（微电子学与固体电子学专业论文）dac基础研究及八位dac的设计.pdf

摘要 摘要 学科专业：微电子与固体电子学 论文题目：八位d a 转换器设计 硕士生：孙尔俊导师：俞永康 本文较为全面的介绍了数字模拟转换器( d a 转换器) 的国内外 动态，分析了d a 转换器的基本原理和结构，对电流转换和电压转换 d a 转换器进行了较为详细的分析。 研究并设计了一种电流型八位单片d a 转换器。针对高速的要求， 在研究r 一2 r 电阻网络基础上设计了一种新型精密电阻网络；同时着重 阐述了包括八个匹配的共射极电位不变的电流开关、基准放大器、偏 置电路等在内的基本单元电路的设计原理和结构。 采用文章中的转换结构和单元电路，使得所设计的八位d a 转换 器的建立时间达到了1 1 0 n s 。能将八位的数字逻辑电平以近i o m 的速率 转换成模拟信号。互补的高阻抗电流输出适合直接驱动传输线或带一 个外部运算放大器以产生低阻抗输出电压。 文章中讨论了有关d a 转换器的一些基本设计思想和手段。针对 电阻网络和电流开关设计中的常见问题，用理论上的推导进行了分析， 给出了实际的单元电路和完整的电路结构。 关键词：数模转换器、共射极电位、精密电阻网络、建立时间 塑! ! 坠堕 a b s t r a c t t h is p a p e rd e s c r i b e sag e n a r a i n t r o d u c t i o no n d i g it a l a n a l o gc o n v e r t e rs t u d yo fd o m e s t ica n da b o a r d ，a n a l y s iso fd a c o n v e r t e r p r i p c i p ea n d s t r u c t u r e s ，a n dt h ea n a l y s i so f d i f f e r e n tc o n v e r t i n gt y p es u c ha sc u r r e n tc o i l v e r t i n ga n d v o l t a g e e o n v e r tin g am o n o it h i c c u r r e n t o u t p u tc o n v e r t e risp r e s e n t e d b a s e d o nt h es t u d yo fr - 2 rr e s is t o rn e t w o r k ，an e wp r e c i s i o nr e s is t o r n e t w o r kisa ls op r e s e n t e d a n dt h e h i g h s p e e dc u r r e n ts w i t e h ， r e f e r e n c ea m p i e r ，b i a se i r c u i ta r ed e s c r i b e di nt e r m so ft h e i r d e s i g np r ir l c i p l e sa n dc i r c u i ts t r u c t u r e s t h isa r c h i t e c t u r ei m p le m e n t st h e8 b i tn ac o n v e r t e ra n dt h e s e t t l et i m ea c h i e v e s1 l o n s s oi tc a na c c e p t8 b i td i g i t a l i n p u t v o l t a g e sa n dc o n v e r t e rt h e mi n t oa n a l o gs i n g l e sa tu p d a t er a t e s 1 t s h i g h a sa l m o s t1 0m h z t h e c o m p le m e n t a r yh i g hi m p e d a n c e i u t p u t sa r es u i t a b l ef o rd r v i n gt r a n s m is s i o nl i b e sd i r e c t l yo r c o n i l e c t i n gao m pt oh r i n g1 0 wi m p e d a n c eo u t p u t s s o m eo ft h eb a s icd 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 d w i t h int h isp a p e r a n a l y z et h ee m p h a s e so fr e s i s t o ri i e t w o r ka n d c u r r e n ts w it c hb yi n d u c