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０引言随着通信技术及数字信号处理技术的飞速发展，作为模拟信号与数字信号界面的模数转换器（ＡＤＣ）得到越来越广泛地应用．而流水线结构模数转换器因其高分辨率、高精度以及在速度与功耗之间良好的折中而倍受青睐．在流水线型ＡＤＣ中，采样保持电路（Ｓ／Ｈ）是一个十分关键的部分．随着模数转换器在高分辨率图像、视频处理及无线通信等领域的广泛应用，对高速、高精度、基于标准ＣＭＯＳ工艺的可嵌入式采样保持电路的需求也日益迫切．此外，对于正在兴起的基于ＩＰ设计和片上系统集基于ＣＭＯＳ工艺流水线型模数转换器采样保持电路设计季红兵（南通大学，江苏南通２２６０１９）摘要：采样保持电路作为流水线模数转换器中的重要单元一直是高速高分辨率模数转换器研究设计者十分关注的内容．文章介绍了基于ＣＭＯＳ０．６μｍ工艺的流水线模数转换器前端采样保持电路以及运放电路的设计仿真．该电路采用电容下极板采样、折叠式共源共栅技术，有效地消除了开关管的电荷注入效应、时钟馈通效应引起的采样信号的误差，提高了采样电路的线性度，节省了芯片面积，降低了功耗．关键词：流水线；模数转换器；采样保持中图分类号：ＴＮ４５文献标识码：ＡＣＭＯＳ－ｂａｓｅｄＤｅｓｉｇｎｏｆＳ／ＨＣｉｒｃｕｉｔｏｆＰｉｐｅｌｉｎｅｄＡ／ＤＣｏｎｖｅｒｔｅｒＪＩＨｏｎｇ－ｂｉｎｇ（ＮａｎｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｔｏｎｇ２２６０１９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓａｍｐｌｅ－ａｎｄ－ｈｏｌｄ（Ｓ／Ｈ）ｃｉｒｃｕｉｔａｓｔｈｅｋｅｙｐａｒｔｏｆｔｈｅａｎａｌｏｇ－ｔｏ－ｄｉｇｉｔａｌ（Ａ／Ｄ）ｃｏｎｖｅｒｔｅｒａｌｗａｙｓａｔｔｒａｃｔｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｒａｎｄｄｅｓｉｇｎｅｒｏｆＡ／Ｄｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＳ／ＨａｎｄＯＴＡｃｉｒｃｕｉｔｂａｓｅｄｏｎＣＭＯＳ０．６ｕｍｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｔｈｅｓａｍｐｌｅａｎｄｈｏｌｄｃｉｒｃｕｉｔｉｓｅｍｐｌｏｙｅｄｂｙｔｈｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｂｏｔｔｏｍｐｌａｔｅｓａｍｐｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｅｌｉｍｉｎａｔｅｔｈｅｃｈａｒｇｅｉｎｊｅｃｔｉｏｎｅｒｒｏｒｏｆｓｗｉｔｃｈＭＯＳＦＥＴ．