1、电子科技大学硕士学位论文基于双积分原理ADC的设计姓名：罗刚申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：张庆中20090501摘要摘要由于数字电子技术的迅速发展，尤其是数字计算和信号处理技术在医疗成像、仪器仪表、通 讯等领域的广泛应用，用数字 电路处理模拟信号的情况日益普遍。所以模拟信号数字化是信息技术的发展趋势，而模数转换器（）在其中扮演着重要角色。文章首先介绍了在现代电子技术中的起源、发展、地位、作用和技术前景。也对的主要 术语、参数 进行了介绍和评 述，同时介绍了几种常见结构的模数转换技术，比较了不同结构模数转换器的优缺点，最终选择了双积分结构的作为研究重点。论文从基本原理开始
2、，通 过分析双 积分的系统结构特点和其结构中的非理想特性，对双积分中的各个模块进行分析、设计和优化。对于模拟部分，根据性能指标要求，通 过对的误差分析，得到了运放的增益和带宽约束。数字方面，与 传统时序逻辑器件相比，采用了简洁的元件组合来实现逻辑功能， 节省了芯片面积和功耗。本设计已流片，文章在此基础上介绍了实际芯片的应用及简单测试结果，并在应用上对重要注意事项进行了分析说明，最后得出了结论。本论文是设计理论与实践相结合的一次有价值的尝试，对于应用在测试和测量领域的高精度中低速模数转换器的研究具有一定的参考意义。关键词：模数转换器，双积分，运算放大器，数字控制逻辑西，勰，疵，：，独创性声明本人
3、声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意躲衅醐。中月加日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编
4、学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：导师签名：弓长五牛期：匀年午月第一章绪论发展概述的发展历史第一章绪论（模数转换器）的出现起源于模拟信号与数字信号之间的传递和处理。自上世纪年代末期，电话的出现引起了人们对编码调制的研究。然而直到上世纪年代，高速数字计算机、航空设备和导弹遥感勘测系统等的出现才引起了人们对的关注【】。从年代中期开始，构成的基本功能单元电路已逐步实现集成化，所以就由一些基本的功能单元块外加一些必要的元件来组装，代替了完全由分立元件、器件组装的方法，在一定程度上简化了组装结构【。无论是完全由分立元件组装的还是由集成电路单元外加分立元件、器件组装的都称为组件型。在由
5、集成电路单元加分立元件、器件组装的发展的同时，出现了混合集成电路转换器。与其它混合型模拟集成电路一样，混合集成转换器是把分立的晶体管粘贴在绝缘衬底上，在经过薄膜或厚膜技术，在同一绝缘衬底上制作电阻、 电容和金属互连线，从而构成具有完整功能的转换器【 】。随着集成工艺的日臻成熟和转换器结构设计的不断发展，混合型集成和所包含的集成电路的比重也逐渐上升。开始时，转换器中所包含的器件都是分立的晶体管，元件几乎全部采用薄膜或厚膜工艺制作。后来逐渐引入了单片集成运算放大器等集成电路。接着， 单片低位集成化转换器被引入到混合型集成高位和的设计中。年 诞生了第一块单片式高位集成化，标志着集成和进入了工业化的新
6、阶段【 】。此后在国 际上，集成和几乎以与微处理相同的速度发展。因此，不久以后，单片式和就成为转换器发展的主流。单片式集成和的出现，反映了集成工艺和半导体技术的进步【】。然而另一方面，由于单片式集成转换器的优越性，更激起了人们对它进一步探索的热情，从而大大促进了集成工艺和半导体技术的纵向发展。特别是集成和内部，既含有模拟集成电路，又含有数字集成电路，因此通过单片式集成和的制作，在设计技巧以及工艺技术方面，使模拟和数字集成电路彼此融合电子科技大学硕士学位论文在一起，为模 拟和数字系统的进一步结合开创了良好的先例。随着的出现，将作为一个单独的模块 集成到数字系统电路中已经逐渐成为一个趋势，但是将模
