【正文】 ............................................................. 6 量化和編碼 ............................................................................................................ 7 A/D轉換器的類型 ........................................................................................................... 9 A/D轉換器的主要技術指標 ............................................................................................12 分辨率 ..................................................................................................................12 轉換誤差 ..............................................................................................................12 轉換時間 ..............................................................................................................12 四位 A/D轉換器的設計 ..................................................................................................13 比較器級 ..............................................................................................................13 編碼器 ..................................................................................................................16 D 觸發(fā)器 ...............................................................................................................26 AD 轉換器的整體電路的設計 .................................................................................29 四位 低功耗 A/D轉換器的 功耗測定與驗證 ......................................................................13 四位 A/D轉換器 的功耗測量 ..................................................................................13 四位低功耗 A/D轉換器 的功耗測量 ........................................................................13 對比驗證 ..............................................................................................................13 第 3 章 四位 AD 轉換器的版圖設計 ...........................................................................................33 ......................................................................................................33 ...............................................................................................34 比較器的版圖設計與驗證 .......................................................................................34 異或門、與門的版圖設計與驗證 ............................................................................37 或門的版圖設計與驗證 ..........................................................................................43 D 觸發(fā)器的版圖設計與驗證 .................................................................................46 ADC 總體版圖設計與驗證 ...................................................................................48 第 4 章 結 論 ...........................................................................................................................51 參考文獻 .....................................................................................................................................52 致 謝 .........................................................................................................................................53 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 （論文） 4 第 1 章 緒論 模數(shù)轉換電路的應用與發(fā)展 隨著數(shù)字技術，特別是計算機技術的飛速發(fā)展和普及，在現(xiàn)代控制，檢測及通信領域中，為提高系統(tǒng)的性能指標，對信號的處理廣泛采用了數(shù)字計算機技術。