i n gf r o mt h e o r e t i e sa n dt h e np r e s e n tt h e b a s i cc e l la r c h j t e c t u r e sa n dt h ed e t a j so fe ir e u i t k e yw o r d s ：d ac o n v e r t e r ，p r e c is i o nr e s is t o rn e t w o r k ，s e t t l e t i m e n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：蠡1 1 j 塾 日期：炒弓年j 月ze t 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 第一章日l 言 第一章引言 自然界中存在的物理量，就起表现形式来看，可以分为模拟量和 数字量两种。模拟量的表现形式是连续的，数字量的表现形式则是不 连续的( 离散的) 。这里所说的连续有两个含义：随时问是连续变化的， 其数字也是连续可变的。自然界中绝大多数物理量都是连续变化的模 拟量。例如：电压、电流、时间、频率、温度、压力、速度、流量等 等。此外，各种非电量经过传感器转换成的电压或电流也是连续变化 的模拟量。 数字量则不具有这种连续变化的特点，它的数值只能一个单位一 个单位地增加或减少。例如，放射性同位素物质放射出来的射线粒子 数，人口的数目等，就是数字量的具体例子。此外，晶体管的导通与 截止，开关的通和断等也可看作是数字量。 随着电子计算技术和数字系统在各个领域中的广泛应用，就需要 将模拟量转换成数字量，因为只有数字量才能被计算机或数字系统识 别。另一方面，在许多情况中，系统最后得到的数字结果又需要再变 换为模拟量，用来通过执行机构去实行控制，或进行必要的调整。因此 就要求模拟量与数字量之间能相互进行转换。 将模拟量转换成数字量的装置称为模数转换器，它的输入是模拟 量，输出是数字量，简称为a d 转换器。反之，数字量转换成模拟量 的装置称为模数转换器，它的输入是数字量，输出是模拟量，简称为 d a 转换器。 d a c 回顾和动态发展 数模与模数转换技术是随着数字技术和数字计算机的发展而出现 的，从历史上说，这种技术的发展有两个不用的飞跃。一个飞跃是在 三十年代后期，由于电信方面发展了脉冲编调制技术( p c m 技术) ，因 而从模拟信号的编码，解码技术发展到模数与数模转换技术；另一个 第一章引言 飞跃是在1 9 5 0 年后，由于高速数字计算机，航空电子学一起的发展， 以及导弹测远技术的出现，因而以仪器为目标发展了数据转换技术。 由于数字技术及计算机技术的发展，特别是在1 9 7 1 年后微处理器突飞 猛进的发展，大大推动了模拟信号的数字处理技术，因而，作为重要 的接1 2 ：1 单元的集成模数及数模转换器也得到了迅速发展。1 9 7 1 年，首 先出现了单片数模转换器。它开辟了模拟集成电路的一个新方向。 今天，单片集成的模数与数模转换器已经成为模拟集成电路的一 个重要的分支。正如微处理器在2 0 余年的发展以运算速度与字长为性 能的主要指标一样，模数与数模转换器件也是以速度和精度作为起主 攻方向。目前，模数转化器件的速度高达l0 0 0 m h z ，分辨率已高达2 4 位；数模转换期间的速度也高达5 0 0 m h z ，分辨率达1 8 位。这完全取决 于近年来飞速发展的超大规模集成电路制造技术。应该说，a d 、d a 起家发展到今天，产品的性能参数指标完全可以满足绝大部分场合的 应用要求，起速度指标从1 0 m p i z 左右到1 0 0 0 m h z 都有，精度指标为8 2 4 位，横跨较宽的范围，可满足各种不同的应用要求。 随着数字技术和数字计算机的发展，以及通讯和多媒体技术的快 步前进，数字信号处理( d s p ) 中的d a 转换器被广泛的应用与工业自 动化各个领域，系统整机对d a 提出了更高的要求。计算机和d s p 中 处理的各种信号最终要通过d a 转换技术变成可输出的模拟信号。目 前计算机、数字信号处理的速度已经得到了很大的提高，然而作为模 拟输出和数字处理中间必不可少的d a 转换器的速度却没有很大的提 高。我过目前d a 的发展和国际水平相比还存在着较大的差距，而且 国外的器件都比较贵，只依赖国外的高性能转换器而不开发本国的高 性能转换器，是不利于我国电子事业的发展的，所以由我们自己设计 生产出高性能的转换器已经成为当务之急。本次课题正是在此前提下 开展的，对高速d a 转换器进行研究，进而设计出更高速度的d a c 以 满足更高速率的数据转换。现代高速d a c 的主要特点是：首先，集成 度高，将基准电压源、位电流源和输出放大器等外围单元电路与a d c 一起集成在一块芯片上；其次，匹配性能优良，通过集成化，可以大 2 第一章引言 大提高各个元件之间的匹配系数；最后，低价格，低功耗。 d a c 作用和应用 人们常常遇到的要处理的信号有两类：数字信号和模拟信号。