（测试计量技术及仪器专业论文）一种电流源型dac的ic设计与实现.pdf

火连理1 r 大学硕士学位论文 摘要 本文较为全面地概括介绍了数模转换器的园内外动念，分析了数模转换器的基本 原理和结构，对电流转换和电压转换的数模转换器进行了详细的分析。通过对温度码 和二进制码这两种不同数模转换器结构的讨论，针对速度、精度和成本的要求，设计 了一种新型的分段温度码二进制加权控制的电流源型数模转换器，并对其进行了原理 分析和电路设计、电路仿真、电路版图布局、部分电路版图实现等的研究。建立了完 整的电流源型数模转换器基本单元电路设计。 采用文章中的转换结构和基本单元电路，使得数模转换器的转换速率达到i m ，其 转换精度为l l 位( 数模转换器的实际有效位是1 0 位) ，电路面积不到o 1 7 n m a 2 。而且电 路的积分非线性非常小，不到o 5 ，差分非线性不到0 5 l s b 。在转换速度和精度不变 的前提下，分段式温度编码二进制加权控制的电流源型数模转换器的结构可以明显的 减小电路的面积。 文章中讨论了有关数模转换器的一些基本设计思想和手段。针对2 + 2 + 2 + 5 分段式 温度编码二进制加权控制的电流源型数模转换器设计常见问题，进行了理论上的分析， 并给出了实际的电流源阵列结构、开关阵列结构、电流基准、参考电压电流、输出缓 冲电路，数字控制逻辑等单元电路的设计方案及具体电路。 关键词：数模转换器、电流源、分段温度码、二进制加权、开关阵列 二! ! 堕鎏塑型! 竺塑! ! 堡生兰塞翌 t h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t o f ac u r r e n ts o u r c ed a ci c a b s t r a c t t l l i sp a p e r p r e s e n tag e n e r a li n t r o d u c t i o no nd i g i t a l a n a l o gc o n v e n e rs t u d yo f d o m e s t i c a n d a b o a r d ，a n a l y s i so fd a c o n v e r t e r p f i n c i p l ea n ds t r u c t u r e ，a n dt h ea n a l y s i so fd i f f e r e n t c o n v e r t i n gt y p es u c h a sc u r r e n t c o n v e g l n g a n d v o l t a g ec o n v e n i n g b a s e do nt h es t u d yo f b i n a r yw e i g h t e dd a c o n v e r t e ra n dt h e r m o m e t e r - c o d e dd a c o n v e r l e r an e ws e g m e n t e dt h e r m o m e t e r - c o d e dt ob ew e i g h t e dw i t l lb i n a r yc u r r e n ts o u r c ed ac o n v e r l e ri sp r e s e n t e da c c o r d i n gt os m u p l e r a t e ，p r e c i s i o na n da r e ao f c i r c u i t 弧ep a p e r s t u d yi t sp r i n c i p l ea n dd e s i g ni t sc e l lc i r c u i t s ，s i m u l a t ee a c h ，p l a c et h e mo nl a y o u ta sw e l la s l a yo u t a p a r to f c i r c u i t s n i sc o n v e r t e rh a st h e r m o m e t e r - c o d e dt ob eb i n a r yw e i g h t e d2 + 2 + 2 + 5a r c h i t e c t u r e t h e a r e b _ i t e c t u r ei m p l e m e n t st h el lb i td a c o n v e r t e ra n da c h i e v eas p e e do fi m s p s 、i n lj e s s t h a n5 ，d n ll e s st h a n0 5l s b ，a n da r e ai sl e s st h a n0 1 7 r a m z t h i sd ac o n v e n e rc a r l r e d u c ec i r e u i ta r e au n d e rt h es a m er a t ea n d p r e c i