（微电子学与固体电子学专业论文）8位高速电流舵型dac电路研究与设计.pdf

第一章绪论 1 1 论文的背景和意义 第一章绪论 数模转换器( 如图1 1 ) q 也叫d a 转换器或者d a c ，足数字系统和模拟系 统接口的关键部件，也是信号处理系统的重要组成部分，长期以来一直广泛应用 于导弹、卫星、通讯、电子对抗、测试系统、测控系统以及视频和音频等领域， 特别是在国防建设中有着不可估量的重要地位，所以国内外众多高校、科研院所、 半导体公司都对此做了大量研究工作。 幽1 1 典型d a c 芯片解剖图 随着通信、多媒体技术和计算机技术的快速发展，数字信号处理中的d a 转 换器被广泛应用于国防、生活、工业自动化等各领域。计算机和d s p 中处理的各 种数字信号，最终要通过d ，a 转换技术，变为可输出的模拟信号，回送给模拟系 统，以实现对模拟系统的控制。因此d a 转换器是数字电子系统和模拟电子系 统之问的重要接口电路。 例如，在工业生产中常常需要对系统的温度进行控制，采用数字系统实现控制 的过程如图1 2 所示8 】。 如图所示，先用热电偶或其他温度传感器把系统温度转化为电压，经放大和滤 波等预处理，再通过模数转换器( a n a l o g t od 硒l a lc o n v e r t e r ，简称a d c ) 变为数 波等预处理，再通过模数转换器( a n a l o g t od i g i t a lc o n v e r t e r ，简称a d c ) 变为数 第一章绪论 公司产品。 国外的d 、d a 转换技术都已经不再局限于传统的转换器技术。比如d a 转换器不再是电阻网络分压式或加权电容的电荷分布式d a 转换器。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结构。目前的国际先进研 究项目，都将目标集中在了对已经证实为准确可靠的刖d 、d a 转换器技术上， 并且正在对这些技术不断地进行完善。以期让这些技术尽快应用于新一代的a ，d 、 d a 转换器产品的开发与实现。 在大学和科研院所中，比利时l e u v e n 大学的g e e r t a m v a nd e rp l a s 等人提出 一种四象限随机流向开关( q 2r a l l d o mw a l k ) 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，且无需校准就可以获得良好的 静态误差。 比利时ka _ c l l o l i e k e 大学e s a b m i a c s 实验室y v e sg e e n s 等人利用带有数据加 权平均d w a 的三阶4 b i t 么结构，减少了反馈回路中d a c 的线性要求，大大 提高了转换器的分辨率，荷兰p h i l i p s 研究实验室利用这一结构，他们设计了一 种用于车载a m f m 接收机的i f 基带翻1 6 位刖d 转换器。结构a d 转换 器采用过采样技术，即采用远高于奈奎斯特采样频率的速率对信号进行采样，根 据信号的抽样理论，提高采样频率能有效提高信噪比，因而提高a d c 的转换精度。 一4 a d c 总信噪比性能直接取决于一调制器的噪声整形能力。一4 调制器 d s m 对信号的传输函数是一个全通函数，而对量化噪声则是商通函数。因此，在 过采样条件下工作的一彳调制器，能将大部分量化噪声调制到信号基带范围以外， 然后由其后的高精度滤波器将带外量化噪声滤除，并将抽样频率恢复至奈奎斯特 频率。这种技术尤其适合于中低速度、高精度的d a 、他转换器n 国内a ，d 转换器和d a 转换器的发展起步较晚，但近年来也引起了重视，在 单片、混合及模块集成方面都投入了很大的研制力量，已研制出8 、l o 、1 2 、1 4 、 1 6 位分辨率的产品或样品【5 【6 l ，包括d 转换器和d a 转换器。典型产品水平为： 8 位d ，a 转换器的建立时间为5 0 n s ( 如s d a 7 5 2 4 ) ，1 0 位d a 转换器的建立时削 小于3 7 5 n s ( 如s d a l o o ) ，1 2 位d a 转换器的建立时间小于5 0 0 n s ( 如s d a 0 0 2 ) 。 样品8 位和1 2 位d a 转换器的建立时间分别为2 0 n s 和2 0 0 n s 。