模 拟信号是在连续变化的情况下处理的；而数字信号的处理是量化为二 进制形式。和l 进行的。在许多情况下需要将这两种基本信号处理连 接起来，并将信号的形式从数字转换为模拟，或者反过来。这可以用 数字至模拟至数字变换电路来实现。 自然界的各种变量( 例如电流，电压，距离，时间，力，温度等) 基本上都是以模拟形式出现的。但是就信号的传输和计算来讲，人们 通常以数字形式进行处理。从这个意义上讲，a d 和d a 转换器，可以 分别看成是编码和译码器件。d a 转换器的输入是一组预定的数字代 码，输出的则是某种与输入代码唯一对应的模拟电压电平。数据变换 器电路的性能指标与电路中元件的匹配以及热跟踪有很大的关系，在 这方面，集成电路大大优于分立器件。随着计算机技术，通信技术和 微电子技术的高速发展，信息技术已渗透到军事，民用领域的各个方 面，在现在先进的电子设备系统中，高速高分辨率视频和图象显示， 军用和医疗成像，高性能控制器与传功器，以及包括无线电和基站接 受机内的数字通信系统等现代电子设备或系统水平的重要环节，a d 和d a 转换器含有模拟和数字信号处理两种元件，其集成电路内的电 路结构复杂，元件精度要求高，设计和制作技术难度都很大，该技术 在我国至今仍是薄弱环节，因而，重视并加速a t ) 和d a 转换器技术 的，f 发研究是不可忽视的重要问题。 d a c 国外最新动态 在美国各大学和实验室里有大量的工作人员从事于各种数模、模 数转换器的结构的基础研发工作。大多数都是针对某一特定的应用范 围而展开的，很多工作颇有特色。由美国国家科学基金资助，伊利诺 斯大学的a 1 e x r b u g e j a 等人研制出1 4 b i t ，1 0 0 m m s p 的自修正( s e l f t r i m m i n g ) c m o s d a c ，采用了f 1 0 a t i n gm s b 电流源和跟踪5 减输出 塑二皇! ! 宣 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，这招顶表方式的d a 转换器的高速线性度很好。 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。通过在电路中加入自修正电路，以克服传统 电流定标的o a c 具有静态线性度不好的缺点。自修正予电路的核心是 一个可修正的浮动最高有效位( m s b ) 电流源。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。 比利时l e u v e n 大学的r e e r ta m v a nd e rp l a s 等人提出一种四 象限跟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。该电路最具特色的地方是采用了四象限跟随机流向开关 技术，电流舵的d a c 同样因工艺参数不匹配而导致的静态线性度不佳 的缺点，为了克服这个缺点， r e e r ta m v a nd e rp 1 a s 等人采取电流 源的随机选取，可以利用误差分析进行相互的抵消，从而减小总误差 结果显示，系统误差和累积都得到有效缩减。另外，这个新型结构的芯 片面积和功耗与采用了自修正或者特殊版图、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 a s t 一 _ i i a c s 实验室y v e sg e e r t s 等利用 带有数据加权平均d w a 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。d w a 算法应用的优化减小 了反馈环路中引起的延迟。最近，大量的研究人员对于s i g m a d e l t a 调制技术在数模、模数转换器技术中的应用表现了浓厚的兴趣。这 种技术尤其适合于中一低速度，高精度的数模、模数转换器。 可见，目前国外的研究都将目标集中在对已经证实为准确，可靠的 a d ，d a 转换器技术上，并且对这些技术不断的进行完善。 我们的任务 第一章引言 在广泛借鉴当今国内外己取得成果的基础上，结合现有条件，基于 s 。材料展开高速d a 转换器的研究。重点是八位单调乘法型d a 转换 器的系统结构和基本单元电路的基础研究与设计。在系统结构中，包 含了8 个匹配的双极性电流控制开关，一个精密的电阻网络，和高速 基准放大器，这样在一个芯片上集中了全都重要的功能。并且尽量细 化其中重要的基本单元，保证每个单元的设计性能，同时进行相关工 艺试验及测试技术研究。 根据电路系统设计的需要，进行器件单元电路模型建立、参数提 取与建库，提高可供选择的多种实用模型与单元结构。建立器件单元 电路的模型库，对于以后的大批量生产和进一步的研制开发工作，具 有重要的意义。能够为以后进一步改进和设计更加先进的d a 转换器 提供基本单元。进行适用于高速d a c 的特殊工艺研究，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 良特性的实现，从而达到高转换速度的目的。