s i o no b v i o u s l y s o m eo ft h eb a s i cd e s i g nt h e o r ya n dt e c h n o l o g ya r ep r e s e n t e dw i t h i nt h i sp a p e r t h e b a s i ce e l la r c h i l e c t u r e si m p l e m e n t e di nd ac o n v e r t e ra r ea l s o p r e s e n t e d t oi m p r o v e t h i sd a c o n v e r t e r , s o m eo ft h ec e l la r c h i t e c t u r e s ，i n c l u d i n gc u r r e n ts o u r c ea r m y ，s w i t c ha r r a y , b e n c h m a r kc u r r e n t ，r e f e r e n c ev o l t a g ea n d c t r r c n t ，o u t p u tb u f f e r , d i g i t a e o n l r o lc e i l s ，h a v et o b e d e s i g n e dc a r e f u l l y t l ed e t a i l so f t l l c s ec e i l sa r ed e s c r i b e d i nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：d ac o n v e r t e r , c u r r e n ts o u r c e ，s e g m e n t e dt h e r m o m e t e r - c o d e d ，b i n a r y w e i g l l t e d ，s w i t c ha r r a y i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：童麴日期；迎! ! ：! 皇 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 随着通信、多媒体技术和图像处理技术的快速发展，数字信号处理中的数模转换器 ( d i g i t m a a n a l o gc o n v e r t e r ，即d a c ) 被广泛应用于数字无线系统、通信、计算机、高 精度成像系统和视听系统，而数字信号处理的各种数字信号，最终要通过数模转换技术， 变为可输出的模拟信号。数模转换器的好坏直接影响整个系统的性能。由于数字信号处 理技术的飞速发展，要求d a c 具有足够高的数据处理速度和足够高的精度。然而，考 虑到芯片的实际应用，在不损失电路性能的前提下，降低成本便成为首要任务。芯片的 规模随着转换精度的提高而里指数式增大，很难实现性能与成本的协调【1 。而目前流 行的s 结构的数模转换器虽然可以实现很高的分辨率，但不能兼顾成本的要求。为了 满足现代电子消费系统高性能和低成本开发要求，i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 业界提出了另 外一种结构的d a c ，它在保证高性能工作的同时，可大大减小芯片面积，降低功耗。 本课题主要研究了一款基于分段温度编码( t h e r m o m e t e r - c o d e d ) 间二进制加权控制的电 流源型d a c ，专用于d v d ( d i 舀t m v i d e o d i s c ) c d ( c o m p a c td i s c ) 等伺服系统的马 达控制，实现电路性能与成本的有机结合。现代d a c 的主要特点是：( 1 ) 集成度高， 将基准电压源、单位电流源和输出放大器等外围单元电路与d a c 一起集成在一块芯片 上；( 2 ) 匹配性能优良，通过集成化，可以大大提高各个元件之间的匹配系数；( 3 ) 低 价格，低功耗。 1 1 国内外研究现状及发展趋势【2 6 】 在美国、欧洲大学和实验室里有大量的工作人员从事于各种d a c 、a d c ( a n a l o d i 百t a lc o n v e r t e r ) 的结构等基础研发工作，很多工作颇具代表性。 1 1 1 美国伊利诺斯大学的研究 由美国国家科学基金资助，伊利诺斯大学的a l e x r b u g e j 旧等人研制出1 4 b i t 、 i o o m s p s 的自修正( s e l f - t r i m m i n g ) c m o sd a c ，采用了f l o a t i n gm s b 电流源和跟踪 衰减输出级电路，在确保良好静态线性度的同时得到高的动态线性度，并提高了输出 驱动电流。 在这个设计中，采用的是电流定标d a c 结构。对于电流定标的d a c ，由于输出 电流可以直接驱动一个电阻负载，而不需要电压缓冲器，因此，这种定标方式d a c 的 高速线性度很好。