1、 基于 flash 型单片机二进制模数转换器的温度计解码器 摘要 ： 研究低耗、高速的 flash ADCs 型解码器 。我们用 ones-counter，深度为 4的折叠式的 Wallace-tree、以及基于 MUX 的译码器来仿真 ROM 译码器对于纠正泡沫错误的灵敏度。 ones-counter 和基于 MUX 的译码解码器，可以在 130 纳米 CMOS SOI技术下实现，适用于对误差要求不高和硬件高效的情况。 Ones-counter 和基于 MUX型的解码器测得 ENOB 的量产率都为 4.1 比特，能源消耗分别为 80PJ 和 60PJ。因此，我们得 出结论，基于 MUX 型的
2、解码器是在面积，效率，速度方面来说都不错的选择。 关键词 ： 温度计码到二进制 flash ADCs 转换器 I.简介 通常只有四到六个比特的高速模数转换才能应用硬盘驱动器里超宽带无线电和硬盘读通道。 flash 模拟信号到数字信号转换器（ ADC）的系统架构通常可以将模拟信号输入转换为 2 进制输出（转换式为 12 N ），其中 N 是输出的位数，由数字解码器跟踪得到的。 比较器通过把输入与梯形电阻网络产生的量化参考电压 进行比较后在输出端输出逻辑电平。 从这一阶段的输出的测试图与温度计代码相对应，并随后由数字解码器转化为二进制代码，也就是温度计到二进制解码器。对于低速转换器来说，这种输入到
3、解码器确实是完善的温度计代码，但若用于高速在温度计代码中可能有一些二进制位错误，即所谓的气泡。该气泡的产生是有很多原因的，如亚稳态，偏移比较器的串扰，和带宽的限制，有效采样时刻的不确定性等。因此，解码器必须是能在高速转换器存在气泡错误的情况下正常工作。我们发现在设计高速转换器的时候必须再三考虑并且权衡解码器的功耗和吞吐量的要求。 这项研究 中，我们专注于设计低功耗的解码器和 6 位高速 ADCs。最终的目标是开发设计能在 CMOS 硅绝缘体上实现的高性能的模拟电路技术，这项工作是这个目标中的一部分。在第二部分我们已经研究了四种类型的温度计到二进制解码器的性能，在第三阶段通过行为级仿真阐述了解码
4、器对气泡误差的精确度。我们从中选择了两个已被实施 130nm CMOS SOI 技术的解码器。测量结果将在第四届部分展现。第五部分将会给出最终结论。 II.解码器 描述了四种不同类型的温度计码到二进制解码译码器。其中有两种是 ROM 式、折叠 Wallace tree 式计 码译码器，都只研究了行为级。 ones-counter 解码器和在基于 MUX 的解码器已经在两个硅基 CMOS 技术的 flash ADCs 上实现了。基于晶体管级仿真的结果和测量从而得到了结果。 A. ROM 温度计码编码的一个常见和简单的方法是使用格雷码或二进制编码的 ROM。利用有 m个输出比较器和 m+1 个反相
5、比较器输入的行编码器对格雷码编码器 ROM 的相应的 m行进行编码。 m行译码器的输出，连接到存储器的 m行，如果比较器 m的输出为高就是高，那比较器 m+ 1 的输出就是低的。行译码器可以被实现的，例如，大量的 2 输入与非门，每 个与非门两个输入中有一个是反相的。如果存在气泡错误会引起解码器在输出有很大的误差，这种类型的行译码器选择多行。当只考虑到单个气泡错误时，这些错误可以通过使用 3输入与非门来校正，如图 .1。 3 输入与非门可以除去间隔至少有三位的温度计刻度以上的所有气泡错误。 图 1 该 ROM 解码方法优点是结构设计简单。缺点是引起更多的泡沫误差、转换速度提高就需要更有效的气泡
6、纠错方案。当气泡的纠错电路的复杂性增加，它的传播延迟时间一般也会增加。如果没有采用流水线型解码器那传播延迟时间会变长会降低整体的最大采样率。增加电路的复杂 性会浪费更多的芯片资源、消耗更多的能量。 另一个泡沫误差抑制技术是蝶型排序技术中提出了 7。应用这种技术的气泡会在温度计的刻度向上传播，直到温度计码里完全没有气泡。然后 ROM 解码器将无气泡的温度计代码编码成二进制码。在 7蝶分拣机只能有八个级别。气泡如果距离它的转换高度太远就无法被去除。为了保证没有气泡将存在于输出的温度计码中深度蝶形排序拣机数目必须等于比较器的数目，即 12 N 。 B.ones-counter 二进制温度 计码解码器
7、的输出是对那些输入数的表述，例如，格雷码或二进制代码。因此，用一个电路统计温度计码的数量，也就是说， ones-counter 可以用作译码器 8。 使用 ones-counter 抑制了全局的泡沫误差 3， 6， 8。该方法的另一个好处是，合适的 ones-counter 拓扑结构可以通过压低速度来换取低功耗。从这种折衷的 Wallace tree 型拓扑 9，如图 2 所示，是可以作为高速转换器解码器的一个很好的候补 3， 6， 10。 图 2 在这项工作中，我们使用全加器（ FAs）型的树将 63 输入降低为 10 输出，如图 .3.所示，不同的信号路径通过相匹配的译码器，即每个信号经过