7、拟与数字电路相组合使得电路的设计和仿真更加复杂。对于数模混合 电路的设计而言，整个 设计的工艺技术要满足数字性能的最佳要求是十分自然的。同时， 为了减少整个系统的功耗，模 拟电路和数字电路应尽可能在同一电压下工作。将工艺应用于集成 电路设计是一个巨大的 进步，相比于 传统的双极型工艺，工艺具有低成本、低功耗和高集成度的特点，加上艺的器件尺寸可以按比例缩小，而尺寸的缩小也不断提高了器件的速度，对于深亚微米的工艺更是如此，这就使得技 术逐渐在模拟电路中占据主导地位。随着工艺的不断 发展和进步，技术已被证明是实现的最佳选择。目前根据的分辨率、转换速率以及功耗等指标，大致可将划分为积分型、逐次逼近型、
8、流水线型、闪烁型以及型。的应用随着计算机技术、通信技术和微电子技术的高速发展，信息技术已渗透到军事、民用领域的各个角落。高速、高分辨率和已经成为现代先进的电子设备或电子系统中不可或缺的重要组成部分。它广泛应用于雷达、声纳、高分辨率视频和图像显示、 军事和医疗成像、高性能的控制器与传感器、数字化仪表、各种检测控制系统以及包括无线电话和基站接收机在内的数字通讯系统等领域，】以通信领域为例：进入世纪后，第三代移动通信将对语音、图像、数据等多媒体提供比第一代、第二代更优的服务， 这就对模拟电路提出更宽频带和更大动态范围要求【】。 对于 转换而言，也就是更高的转换速率和更低的系统噪声。现在，第三代通信已
9、经成为高速、高分辨率、低功耗、低成本 发展的主要推动力。目前己有为第三代通信而研发的采样频率达到的。这种的输入采样保持放大器具有超过的带宽【们。研究的目的及意义在以上列举的几类中，积分型中的双积分应用非常广泛。它主要由个带有输入切换开关的模拟积分器、个比 较器和个计数单元构成，通第一章绪论过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。与此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现 转换。积分型两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定，因此所得到的表达式与时钟频率无关，其转换精度只取决于参考电压。此外，由于输入端采用了积分器，所以对交流噪声的干扰有很强的
10、抑制能力：能够抑制高频噪声和固定的低频干扰（如或），适合在嘈杂的工业环境中使用。这类分辨率高，可达位，还具有功耗低、成本低等特点。大量 应用于低速、精密测量等领域，如 现有工业、民用 仪器仪表中。本文所做的工作本文分析了双积分系统的组成及实现原理，理解系统的各项性能指标，研究分析了各种系统架构的特点并确定了系统结构。设计了一款四位半（相当于位精度）双积分芯片，并在电源、金属栅工艺下进行了流片。从系统分析、电路设计与仿真、版 图绘制到芯片的 测试的各个部分都给出了较为详细的论述。在 电路设计方面，包括了的模拟部分的设计与仿真和数字部分的逻辑验证。其中，模 拟部分的电路设计直接决定了整个系统的性能
11、好坏，是设计 的重点内容。仿真工具采用了环境下的仿真器。具体章节安排如下：第二章主要介绍了中几种常用的类型以及常用的术语。其中重点介绍了双积分的工作原理。第三章重点介绍积分型中模拟部分各模块的设计，包括缓冲器、积分器、比较器以及传输门开关，并给出了实现电路以及仿真结果。该部分的设计是整个是否能达到优良性能的关键。第四章将要介绍数字部分的实现，包括如何通过模拟部分传输过来的信号来控制模拟开关使系统能够正常工作。主要涉及输入逻辑、移位计数以及多路复用输出等。第五章给出了芯片的版图、实际芯片的应用和部分测试结果，对测试结果进行了分析说明。第六章对本论文所作的工作进行了总结和展望，找出设计中的不足之处