它的缺点是静态特性受到电流源中元件参数匹配的限制。这样，就 对工艺提出了更高的要求。为获得更好的静态线性度，诸如修调、校准、动态单元匹 配d e m ( d y n a m i ce l e m e n tm a t c h i n g ) 等技术，都应用到了电流定标的d a c 中，其器件 和版图也都有独到的设计。但是静态线性性能不如采用了上述技术的d a c ，甚至在有 的情况下，为了弥补大的寄生效应和大信号之间的耦合丽采取了大的电流源，还会破 坏d a c 的静态特性。从动态特性来讲，传统的将电流源接入到负载的设计，受到电流 源和开关的限制。 通过在电路中加入自修正子电路，以克服传统电流定标的d a c 具有静态线性度差 的缺点。自修正子电路的核心是一个可修正的浮动最高有效位f m o s ts i g n i f i c a n tb i t ，即 m s b ) 电流源。为了保证修正是自发进行的，这个修正电路必须工作在两个过程下：测 一1 一 一种电流源型d a c 的i c 设计与实现 量过程和校正过程。这样，就增加了电路的复杂程度，也就是说，良好的静态线性度， 是以增加电路拓扑结构的复杂度来获得的。 1 ，1 2 比利时l e u v e n 和k a t h o l i e k e 大学的研究 比利时l e u v e n 大学的g e e r t a m v a n d e r p l a s 等人提出一种四象限随机流向开关 的新型电流控制结构，实现转换器梯度误差、系统误差因子比传统结构改善约5 0 倍， 且无须专门校准即可获得良好的静态线性度。 这个设计采用了分段式的电流源型结构。最高的8 位，通过温度码编码器编码后， 形成温度码，用来控制单位电流源的输出。剩下的6 位，控制二进制加权电流源，以 形成最小6 位。该电路最具特色的地方是采用了四象限随机流向开关技术。另外，这 个瓤型结构的芯片面积和功耗与采用了自修正或特殊版图、工艺的芯片相比，都很小。 比利时k a t h o l i e k e 大学e s a t - m i a c s 实验室y v e s g e e r t s 等利用带有数据加权平均的 三阶4 b i t _ 一a 结构，减少在反馈环路中d a c 的线性要求，并降低了过高的过采样率。 最近，大量的研究人员对于s i g m a d e l t a 调制技术在d a 、a d 技术中的应用表现了浓 厚的兴趣。这种技术尤其适合与中。低速度，高精度的d a c 、a d c 。 1 1 3 流水线( p i p e l i n e ) 型a d c 在超高速领域中，传统的全并行( f l a s h ) 结构a d c 仍然占据主导地位，但由于其规 模随着转换精度的提高而指数式增大以及其内部2 n 1 f n 位分辨率) 个比较器的亚稳态和 失配引起的闪烁码造成输出不稳定，很难实现8 位以上的分辨率。目前l c 界提出了另 外一种采用流水线结构的a d c 。它的工作原理是将逐次比较结构a d c 在时间上的串 行工作转化为单元电路的流水线串行工作。这样可以在保证高速工作的同时，实现了 f l a s h 结构难以实现的8 位以上的高分辨率，并且减少了芯片面积，降低了功耗。这样 的结构也能用于d a c 里。通常需要一个设计在芯片内部的运算放大器来作为缓冲器， 提供模拟输出。同样。这样的设计也存在一定的难度，此类型转换器的一个非常重要 的单元就是动态比较器。它的性能直接影响到整个a d c 的精度。对于d a c ，它们的 动态线性特性却仍然受到传统的线性良好的快速缓冲器的限制。这方面也有许多的国 外技术人员做了很多有益的探索。目前，由p h i l i p s 公司领跑，推出了2 7 0 m 的p i p e l i n e a d c 。 可见，国外的d a ，a d 转换技术都已经不再局限于传统的转换器技术。比如 d a 技术不再是权电阻网络或者权电容网络型d a c 。而a d 技术也突破了逐次逼 近和开关电阻的形式。取而代之的是更新的转换技术和适合大规模集成化的新型电路 拓扑机构。目前的国际先进研究项目，都把目标集中在对已经证实为准确、可靠的a d c 、 d a c 技术上，并且正在对这些技术不断的进行完善，以加速这些技术的应用。 国外像m a x i m 、a d 、b u r i b r o w n 和美国国家半导体n s 等设计生产模拟i c 的专业化大公司的产品可代表当今国际d a 、a d 转换技术的领先水平。资料显示， 高速a d 转换速率达到1 5 0 0 m h z ，高精度a d c 、d a c 分辨率为2 4 位，高速d a c 转换速率可高达5 0 0 m h z ，并已用于各信息产品领域。表1 a 、1 2 为代表国际先进水平 的d a c 、a d c 的主要技术指标。注：a d s 、d a c 5 6 8 6 为美国1 1 公司产品，a d 为美国 a d 公司产品，m a x 为美国m a x i m 公司产品。 目前在国内，双极与c m o s 工艺的8 位a d c 转换速度分别可达到1 2 0 m h z 和 1 0 0 m h z 。