Ｔｈｅｂｏｏｔｓｔｒａｐｐｅｄｓｗｉｔｃｈｉｓｕｓｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｌｉｎｅａｒｉｔｙｏｆｔｈｅｓｗｉｔｃｈ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｌｉｎｅａｒｉｔｙｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅ／ｈｏｌｄｃｉｒｃｕｉｔ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｃ－ｃｅｌｅｒａｔｅｔｈｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ′ｓｓｐｅｅｄ，ｓａｖｅｔｈｅｃｈｉｐａｒｅａａｎｄｅｌｉｍｉｎａｔｅｔｈｅｃｌｏｃｋｆｅｅｄ－ｔｈｒｏｕｇｈｅｆｆｅｃｔ，ａｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｆｏｌｄｅｄＣａｓ－ｃｏｄｅｃｏｍｍｏｎｓｏｕｒｃｅｃｏｍｍｏｎｇａｔｅｏｐａｍｐｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｉｐｅｌｉｎｅ；ａｎａｌｏｇ－ｔｏ－ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｓａｍｐｌｅ－ａｎｄ－ｈｏｌｄ收稿日期：２００７－０８－２７基金项目：南通市工业科技创新计划资助项目（Ａ４０３６）作者简介：季红兵（１９６６－），男，南通大学电子信息学院讲师，硕士，主要从事数模混合集成电路教学与研究．南通大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）第６卷第４期２００７年１２月Ｖｏｌ．６Ｎｏ．４Ｄｅｃ．２００７文章编号：１６７３－２３４０（２００７）０４－００７１－０４南通大学学报（自然科学版）２００７年成研究来说，也要求有基于低功耗、小面积、低电压、以及可嵌入设计的采样保持电路模块．１流水线模数转换器结构分析一个通常的模数转换器由Ｎ级大致相同的结构组成，如图１所示．每一级由采样／保持电路（Ｓ／Ｈ）、低分辨率ＦｌａｓｈＡ／Ｄ转换器（ｓｕｂ－ＡＤＣ）、数模转换器（ＤＡＣ）、减法电路及级间增益放大电路构成．其中，我们将每一级中的采样维持Ｓ／Ｈ、ｓｕｂ－ＤＡＣ、减法器和级间增益集成在一个功能块内，称为增益／数模转换单元，即ＭＤＡＣ．流水线模数转换器采用多个较低精度的ＦｌａｓｈＡ／Ｄ转换器采样信号并进行分级量化，然后将各级的量化结果使用一定的编码算法组合起来，构成一个高精度的Ａ／Ｄ转换器．在执行中，流水线模数转换器完成一次转换的过程如下：首先，第一级电路的采样保持部分对输入信号采样，并进行一个Ｂ位分辨率的粗略模数转换，对输入的模拟信号进行初级量化；然后，用数模转换器（ＤＡＣ）产生一个对应于该量化结果的模拟电平值并送至减法电路，减法电路从输入信号中扣除此模拟值，并将剩余值精确放大固定增益２Ｂ－１后送交下一级电路处理；下级电路的处理与上文所述相同．经过Ｎ级这样的处理后，将每级的输出组合起来并经过数字校验电路就得到模拟输入信号对应的高精度Ｙ位模数转换结果．前级电路将模拟信号处理完以后会将转换的数码存储在寄存器中，在时钟的控制下，输入第２个待转换的模拟信号进行第２个信号的量化，这样每一级能同时进行独立处理．所以，一次转换只需要一个时钟周期．在这种结构中，要增加分辨率只需要增加级数，分辨率与芯片面积成正比关系．因此，流水线型模数转换器是一种高速、高分辨率的模数转换器，并且，由于采用了分级量化和数字校验技术，降低了每级电路的精度要求，简化了模数转换器的设计，降低了高分辨率Ａ／Ｄ转换器对于高精度参考电源的高度依赖．