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模/数转换器（ADC）是连接模拟信号与数字信号的桥梁，属于信号链电路的关键组成部分。本书首先概述各种ADC的结构和基本特点；然后对应用较为广泛的SAR ADC进行详细介绍，包括SAR ADC的结构、原理、参数等；接着着重以14位二步式SAR ADC为例，介绍芯片电路原理、核心模块、辅助模块设计与仿真，详细说明ADC的测试技术、校正技术等。附录中给出了测试代码。本书可帮助从事SAR ADC研究与设计的工程技术人员，从入门开始，逐渐了解各个模块与电路系统的性能，从而完成整个SAR ADC的设计与仿真。

第1章  绪论	1
1.1  ADC发展现状	1
1.2  ADC基础指标	2
1.2.1  静态指标	2
1.2.2  动态指标	5
1.3  ADC基本架构与原理	7
1.3.1  闪存（Flash）ADC	7
1.3.2  积分（Integrating）ADC	8
1.3.3  循环（Cyclic）ADC	9
1.3.4  逐次逼近（SAR）ADC	10
1.3.5  德尔塔-西格玛（Delta-Sigma, Δ-Σ）ADC	11
1.3.6  二步式（TS）ADC	13
1.3.7  流水线（Pipeline）ADC	14
1.3.8  时间交织（TI）ADC	15
1.3.9  ADC架构比较	16
第2章  ADC发展趋势与SAR ADC系统	17
2.1  ADC发展趋势	17
2.1.1  技术按比例缩小带来的挑战	18
2.1.2  ADC体系结构概述	19
2.1.3  ADC趋势	20
2.2  SAR ADC系统	25
2.2.1  SAR ADC核心电路	26
2.2.2  SAR ADC辅助电路	29
2.2.3  14位二步式SAR ADC原理	30
2.2.4  14位二步式SAR ADC设计指标	34
第3章  比较器	36
3.1  比较器基础指标	36
3.2  静态比较器	37
3.3  动态比较器	38
3.4  比较器增益与速度	40
3.4.1  前置放大器	40
3.4.2  动态比较器	48
3.4.3  整体比较器	48
3.5  比较器输入失调电压	52
3.5.1  前置放大器失调仿真	53
3.5.2  动态锁存器失调仿真	58
3.6  比较器噪声	65
3.6.1  前置放大器噪声	65
3.6.2  动态锁存器噪声	69
3.7  比较器功耗	73
第4章  数/模转换器（DAC）	74
4.1  电容DAC基础架构	75
4.2  单位电容值——失配	77
4.3  整体电容值—— kT/C噪声	82
4.4  DAC噪声	83
4.5  DAC开关设计	84
4.6  DAC功耗	85
4.7  比例基准二步式DAC设计实例	86
4.7.1  DAC架构	86
4.7.2  失配与kT/C噪声	86
4.7.3  开关设计	88
4.7.4  整体实现	91
第5章  逐次逼近寄存器（SAR）逻辑	93
5.1  同步SAR逻辑	93
5.2  异步SAR逻辑	94
5.3  SAR逻辑速度、面积与功耗	95
5.4  SAR逻辑设计实例	96
5.4.1  采样时序控制	96
5.4.2  SAR逻辑单元电路	96
5.4.3  最高位漏电问题	98
5.4.4  高低位衔接ULS信号与高低位MUX选择	102
5.4.5  SAR逻辑整体实现	106
第6章  整体仿真与设计	108
6.1  整体仿真验证	108
6.1.1  直流仿真	110
6.1.2  交流仿真	115
6.1.3  噪声仿真	120
6.1.4  DNL/INL仿真	121
6.2  接口电路与整体布局	125
第7章  SAR ADC测试	126
7.1  测试系统	126
7.2  静态测试	129
7.3  动态测试	131
7.4  二步式SAR ADC测试结果	133
第8章  校正算法	136
8.1  校正技术概述	136
8.2  模拟前端校正	137
8.3  模拟后端校正	138
8.4  数字前端校正	139
8.5  数字后端校正	140
8.6  校正算法总结	141
8.7  校正应用实例——模拟前端校正应用	142
第9章  采样	152
9.1  信号采样	152
9.2  信号重建	154
9.3  采样开关设计	156
9.4  采样保持电路	159
9.4.1  采样保持概述	159
9.4.2  CMOS采样保持电路	162
第10章  MATLAB在ADC中的应用	164
10.1  MATLAB仿真软件简介	164
10.2  闪存ADC建模	166
10.3  SAR ADC建模	171
10.4  Δ-Σ ADC建模	177
10.5  流水线ADC建模	180