采用0 2 5 u r n 的c m o s 工艺，研制出了速度为4 0 m h z 的1 2 位a d c 。国内 a d c 、d a c 方面的研究主要集中在中等转换速度、中等精度的范畴，如a d c 主要是 逐次逼近、瞬间转换( n 弱h ) 等较为普通的结构。高速、高精度的新型a d c 、d a c 研究 表i 1 高速数模转换器件 尚不多见，如国外流行的芝卜_ 、p i p e l i n e 结构仅有复旦大学，华中科技大学作过研究。 对于上述的新结构和新技术，国内由于受到工艺条件，设计水平的限制，也很少 有人涉及其中。有些大学的实验室中曾作过这样的工作，但是也局限于电路的模拟和 仿真，没有真正与工业界接口。显然，国内外差距较大，应及时展开新型转换器电路 系统结构、新型基本电路单元、与之相配套的特殊工艺和标准实用化器件工艺模型库 等基础技术研究，不论是从电路结构上，还是从基本的单元电路研究上，电路与工艺 线的实际接口上，都应该积极的进行研究和探索。 1 2 研究方法和途径 1 2 1 电路架构选取 在广泛借鉴当今国内外已取得成果的基础上，结合现有条件，基于s i 材料展开实 用d a c 、a d c 研究。重点为c m o s ( c o m p l e m e n t a r y m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) d a c 、 a d c 的系统结构设计和基本单元电路。 在系统结构设计中，充分利用目前国际的先进主流电路结构，并对其不断完善。 比如，设计中去掉大量的电阻网络形式。电阻网络的d a c ，a d c 由于电阻一般都需要 激光修调，因此对工艺的要求相当严格，导致整个转换系统的分辨率无法再提高。如 果采用了电流源阵列技术，再配合分段转换技术，以及温度码的编解码技术与二进制 一种电流源型d a c 的i c 设计与实现 权码技术结合。不仅可以使得整个转换系统的分辨率大大提高，而且可以减小芯片的 面积。另外，系统结构的各个单元子电路是整个系统的骨架。应当尽量细化这些单元 电路的工作，保证每个单元电路的设计性能。对其中的重要单元，如基准电压、电流 源，差分放大器，单位电流源，或者二进制的加权电流源，包括电流源的开关等，要 设计满足新技术转换器的要求。 1 2 2 电路建立途径 根据电路系统设计的需要，进行单元电路模型建立、参数提取与建库，提供可供选 择的实用模型与单元结构。建立单元电路的模型库，能够为以后进一步改进和设计更 加先进的d a c ，a d c 提供基本的单元。采用先进的模拟电路设计工具c a d e n c e ，对d a c ， a d c 设计中常用单元建立完整的单元库，其中包括各单元的电路图结构描述和版图设 计。 1 2 3 工艺版图的考虑 适用于高速a d c 、d a c 的特殊工艺研究，多重扩散、金属硅化物互连系统、连接 工艺等，并通过工艺模拟与实验等手段对工艺条件进行优化设计。从工艺上确保电路 系统优良性能的实现，从而达到高转换速度的目的。特别是在不采用修正和校准技术 的情况下，在工艺和版图上的特殊设计就成为了保证转换器的高精度和高速度并存的 主要手段。 由匹配参数、高精度模型参数提取等方面入手，研究与c m o s 工艺相容的技术。 建立器件电路设计与工艺的良好衔接，确保基础技术研究可用于工程化应用。选择适 合的工艺生产线，为所需要的器件测出详细的s p i c e 模型分布曲线，各种寄生效应参数 的分布曲线，并由此计算参数的平均值和参数分布的方差，为保证日后在考虑工艺容 差和进行电路后仿真的时候提供可靠的数据。另外，还有相同器件，相同电路的匹配 系数。 设计d a c 使用的工艺，应该采用c m o s 工艺。其原因有：首先，利于d a c 的集 成化。d a c 作为数字和模拟之间的转换，是将现实的模拟领域和电子的数字领域相连 接的关键。采用c m o s 工艺，有利于将d a c 的设计与数字电路结合起来。其次，在 c m o s 工艺基础上的低功耗设计技术已经得到很大发展。而且随着c m o s 工艺向深亚 微米的挺进，它也可获得可与双极工艺相比的高速。所以，尽管双极型与g a a s 等特殊 工艺能做出很快的a d c ，但是所需采用的工艺更加复杂，功耗也很大，这给实际应用 带来了很大的限制，不能和其它数字电路系统集成在同一块芯片上。随着c m o s 工艺 的日益成熟，现在的工艺水平已经可以把整个电路系统集成在同一块芯片上。因此， 电路的规模越来越大，电路设计也就更加复杂，在a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e d c i r c u i t ) 设计中，越来越多的电路系统需要把数模接口电路集成到同一个系统中，为了 提高电路设计的可靠性，加快设计周期，降低设计成本，人们就希望除了能把简单的 数字电路做成标准单元外，还能把一些电路结构复杂的d a c 和a d c 做成宏单元，使 之能内嵌于整个电路系统中。第三，c m o s 工艺的集成电路的功耗小，并且c m o s 工 艺电路的设计能力趋于完善。