达到8 0 年代末国 际同类产品的水平。但是能进入商品市场，批量供应用户的产品不多。 目前，国内a d 、d a 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 转换器主要是逐次逼近、全并行( n a s h ) 等较为传统的结构。高速、 高精度的新型a ，d 、d a 研究尚不多见，如国外流行的一结构的高精度转换器， 电子科技大学硕士学位论文 第二章d a c 的基本结构和原理 2 1d ，a 转换器基本原理 d a 转换器的功能就是把数字信号量转变成模拟信号量，通常这种转换是线 性的。假设d a 转换器输入的数字量是n 位二进制码d ( = d i d 2 d 3 d n ) ，d l 为最高位( m o s ts i 印i f i c a n tb - t 简称m s b ) 。d 。位最低位( l e a s ts i g n m c a n tb i t ， 简称l s b ) ，则输出模拟量a 和输入数字量d 问的函数关系可用下式表示： a = k d = j r d ，2 m + 奶2 m 2 + + 功2 = k 乏：d ，2 舻。 ( 2 1 ) 百 式中k 为模拟参考量，也即最小变化值、最低输出值。当模拟参考量为电压时， k = u r 2 0 ，当模拟参考量为电流时，k = i r 2 n 。其中u f r 为参考电压，i r 为参考电 流，功为数字量d 的第i 位代码，其值为o 或1 。2 ”。是第i 位的权值。 式2 1 表明，输出模拟量与输入数字量成正比。输出模拟量是由一系列二进 制分量叠加而成的，每位二迸制分量为该位的权值与模拟参考量k 的乘积。d a c 的结构原理如图2 1 【9 】所示。 电子开关网络 k a d 1 d n 1d 。 图2 1d a c 结构原理图 由模拟参考量k 形成了各位权对应二进制分量( 2 哏、2 k 2 “k ) ，各分 量送入电子开关网络各位数字量控制相应的电子开关，电子开关网络输出的各之 路分量经求和电路相加，最后得到模拟量a 。 第二章d a c 的基本结构和原理 以并行电阻网络集成d a 转换器为例，定性的说明一下d a 转换器工作原理。 图2 2 示出了这种转换器的原理图。 电子开关网络 = l 一j 数字信号输入 图2 2 并行d a c 原理图 图2 - 3 是一个理想2 b i td a 转换器的输入输出曲线 0 0 0 l1 01 l d i 酏a 1 蛐? u t 图2 3 理想2 b i ld a c 的输入输出曲线 2 2d a 转换器的基本结构 根据加权网络等部分实现方法不同，常见的d a c 结构可以分为电流型、电压 器， 哪 ” 蟠 。 电子科技大学硕士学位论文 型和电荷型等，每一类又可以分为若干小类。下面将分别加以简单介绍【i o 】。 2 2 1 电流定标型d a 转换器 2 2 1 1 权电阻型d a 转换器 图2 4 是权电阻型d a c 的结构框图。 r f u 。 d 1 d 2 d n 2 扣l r 图2 4 权电阻型d a c 图中包含n 个并列支路，每个支路由一个电阻和一个模拟电子开关串联而成， 各个支路电阻的阻值按照二进制权系数关系递增排列，其中的模拟开关分别由各 位输入码控制，最高位数码控制阻值最小的支路开关。依次下去，最低位数码控 制阻值最大的支路开关。当某位输入数码为l 时，它所控制的模拟开关接通参考 电源，在运放反相端总线上，就出现与该支路电阻阻值成反比的权电流分量；当 某位输入数码为o 时，它所控制的模拟开关就关闭，在总线上就没有这一权电流 分量。这样，在输出端就按照式2 1 实现了输出为电流形式的d a 转换。 权电阻型d a c 是实现二进制d ，a 转换的一种最简单的电路结构。其明显缺 点是当位数增多时，电阻的取值范围很大。如8 位d a c ，电阻最大比值将达1 2 8 ： l ，这一比值在工艺生产上很难实现，并且该结构对电阻阻值的苛刻要求也使该结 构实现更加困难。因此，这种结构的d a c 很少见，只有偶尔在某些特殊应用中， 以分立组件的形式出现。 2 21 2r 一2 r 梯形电阻网络d a 转换器 图2 5 是r 一2 r 梯形电阻网络d a c 的电路原理结构框图。 1 2 第三章电流舵型d a c 的主要参数及误差模型 1 有限输出阻抗 理想电流舵型d a c 的输出阻抗应为无穷大，实际电流源的有限输出阻抗严重 影响d a c 的线性度，这主要是由于转换器的输出阻抗有限且与输入信号有关。 