第11章  模拟后端数据处理与分析	184
11.1  信号滤波	184
11.2  数据处理	191
附录A  工艺参数提取	193
A.1  阈值电压	195
A.2  β (μCOXW/L)与K(μCOX)	199
A.3  沟道调制系数	201
A.4  背栅效应系数	203
A.5  栅极电容密度	204
A.6  方块导通电阻	205
A.7  工艺参数总结	205
A.8  gm / Id曲线	206
附录B  ADC测试代码	208
B.1  DNL/INL代码	208
B.2  FFT分析代码	210
附录C  本书常用术语表	214
参考文献	216

“集成电路系列丛书”主编序言 


培根之土 润苗之泉 启智之钥 强国之基



王国维在其《蝶恋花》一词中写道：“最是人间留不住，朱颜辞镜花辞树”，这似乎是人世间不可挽回的自然规律。然而，人们还是通过各种手段，借助于各种媒介，留住了人们对时光的记忆，表达了人们对未来的希冀。
图书，尤其是纸版图书，是数量最多、使用最悠久的记录思想和知识的载体。品《诗经》，我们体验了青春萌动；阅《史记》，我们听到了战马嘶鸣；读《论语》，我们学习了哲理思辨；赏《唐诗》，我们领悟了人文风情。
尽管人们现在可以把律动的声像寄驻在胶片、磁带和芯片之中，为人们的感官带来海量信息，但是图书中的文字和图像依然以它特有的魅力，擘画着发展的总纲，记录着胜负的苍黄，展现着感性的豪放，挥洒着理性的张扬，凝聚着色彩的神韵，回荡着音符的铿锵，驰骋着心灵的激越，闪烁着智慧的光芒。
《辞海》中把书籍、期刊、画册、图片等出版物的总称定义为“图书”。通过林林总总的“图书”，我们知晓了电子管、晶体管、集成电路的发明，了解了集成电路科学技术、市场、应用的成长历程和发展规律。以这些知识为基础，自20世纪50年代起，我国集成电路技术和产业的开拓者踏上了筚路蓝缕的征途。进入21世纪以来，我国的集成电路产业进入了快速发展的轨道，在基础研究、设计、制造、封装、设备、材料等各个领域均有所建树，部分成果也在世界舞台上拥有一席之地。
为总结昨日经验，描绘今日景象，展望明日梦想，编撰“集成电路系列丛书”（以下简称“丛书”）的构想成为我国广大集成电路科学技术和产业工作者共同的夙愿。
2016年，“丛书”编委会成立，开始组织全国近500名作者为“丛书”的第一部著作《集成电路产业全书》（以下简称《全书》）撰稿。2018年9月12日，《全书》首发式在北京人民大会堂举行，《全书》正式进入读者的视野，受到教育界、科研界和产业界的热烈欢迎和一致好评。其后，《全书》英文版Handbook of Integrated Circuit Industry的编译工作启动，并决定由电子工业出版社和全球最大的科技图书出版机构之一—施普林格（Springer）合作出版发行。
受体量所限，《全书》对于集成电路的产品、生产、经济、市场等，采用了千余字“词条”描述方式，其优点是简洁易懂，便于查询和参考；其不足是因篇幅紧凑，不能对一个专业领域进行全方位和详尽的阐述。而“丛书”中的每一部专著则因不受体量影响，可针对某个专业领域进行深度与广度兼容的、图文并茂的论述。“丛书”与《全书》在满足不同读者需求方面，互补互通，相得益彰。
为更好地组织“丛书”的编撰工作，“丛书”编委会下设了12个分卷编委会，分别负责以下分卷：
☆ 集成电路系列丛书·集成电路发展史论和辩证法
☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业经济学
☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业管理
☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业教育和人才培养
☆ 集成电路系列丛书·集成电路发展前沿与基础研究
☆ 集成电路系列丛书·集成电路产品、市场与EDA
☆ 集成电路系列丛书·集成电路设计
☆ 集成电路系列丛书·集成电路制造
☆ 集成电路系列丛书·集成电路封装测试
☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业专用装备
☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业专用材料
☆ 集成电路系列丛书·化合物半导体的研究与应用
2021年，在业界同仁的共同努力下，约有10部“丛书”专著陆续出版发行，献给中国共产党百年华诞。以此为开端，2021年以后，每年都会有纳入“丛书”的专著面世，不断为建设我国集成电路产业的大厦添砖加瓦。到2035年，我们的愿景是，这些新版或再版的专著数量能够达到近百部，成为百花齐放、姹紫嫣红的“丛书”。
在集成电路正在改变人类生产方式和生活方式的今天，集成电路已成为世界大国竞争的重要筹码，在中华民族实现复兴伟业的征途上，集成电路正在肩负着新的、艰巨的历史使命。我们相信，无论是作为“集成电路科学与工程”一级学科的教材，还是作为科研和产业一线工作者的参考书，“丛书”都将成为满足培养人才急需和加速产业建设的“及时雨”和“雪中炭”。
科学技术与产业的发展永无止境。当2049年中国实现第二个百年奋斗目标时，后来人可能在21世纪20年代书写的“丛书”中发现这样或那样的不足，但是，仍会在“丛书”著作的严谨字句中，看到一群为中华民族自立自强做出奉献的前辈们的清晰足迹，感触到他们在质朴立言里涌动的满腔热血，聆听到他们的圆梦之心始终跳动不息的声音。
书籍是学习知识的良师，是传播思想的工具，是积淀文化的载体，是人类进步和文明的重要标志。愿“丛书”永远成为培育我国集成电路科学技术生根的沃土，成为润泽我国集成电路产业发展的甘泉，成为启迪我国集成电路人才智慧的金钥，成为实现我国集成电路产业强国之梦的基因。
编撰“丛书”是浩繁卷帙的工程，观古书中成为典籍者，成书时间跨度逾十年者有之，涉猎门类逾百种者亦不乏其例：
《史记》，西汉司马迁著，130卷，526500余字，历经14年告成；
《资治通鉴》，北宋司马光著，294卷，历时19年竣稿；
《四库全书》，36300册，约8亿字，清360位学者共同编纂，3826人抄写，耗时13年编就；
《梦溪笔谈》，北宋沈括著，30卷，17目，凡609条，涉及天文、数学、物理、化学、生物等各个门类学科，被评价为“中国科学史上的里程碑”；
《天工开物》，明宋应星著，世界上第一部关于农业和手工业生产的综合性著作，3卷18篇，123幅插图，被誉为“中国17世纪的工艺百科全书”。
这些典籍中无不蕴含着“学贵心悟”的学术精神和“人贵执着”的治学态度。这正是我们这一代人在编撰“丛书”过程中应当永续继承和发扬光大的优秀传统。希望“丛书”全体编委以前人著书之风范为准绳，持之以恒地把“丛书”的编撰工作做到尽善尽美，为丰富我国集成电路的知识宝库不断奉献自己的力量；让学习、求真、探索、创新的“丛书”之风一代一代地传承下去。

王阳元
2021年7月1日于北京燕园

 
 