12、，以便能够继续后续工作。电子科技大学硕士学位论文常用术语第二章的体系结 构系统的原理及其结构都比较复杂，因此所涉及的术语比较多，本小节将介绍一些常用术语【，。（）位“位是指二进制的一位，即。位指转换结果 为位二进制数。（）最低有效位最低有效位（）指二进制数中权最小的位。在位二进制数中，对应的模拟输入量是满度范围（通常等于参考电压）的，也就是量化单位。在某些场合常把对应 的模拟输入量简称。（）分辨率分辨率是指在转换中所能分辨的最小量，习惯上用转换结果的位数表示。例如：称位具有位分辨率。分辨率有时也用最低有效位的步 长来表示，例如：把位的分辨率说成或。（）单极性、双极性方式，当的模拟输入电压只允许
13、为正电压或负电压，即为单极性方式，转换结果用无符号的二进制数表示。当的模拟输入电压既可为正电压，又可为负电压时，即为双极性方式，转换结果常用二进制偏移码表示。（）满度范围（量程）满度范围、量程、输入范 围、输入量程均指模拟输入量的最大允许值与最小允许值之差，英文 缩写为。（）量化误差量化误差是模拟输入量在量化取整过程中所引起的误差，又称量化不确定度。量化误差是固有的，其大小与分辨率直接相关，通常为模拟输入量。（）量化噪声当输入一个线性增加的模拟电压时，其输出的数字量是一个逐步增长的阶梯。如果用一个理想数模转换器（简称）把输出的数字量恢复成模拟电压，第二章的体系结构这个模拟电压与的模拟输入电压之
14、间存在误差电压，该误差电压有效值即为量化噪声。（）零位误差（失 调）（）零位误差又称为输入失调，为实际模数转换曲线中数字的代码中点与理想模数转换曲线中数字代码中点的最大偏差。大多数可以通过外部电路调整，使零位误差减，接近零。当工作在单极性方式时，从数字到数字的变迁应发生在模拟输入电压处，实际变迁点与这个理想变迁点的偏差称为单极性失调。当工作在双极性方式时，从数字到数字的变迁应发生在模拟输入电压处，实际变迁点与这个理想变迁点的偏差称为双极性零位误差。（）增益误差增益误差指实际在量程内的最后一次变迁与第一次变迁对应的模拟输入量之差与理想值之间的偏差，通常用该偏差值相对于满度范围的百分比，也常用的倍
15、率表示。增益误差也可以定义为模数转换特性曲线的实际斜率与理想斜率之间的偏差。多数可以通过外部电路的调整，使增益误差减小到接近零。（）微分线性误差（）的实际代码宽度与理想代码宽度之间的最大偏差称为微分线性误差，常简称为微分非线性，以为单位。微分 线性误差也常用无失码分辨率来表示。（）积分线性误差（）积分线性误差常简称为积分非线性。理想的模数转换曲线的代码中点的连线是一条直线，实际模数转换曲线的代码中点与这条直线之间的最大偏差就是积分线性误差。（）精度产生各输出代码所需的模拟量（严格地说指该代码中点值）的实际值与理论值之差的最大值称为精度。精度是零位误差、增益误差、积分线性误差、微分 线性误差、温
16、度漂移等综合因素引起的总误差。精度可以用的倍率表示，也可以用相对于满刻度范围的百分比表示。由于通过外部电路的调整可以减小零位误差和增益误差，但通常无法减小积分线性误差和微分线性误差，因此，积分线性误差和微分线性误差是影响转换精度的主要因素。一般来说分辨率高的，精度也比较高，但并非总是一致的。精度是指转换器实际值与理论值之间的偏差，而分辨率是指对相邻数值加以区分的能力。有时候对信号处理的精度要求并不高，但所处理的信号动态范围很宽，那么一种高电子科技大学硕士学位论文分辨率，而精度不很高的是十分合适的，因为它的价格比既高分辨率又高精度的低很多。（）转换时间和转换速率完成一次转换所需要的时间称为转换时
17、间（模数转换从启动到结束所用的时间）。对 于大多数来说， 转换时间的倒数即 为转换速率（每秒转换次数），但对于采样来说，转换速率应为转换时间和采样保持所需时间之和的倒数。（）信噪比（）信噪比指输出端的信号与噪声之比，通常用表示，记作或。其中信号指基波分量的有效值，噪声指频率下全部非基波分量，但不包括直流分量的总有效值。对于理想来说，噪声主要来自量化噪声， 对于正弦输入信号，信噪比的理论值为：（）（一）其中为的位数。现阶段主要简介的发展趋势像普通模拟集成电路（）的发展趋势一样向高速、高精度和低功耗发展。 对的电路结构设计来说，提高速度，自然要牺牲分辨率和功耗；提高精度或分辨率，要牺牲转换速度和功