在器件模拟的基础上， 应用现代电路理论和e d a 软件进行仿真分析并用于该基础研究。 笙三童旦坠堡垫墨塑董奎堕塑 第二章d a 转换器的基本结构 2 1 d a 转换器的基本结构 d a 转换器的一船方框图如图8 1 1 所示 出 图2 1d a 转换器方框图 图中寄存器是用来暂时存放输入数字量d 的。寄存器的输入可以 是并行输入，也可以是串行输入，但它的输出一定是并行输出。通常 输入寄存器的数字量d 都是有数码。n 位寄存器的输出分别控制1 3 个模 拟开关的转换。 每个模拟开关都是一个单刀双掷开关，它们分别与电阻译码电路 中的几个支路电阻相连。对应于数字量为l 的位，开关将参考电源u o 按位切换到电阻译码电路。对应于数字量为0 的位，开关接通到地。 从而使电阻译码网络中的电流( 或电压) 的大小随输入数字量而变。 电阻译码电路就是一个加权求和电路，通过它把输入d 中各位的 l ，按权变换成相应的电流，再通过运算放大器变为和d 成正比的模拟 电压u 。 图2 2 表示一个三位二进制码数字输入的d a c 的转换特性。 6 第二章d a 转换器的基本结构 图2 - 2 三位d a 转换器输入一输出特性 由转换特性可知，两个相邻代码信号转换出来的电压是不连续的 其输出电差u ：u 1 2 ”一1 ) 。式中u 为输出电压的最大值。 要减小u 只有增加输人数字量的位数。为了衡量d a c 的优劣，引入了两个参数 分辨率 输入数字量的最低位发生变化时， 位值) 对满值输出电压u 的比叫分辨率 输出电压的变化量u ( 即最低 即 分辨率= 可au = 了1 1 。 分辨率越高，转换时对输入量的微d 、变化的反映越灵敏。而分辨 率和输入数字量的位数n 有关。n 越大分辨率就越高。 通常分辨率用数字量的位数n 来表示，如8 位，1 0 位，1 2 位，1 6 位分辨率等。分辨率为8 位，就表示它可以对满值输出的l 匕8 一1 ) = 磊1 的增量作出反应。分辨率也可以用百分比表示，如二2 5 5 “o 4 。 第二章d a 转换器的基本结构 转换精度 它是转换后所得的结果，相对于实际值的准确度，要d a c 的转换 精度高，除要求d 的位数要高外，还必须要求电路中有关元件参数准 确。并且稳定性及转换的直线性要好。精度和分辨率是不同的概念， 分辨率虽高，但可能由于电路稳定性不好等原因，电路转换的精度并 不高。 2 2 数模转换器 各类集成d a c 器件都有参考电压源、电阻网络和电子开关三个基 本组成部分。为将模拟电流转换成模拟电压，输出通常外加运算放大 器。 按电子开关的电路形式不同，可分成c m o s 电子开关转换器和双极 型电于开关转换器。双极型电子开关又有三极管电流开关型和e c l 电 流开关型之分。显然双极型开关比c m o s 开关速度高；e c l 开关比般 的三极管开关速度高。 按电阻网络的不同，又可将d a c 分成权电阻网络d a c 、r - 2 r 梯形 电阻求和网络d a c 和r 一2 r 倒梯形电阻网络d a c 等几类。 2 2 1 权电阻求和网络d a 转换器 图2 3 是一种二进制码单极性电流相加型权电阻d a 转换器电路。 权电阻求和网络中的电阻值通常有如下规律；从最低位( l s b ) 到最高位 ( m s b ) ，每位相应的电阻值都是相邻高位电阻值的二倍。 图中的权电阻网络和运算放大器组成电阻译码电路。其中权电阻 网络是用来将二进制代码( 或其它代码) 的各位，按权的数值转换为相 应的模拟电流，并将代表各位的模拟电流相加后送到运算放大器的输 入端的电路。因此，它是d a c 的核心部份。各种d a c 的差别就在于这 部分电路结构的不同。 第二章d a 转换器的基本结构 图2 - 3 权电阻d a 转换器 其中运算放大器的作用是： ( i ) 输入电流转换成输出电压： ( 2 ) 作缓冲器，使负载的变化不影响权电阻网络的输出电流： ( 3 ) 通过调节反馈电阻i r ，可以灵活的改变d a 转换系数， 使之适合转换的需要。 下面我们来研究权电阻d a 转换器的工作原理a 在权电阻网络中，所有电阻的一端接运算放大器的虚地点，另一 端则分别和一个模拟开关相连，网络中各个支路的电阻值与二进制数 码每位的权相对应。输入二进制数码的最低位d 。= 编2 。控制驱动开关 s 。，则与s 。相连接的电阻r 。= - 等= r ；输入二进制数码的最高位 z _ d ，。= 口。2 “驱动开关及s 。一则和开关s 一相连的电阻r n - i 2 寺，即 该位的权越大，相应的电阻值越小。当各个电阻通过开关接同一电源 时，流过各支路的电流就和对应位开关的控制输入的权值成正比。 第二章d a 转换器的基本结构 输入的二进制代码信号d 可表示为 d ：口。2 “+ 口。：2 ”+ + 日，2 + d 。2 。：芝d 。2 式中a ，是0 或l ，a 的取值由输八数手量而定。当a 。= 1 时，开关 s ，接到参考电压u ”，这时相应的支路中产生的电流，= 瓦u r = i u r 2 ；当 a 。