2 匹配误差 由于工艺的不确定性导致与工艺有关的参数如t o x 、v t 等发生变化，从而造 成单位电流源并不相等，在输出端引入非线性误差。匹配误差既可能是随机的， 也可能是确定性的，因此分析起来很困难，尤其在电路仿真级。 3 电路噪声 转换器的实际分辨率主要是由信噪比决定的，因此必须保证整个电路的噪声 低于量化噪声才能保证实现有效分辨率。 4 梯度误差和对称误差 电源电压加到各单位电流源单元压降不一致而引起分级误差：芯片内部温度 分布不一致导致热分布不引起的对称误差。 5 毛刺 由于非理想电流源开关以及不同位之间开关控制信号传输延时不同，输入数 字码跳变时，在开关的瞬间会在输出端产生较大的电流尖峰，这个电流尖峰称之 为毛刺。 在下面几节中，将通过数学建模和仿真对主要误差源进行详细说明。 3 4 输出阻抗的变化【8 】 v d o i o u t 图3 6 非理想电流源电路模型 电流源的有限输出阻抗以及互连线和开关的寄生阻抗将严重影响整个d a c 第三章电流舵型d a c 的主要参数及误差模型 辨率，v i e l d 定义为所有生产出的d a c 中i n l 低于o 5 l s b 的产品的个数，也就是 通常所说的良品率。可以算出，为了达到9 9 7 的良品率，必须要使得电流源的 匹配误差小于o 3 。 3 5 2 2 电流源失配对无杂散动态范围的影响 文献【1 8 】详细推导了s f d r 与电流源匹配误差之间的关系，得到结果如下式： 1 仃 s f d r * 2 0 1 0 9 ( j 二) + 3 一l o l 。g 苞。2 ( 3 2 4 ) 在这里6 。j t 是单位电流源之间的匹配误差，上式只是一个近似的等式，因为它只 考虑了最高位( m s b ) 产生的误差，但是利用它可以估算出在一定的s f d r 要求 下所需要的最小的电流源匹配误差。例如对一个1 0 b i td a c ，要求最低的s f d r 必 须大于6 5 d b ，则由上式可算出6u n i 。必须小于4 2 。 3 5 3 对称误差和梯度误差对d a c 性能的影晌 在单位电流源矩阵构造中，各单位电流源的输出应完全一致，然而，这些电 流单元的实际输出并不是完全一致的，其主要原因可归结为如下几部分：( 1 ) 电源 电压加到各单位电流源单元压降不一致而引起的分级误差；( 2 ) 芯片内部温度不一一 致导致热分布不均所引起的对称误差；( 3 ) 其他类型的随机误差。 图3 7 所示的“层次式对称开关”。既可以抑制分级误差，也可以消除对称误 差。例如，4 位d a c 开关具体打开顺序为：1 4 ，1 0 ，6 ，2 ，l ，5 ，9 ，1 3 ，1 5 ， 1 l ，7 ，3 ，4 ，8 ，1 2 ，1 6 。其抵消误差的原理可以从以下的分析清楚看出，输人 数字为4 的二进制码，则单位电流源l ，2 ，3 ，4 均被开启，从图4 的曲线上可以 看出由单位电流源1 ，2 所产生的分级误差可以被单位电流源3 ，4 所产生的分级 误差抵消，同时由单位电流源l ，3 所产生的对称误差可以被单位电流源2 ，4 所 产生的对称误差所抵消从以上例子，也可以归纳出如下结论：因为上例中单位 电流源l ，2 产生的分级误差可以被单位电流源3 4 所引起的分级误差抵消，也 就是当数字输入增加时，电流源产生的分级误差可以被逐次下来的电流源对所产 生的分级误差抵消，电流源产生的对称误差可以被逐次下来的单位电流源的对称 误差所抵消。 电子科技大学硕士学位论文 电流源矩阵需要的是参考电流v r e f ，因此需要将电压转换成电巍( ) ，图4 8 给 出了v i 的原理图8 1 。 图4 8v _ l 转换原理图 最简单的电压一电流转换电路可以由一个晶体管和电阻构成，但是这样的转换 精度和温度特性很差，因此采用一运算放大器加在栅极和输入参考电压之间，迫 使晶体管源极电压和输入参考电压相等。这里运算放大器相当于增益提升电路， 使得转换电路的精度大大提高。在运放输出端的源随器栅源之间加一米勒补偿电 容，增强其稳定性。转换电路的传输函数为： 2 去寿s 巩 。5 一。 g 。r 其中a 是运放的开环增益，如果运放的开还增益足够大的话，上式可简化为： 2 繁 _ 6 ) 所以输出参考电流只和输入参考电压和外接电阻的阻值有关。 图4 9 系统参考源的温度特性