18、耗；降低功耗，则要相应降低速度和分辨率【】。因此，的速度、精度和功耗（）三者之间是相互矛盾、相互制约的。在系 统应用中，如何选择适当类型和技术指标的，即如何对进行权衡，必 须从的电路结构入手。另一方面，在对高速的电路进行设计时，如何对其进行权衡又依 赖于制造工艺的参数匹配。下面介绍几种现阶段主要的在速度、精度和功耗之间分别占有什么优势。积分型积分型中最常用的是双积分，双斜（）。如图 所示为双积分的结构框图。第二章的体系结构图双积分的 结构这种结构的主要优点是消除了转换过程对斜率的线性度的依赖。最初，。等于，输入被采 样并保持（在这种方法里，吃必须是正的）。转换过程从复位正积分器开始，它对一个正
19、电压（没有表示出来）进行积分直到积分器的输出等于比较器的阈值电压。接着开关闭合，屹在唧个时钟周期内进行积分。图给出了转换过程。可以看到处的电压斜率和二的幅度成比例。在时电压（）的值为：。（）脚吃出。（）吃（）其中，丁是时钟 周期。在。 计数结束时， 计数器的进位输出被送到开关，并使一被送到积分器。因为是一个常数，所以积分器开始按照固定的斜率进行负积分。当 。（）小于吃时，计数器停止，二进制数被转换成码字。这可以通过分析。（）等于圪来验证。在乞时积分器的电压为：（乞）（）珥 （一），）将式（）代入式（）得：尺舡，卜髓以（由式（）可以求出 。为： ， （）电子科技大学硕士学位论文两二刀菇芦么兰 心
20、丌图双积分转换过程的波形可以看出叫是。肌的一部分，它与屹和 的比值有关。与比较器的阈值电压、积分器的斜率或 时钟速率无关，因此它是一种非常精确的转换方法。关于本文中的双积分型的工作原理更详细的讨论将在后文给出。逐次逼近型顾名思义，逐次逼近（）型实质上是一种二进制搜索算法。尽管实现逐次逼近式的方式千差万别，但其基本结构非常简单，】，如 图所示。图逐次逼近结构图这种转换器包括一个比较器、一个和数字控制逻辑。数字控制逻辑的作用是：根据比较器的输出，顺序地决定每一位的值。为了说明转换过程，假设转换器是单极性的。 转换周期从对需要转换的模拟输入信号采样开始。接着，数字控制电路假设是，所有其它位都是。这个
21、码字被加到上，将产生一个圪的模拟信号。然后用此信号和采样的模拟输入：进行比较。如果比较器输出高电平， 则数字控制逻辑将置为。如果比 较器输出低电平，则第二章的体系结构数字控制逻辑将置 为。这就完成了逐次逼近的第一步。 这时的值已经得到。然后 “猜测”次高位为，其余位 为，并和已知的为组成码字再次加到上，再次将输入的采样信号与加上了这个码字的的输出进行比较。如果比较 器为高电平，则证明第二位是。如果比 较器是低电平则证明第二位是。这个过 程以此方式 进行直到码字的所有位都被逐次逼近所确定。流水线型流水线（）型的基本思想是将总体上 转换精度平均分配到每一级，再将每一级的转换结果进行合并，就可以得到
22、最终的转换结果【，】。如图所示。虽然从输 入信号的开始处理到输入信号被完全转换需要一段延迟时间，但是由于每级之间都采用了采样保持电路对输入信号进行保持，并且在各级信号输出之后对结果进行存储和延迟，这就保证了流水线结构的在各个时钟周期每级都可以同时进行信号转换，从而使在每个时钟周期都可以输出一组转换结果。叫，卜叫乱沾弋、啪图流水线系统框图从上图可以看出，流水线的每一级结构完全相同，功能完全一致，都是由采样保持电路、子、子和 级间增益电路组成，高度的模块化有利于流水线的具体实现，使得设计者的负担大大减轻【们。 对于每一级内部而言，输入的模拟信号经采样保持电路后，在保持周期，由子 对保持信号进行量化
