流水線ADC的行為級(jí)仿真

摘要：行為級(jí)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(jí)模型是進(jìn)行行為級(jí)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(jí)模型并進(jìn)行仿真。為驗(yàn)證提出模型的精度，以一個(gè)7位流水線ADC為例，分別進(jìn)行了電路級(jí)與行為級(jí)的仿真，并做了對(duì)比。結(jié)果表明這樣構(gòu)建的行為級(jí)模型能較好地反映實(shí)際電路的特性，同時(shí)仿真時(shí)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(jí)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(lài)于電路仿真，但用通常的電路仿真工具對(duì)ADC作晶體管級(jí)仿真需要耗費(fèi)大量的時(shí)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(jí)模型進(jìn)行行為級(jí)的仿真優(yōu)化，再在電路級(jí)進(jìn)行具體電路設(shè)計(jì)，以縮短整體設(shè)計(jì)時(shí)間的方法。MATLAB／Simulink、VHDL-AMS與Verilog-AMS等工具與語(yǔ)言及相應(yīng)仿真軟件為實(shí)現(xiàn)這類(lèi)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(jí)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(jiàn)非理想特性的環(huán)節(jié)構(gòu)成的，對(duì)電路的非線性效應(yīng)或高階動(dòng)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(gè)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(jià)于一個(gè)開(kāi)環(huán)的運(yùn)放，因此運(yùn)放模型的精度基本決定了整個(gè)ADC行為仿真的精度。文中對(duì)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(jí)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(gè)7位流水線ADC的結(jié)構(gòu)及其行為級(jí)模型，然后給出行為仿真的結(jié)果及與電路級(jí)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(shí)消耗的仿真時(shí)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(hào)電路的高層仿真中，運(yùn)算放大器通常被等效成一個(gè)以受控電源為基礎(chǔ)，加上對(duì)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(gè)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(méi)有考慮運(yùn)放的非線性，也沒(méi)有考慮運(yùn)放的高階動(dòng)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(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致較明顯的誤差。事實(shí)上，閉環(huán)運(yùn)放在階躍信號(hào)作用下建立時(shí)間的準(zhǔn)確分析必須考慮非線性與線性兩個(gè)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(guò)簡(jiǎn)化得到的，最初是針對(duì)雙極型運(yùn)放的，后來(lái)被推廣到MOS運(yùn)放，也包括輸入級(jí)、中間級(jí)與輸出級(jí)，可重現(xiàn)運(yùn)放的幾乎所有特性指標(biāo)。輸入級(jí)由一對(duì)差分對(duì)構(gòu)成，可模擬運(yùn)放的失調(diào)電壓／電流、共模特性，中間級(jí)與輸出級(jí)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(jí)還包括幾個(gè)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(duì)上述模型做了簡(jiǎn)化，將原模型中的輸人級(jí)差分對(duì)用一個(gè)非線性受控源表示并與中間級(jí)合并，帶二極管限幅的輸出級(jí)用一個(gè)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(jí)運(yùn)放的補(bǔ)償電容，I0、I1分別對(duì)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(lái)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(jiàn)的運(yùn)放非理想特性，也包括了放大器的非線性及兩階動(dòng)態(tài)效應(yīng)。

2 流水線ADC的行為模型
    文中討論的流水線ADC結(jié)構(gòu)如圖2所示，由采樣保持電路(S／H)、子模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路和MDAC構(gòu)成。其中每一級(jí)輸出1．5 bit數(shù)字位，經(jīng)過(guò)數(shù)字校正電路(其中0．5 bit用于數(shù)字校正)。最后每級(jí)實(shí)際只有1 bit有效位輸出。下面介紹各部分的行為模型。

    1)采樣保持電路
    采樣保持電路基本電路圖如圖3所示，其主要有開(kāi)關(guān)、電容和運(yùn)算放大器組成。用圖1中的運(yùn)放模型替代電路中的運(yùn)算放大器，就得到采樣保持電路的行為級(jí)模型。

    2)比較器
    流水線ADC的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器是由若干比較器組成的并行模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。這些比較器采用的是相對(duì)速度較高的高速比較器，一般由一級(jí)或多級(jí)預(yù)放大器，再接一個(gè)鎖存比較器構(gòu)成。通過(guò)前置預(yù)放大器的增益可降低鎖存器的失調(diào)電壓，快速建立鎖存器的輸入。圖4是比較器的模型，其主要有非線性壓控電流源、等效輸出電阻和電容組成。其中非線性壓控電流源與圖1相似，電阻R與電容C主要模擬比較器的輸出電壓與響應(yīng)時(shí)間。

    3)MDAC
    與前面采樣保持電路類(lèi)似，MDAC電路采用的也是開(kāi)關(guān)電容電路，主要由運(yùn)放、開(kāi)關(guān)、電容構(gòu)成。MDAC電路主要實(shí)現(xiàn)殘差放大功能，其電路如圖5所示(這里指1．5位／級(jí))：

    當(dāng)K1閉合，K2斷開(kāi)時(shí)，電路處于采樣階段，反過(guò)來(lái)，當(dāng)K1斷開(kāi)，K2閉合時(shí)，電路處于余量放大階段。在理想狀態(tài)下，由電荷守恒定理可得：
   
    其中是連接到參考電壓上所有電容的總和。當(dāng)電容相等時(shí)，由上述等式可以得出輸出是等于2倍的輸入與參考電壓的和差，也就實(shí)現(xiàn)殘差放大的功能。
    由于MDAC電路與采樣保持電路都是采用開(kāi)關(guān)電容電路，因此建立的模型也相似，主要是對(duì)運(yùn)放進(jìn)行建模，建模模式可以如圖1所示。

3 仿真結(jié)果
    為了驗(yàn)證所上述ADC行為模型的準(zhǔn)確性，用Hspice，對(duì)一個(gè)7 bit，采樣率17 MHz的流水線ADC電路分別作了行為級(jí)與電路級(jí)仿真。在ADC輸入加一個(gè)幅度為1 V，頻率為1MHz的正弦信號(hào)。圖6是采樣-保持電路在1／4個(gè)周期的輸出，可以看出行為級(jí)仿真的輸出波形與電路級(jí)仿真的輸出十分接近。圖7是將最后得到的數(shù)字信號(hào)通過(guò)Fourier變換后得到信號(hào)頻譜圖(左圖為電路輸出，右圖為模型輸出)，表1給出了根據(jù)信號(hào)頻譜計(jì)算的ADC性能指標(biāo)，可見(jiàn)行為級(jí)仿真的結(jié)果與電路級(jí)的結(jié)果也同樣十分接近，說(shuō)明本文的采用行為仿真模型具有較高精度。

4 結(jié)論
    行為級(jí)建模與仿真在模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)中起著相當(dāng)重要的作用。本文通過(guò)對(duì)流水線ADC各個(gè)模塊的分析，對(duì)其主要模塊建立了行為級(jí)模型，并通過(guò)電路與模型的仿真，得到仿真結(jié)果，從結(jié)果可以看出本文所設(shè)計(jì)模型具有較高的精確度，從而達(dá)到了本文研究的目的。