而伴随电路规模的增大，电路的设计难度也随之增大。 大连理工大学硕士学位论文 目前在a s i c 设计里，仍然以c m o s 电路为主。为了提高电路设计的可靠性，缩短设 计周期，降低设计成本，人们希望把数字电路、一些电路结构复杂的高速d a c 和a d c 做成宏单元，使之能内嵌于整个电路系统中。 为了便于系统集成和降低成本，通常要求d a c 具有低功耗和面积小的特点。同时 根据应用场合的不同，对d a c 的性能要求有不同的侧重点，各种不同的d a c 结构正 是为了不同的性能要求而提出的。为了实现商性能与成本有机结合，对已有各种d a c 结构的研究，早以突破了传统的转换器技术如权电阻网络或者权电容网络型d a c 。目 前比较流行的d a c 是温度码控制的电流源型d a c 。传统的电阻一梯形或电荷分配型 d a c ，在其输出端有降低其转换速度的大电阻或电容负载，而且需要电阻或电容的数 量随转换精度的增加呈指数增长，如要设计出较高位数( 1 0 或1 0 位以上) 的d a c ，无论 是从功耗还是从面积上都难以接受。而在传统的电流源型d a c 里，要有一个很大的器 件来提供分配电流，这也要占用很大的面积。在温度码控制的电流源型d a c 子电路中， 采用参考电流与d a c 中电流源进行镜像的手段，从根本上克服了上述缺点。这种结构 的d a c 不仅仅适合于高速的数模转换，而且如配合以分段转换技术，各段之间采用二 进制加权控制技术能达到较高的分辨率的同时，进一步降低管子个数，从而进一步降 低电路面积。 本文讨论设计了一种1 1 位2 + 2 + 2 方式分段温度码间二进制加权控制的电流源型 d a c 。全文分为三个部分。第一部分为总论。其中包括第一章、绪论；第二章、数模 转换器的基本结构和原理。第二部分为各单元电路设计。其中包括第三章、电流源型 d a c 电路的总体设计。第三章分为六节内容：3 1 传统的d a c 和电流源型d a c ：3 2 温度码d a c 与二进制加权d a c 的比较；3 3d a c 主体电路的设计：3 4 电流基准电路 设计；3 5 参考电压电流电路设计；3 6 参考电压缓冲电路设计。第三部分包括第四章、 整体电路及仿真分析；第五章、电路版图布局与设计；结论；参考文献；附录：攻读 硕士学位期间发表学术论文情况；致谢。 一种电流源型d a c 的i c 设计与实现 2 数模转换器的基本结构和原理 2 1 权电阻网络d a c 7 权电阻d a c 如图2 1 ，它由模拟开关s 、权电阻网络、求和放大器和参考电压v 耐 组成。 d 。 d l d z d ， ( lsb 1( msb l 图2 1 权电阻d a c f i g 2 1r e s i s t o r - w e i g h t e dd a c 模拟开关s 受输入二进制码d 0 u 1 ，dd 2 ，d 3 控制。当d i = l 时，s i 将权电阻网络中相应的 电阻和参考电压v 时接通，有支路电流i i 流向求和放大器；当d i = o 时，s i 将权电阻网络 中相应的电阻接地，支路电流为0 。 权电阻网络由4 个按二进制规律排列的电阻2 3 r ，2 2 r ，2 1 r ，2 0 r 组成，所有电阻 的一端接在运算放大器的反相端，另端分别与相应的模拟开关相连。最高有效位 ( m s b ) 的权电阻r m 明为r ，最低有效位( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t 缩写为l s b ) 的权电 阻r l s b = 2 3 r 。也就是说，二进制权码的位权越大，对应的权电阻越小。 下面对转换输出模拟电压v m n 与输入数字量d 。之间的关系进行定量的分析。当输入 二进制码中某位d i = l 时，开关s i 接至参考电压v ，由于运放为理想运放，反相端虚地 电位为零，这时电阻支路中的电流为： 卜舞 ( 2 1 ) 当输入二进制码中某位d r = 0 时， 到模拟量的转换表达式为： 卜羔a ； s i 开关接地，i i = 0 。因此，可得出对应于第i 位数字量 根据运放虚断原理，运放的输入不取电流，所以有 v o 一0 一rf i t - 一r f ( i3 + i2 + i l + io ) - - r ，蒌舞o ， 因为r f = 剐2 ，代入式( 2 - 3 ) 得； ( 2 2 ) ( 2 3 ) 奎垄堡兰盔兰堕主堂垡堡茎 v 0 一等薹2 i d t q 4 进一步推广到当n 位权电阻网络d a c ，当反馈电阻r f 为r 2 时，输出电压为： v 0 一等磊2 培；1 = 一导d 。 从上式可以看出d a c 输出的模拟电压正比于输入的数字量d n ，实现了从数字量到模拟 量的转换。当d 。= o 时，v 0 = o ，当d 。= 1 1 1 1 1 时， v 0 一导d 。一掣 r 2 6 ) 所以可以得出d a c 输出v o 的最大变化范围为：0 一之k ，。 权电阻网络型d a c 的精度取决于参考电压、k f 、模拟开关s i 、运算放大器及各权 电阻的精度。