23、，得到校正前的比特数字信号。然后用采样保持电路保持的模拟输入信号减去由子将比特数字结果转换为模拟量得到差值信号，将此差值信号放大，送入下一级作为下一级的输入信号。在 级流水线结构中，这样的过程将重复次。为了克服采样保持电路和各级子的内部失调误差以及各种非线性误差，需要采电子科技大学硕士学位论文用数字校正技术进行校正。闪烁型闪烁（）型是 转换速度最快的一类。 图给出了一个位闪烁型的一个例子。如图所示，圪被划分为个值。每个 值都连到一个比较器的同相端。比较器的输出被送至一个数字编码网络，确定数字输出码。例如，如果形：为圪，则上面两个比较器的输出为，下面个为。数字编码网络识别出为对应的数字 码。这种
24、结构的主要优点是直接全并行转换，速度最快，因为在一个周期内完成转换。缺点是需要个比较器，导致管芯面 积增大和功耗增加限制集成度的提高。因此，仅当分辨率不大于位时才能采用这种结构。砺图三位闪烁型系 统框 图型传统的过采样转换器被普遍用于带宽限制在大约的数字音频应用中。近来一些过采样转换器能够达的带宽，分辨率在位至位，这通常有一个高阶调制器（阶或更高）配合一个多位 转换器和多位反馈转换器构成【。此类转换器具有一个先天的优势，即不需要特别的微调与校准，即使分辨率达到位至位，它们也不需要在模拟输入端增加快速滚降的抗混叠滤波器，因为采样速率要比有效带宽高的多。此转换器的采样特性还可以用来“平滑模拟第二章
25、的体系结构输入中的任何噪声系统。然而， 过采样转换器要以速率换取分辨率。由于产生一个最终采样需要采样很多次（至少是倍，一般会更多），这就要求调制器内部模拟电路的工作速率要比最终的数据速率快得多。此外，数字抽取滤波器的设计也是一个挑战，并要消耗很多硅片面积。短期内，速度最高的高分辨率的过采样转换器的带宽将不可能高出几很多。各类性能比较如前所述，的性能指标有很多，但其中最关键的指标还是分辨率和转换速度。而在保证这两个指标的基础上，降低功耗也是重要的性能指标要求。表主要从分辩率、 转换速度、功耗及价格等方面 对现阶段主要的作了比较【。表各类性能比较芯片的系统规划本论文的目的是设计一个高精度四位半双
26、积分芯片，即 显示读数范围是，。主要的功能特性包括：、每次转换之前，内部电路都自动进行调零操作，具有自动极性转换。、输入时钟频 率，每个测量周期包含个 时钟，因此转换速率约为次。电子科技大学硕士学位论文、满量程在 个字（约）范围内，相当于位二进制数，转换精度高。、对输入模 拟信号有过 （欠）量程标志输出，零点在常温下长期稳定。、输出为动态扫 描码，对外提供六个输入输出控制信号。、采用电 源供电，外部提供基准电压。模拟部分系统结构模拟部分由开关、缓冲器、积分器和比较器组成。具体电路系统框图如图所示。图模拟部分系统框图为了说明芯片的模拟部分工作过程【，具体可以分解为四个阶段：自动校零阶段（）、信号
27、积分阶段（）、解积分阶段（）以及积分器回零阶段（）。下面依次介绍这四个阶段的详细工作情况。（）自动校零阶 段（）如图所示，正常工作下 该阶段维持个时钟，但当读数溢出后的下一个周期内该阶段会缩短为个时钟。在该阶段内，内部输入信号高低端和与引脚断开，并与模拟地（）相连接，同时基准电压（）对基准电容（）进行充电，此时比较器的输出被反接到积分放大器的负输入端形成一个闭环通路，这就迫使自动调零电容（）被充电至所需要的吣一删第二章的体系结构电压，该电压 正好抵消了缓冲器、 积分器和比较器三个放大器的失调电压。在以后的各阶段中，相当于一个模拟存储器用于保持失调为零所需的电压。至此，自动调零精度基本上只受系统