“集成电路系列丛书·集成电路设计”
主编序言


集成电路是人类历史上最伟大的发明之一，六十多年的集成电路发展史实际上是一部持续创新的人类文明史。集成电路的诞生，奠定了现代社会发展的核心硬件基础，支撑着互联网、移动通信、云计算、人工智能等新兴产业的快速发展，推动人类社会步入数字时代。
集成电路设计位于集成电路产业链的最上游，对集成电路产品的用途、性能和成本起到决定性作用。集成电路设计环节既是产品定义和产品创新的核心，也是直面全球市场竞争的前线，其重要性不言而喻。党的“十八大”以来，在党中央、国务院的领导下，通过全行业的奋力拼搏，我国集成电路设计产业在产业规模、产品创新和技术进步等方面取得了长足发展，为优化我国集成电路产业结构做出了重要贡献。
为全面落实《国家集成电路产业发展推进纲要》提出的各项工作，加快推进我国集成电路设计技术和产业的发展，满足蓬勃增长的市场需求，在王阳元院士的指导下，我国集成电路设计产业的专家、学者共同策划和编写了“集成电路系列丛书·集成电路设计”分卷。“集成电路设计”分卷总结了我国近年来取得的研究成果，详细论述集成电路设计领域的核心关键技术，积极探索集成电路设计技术的未来发展趋势，以期推动我国集成电路设计产业实现从学习、追赶，到自主创新、高质量发展的战略转变。在此，衷心感谢“集成电路设计”分卷全体作者的努力和贡献，以及电子工业出版社的鼎力支持！
正如习近平总书记所言：“放眼世界，我们面对的是百年未有之大变局。”面对复杂多变的国际形势，如何从集成电路设计角度更好地促进我国集成电路产业的发展，是社会各界共同关注的问题。希望“集成电路系列丛书·集成电路设计”分卷不仅成为业界同仁展示成果、交流经验的平台，同时也能为广大读者带来一些思考和启发，从而吸引更多的有志青年投入到集成电路设计这一意义重大且极具魅力的事业中来。


                                                魏少军
                                     2021年7月28日于北京清华园
 



前    言


模/数转换器（ADC）是连接模拟信号与数字信号的桥梁，属于信号链电路的关键组成部分。ADC属于数/模混合信号电路。ADC芯片设计者不仅需要具备模拟电路知识，还需要具备数字电路知识；另外，在电路设计与验证、版图设计与验证时，需要借助于设计芯片的各种软件。作者在长期的集成电路教学与科研中一直认为，如果设计者能较好地理解和掌握混合信号电路设计与仿真软件，不仅可以节约设计与仿真时间，而且可以加深对电路功能与性能指标的理解。本书的目的是帮助初学者消除ADC混合信号电路设计的神秘感，通过重点讲述逐次逼近式ADC（SAR ADC）的基本理论和原理，并借助实际例子，在设计与仿真软件工具的帮助下，从建立基本电路模块开始，通过仿真验证和优化参数，逐步实现设计指标。书中部分图是设计原图或仿真截图，未做标准化处理，便于读者对比使用。
本书首先概述各种ADC的结构和基本特点；然后对应用较为广泛的SAR ADC进行了详细介绍，包括SAR ADC的结构、原理、参数等；接着着重以14位二步式SAR ADC为例，介绍芯片电路原理、核心模块、辅助模块设计与仿真，详细说明ADC的测试技术、校正技术等。附录中给出了测试代码。本书可帮助从事SAR ADC研究与设计的工程技术人员，从入门开始，逐渐了解各个模块与电路系统的性能，从而完成整个SAR ADC的设计与仿真。
本书适合从事与ADC相关的混合信号集成电路芯片设计及其工程应用的专业技术人员阅读，也适合作为高等学校电子科学与技术、集成电路科学与工程、集成电路与系统、电子信息工程、通信工程等相关专业的教学用书。
在较短的时间内，如果没有浙江大学的同事和研究生的帮助，本书是不可能完成的。作者衷心感谢浙江大学微纳电子学院院长吴汉明院士的帮助、指导与资助。在读博士研究生刘海、张啸蔚等同学不仅参与了部分稿件整理工作，还对稿件进行了仔细校对，在此向他们表示衷心感谢。
                                                    作者
                                               2022年3月29日

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逐次逼近模/数转换器（SAR ADC）设计与仿真