由于系統(tǒng)的實際對象往往是一些模擬量（如溫度，壓力，位移，圖象等），要使計算機或數(shù)字儀表識別，處理這些信號，必須首先將這些模擬信號轉換成數(shù)字信號； 同時， 經(jīng)過計算機分析，處理后輸出的數(shù)字信號也往往需要轉換成相應的模擬信號才能被執(zhí)行機構所接收。 所以就需要一個中間轉換電路來實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信 號之間的相互轉換，即： ADC。 它是 模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng) 接 口的關鍵部件 。把模擬信號轉換成數(shù)字信號稱為模 /數(shù)轉換，簡稱 A/D 轉換或 ADC（ Analog Digital Converter） 。 為了保證數(shù)據(jù)處理結果的準確性， A/D轉換器必須有足夠的轉換精度。同時，為了適應快速過程的控制和檢測的需要， A/D 轉換器還必須有足夠快的轉換速度。因此轉換精度和轉換速度乃是衡量 A/D性能優(yōu)劣的主要標志。 隨著數(shù)字技術的快速發(fā)展和應用領域越來越寬，使 ADC器件也相應獲得較快的發(fā)展與進步，這體現(xiàn)在對 ADC分辨率要求越來越高，采樣率要求 越來越快，功率消耗越來越低等方面。本次課題就要從功耗降低方面入手。 目前常用的 A/D 轉換器可分為直接 A/D 轉換器和間接 A/D 轉換器兩大類。在直接 A/D轉換器中，輸入的模擬信號直接被轉換成相應的數(shù)字信號；而在間接 A/D轉換器中，輸入的模擬信號首先被轉換成某種中間變量（例如時間，頻率等），然后再將這個中間變量轉換為輸出的數(shù)字信號。此外， A/D 轉換器數(shù)字量的輸出方式上也有并行輸出和串行輸出兩種類型。 集成電路的設計現(xiàn)已進入深亞微米階段。由于信息市場的需求和微電子自身的發(fā)展，引發(fā)了以微細加工（集成電路特征尺寸不斷縮 ?。橹饕卣鞯亩喾N工藝集成技術和面向應用的系統(tǒng)級芯片的發(fā)展。隨著半導體產(chǎn)業(yè)進入超深亞微米乃至納米加工時代，在單一集成電路芯片上就可以實現(xiàn)一個復雜的電子系統(tǒng)，諸如手機芯片、數(shù)字電視芯片、 DVD 芯片等。在未來幾年內(nèi)，上億個晶體管、幾千萬個邏輯門都可望在單一芯片上實現(xiàn)。因此這就需要更高水平的集成技術，同時要求有更高的性價比，這是不斷縮小半導體器件特征尺寸的動力源泉。所以到了 80年代 CMOS迅速成為超大規(guī)模集成 (VLSl)電路的主流技術，由于CMOS具有功耗低、輸入阻抗高、溫度穩(wěn)定性能好、抗干擾能力強、可靠性好 、集成密度高等特點，所以 CMOS已成為集成電路的主流工藝。 采用 CMOS工藝設計數(shù)據(jù)轉換器，有利于沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 （論文） 5 系統(tǒng)集成。雙極型工藝和 GaAs 等特殊工藝能做出轉換速率很快的數(shù)據(jù)轉換器，但是所需的工藝復雜，功耗很大，相對來說性價比低。這樣也給實際應用帶來了很大的限制，不能和其他數(shù)字電路系統(tǒng)集成在一塊芯片上。隨著 CMOS 工藝的日益成熟，我們可以把整個電路系統(tǒng)集成在同一塊芯片上。因此，電路的規(guī)模越來越大，電路設計也更加復雜。為了提高電路設計的可靠性，加快設計周期，降低設計成本，人們就希望除了能把簡單的電路做成標準單元外，還要求把 一些結構復雜的電路如數(shù)據(jù)轉換器做成宏單元，使之能嵌入整個電路系統(tǒng)中。 設計思路 在本課題的設計采用正向設計的方法。設計首先要從所要實現(xiàn)的功能規(guī)格等預定的目標入手。 ADC 由比較器和一個編碼器組成。 比較器用來輸入模擬信號 , 比較它和一個參考電壓的大小從而決定輸出是高或低的。然后，信號被轉換到編碼器的一個位元的特定位置，通過編碼器后，模擬信號被轉換成一個二進制信號。在 設計 AD轉換器中所用到的各種邏輯器件、各個單元電路的具體結構、以及最終完成整體設計后，要對其進行仿真分析，并且在驗證分析所設計原理電路圖 的正確性之后，要用 CADANCE軟件驗證所設計的各功能塊以及總體電路的功能并做分析，然后根據(jù)電路圖畫出各功能塊能整體電路的版圖，并對其進行 DRC， LVS驗證。 低功耗的驗證 在 本課題的 低功耗驗證方面，采用的是查閱相關資料和對比法共同驗證這個四位 ADC的功耗比較低的。即，查閱相關文獻和資料，確定四位 ADC的一般情況下消耗為多少，與本課題設計的相比較，再者，就是設計一個正常思路下的四位 ADC，測出功耗，與此課題的 ADC功耗相比較?？傮w上如果均低于正常水平，則課題成功。 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 （論文） 6 第 2 章 四位 AD 轉換器的 設計與仿真 AD 轉換器的原理 A/D 轉換器的作用是把模擬信號轉換為數(shù)字信號。整個 A/D 轉換過程通常包括采樣、保持、量化和編碼 4 個步驟。下面通過對這四個步驟的介紹說明 A/D轉換的原理。 采樣 由于 A/D 轉換過程需要一定的時間，因此，不能將連續(xù)變化的模擬信號在每一瞬間的值都變換成數(shù)字量，而需要對其進行采樣。采樣就是將時間上連續(xù)變化的模擬信號 x(t)轉換為時間上段續(xù)變化的模擬信號 Y(t)。取樣過程如圖 21 所示。圖 21(a)中輸入信號 x(t)經(jīng)過傳輸門 T 輸出。傳輸門受脈寬為 τ、周期為 TS的 取樣信號 S(t)控制。顯然，在脈沖 τ期間，傳輸門開啟，輸出信號 Y(t)即等于輸入信號 x(t)；而在 (T Sτ)期間，傳輸門關閉，輸出信號 Y(t)=0。這樣，每一個取樣周期取一個輸入信號 Y(t)的樣點，得到如圖 21（ b）所示的取樣輸出信號 Y(t) 。 為使取樣后的模擬電壓能反映被取樣的模擬電壓面貌，需滿足取樣定理。 取樣定理是：設取樣信號 S(t)的頻率為 fS，輸入信號的最高頻率為 fimax ,則只有當如式 21所示時，才能使輸出信號 Y(t)不失真地恢復為原始信號 x(t)。為了能較好地恢復原始信號x(t)，實 踐中常取 fS2fimax。 fS≥2fimax (21) 取樣和保持電路 取樣后的輸出須經(jīng)保持電路保持起來，也就是說，將取樣脈沖脈寬 τ 內(nèi)所取得的模擬信號暫時存貯起來，使其在兩次取樣的時間間隔 (T Sτ)內(nèi)保持不變，為后面的量化、編碼提供一個穩(wěn)定的值，也就是說， (TSτ)是供 A/D 變換（量化和編碼）所需的時間。 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 （論文）