28、噪声的限制。啊州艇图阶段的 电路连接图（）信号积分阶 段（）如图所示，该阶段在固定个 时钟周期内 积分。在自动校零阶段结束时，自校零环 被打开，内部和被连接至外部引脚来接收外来的信号。在固定的时间周期内，这两端的差分信号被积分。差分信号必须在片子的测量范围之内，否则 就会溢出，从而跳过后面两个阶段。在 该阶段末， 积分电容上的电压正比于差分信号和积分时间的乘积。同时积分电压的极性被存入到极性触发器（）内。啊、铀矸 ：图阶段的 电路连接图（）反积分阶段（ ）如前所述，该阶 段是对基准电压进行反积分。 积分时间随输入信号大小而变化，表达式为 ：电子科技大学硕士学位论文急协，如图所示，在该阶段，和被
29、重新从外部引脚上断开，积分器的正向输入端连接到模拟地，端和模拟地短接以便输出正确的共模电压。连接到先前已充 电 的呵上，所 记录的输入信号的极性用来选择是接电容正端还是负端，从而保证积分器的输出极性从新回到零点。因为常数，所以积分器开始按照一固定的斜率进行反积分。输出返回至零点所需的时间正好正比于输入信号的幅度。满度或最大转换值发生在：时。图阶段电路连接图（）积分器回零 阶段（）如图所示，在该阶段，内部依然短接到，比较器输出接到缓冲器输入形成一个内部反馈环，使积分器输出回到零。通常该阶段需要个时钟脉冲，但是若输入信号过大出现溢出时，时钟脉冲将会增加到个。图阶段 电路连接图从以上的分析中可知一个
30、周期中各个阶段的用时情况，并很容易的知道积分器的输出波形。如 图所示，该图更加明确地 说明了个阶段的工作情况。第二章的体系结构嚣盛军竹巾器：器擘时钟墨要器。个时钟篓磐。图理想工作下输入负模拟信号时积分器的输入波形自动校零技术原理上节提到了自动校零技术【，本节将详细讨论自动校零技术的原理。众所周知，输入失调电压是影响系统精度的关键因素。虽然恰当的设计可以消除系统失调（但仍受工艺变化的影响），但随机失调仍然存在且不可预测。幸运的是，技术中的失调消除技术可以去除大部分输入失调的影响。因为晶体管输入电阻近似于无穷大，所以在中可以运用这些技术。这一特性允许在晶体管的栅极长期存储电压。所以，失 调电压可以
31、测量并存储在电容中，然后与输入相加以消除。图给出了自动校零技术的原理图。包含输入失调电压的比较器的模型如图（）。为方便起 见，给失调电压加上极性。然而在现实中，失调电压的极性和数值都不能确定。图（）给出了连接成单位增益的比较器结构，这样，输入失调就出现在输出端。为了使电路正常工作，必须使比较器在单位增益结构下稳定。这说 明只有自补偿高增益放大器适合于自动校零。可以使用两级开环比较器，但是在自动校零时要加入补偿电路。在最后的自动校零运算操作中，置于比较器的输入端与串联。加电压到上，使加在比较器同相输入的电压为。因为没有直流通路对自动校零电容进行放电，所以其电压得以保持（理想状况下）。事实上。存在
32、与并联的泄露通路，会在定周期内对电容放电。解决这个问题的方法是周期性地重复自动校零过程。电子科技大学硕士学位论文（）（）（）图（）包含失调的比较器模型；（）在前半个自校零周期内上存储失调的单位增益比较器；（）在后半个自校零周期内在同向输入端抵消失调的开环结构比较器上文提到，在阶段电路完成自动校零功能，即是将 缓 冲器、 积分器、比较器的失调和低频噪声存储在电容上以消除它们对系统的影响。消除失调的原理如图所示。图一电路消除失 调的原理图圪。彳（一）圪卜（），其中，是积分器的低频开环增益， 则存储在电容和电容上的失调为：吃一圪一彳（）一匕：一。一（）当整个电路在进行积分和反积分时存储在电容上的失调
33、电压就可以抵消缓冲器、积分器、比较器本身存在的失调，从而 让失调对 系统几乎没有影响。第二章的体系结构而存储在烈电容上的失调电压由于是一个低频电压，不管积分还是反积分它都在这个电容上，并且 这个电压不大，所以 对我们的积分和反积分没有影响。电子科技大学硕士学位论文第三章模拟部分的设计运放的实现运放的性能参数运算放大器（简称运放）是许多模拟系统和混合信号系统中的一个完整部分。大量的具有不同复杂程度的运放被用来实现各种功能：从直流偏置的产生到高速放大或滤波。伴随着每一代工艺，由于电源电压和晶体管沟道长度的减小，为运放的设计不断提出复杂的课题。常用的运放分为单端输出和全差分输出两类。全差分运放与单端