采样保持电路是流水线结构ＡＤＣ中实现级间信号传递的重要环节，该单元完成对上级信号的采样，并对前级量化的结果进行Ｄ／Ａ转换，产生对应于该量化结果的模拟电平，然后从上级信号中减除这个模拟电平得到剩余量，并将剩余量进行固定增益２Ｂ－１的精确放大（Ｂ为每级分辨率），将放大后的剩余信号一方面送给Ｓｕｂ－ＡＤＣ模块进行本级的量化，另一方面传递到后级进行后几位的模数转换．在高分辨率流水线ＡＤＣ中，采样保持单元对输入信号采样精度、放大固定增益２Ｂ－１精度及Ｄ／Ａ转换的线性度直接影响着整个Ａ／Ｄ转换分辨率，同时在ＭＤＡＣ中信号的建立时间是决定整个流水线模数转换器转换速度的主要因素［１－３］．２采样保持电路结构及原理文章中电路设计仿真分别采用Ｃａｄｅｎｃｅ和ＨＳＰＩＣＥ软件．流水线模数转换器的采样保持电路采用基于电荷转移的开关电容结构如图２所示．当!１－由高变低时，Ｍ２和Ｍ３将共模电平与电路输入断开，Ｍ２、Ｍ３和Ｍ１相比尺寸要小的多，这样它们注入的电荷量就少．然后!１变低，Ｍ１断开，此时输入被采样到采样电容Ｃｓ上面来．管的电荷注入基本上在２个采样电容间平均分配，所以不会对输出有影响．然后!１＋变低，Ｍ５和Ｍ６断开，因为采样电容Ｃｓ的底板浮空，电荷量保持不变，所以这２个晶体管的电荷注入不会影响到采样信号．这就是所谓的数字输出数字纠错ＹｂｉｔＢｂｉｔＢ＋１ｂｉｔ模拟输入步骤１步骤２步骤３步骤ＮＶ０２Ｂ－１＋－ｓｕｂＤＡＣｓｕｂＡＤＣＢｂｉｔＭＡＤＣ图１流水线型模数转换器结构框图ＢｂｉｔＢｂｉｔ・７２・Ｍ２０Ｍ２１Ｍ２２ＢＬＡＳ１ＢＬＡＳ２Ｍ２３ＢＬＡＳ３Ｍ２４ＢＬＡＳ４ＢＬＡＳ５ＩＮＢＬＡＳＢＬＡＳＭ２５Ｍ２６Ｍ２７Ｍ２８Ｍ２９Ｍ３０Ｍ３１Ｍ３２Ｍ３３底板采样技术．Ｍ５和Ｍ６的尺寸较大以保证足够的带宽．另外，当!１＋变低的时候，Ｍ７、Ｍ８断开．然后!２由低变高，Ｍ４、Ｍ９、Ｍ１０导通，采样保持电路进入保持状态，电荷从采样电容Ｃｓ转移到ＣＦ上［１，３－４］．３采样保持电路中运算放大器的设计及仿真采用保持电路的性能由其中的运算放大器直接决定．因此，运算放大器的设计要求为高速、高增益、大的动态范围、低功耗．图３、图４、图５分别为运算放大器的放大级电路、共模反馈电路、偏置电路．在运放的结构上，选择三级共源共栅（ＴｒｉｐｌｅＣａｓｃｏｄｅ）结构．它具有高直流增益、高带宽、低功耗、容易进行频率补偿等特点．其缺点是输出的摆幅要在电源上减去７个Ｖｄｓａｔ，故摆幅较小．我们的解决方案是：使用５Ｖ电源、高摆幅的偏置电路、全差分结构［２，５］．在流水线模数器中，由于其高精度和高速率的系统要求，所以在ＭＤＡＣ中其运放也相应的需要高速度和大的直流增益，由于本系统采用５Ｖ的供电电源，所以我们采用了结构简单、高速、高增益的Ｔｒｉｐｌｅ－Ｃｓｃｏｄｅ运放结构．在流水线型模数转换器中，为了降低很多非线性效应，通常采用双端输入结构，当然在设计中要使用全差分运算放大器，并图２开关电容结构ＩＮＢＩＡＳＶＣＭＭ２Ｍ７Ｍ９Ｍ１０Ｍ３Ｍ８Ｍ１Ｍ４Ｍ５Ｍ６!１－!１＋!２!２!１＋!１－ＩＮＢＩＡＳＶＣＭＣＦＶＯＵＴＶＯＵＴＶＩＮＶＩＮＣｓＣｓ－＋－＋!２!１!１＋!１＋!１－!１!１＋!２ＢＬＡＳ１ＢＬＡＳ２ＢＬＡＳ３ＢＬＡＳ４ＢＬＡＳ５ＩＮ＋ＣＭＢＬＡＳＭ１Ｍ３Ｍ５Ｍ７ＯＵＴ－Ｍ９Ｍ１１Ｍ２Ｍ４Ｍ６ＯＵＴ＋Ｍ８Ｍ１０ＩＮ－Ｍ１２Ｍ１３图３运放放大级电路图４运放共模反馈电路ＯＵＴ－ＣＭＢＬＡＳＢＬＡＳＯＵＴ＋Ｍ１４Ｍ１５Ｍ１６Ｍ１９Ｍ１８Ｍ１７ＣＭＣＭ!