= o 时，开关接地，i = o 。因此支路电流i ：的一般表达式为： 卜硇警2 通过运算放大器把各支路电流相加并转换为模拟电压u o ； u ，：一i ? r ； 叫景孙2 叫。譬b n - i 饥2 n - 2 + 。2 。) 由此可见，输山模拟电压的大小直接- q 输入二进制数的大小成正 比，从而实现了数字量到模拟量的转换。 输入二进制代码中系数a 。为1 的位数越多、权电阻网洛的输出电 流越大。当所有位的a 。均为l 时，最大输出电流为： l a x 一。善= n - i 巩警2 。= 警茎2 = 警包一) 当a 。= 1 ，其余的a 。都为0 时产生最小输出电流，其值为： ，：盟 若把由于电阻误差所造成的电流误差限制在互竽 时，就要求 最低位匕权电阻的公差为呈竺：一4 - 5 0 ( 通常取1 0 1 ) 。而最高位上 最低位上权电阻的公差为兰_ = 一5 0 ( 通常取 ) 而最两位上 ，l m “ 第二章d a 转换器的基本结构 权电阻的m 番：硐1 臌。越大要求的电阻公差就 越小。例如i 1 = 8 ，就要求最高位权电阻的公差不大于0 2 4 。 权电阻网络d a c 的优点是电路简单、概念清楚。它的缺点是，在 位数较多时，电阻的种类比较多，为了保证转换精度，就要求高位的 权电阻值很精确。要制造阻值范围很宽的一套电阻，还要有精确的电 阻比和良好的温度待性，这是很困难的。其次，最低位由于权电阻的 阻值很高，所以电流很小，使d a c 对噪声电流很敏感。另外对开关的 要求也相当严格，开关的接通电阻应甚小于最低位电阻而开关的断开 电阻应甚大于最高位电阻。一般当位数多时这是很难做到的。为了解 决这些问题，可采用电阻值种类比较少的梯形电阻求和网络。 2 2 2r 一2 r 梯型电阻网络d a 转换器 一、电路形成 如图2 4 所示为一个r 一2 r 梯形电阻网络d a c 。它也由电阻网络、 电子开关、基准电源、运算放大器构成。 x 。x 一e “ 五一- ，! 坚艘 ，一。 ! 塑乜 并行输入x 图2 4t 型电阻网络d k c 第二章d a 转换器的基本结构 二、工作原理 图2 - 4 的电阻网络中有n 个节a 。由r 一2 r 电阻构成t 形结构。 从每个节点向左、向右或向下看去，网络的等效电阻都是2 r 。当第i 位输入数字量x ，= 1 。而其余各位均为0 时，网络的等效电路如图2 - 5 所示，且此节点电蚍= 争 x i 图2 。5 嚣i 希粪簪激镬黪、 由节点i 向运放a 的方向( 向右) 的电阻网络均可看成如图2 - 6 所 示等效电路。 鞫墓_ 蠡繁瘴 砖螽舞糍鹁鬻 因此“在节点i 十l 上产生的电位为+ l _ 誓粤t 丢，因 此可以推断出： 节点i 上的电位，向右每经一个节点将分压l 2 。 霉鞭 幕：缨 0 ，龙：瓣 卫 慧，霄jnu誊强0崔。 f 一 辫 案、 瓣铲羚銎。糍虿遵。 糍一 鞠 器一 辫 第二章d a 转换器的基本结构 由第i 个币点剑最尚位( m s b ，明弟n 一1 币息，买经k t _ t i i 一1 ，一1 个节点。因此当x ，= l 而其它各位为0 时，网络第n l 节点处的电位为： n 。= 争矛1 ，由此可得： 输入x 产1 时，可在n 一1 节点处产生电位为：矿：。= 了e r 可1 输入，。：1 时，可在n l 节点处产生电位为：矿i = 争；= i ； 输入孙：= l 时，可产生电位为：矿：= 了e r t 圭 输入x n - 。；1 时，可产生电位为：矿：虽3 根据叠加原理，并行数字量x 在第n 一1 节点产生的电位为： v 肛l = v 0 x o + 1 1 一l x l + + v 肛n - 1 2 x 肛2 + v 。n - 一1 l 兑一l肛l = v 月一l x o + 1 一l x l + + v 肛l x 肛2 + v h l x 。一l = 争争+ 孚旁矿+ 争圭：+ 争环t = 嘉k 魄。+ ”+ 2 n - 2 埘2 n - i x n - 1 ) ：里x 3 2 ”一1 流向运放虚地“一”的电流i 为： ；：里盟：且x( 电流转换特性) “ 2 r 3 2 ”r 输出电压v 。= 一以r ， 由于运放输入阻抗为o 。，输入运放的电流接近于0 ，因此根据节 点电流定律i 。= i ，则输出电压 v 。叫肛一繁 第二章d a 转换器的基本结构 式( 2 1 ) 为该梯形网络d a c 的电压转换特性，其电压转化系数为 舻告警 梯形电阻网络与权电阻网络相比，缺点是电阻数量多，优点是电 阻种类少，只有r 和2 r 两种。这就可以提高其制造精度。此外流过各 模拟开关的电流均相同，给电子开关制造也带来了方便，因此在集成 电路中它应用得十分广泛。 2 2 3 倒置r 一2 r 梯形d a 转换器 图2 - 7 是一个倒置r - 2 r 梯形的d a 转换器。它包括由数码b ，控制 的开关和电阻构成。与权电阻d a 转换器的显著区别在于整个网络只 有r 和2 r 两种阻值的电阻，而不管它有多少位。