为了保证精度，网络中每个权电阻的阻值都要很精确。但权电阻解码网 络中阻值范围太宽，最高位电阻r m s b 与最低位电阻r l s b 之比为1 ：2 ”1 ，即当n = l l 时， 其比值为1 ：1 0 2 4 。若r m s b = 2 k o ，r i s b = 2 0 4 8 m 0 。一般利用集成工艺制造如此大的阻 值是很困难的，从产品成本控制上也不允许。 2 2 倒t 型电阻网络d a c 7 图2 2 是一个倒置t 型电阻网络d a c ，其中r ，g o ，r l ，r 2 ，r n 2 ，r n 1 均为 2 r 。由于在于整个网络只有r 和2 r 两种阻值的电阻，克服了权电阻网络型d a c 阻值 差别大的缺点。它包括由数码控制的开关和电阻。当d i = l 时，s ；接运算放大器的反相器； 当d i = 0 时，s i 接地。根据运算放大器虚地概念，可以看出无论开关打到哪面，都相 当于接地电位，所以流过电阻网络各支路的电流也始终不变。再根据该网络的特点， 从r 0 ，r l ，r 2 ，r n - 2 ，r n 一1 中任何一个纵向2 r 电阻向左看的二端i = 1 网络其等效电 图2 2 倒t 型电阻网络d a c f i g 2 2d a c w i t hj n v e r s e d - tr e s i s t o rn e t w o r k 阻都是r ，所以从参考电源流入到t 型网络总电流满足 i 。鳖 尺 ( 2 7 ) 一种电流源型d a c 的1 c 设计与实现 各支路电流i o ，1 1 ，1 2 ，i n 1 满足： i i 1 蔫“其中，i = 0 ，1 ，2 ，- n - 1 ) ； 墨 因为d i = 0 时开关s i 接地，d i = 1 时s i 接放大器的反相输入端，所以有： 1 9 u m 5 羔荟2 。- ( 2 9 ) ：监n 2 “尺一“ 其中，d 。- y2 i d ，。 儡 当反馈电阻r f = r 时，运算放大器输出电压为： v o ；一r f l m m r 景见 1 v t 一导见 由该式可见，输出模拟电压与数字输入量d 。成比例。该电路的优点是电阻值种类只有 r 和2 r 两种，且各支路电流间不存在传输时间差，提高了转换速度，缺点是电阻数量 较多，会占用很大的硅片面积，不利于集成电路实现。 2 3 权电容网络d a c 7 权电容网络d a c 也是一种并联型输入的d a c ，它是利用电容分压的原理工作的。 图2 3 是n 位权电容网络d a c 电路的简化原理图，其中c a = c o = c ，c i = 2 c 1 ( k 1 ，2 3 ，n 1 ) 。s o , s 1 ，s 2 ，s n 1 分别由输入数字信号d o ，d 1 ，d 2 。，d n 1 控制。当d i = 1 时 s i 接到参考电压v 心一边，d i = 0 时s i 接地。在转换开始前。所有开关接地，电容器全部 充分放电。然后断开s 。，由输入数字信号d o ，d 1 ，d 2 ，电l 控制开关s 0 ，s 1 ，s 2 ，s 。当 输入为1 0 0 0 0 0 0 时，s n 1 将g 1 接到v r 。f 一遍，s o , s 1 ，s 2 ，s 。2 将c o ，c l ，c 2 。，c n 2 接地， 其等效电路如图2 a 。此时g 与c 叶q + c 汁+ c n - 2 + c a 构成一个电容分压器，令 c = c o + c i + c 2 + + c 。2 + c 一l + c a = 2 “q ，则输出电压为： ： i； d odd2 d n d n 1 (lsb)(msb、 图2 3n 位权电容网络d a c f i g 2 3n b i tc a p a c i t o r - w e i g h t e dd a c 一8 一 大连理二f _ 大学硕士学位论文 c 铲c o + c z + c 2 4 - 4 - c - n _ 2 + c 玎_ i + c - 2 2 “q 7 t 、 i 上 图2 4 输入为1 0 0 0 0 0 0 时图2 3 的等效电路 f i g 2 ae q u i v a l e n t c i r c u i to ff i g u r e2 3w h e n i n p u t i s1 0 0 0 0 0 0 v 0 ，警 ( 2 1 1 ) ! 蛆曼吐v ， 2 “c ， 1 同理可以得到输入数字信号为任何状态时输出模拟电压的一般表达式： ”芒酗c i 4 面vf 驴n - i 晓蚴 。薏弘2 1 c r 5 等酗z 式( 2 1 2 ) 表明输出模拟电压与输入数字量成正比。可以看出，输出电压的精度只与各 个电容器电容量的比例有关，而且与它们电容量的绝对值无关；输出电压的稳态值不 受开关内阻及参考电压源内阻的影响，因而降低了对开关电路及参考电压源的要求； 稳态时权电容网络不消耗功率。但它的主要缺点是在输入数字量位数较多时各个电容 器的垫容量相差很大，不仅占用很大的硅片面积而且由于电容充放电时间的增加也降 低了电路的转换速度。 前面的几种d a c 都是属于并联型的，各数字信号的处理是同时完成的。