34、输出运放相比有较多的优点【丌，它能提供更大的输出电压摆幅，而且不易受到共模噪声的影响。同样，偶数阶非线性没有出现在电路的差分输出中。 这种全差分运放的一个缺点是需要两个相匹配的反馈网络和共模反馈电路去控制共模输出电压，因此电路将比单端运放更加复杂。本论文中结合实际情况选用的放大器均为单端输出运放，在此主要介绍单端运放的常用性能指标。（）增益运放的开环增益确定了使用运放的反馈系统的精度。所要求的增益根据应用可以有四个数量级的变化。如果综合考虑速度与输出电压摆幅这一类参数，则必须知道所需要的最小增益。（）单位增益带宽 运放的高频特性在许多应用中起重要作用。当频率增加时，开环增益开始下降，当输出端电
35、压增益下降所 对应的信号频率称作 单位增益带宽。单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦小信号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积，换句话说，就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增益后，可以计算出单位增益带宽，用以选择合适的运放。（）噪声与失调 运放的输入噪声和失调确定了能被合理处理的最小信号电平。在常用的运放电路中，许多器件由于必须用大的尺寸或大的偏置电流都会引起噪声和失调。管子间适配导致放大器的非零输入失调电压。输入失调电压是用来驱动输出为零的第三章模拟部分的设计差分输入电压。运放的 输入失调电压一般 为。（）输入共模范围输入共模范围是指直流的共模输入电压范围，
36、对此，在运放的第一级的所有晶体管都工作在正向放大区。（）共模抑制比共模抑制比被定义为运放的差模增益与共模增益的比值。因为使用运放的目的就是抑制共模输出，放大差模输出。所以共模抑制比应越大越好。（）电源抑制比在实际中电源电压并不是恒定的，而是存在微小的波动，在精密应用场合可能不能忽略该微小波动对输出电压的影响。电源抑制比就反映了这一影响，定义为差模增益除以正或负电源增益。（）输出阻抗输出阻抗定义为，运放工作在线性区时，两 输入端的电压变化量与对应的电流变化量的比值。在低 频时仅指运放的输出电阻。（）输 出电压摆幅使用运放的多数系统要求大的电压摆幅以适应大范围的信号值，而增大输出摆幅往往可以采用全
37、差分输出，实际设计中要根据器件尺寸、偏置电流、速度等进行折中考虑。达到大 摆幅是当今运放设计中一个重要指标。（）摆率运放转换速率定义为：运放接成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。由于在转换期间，运放的输 入级处于开关状态，所以运放的反馈回路不起作用，也就是转换速率与闭环增益无关。 转换速率对于大信号处理是一个很重要的指标。一般来说，摆率不受输出级限制，而是由第一级的源漏电流容量决定【引。（）建立时间建立时间定义为：在额定的负载时，运放的闭环增益为倍条件下，将一个阶跃大信号输入到运放的输入端，使运放输出由增加到某一给定值的所需要的时间
38、。由于是 阶跃大信号输入， 输出信号达到给定值后会出现一定抖动，这个抖动时间称为稳定时间。稳定时间上升时间建立时间。对于不同的输出精度，稳定时间有较大差别，精度越高， 稳定时间越长。建立 时间是一个很重要的指标，用于大信号处理中运放选型。本文中所涉及的运放都是运用于缓冲器、积分器和比较器等模块，设计该系电子科技大学硕士学位论文统时往往只需要满足其中的几个指标就足够了，因此，在后续仿真中只给出了部分仿真参数。运放性能对系统的影响双积分模数转换器的重点就是其内部的积分器，而积分器的性能当然要看运放。还有，系统中起隔离作用的 缓冲器也对系统的性能有影响。下面在讨论运放的性能时都分别对积分器和缓冲器进行了讨论。一、运放增益对系统的