它的工作原理与r - 2 r 梯形d a 转换器基本相同，不同点在于模拟开关接入的位置不一样。 v “ v o u 7 图2 - 7 倒置r - 2 r 梯形d a 转换器 当b ，：】时，s ；接运算放大器的反相器；当b t = 0 时，s t 接地。根 据运算放大器虚地概念，不难看出 驴等 再根据该网络的特点，从任一个纵向2 r 电阻向右看的二端网络其 等效电阻都是2 r ，所以各支路电流i 、i z 、i “满足 蔓三皇里竺壁垫壁塑墨奎丝塑 ，= 2 ，：= 4 ，一一2 ”1 i 。 又总电流 i o = 驴毕勃2 运算放大器输出电压为 ，一r 盯i 譬静2 1 由该式可见，输出模拟电压与数字输入量成正比。 r - 2 r 梯形d a 转换器与倒t 形d a 转换器相比，是将电子模拟开 关与电阻网络的位置对调。前者将电阻网络置于模拟开关和运算放大 器之间，用模拟开关来切换基准电源，而当基准电源的电压值较高时， 就要求采用较复杂的、驱动电流较高的电子模拟开关。另外，当各个 模拟开关在切换是速度不一样，将会在运算放大器的输出端产生尖峰 脉冲；而对基准电源来说，它的输出电流也将随输入数码的变化而变 化，对基准电源的高稳定性要求，将使电源设备复杂化。采用倒t 形 d a 转换器则可克服上述的一些缺点。因为模拟开关转接的两点分别为 地和运算放大器的输入电流求和点，而求和点的电位近似为地电位( 虚 地点) ，所以开关的转换只在两个近似相等的电位之间进行。虽然随着 输入数码的变化，流入运算放大器的电流值也相应变化，而对于整个 电阻网络来说，从基准电源提供的电流是稳定不变的，而且通过各支 路的电流同样是稳定不变的，即各支路电流间不存在传输时间差，提 高了转换速度。 前面介绍的两种d 转换器普遍采用b j t 工艺，图2 8 给出两种 带b j t 开关的r 一2 r 梯形d a 转换器，在图2 8 ( a ) 中，b j t 器件的 发射极面积与发射极电流成比例；图2 - 8 ( b ) 中，各b j t 器件的发射 极面积是相等的。 里望里! 垒堡堡墨塑茎查笙塑 图2 8 用电流源的r - 2 r 梯形d a 转换器 ( a ) 二进制加权发射极面积( b ) 相等的发射极面积 倒梯形d a 转换器的主要缺点是必须给予最小权电压降的限制， 以及由电阻的电压系数造成的转换器输出非线性误差。这是明显的， 因为权电流发生器中各恒流晶体管的v 。均相等。而对于一个八位d a 转换器来说，最大权电流至最小权电流之间的比值为1 2 8 ：1 。所有权 电流分别要在串联于各位恒流管发射极的电阻上产生权电流压降。这 个权电压降，对于不同值的r 一2 r 梯形电阻，是不一样的，而且变化的 范围对应着权电流的范围。为了保证精度，最小压降这一位必须加以 限制，使得这个电压降相对于各位的v 。不匹配来说，要大的多。比如 对于八位的d a 转换器，这个电压降就要大于v e t 不匹配值的2 5 0 倍。 下面我们讨论电阻网络d a 转换器的改进型结构及其工作原理。 6 第二章d a 转换器的基本结构 2 2 4 电流衰减型d a 转换器 图2 9 示出了电流衰减型d a 转换器原理图。其中t 。，t ：，t 。，t 。 和r 。构成权电流发生器中的恒流源。各管的r 。是相等的，所以各位恒 流源中的电流是相等的，我们把它记为i 。r 一2 r 梯形电阻网络设计成 电流源的负载。电子开关k 。，k ：，k 。，k 。可以控制i 。流向地端，或是 流进r 一2 r 梯形网络与求和放大器。这种漫计能够保证在r 一2 r 梯形电 阻网络中电流以加权形式流过，而在求和放大器的相加点可以流入加 权电流的和，从而转换成为模拟输出电压v 。 如果只有电子开关k 将恒流源t 。和r 一2 r 梯形电阻网络与求和放 大器接通，其他电子开关均接向地，则通过求和放大器相加点的电流 正好是一个i 。不难证明，电子开关k 。，k 。，k 。依次接通时，相应 11 1 地通过求和放大器相加点的电流分别为吉，。，专，。，万1 ，。，如 。 z么 果全部电子开关同时接通，则通过求和放大器相加点的总电流i 。为： i 。2i e + i 1i e + 夏1i 一+ i 1 i | = ( - + 圭十主i + ，+ 参j j 。 篼二章d a 转换器的基本结构 一 融尊磷赫赫禚搦螭蠓璃阁 显然，电流衰减型d a 转换器比权电阻网络d a 转换器和r 一2 r 梯 形电阻网络d a 转换器优越，它几乎克服了后两者各自存在的缺点， 而保留了它们的优点。这首先因为r 。、r 和2 r 的阻值范围易于单片集 成；其次由于各恒流管的射极电阻r 。相同，所以各管的v n e 和is 均相 等，。r 。也相等，从而可以消除由于电阻的电压系数引起的误差。 第三章八位d a 转换器内部单元电路的设计 第三章八位d a 转换器内部单元电路的设计 3 1 八位d a 转换器总的原理框图 由d a 转换器的基本原理和参考已有的转换器的结构模式，制定 了设计的d a 转换器的功能框图。