而串联 d a c 是逐位进行的，在最好的情况下，转换一位需要钟周期，因此，n 位串联d a c 需要n 个时钟脉冲。整个串联d a c 在转换过程中需要外部电路支持，以决定开关的闭 合。这种转换电路非常简单，但是有几种误差源限制了其性能，包括电容器的寄生电 容，开关寄生电容和时钟接入误差。所以电容器必须匹配在如5l s b 的精度范围以内。 除了以上的几种比较典型的d a c 结构以外，还有如开关树型d a c 等，这些结构都有 一种电流源型d a c 的i c 设计与实现 自己的优点和缺点。总体说来，电压转换方式由于对负载电容和各种寄生电容进行充 放电来实现d a 的转换。因此，电压型的d a c 一般用于低速的转换器内。而电流型 d a c 的速度只受到开关速度的限制，这一类型的转换器的速度可以做的很快。但电路 结构相对比较复杂，对模拟开关的要求也比较高。在电流型的d a c 里存在一个很重要 的问题是电流的抖动。接下来的章节主要就电流型d a c 来研究基于分段温度码的二进 制加权机制的d a c 。 1 0 一 大连理工大学硕士学位论文 3 电流源型d a c 电路的总体设计 从前面分析的结果来看，各种结构的d a c 电路均存在面积成本问题，所以本文将 在如何改善电路面积上下功夫，但同时兼顾电路性i i i i 够满足实际应用的需要。为实 现上诉要求，本文采用了基于分段温度码间二进制加权控制电流源矩阵开关的转换方 法。 3 1 传统的d a c 和电流源型d a c 7 1 3 1 1 传统的d a c 传统的d a c 如果是电流定标的方式，电路中多采用梯形的电阻网络进行转换；如 果是电荷定标的方式，电路中采用的是电阻分压链结构。这两种d a 转换方式相比较， 电流的转换速度明显要大于电压的转换速度。因为控制电流的开关的速度仅受管子的开 启速度影响。而电压的转换速度，不仅受模拟开关的开关速度影响，更重要的是对负载 电容的充电过程的速度。在一个设计合理的电压定标的d a c 中，要求在充电电流和芯 片功耗之间做出折中。另外，在电压定标的d a c 里如图3 1 所示，如果位数较多时， 电阻链过长。例如八位d a c 要有2 5 6 个电阻和5 1 0 个m o s 开关管。因此，必须分段 制作。目前，在选择定标方式的时候，考虑速度、精度、版图面积等因素，宜采用电流 定标的d a c 。 但是，传统的电流定标方式d a c ，不适合目前d a c 的精度、速度、面积要求。因 为在其输出端有降低其转换速度的大电阻，而且需要的电阻数随转换位数的增加呈指数 增长。这对于减小芯片面积和功耗，是极其不利的。 图3 13 位电压分压式d a c 原理图 f i g 3 13b i ts e g m e n t e d - v o l t a g ed a c 3 1 2 电流源型d a c 为了克服传统d a c 的缺点，一种不需数量很多的电阻或电容的电流源型d a 转 换技术被提出。它的制作工艺可以和数字电路相兼容，有利于系统的集成化。在这种新 种电流源型d a c 的1 c 设计与实现 型的d a c 里，采用了电流源。由于电流源的设计精度明显高于电阻或电容的设计精度， 因而电流源之间的匹配系数也比电阻或电容高很多。在电流源d a c 里，使用的是m o s 晶体管，而不采用双极晶体管和电容，因而，芯片的功耗比传统的梯形电阻网络小。 电流源型数模转换技术的关键是匹配性能良好的电流源矩阵。在电流源矩阵里，每 一个电流源的大小是最低有效位o - s i n 电流的大小。因而，这种电流源转换技术，实际 是一个单位电流源转换技术。单位电流源的转换位数也不宜过多，因为每增加一位单位 电流源转换的位数，相应的单位电流源就要增加2 倍。但是，单位电流源之间的良好匹 配性能和高速开关性能，仍然使这种结构成为高速、高精度d a 转换技术的首选结构。 3 2 温度码d a c 与二进制加权d a c 的比较 3 2 1 二进$ 1 ；b u 权d a c l 8 图3 2 是一个二进制加权d a c 原理图。二进制加权d a c 的好处是其设计的简单性， 且不需要任何的编码逻辑。但是它的缺点仍然是与最高有效位m s b 有关。在传输的中 点( 0 1 1 l l l l l ) 到( 1 0 0 0 0 0 0 ) 处，m s b 电流需要与其它所有的电流源之和匹配，误差必须 小于0 5 l s b 。这样的精度对于高分辨率，位数在l o 位以上的d a c 很难做到。由于静态 的各种分布，目前的工艺也难以到达如此精度。匹配问题对于所有的传输过程都很重 要，但其严重性是与位数，i i i i 权电流的大小有关。图3 3 显示了d a c 输出电流的抖 动现象。由于开关的动态行为，如电荷注入和时钟馈通，会引起的输出信号的抖动电 流。这一问题在中问码变化时更为严重。因为在中间码处，所有的开关都是同时变化 的。 