8、相同数量的全加器，其中每个输入到输出具有大致相同的传播延迟时间。信号通过解码器的传播延迟时间也因此大概都是一样的。通过 MATLAB 这个软件可以完成将 10 个输出转换到二进制值的译码。如何实现将树的深度限制为六将在下一节介绍，这样可以使 ADC更高速的运转。在一个通过采用流水线型解码器改进过的设计可以实现到二进制解码完整的输出。进一步优化每个 FA 的大小也可以在一定程度上提高性能。 C.折叠式 Wallace tree 型 在一个折叠的 flash ADC 中，这个方式是在不同的参考电压下使用相同的比较器为了节省硬件资源。这是图 4 中所示的折叠 Wallace tree 的译码器的思路
9、 6。Wallace tree 和延迟时间的大小取决于数被添加的比特数，即 Wallace tree 树的基级的宽度。这个想法是将比较器的输出拆分为不同的区间。他们被多路复用用来简化 Wallace tree 的解码器，这样与之前的整体相比就小多了 3。 1 个全加器可以从实现 3个 2： 1 多路复用器中的两个多路复用器在关键路径上。 图 3 图 4 D. 基于 MUX 的 多路复用器完全由多路转换器为基础的解码器组成的，如图 5 所示，其中 N=4位。它需要较少的硬件并具有比 ones-counter 译码器 3更短的关键路径， 5。此外，它还提供了对泡沫错误的抑制，虽然抑制效用是比 on
10、es-counter 译码器 5略低。基于多路复用器解码器的另一个优点是比其他的解码器有更加规整的结构，例如， ones-counter 解码器。这是电路的布局的一个主要的好处。在这项工作中MUX 的使用是在传输门电路的基础之上的。每个传输门电路需要采用反相器来缓冲。 III.行为级仿真 图 5 四种转换器的行为级仿真可以用来评价不同的拓扑结构对 ADC 性能的影响。由时钟信号与输入信号到每个比较器的时间差根据 ),0( tNt 建立高斯分布模型。 如果电路中没有使用采样保持电路，这种时间差是令人担心 的 ，但对于变换器分辨 率小于 6个比特的转换器来说这是可以接受的 12。比较器之间的定时差
11、不匹配会引起泡沫的错误。泡沫的错误对 ADC 的性能有显著的影响，例如，在有效位数计算（ ENOB）。解码器的性能因此能够比较通过绘制 ENOB 为标准偏差的 t 函数。 为了能够比较解码器的性能开发 MATLAB 模型。单信号正弦波输入的行为 级 仿真是假定的根据 )2s in(2 tfVV inFSin 。 输入是根据 VFS 假设是满量程电压。在输入的最大时间导数的近似是 FSininin VfdtdVtV m a x。 输入电压 inV 的采样的不确定性是因为定时差的影响。被采样的输入电压中的最大不确定性来自于高斯分布的噪声。 ),0( FSintin VfNV inV 的不确定性被添
12、加到模拟输入 inV 。因此，采样时间的不确定性被建模为一个偏移电压比较器的输入端，由（ 4）给出。这个模型用于 ADC 在瞬间的 MATLAB仿真与四不同的解码器，即 ROM 解码器 3输入与非门气泡纠错， ones-counter 解码器，基于 MUX 的解码器，以及 4 级折叠 Wallace tree 解码器。模拟结果如图 .6 所示。 图 .6 中 6位 ADC 的平均 ENOB 绘制为一个之间的定时差的标准偏差的函数时钟线和信号线，即 t 。如在图中可见的在基于 MUX 解码器的性能与 ROM 解码器用 3 输入与非门校正气泡错误是大致相同的。需要注意的是在基于 MUX 解码器中没
13、有特殊的泡沫误差校正电路。它还可以看出，图 .6 所示的三输入 与非门的 ones-counter译码器的 ENOB 的平均值作为 t 的一个函数， ones-counter 译码器的，基于 MUX 的译码器的，还有深度为 4的折叠式 Wallace tree 译码器。 图 6 IV.测量结果 通过构建行为模拟器 ,我们发现 ones-counter 解码器对泡沫错误的敏感性最低。和其他解码器相比，基于 MUX 构造的解码器脱颖而出。因为它的硬件成本最低，而且它对泡沫错误的敏感性比较高。因此，在基于 130 纳米工艺 CMOS 绝缘硅片 6bit 1GHz 模数转换器（ ADCs）中，我们选择
14、采用这两种解码器做为实施硬件。为了节省功率，我们避免在设计中采用一个取样保持的电流回路，而且没有对这些解码器采用流水线执行的方式。为了避免 ones-counter 解码器有过多的延迟，我们仅仅局部运行了加法器。因此，需要至少 6个全加器，通过在 MATLAB 里的后加工来代替剩余所需的解码器运算，并且它们对电源的消耗也是运算得来的。 .这两种芯片面积大小分别为： ones-counter 芯片的总面积为 4.1 2mm ,核心区域为 0.7 2mm ；基于 MUX 构造的模数转换器（ ADCs）芯片总面积为 2.9 2mm ，核心区域为 0.4 2mm 。 我们通过将单正弦信号输入给模数转换器（ ADC）来评估它的动态性能，通过对一系列输出频谱的分析来得到它的频谱方式。通过最大限度 地取样并且进行评估分析，我们首先得到频率，安全系数和最大值的结果。低频率（ 495 kHz）的正弦输入采样频率扫频范围从 7MHz 到采样频率 1 GHz 以上。但使用的测量设备只允许一些相对于时钟时间案例离散采样的输出，这样的话就可以将测量周期控制在一个周期内，而且这样也可以确保采样值和稳定的输出值保持一致性 。