如图3 1 所示： 图3 一l 八位数模转换器方框图 从图3 1 可见，八位o a 转换器是由电流开关、权电流发生电路、 基准电流放大器和偏置电路等四部分组成。这是一种单极性的d a 转 换器，采用了平行位电流控制方案，输入的数字电平与t t l 电路相匹 配，在实际使用时，需外接运算放大器、基准电压源和基准电阻等组 件或元件。根据所参考的资料，首先对单元电路进行一系列的设计， 包括基准电流放大器、偏置电路、电流开关和权电流发生电路等。设 计好单元电路是实现d a 转换的基础。 图3 2 显示了所设计的八位d a 转换器的原理框图。图中基准源 放大电路为8 个恒流源提供稳定的基准输入电压。由图可知基准电流 放大器a 与t 。形成一个电压负反馈放大电路。通常t o 的电流放大系数 b 。很大，而且可假设a 为理想运放。当外正基准电压( + v a ) 经外接串联 电阻r 。加到a 的同相输入端1 4 脚、反相输入端1 5 脚外接平衡电阻 9 蟹至i 丛鱼旦丝茎垫矍囱塑皇垂鱼堕塑堡望： r t 。( r 1 5 = r 。n ) 到地时，t 。的集电极电流为 r ：r ：匕 “r 1 4 t 。的发射极电阻r 上的电压为 lc o r = 告y f k 1 4 这一压降与t 。的发射结电压v 。加到8 个恒流t 。一t 。的基极与r 一2 r 倒t 型电阻网络之间。由于网络的分流作用，t 。的发射极电流为2 i 。， t 。的发射极电流为2 i 。，依此类推，t 。的发射极电流为2 一i 。恒 流源管的恒定电流构成与数字输入量各位的权系数完全对应的二进制 比例关系。当使用负基准电压( 一v 。) 时，可以把基准电压加到a 的反相 输入端；如使用双极性基准电压，则可以分别加到a 的两个输入端。 数字信号从数字输入端5 1 2 脚输入，经逻骆缓冲和电平移动电 路去控制电流开关，把位权电流切换到i 。端4 脚( d ，= 1 时) ，或切换 到l 。端2 ( d 、= 0 时) 。两输出端电流分别为 8 7 0 u t = ，r 孑，2 ，= 】 2 0 ( 3 1 ) 一 2d 。澍 冠， = wd f 第三章八位d a 转换器内部单元电路的设计 图3 2 八位d a 转换器的原理框图 3 2 权电流发生电路 在电阻网络的设计中，注意到单片集成电路的特点，总是希望扩 散电阻的阻值尽量减小，且数值相同的电阻匹配比较容易，所以选择 了r 一2 r 梯形电阻网络来产生二进制权重位电流。然而如第二章中说述， r 一2 r 梯形电阻网络还具有以下缺点，如在最低有效位的电阻上压降很 小，这将容易导致管子v 。的不匹配，从而增加了转换器的总的非线性 误差。同时，r - 2 r 梯形网络还必须连接特性阻抗，这就导致需要附加 元件。所以我们采用了有源电流分割网络，则以上缺点就可以得到克 服。所设计的有源电流分割网络如图3 3 所示。 ；蓁爨 盎蠹蠹瓣酗瑙霉 图3 - 3 有源电流分割网络 在八位d a 转换器的电阻网络中，通常采用了八个二进制加权电 2 i 箜三童丛鱼望竺壁垫望塑塑兰重皇堕塑堡i ! = 流源( 如图3 3 中t 一t 。) ，它们连接着八个位开关。在这种电路的单 片实现中，为了避免各电流源v 。失配造成的误差，必须保持二进制加 权电流源晶体管的射极电流密度相等。实际上，这是通过电流源晶体 管发射极面积的配比来实现的。但是，对于高位数模转换器来说，所 有的电流源发射极面积的完全配比并不现实。例如，就八位d a 转换 器m s b 和l s b 的电流源发射极面积配比就需要1 2 8 ：1 。同时，采用二 进制加权电流源存在两种固有的缺点。第一，二进制加权电流源的瞬 态响应由于电流不等而不等，从而造成低次位建立时间较快，以及出 现瞬态尖峰的结果。第：二，因为每一个承载的电流量不等，每位由于 自热引起的相关热漂移和温度梯度都不同，故可引起局部失配误差。 所以采用图3 3 的有源电流分割网络，其中，高四位采用梯形电 阻网络形成加权电流，低四位利用发射极面积不同，形成加权电流。这 样，在低位中，权电阻上的权电压降相对于v 。来说仍而抑制了由于v 。 分散性所引起的误差，因而它不仅消除了常规r 一2 r 梯形电阻网络所固 有的缺点，而且提高了最低有效位的速度。 3 ，3 高速电流开关 高速d a 转换器的开关速度的快慢是d a 转换速度的关键所在。 实际应用的电流开关必须具备下述一些性质。 ( 1 ) 速度高 开关速度高表明电路能在瞬间迅速切换。为了减少寄生电容的影 响，在切换接点处的电压摆幅必须保持为最小值。 ( 2 ) 隔离好 隔离好要求电路必须能在数字转换信号和模拟信号两部分之间提 供良好的隔离。 ( 3 ) 反向漏电流小 这表明开关断开以后其漏电流应小到可以忽略不计( 与低位电流 相比) 。 在双极型电流开关中，电流的切换作用是利用二极管或晶体管的 箜三蔓! ! 焦里竺整堡墨堕塑璺重鱼堕塑堡盐 正、反向偏置来实现的。因为在正常工作条件下，对于硅器件，与位 电流相比p n 结的反向漏电流可以忽略不计。所以，除非由于温度变化 引起的温度效应，一般情况下，反向漏电流并不是设计中应该考虑的 主要问题。 