d od 1 - - - - - -d 6d 7 图3 ，2 二迸制加权d a c 原理图 f i g 3 2p r i n c i p l ef i g u r eo f b i n a r y - w e i g h t e dd a c 一厂 j 图3 3 二进制d a c 抖动现象 f i g 3 3d i t h e r i n gp h e n o m e n o no f b i n a r y - w e i g h t e dd a c 大连理工大学硕士学位论文 3 2 2 温度码d a c 9 ，1 0 1 图3 4 是个1 0 位温度码d a c 。每增加一位l s b ，就会多有一个电流源打开。它的 好处是：匹配要求放松了。好的电流源匹配性能i n l 0 5 l s b 。在中间码的地方，也只 有个电流源开关变化。这大大减小了输出电流的抖动。 总的说来，在温度码结构里，抖动电流几乎不对非线性度造成什么影响。这是因 为抖动电流的实际大小是与开关的翻转数目成正比。所以，步长小，则抖动电流也小。 反之，如果步长很大，那么抖动电流也大。既然翻转的开关数目与信号的步长在两个 连续的时钟周期内是成正比的，那么抖动电流的大小就直接正比与信号步长的大小。 图3 5 是一个例子。在1 l s b 和4 l s b 里，抖动电流的形状和持续时间是相等的。但是 幅度却大了3 倍。如果抖动电流严格地与信号步长成正比，他不会产生任何d a c 输出 端的非线性度误差。 图3 4 温度码d a c 原理图 f i g 3 4p r i n c i p l ef i g u r eo ft h e r m o m e t e r - c o d e dd a c 图3 5 不同开关数目的抖动比较 f i g 3 5d i t h e r i n gc o m p a r i n gb e t w e e nd i f f e r e n tn u m b e rs w i t c h e s 一种电流源型d a c 的i c 设计与实现 从上面分析可以看出：二进制加权控制方式，当位数超过1 0 b i t 时，会出现大的电 流抖动，严重影响d a c 的非线性。而完全用温度码控制，虽然克服这种缺点，但面积 大。所以，通常使用两种码制的配合使用。低位用二进制控制精度，高位用分段温度 码间二进制加权实现良好的线性度，同时降低面积。所以本文基于考虑到二进制码的 缺点及电路面积的节省采用分段温度码间二进制加权控制电流源方式实现d a c 电路。 露3 6 为本文采取的电路总体功能框图，它是6 m s b + 5 l s b 方式的电流源型d a c ， 即高6 位为2 + 2 + 2 分段温度码控制，同时段间为二进制加权关系。它属于电荷定标方 式，应用温度码与二进制码混合方式控制电流源开关，低五位即d 0 ，d l , d 2 , d 3 , d 4 为二进制 加权控制方式，属于第3 级；d 5 和d 6 、d 7 和d 8 、d 9 和d 1 0 三对数字信号分别为温度 码控制方式，通过编码器形成温度码来控制电流源开关，分别属于第2 级，第1 缀和 第o 级。各级之间均为二进制加权关系，此结构能大大降低版图面积。 基准电流源电路 ( s d a ci b i a s ) 参考电压埋i 中电路( s d a c _ o p v r e l 2 ) 参考电压电流电路( s d a c r c f ) r 电流谭偏压电路( s d a ce s 3 电流塬开关嗣绍( s d a c c s l ) 第三级开关瓯绍 第二级开关网络 = = 蓝 第一级开关目络 = = 了匝面 第零纽开关网络 进制原码 输出 温度码编码器 温度码编码器 韫艘码编码器 数字控制 编码电路 ( s d a c d i 謇e n c ) d a c = # 体电路( s d a c c o r e ) 图3 6 本文设计的电流源型d a c 总体功能框图 f i g 3 6b l o c kd i a g r a mo fc u r r e n ts o u r c ed a ci nt h i sp a p e r 3 3d a c 主体电路的设计 3 3 1 电流源阵列逻辑控制电路的设计 为了将输入的二进制信号解码，并在一定条件下选定，需要仔细设计单位电流源 矩阵的解码部分。本设计用到的数字单元电路有反相器、与非门电路。下面对这些电 一1 4 大连理工大学硕士学位论文 路的设计作详细的介绍。 3 3 1 1 数字单元电路设计 ( 1 ) 反相器的设计 反相器的设计要考虑以下几个参数指标：噪声容限、阈值电压、上升时间和下降 时间【1 1 】。 噪声容限：是指输入信号的抗噪声能力，分为低噪声容限( n m 。) 和高噪声容限 ( n m 。) 。 n m 。l 。一。，。i ( 3 1 ) n mh i v o , v m 一ml( 3 2 ) 。；当虻掣趣 y 。；! 生：二! ! 垡止弛 儿“m 。 8 其中，v 胍m i n 为最小输入高电平； v 。为最大输入地点平； v o 托i d i i l 为最小输出高电平： v o l 。为最大输出低点平； v a v ，v 1 n 为p m o s 和n m o s 管闽值电压； ( 3 3 ) ( 3 4 ) 闺值电压：在设计中，为了可以获得最大的噪声容限，使c m o s 反相器的电压传 输特性中阈值电压在电源电压中问值附近。 上升时间和下降时间：上升时间t ，是波形从稳态值的