１!１!１!２!２!２图５偏置电路季红兵：基于ＣＭＯＳ工艺流水线型模数转换器采样保持电路设计・７３・南通大学学报（自然科学版）２００７年且为了达到一定的采样增益精度，要求其具有很高的增益和较大的输出摆幅．而差分运放大多采用具有很大交流阻抗的恒流源作为负载以实现较高增益．但这通常会带来一个问题，即输出共模电压难以稳定．因此，需要加入能稳定共模电压的负反馈电路，从而保证运放的正常工作．对于１０位精度，５ＭＨｚ的流水线式模数转换器，模数转换器的转换周期为２００ｎｓ，一般用于采样保持时间要小于半个转换周期，采样保持电路要在６０ｎｓ的时间内达到ＬＳＢ／２，所以运放的增益要大于６７ｄＢ．采用无锡上华０．６!ｍＣＭＯＳ工艺对运放电路仿真，如图６所示，得到开环增益为９３．８ｄＢ，相位裕度为６０度，单位增益带宽４００ＭＨｚ．４结论通过对流水线型模数转换器的工作原理介绍，设计了影响模数转换器系统性能的关键模块，即采样保持电路模块．并基于无锡上华０．６μｍＣＭＯＳ工艺库对采样保持电路的运算放大器进行了设计仿真，达到系统要求．参考文献：［１］ＢＥＨＺＡＤＲａｚａｖｉ．ＤｅｓｉｇｎｏｆＡｎａｌｏｇＣＭＯＳＩｎｔｅｇｒａｄｅｄＣｉｒ－ｃｕｉｔ［Ｍ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＥｄｉｔｉｏｎｓ，２０００．［２］ＥＡＬＬＥＮＰｈｉｌｉｐ，ＨＯＬＢＥＲＧＤｏｕｇｌａｓＲ．ＣＭＯＳＡｎａｌｏｇＣｉｒ－ｃｕｉｔＤｅｓｉｇｎ［Ｍ］．英文版．北京：电子工业出版社，２００２．［３］ＡＢＯＡＭ，ＧＲＡＹＰＲ．Ａ１．５Ｖ１０ｂｉｔ１４．３ＭＳ／ｓＣＭＯＳｐｉｐｅｌｉｎｅａｎａｌｏｇ－ｔｏ－ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥＪ．Ｓｏｌｉｄ－ＳｔａｔｅＣｉｒｃｕｉｔｓ，１９９９，３４（５）：５９９－６６６．［４］ＡＬＬＥＮＰＥ．ＳｗｉｔｃｈｅｄＣａｐａｃｉｔｏｒＣｉｒｃｕｉｔ［Ｍ］．［Ｓ．ｌ．］：ＶａｎＮｏｓ－ｔｒａｎｄＲｅｉｎｈｏｌｄＣｏ．，１９８４．［５］吴建辉．ＣＯＭＳ模拟集成电路分析与设计［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００４．（责任编辑：仇慧）图６运放仿真波形１００８０６０４０２０１８０１６０１４０１２０１００８０６０４０１００!１ｍ１０ｍ１００ｍ１１０１００１ｋ１０ｋ１００ｋ１ｘ１０ｘ１００ｘ增益／ｄＢ频率／Ｈｚ・７４・。
基于以太网的模数转换精度全自动修正方法
倪继锋;张程
【期刊名称】《上海师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2013(42)5
【摘要】理想的模数转换在直角坐标轴上应是一条过零点的直线.在实际工程中,由于信号处理电路及芯片性能等因素,对转换的精度产生了影响.因此需要采用线性拟合的方法加以修正,从而提高转换精度.提出一种基于以太网的模数转换全自动修正方法,采用软硬件配合的方式,只需轻点鼠标,即可自动完成所有模数转换通道的线性修正,并且计算出误差、信噪比和有效位数等指标,同时将线性修正系数存入模数转换卡板载的EEPROM中,与传统方法相比.此方法更方便、准确和高效,具有广泛的应用前景.
