逐次逼近型ADC的功耗小、性價(jià)比高，在中等精度、中等轉(zhuǎn)換速度的場(chǎng)合具有著良好的應(yīng)用前景。