流水线ADC的行为级仿真

摘要：行为级仿真是提高流水线(pipeline)ADC设计效率的重要手段。建立精确的行为级模型是进行行为级仿真的关键。本文采用基于电路宏模型技术的运算放大器模型，构建了流水线ADC的行为级模型并进行仿真。为验证提出模型的精度，以一个7位流水线ADC为例，分别进行了电路级与行为级的仿真，并做了对比。结果表明这样构建的行为级模型能较好地反映实际电路的特性，同时仿真时间大大缩短。
关键词：运算放大器；流水线ADC；行为模型；行为级仿真

模数转换器(A／D converter)是各种电子系统中得到广泛应用的一种基本电路，其性能的好坏最终影响着所设计系统的性能。分辨率高、转换速度快、性能优越的模数转换器一直是集成电路设计中最具挑战性的设计任务。由于ADC的关键部分是模拟的，因此其设计很大程度上依赖于电路仿真，但用通常的电路仿真工具对ADC作晶体管级仿真需要耗费大量的时间。为此人们采用数字集成电路层次式设计的思想，提出了先建立行为级模型进行行为级的仿真优化，再在电路级进行具体电路设计，以缩短整体设计时间的方法。MATLAB／Simulink、VHDL-AMS与Verilog-AMS等工具与语言及相应仿真软件为实现这类模拟-数字混合电路系统的行为仿真提供了实现手段。
行为级仿真的关键是仿真的精度，这主要又取决于各单元电路行为模型的精度。在以往文献中，各单元电路采用的模型一般是在基本功能模型中增添一些反映电路常见非理想特性的环节构成的，对电路的非线性效应或高阶动态效应考虑不足，不能全面反映电路的工作特性，因此精度有限。流水线ADC中的一个主要单元电路是运算放大器，采样一保持电路、MDAC主要是由运放构成的，比较器基本等价于一个开环的运放，因此运放模型的精度基本决定了整个ADC行为仿真的精度。文中对运算放大器采用了基于电路宏模型技术构造的模型，并以此模型为基础构成采样一保持、MDAC及比较器电路的模型，从而保证这样得到的行为级仿真有较高精度。
下面先介绍文中采用的运算放大器模型，接着介绍一个7位流水线ADC的结构及其行为级模型，然后给出行为仿真的结果及与电路级仿真结果的比较。从结果可以看出采用本文的行为模型进行仿真，可得到高精度的仿真结果，同时消耗的仿真时间大大缩短。

1 运算放大器模型
在模拟或模拟-数字混合信号电路的高层仿真中，运算放大器通常被等效成一个以受控电源为基础，加上对有限增益带宽、摆率、输出电阻等非理想因素的考虑组成的一个线性模型。这样的模型虽然包括了运放的一些重要非理想效应，但没有考虑运放的非线性，也没有考虑运放的高阶动态效应。当运放的工作速度较高，或低电压工作进入非线性区时，可能会导致较明显的误差。事实上，闭环运放在阶跃信号作用下建立时间的准确分析必须考虑非线性与线性两个工作区间。因此，在ADC等电路的行为仿真中采用更全面的运放模型是有必要的。
文中采用基于电路宏模型技术构造的运放模型。这一模型是根据运放电路的具体结构经过简化得到的，最初是针对双极型运放的，后来被推广到MOS运放，也包括输入级、中间级与输出级，可重现运放的几乎所有特性指标。输入级由一对差分对构成，可模拟运放的失调电压／电流、共模特性，中间级与输出级主要由受控源与电阻、电容组成，模拟运放的增益、频率与输出特性，输出级还包括几个二极管以反映运放的限幅限流特性。
由于Hspice等仿真器中可用PWL等形式直接描述元器件的非线性特性，因此我们对上述模型做了简化，将原模型中的输人级差分对用一个非线性受控源表示并与中间级合并，带二极管限幅的输出级用一个线性受控源进行等效。这样得到的模型如图1所示。其中Vin为输入的差模电压，Cc为二级运放的补偿电容，I0、I1分别对应的是非线性压控电流源及线性压控电流源，R2为输出电阻，电容C1是用来建立相位裕度。这一模型不仅反映了增益、带宽、输出电阻等常见的运放非理想特性，也包括了放大器的非线性及两阶动态效应。