【总页数】5页(P465-469)
【作者】倪继锋;张程
【作者单位】上海师范大学信息与机电工程学院,上海201418;上海航天控制技术研究所,上海200233
【正文语种】中文
【中图分类】TP29
【相关文献】
1.基于以太网通讯的全自动换电机器人决策控制系统设计与实现 [J], 罗华;燕小强;李钊
2.基于以太网总线的全自动汽车U形螺栓拧紧机设计 [J], 陈凯;边群星
3.基于以太网的高精度模数转换模块的研究 [J], 邱学武
4.基于嵌入式单片机的模数转换精度提高技术及算法 [J], 袁越阳;马小林;周超伦;刘炜;何超
5.基于以太网的高精度模数转换模块的研究和探讨 [J], 王国珺;林碧芬
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自我检测题1．就实质而言，D/A转换器类似于译码器，A/D转换器类似于编码器。
2．电压比较器相当于1位A/D转换器。
3．A/D转换的过程可分为采样、保持、量化、编码4个步骤。
4．就逐次逼近型和双积分型两种A/D转换器而言，双积分型的抗干扰能力强，逐次逼近型的转换速度快。
5．A/D6．8位D/A转换器当输入数字量只有最低位为1时，输出电压为0.02V，若输入数字量只有最高位为1时，则输出电压为V。
A．0.039 B．2.56 C．1.27 D．都不是7．D/A转换器的主要参数有、转换精度和转换速度。
A．分辨率B．输入电阻C．输出电阻D．参考电压8．图T7.8所示R-2R网络型D/A转换器的转换公式为。
V REFv O图T7.8A ．∑=⨯-=303REF o 22i iiD V vB ．∑=⨯-=304REFo 2232i iiD V vD ．∑=⨯=34REF o 22i iiD V v9．D/A 转换器可能存在哪几种转换误差？试分析误差的特点及其产生误差的原因。
解：D/A 转换器的转换误差是一个综合性的静态性能指标，通常以偏移误差、增益误差、非线性误差等内容来描述转换误差。
偏移误差是指D/A 转换器输出模拟量的实际起始数值与理想起始数值之差。
增益误差是指实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线的斜率的偏差。
D/A 转换器实际的包络线与两端点间的直线比较仍可能存在误差，这种误差称为非线性误差。
10．比较权电阻型、R -2R 网络型、权电流型等D/A 转换器的特点，结合制造工艺、转换的精度和转换的速度等方面比较。
解：权电阻型D/A 转换器的精度取决于权电阻精度和外接参考电源精度。
由于其阻值范围太宽，很难保证每个电阻均有很高精度，因此在集成D/A 转换器中很少采用。
R -2R 网络型D/A 转换器电阻网络中只有R 和2R 两种阻值的电阻，且比值为2。
虽然集成电路技术制造的电阻值精度不高，但可以较精确地控制不同电阻之间的比值，从而使R -2R 网络型D/A 转换器获得较高精度。
数字系统原理与设计课程设计指导书南通大学电子信息学院2017年 2月一、课程设计要求1.完成课程设计，包括设计仿真与验证。
学生根据所选课题的任务、要求和条件进行总体的方案设计，通过论证与选择，确定总体方案。
此后运用EDA软件对方案进行程序设计、仿真分析。
2.通过本次课程设计，提高系统设计能力，增强工程实践能力和创新能力。
3.撰写总结报告。
总结报告是学生对课程设计全过程的系统总结，学生应按规定格式撰写说明书，说明书主要内容有:1）设计技术报告封面封面上应写明设计题目、学生姓名、专业、年级、指导教师姓名。
设计题目明确、简短，能反映设计的实质性内容。
2）摘要及关键词应扼要叙述设计的主要内容和特点，文字简练。
3）目录目录一般不超过3级，章节应编写所在的页码。
4）正文正文应全面、准确的反映设计的指导思想、设计进行的主要工作和所取得的结论和成果，正文应包含一下内容:（1）前言。
应说明设计的目的、意义、市场需求；阐述本设计要解决的技术难题以及解决技术难点的指导思想和要预期达到的技术效果。
（2)设计方案论证。
应说明设计原理并进行方案的选择，说明为什么要选择该设计方案（包括各种方案的分析、比较），还应阐述所采用的方案特点和设计的技术路线。
（3）计算部分。
这部分在设计说明书中占有相当大的比例。
在说明书中要列出各零件的工作条件、给定的参数、计算公式以及各主要参数计算的详细步骤和计算结果，并说明根据此计算应选用什么元器件和零部件。
对需要使用的计算机的设计还应包括各种软件的设计。
（4）结构设计部分。
这也是设计说明书的重要组成部分，应包括机械结构的设计、各种电气控制线路设计以及功能电路设计、计算机控制部件装置的设计等，以及以上各种设计所绘制的图纸。
（5）结论。
概括本设计的情况和价值，分析其特色、优点、有何创新、性能达到何种水平，并应指出其中存在的问题和今后改进的方向，特别是对设计中遇到的重要问题要重点指出并加以研究。
（6）参考文献。
