高速ADC中SPI接口电路的研究与设计

摘要

高速ADC在雷达、无线通信、高速数据采集等领域有着广泛的应用。作为完成对数据采样、转换工作的核心模块，ADC与外部控制器之间的数据传输，以及其性能的提升逐渐成为了芯片开发者们研究的热点。SPI接口总线因其具有传输速度快、占用信号线少、信号传输准确率高、全双工等优点，在数据通信中得到了广泛应用。因此，将SPI接口集成在高速ADC芯片中的设计理念已然成为了当前高速ADC开发的主流趋势。
　　本文基于一款折叠插值架构的高速ADC，研究并设计了适用于高速ADC的SPI接口电路，实现了高速ADC与外部控制器的数据串行通信，并研究了对高速ADC的多功能配置，包括校准使能、数据时钟DCLK相位选择、多通道工作断电控制、编码测试功能等。通过采用SPI接口电路对ADC的配置方法，节约了芯片管脚数，可大大减小芯片面积。另外，还研究了通过SPI接口电路对高速ADC中失配误差进行校准，包括采样保持电路的失调失配以及时序产生电路的采样时间失配。这种手动校准的设计方法不但校准精度高，而且具有更好的灵活性和可控制性。
　　本文利用Verlilog HDL硬件描述语言完成了SPI接口电路的RTL级设计，利用Modelsim仿真软件对设计的SPI接口电路进行了功能仿真，验证了其功能的正确性，并在数模混合仿真平台CadenceAMS中，对RTL级的SPI接口电路和基于TSMC0.18μm CMOS工艺的误差校准电路进行级联仿真，结果表明通过SPI接口电路可以实现失配误差的校准，其中采样保持电路的ENOB从8.93bits提升至11.03bits，时序产生电路校准后的采样时序偏差为0.09ps，有效降低了电路的失配误差，提升了电路性能，从而改善高速ADC的整体性能。接着，对设计的SPI接口电路进行FPGA硬件实现与验证。最后，基于TSMC0.18μm CMOS工艺库对SPI接口电路进行ASIC实现与验证，利用Design Compiler综合工具完成电路综合，得到综合后时序分析报告，结果表明该SPI接口电路时序满足设计要求，并对综合后的电路进行后仿真验证，然后利用IC Compiler工具实现了SPI接口电路的自动布局布线，完成版图设计。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 SPI接口的研究现状

1．3 论文的主要内容及架构安排

第二章 高速ADC及SPI协议介绍

2．1 高速ADC简介及其典型结构

2．2 SPI接口协议介绍

2．2．1 SPI系统结构

2．2．2 SPI工作模式

2．2．3 SPI传输模式

2．2．4 SPI端口引脚

2．3 本文高速ADC的SPI工作时序

2．4 本章小结

第三章 高速ADC中SPI接口设计考虑

3．1 SPI接口与MCU的通信

3．2 SPI接口电路对高速ADC的配置

3．3 基于SPI接口的高速ADC校准

3．3．1 高速ADC失调失配误差分析

3．3．2 基于SPI的校准

3．4 本章小结

第四章 SPI接口电路的硬件实现与验证

4．1 SPI接口电路RTL级设计及仿真

4．1．1 SPI接口电路RTL级设计

4．1．2 SPI接口电路的RTL级功能仿真

4．2 SPI接口电路与模拟校准电路级联仿真

4．2．1 S／H电路与SPI接口电路的级联仿真

4．2．2 采样时序电路与SPI接口电路的级联仿真

4．3 SPI接口电路的FPGA验证

4．4 SPI接口电路的ASIC设计

4．4．1 SPI接口电路的DC综合

4．4．2 SPI接口电路的自动布局布线

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况