3 3 1e c l 电流开关 发射极耦合逻辑( e n t i t t e rc o u p l e dl o g ic ) 电路，简称e c i 电 路，是一利，典型的非饱和型电路，其内部的晶体管工作在非线性区或 者截止区，从根本上消除了限制速度提高的少数载流子的“存储时间”。 这种电路的主要特点是速度高，但功耗大，主要是在对速度要求特别 高的大型计算机等设备中。 和其它逻辑电路一样，倒相器是最基本的电路形式，图3 4 中示 出差分对管组成的原理图。 其中由一端作为信号电压的输入端，另一端为固定参考电压，故 图3 4 中左边的晶体管又成为定偏晶体管。信号电压从管的基极输入 时，由集电极取得输出电流。 图3 4e c l 电流开关 它的工作原理和单端输入一双端输出的差分放大器一样，区别仅 在于后者对信号进行放大和转换， q 。的耦合通过共用一个发射极电阻 而前者仅起信号传递的作用。q ，和 ( 这里恒流源相当于电阻) 来完成， 箜三童丛鱼里丝壁堡矍堕塑璺垂皇堕塑堡盐 所以称其为发射极耦合电路。e c l 采用负电源电压系统。这样，当电源 干扰通过发射极进入电路时，因是共模信号，将会受到差分对的抑制， 如果采用正电源则干扰将会经集电极直接传出去，从而降低了噪声容 限。 当输入端接有低电平一1 7 v 时，因v 。， v 。q ：截止，q ，优先导通 处于线性放大区，流经晶体管q 。的集电极的电流i 。为： ，：匕塑二匕妊二生匕! “ r 。 当输入端接高电平一0 9 v 时，因q 。的基极电位比0 9 v 低，故q ：优 先导通，q 截止。此时经过q 。的电流i 。为： 小掣 ( 3 2 ) 因为v 。= 一1 3 v ，和v 。= 一0 7 v 相差不大，则可知i 。和i ，相差很小， 由上面的分析可见，只要v ，。相对于v 。有正负0 4 v 的变化，就可以改 变它的工作状态，同时又可看到不论是q ，导通还是q 。导通，流过发射 极公共电阻r 。( 等效电阻) 上的电流变化很小，因而当q 。和q 。交替导 通时，就好象是用两个开关把一个恒流源轮流的接到输出总线上一样， 故e c l 可以作为高速开关使用。当低电平输入时，q 。导通，q 。截止， 权电流通过q ，流入i 。；当输入是高电平时，q 。导通，q ，截止，权电流 流入i 。实现了开关的作用。又由于晶体管不会工作在饱和区，而且 它的导通电流是恒定的，使得晶体管的存储时间及分布电容对电路的 瞬态响应的影响明显的减少，提高了电路的稳定性。 图3 4 示出的e c l 电流开关是种缓冲开关设计的简单实例，对于 这种电流开关中的晶体管，使其开关导通和截止( 开、关) 所施加的 差动输入电压v 。可以由下式表示： 第三章八位d a 转换器内部单元电路的设计 帆。2 等h 急( 3 3 ) 式中，i 。和i 。分别为开态电流和关态电流。 在八位分辨率的d a 转换器中，其误差被控制在1 4 l s b 以内， 因此有： 且2 5 0 ，) 8 ：6 4 0 0 i ，f f 因此根据( 3 - 3 ) ，应有： t = 7 0 时，v b e 2 5 0 m y t = 12 5 时，v 。e 2 9 0 m y 由此可见，考虑到八位的精度，数字输入信号的电压幅度有0 3 v 就足 够了。但是在实际的d a 转换器中，以t t l 数字输入电压为例，其值 将在0 8 2 o v 之间。考虑到以上开关只要要求较小的电压即可驱动， 所以需要设置电平移位电路。 下面将介绍本设计中所采用的改进型电流开关。 3 3 2 共射极电位不变的电流开关 图3 - 5 示出的开关结构即为共射极电位不变的开关。 在此电路中，数字输入电路是由横向p n p 管组成的差分电路进行隔 离。在图中选择得使i r = i r 。= i r = v 。开关的开态电流与闭态电流之比 为1 0 。由于t ，和t ：的共射极电位v 。在1 2i r 范围内变化，同时， 它们只工作在线性区，所以几乎不存在由于c 。引起的开关延迟，由于 v 。的变化幅度与位电流大小成正比，因此位电流的变化也不会影响开 关的时间。当逻辑输入为“l ”时，t 。导通，t ：截止，权电流接到输出 i 。端；当逻辑输入为“0 ”时，t 。导通，t 。截止，权电流接i 。；这就实 现了随输入二进制码0 或1 使权电流有选择的输出，无论权电流选择 笠三至! 焦望坐整垫墨堕型里垂里堕塑塑生 哪条支路输出，流过电流开关的权电流不变。它可以适合各种逻辑电 平的输入，同时也减小了数字输入对权电流的瞬态影响。该电路中的 r 设计的较小，所以，它的响应时间也较快。 图3 - 5 共射极电位不变的电流开关 3 4 基准电流放大器 稳定的权电流发生器的总电流由基准放大器提供。图3 - 6 给出了 基准电流放大器的工作原理图。 第三章八位d a 转换器内部单元电路的设计 醋餐6 躺整醺添虢囊辩耋张葳热鞠 基准电流连接着基准电流放大器的阳极和q 。的集电极，所以从q 的发射极流出，流入到q 。的集电极电流 1 1 - - 去f 同理流出q ：的发射极，流过r ：的电流 厅船，。 。， 此时有： v b e