（通信与信息系统专业论文）sda7247电压输出型da转换器的设计与分析.pdf

重庆邮电学院硕士学位论文 s d a 7 2 4 7 电艇输出型d a 转换器的设计与分析 要 随着计算机技术、通信技术和微电子等技术的高速发展，信息技术已渗透到 军事、民用领域的各个角落。在系统先进的电子设备或电子系统中，高速高分辩 a 和d a 转换器已成为决定诸如雷达、声纳、高分辨视频和图像显示、军事 和医疗成像、高性能控制器与传动器，以及包括无线电话和基站接收机在内的数 字通信系统等现代电子设备或系统之性能水平的重要环节。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 d 和d a 转换器技术的开发研究是不容忽视的重要问题。 s d a 7 2 4 71 2 - b i t s 电压输出型d a 转换器是根据a d 公司d a 7 2 4 71 2 b i t s 电 压输出型d a 转换器的性能指标及其电路结构设计的，该转换器采用双通道与 t t l 电平兼容的双缓冲寄存器作为数字信号传送通路，采用c m o s 模拟丌关和 控制逻辑以实现低功耗，采用沉硅一铬r 2 r 电阻网络使电路具有良好的跟踪特 性，采用精密b i c m o s 运算放大器实现了双电压源工作方式，单1 5 v 电源工作 时，该转换器可工作于输出电压为0 - 5 v 和0 1 0 v 两种工作状态( r i ，= 2 k ， c l = 1 0 0 p f ) ，1 5 v 电压源工作时，该转换器可工作于输出电压为5 v 的工作 状态。内置齐纳基准电压源，无须任何外接元件即可实现上述功能。 本文详细分析了决定转换器精度和速度的模拟功能电路( r 2 r 电阻网络、 基准电压源、输出运算放大器等) ，提出了一种可驱动低阻、大电容负载的a b 类自适应偏置b i c m o s 输出级，该输出级克服了静态功耗同速度的矛盾，通过 自适应偏置技术克服了a b 类输出级负向摆幅增大时因m o s f e t 恒流源的沟道 调制效应导致的建立时间增大从而进一步提高了转换器的工作速度；同时提出了 一种基于标准p 阱c m o s 工艺的高电源抑制比( p s l 汛) b i c m o s 带隙基准电压 源以克服原电路齐纳基准电压源的工艺不稳定性。 关键词 d a 转换器、a b 类自适应偏置b i c m o s 输出级，b i c m o s 带隙基准 电压源。 i i a b s t r a c t a l o n gw i t h t h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r 、t e l e c o m m u n i c a t i o n m i c r o e l e c t r o n i c s ，t h et e c h n o l o g yo fi n f o r m a t i o nh a sb e e nw i d e l yu s e di nb o t hm i l i t a r y a n dc i v i la r e a h i g hs p e e da n dh i g hr e s o l u t i o na d d ac o n v e r t e ra r et u r n e dt ob e o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt h i n g si nd e t e r m i n i n gp e r f o r m a n c eo f a d v a n c e de l e c t r o n i c e q u i p m e n to rs y s t e m s u c ha sr a d a r 、s o n a r 、w i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o n 、h i g h p e r f o r m a n c ec o n t r o l l e ra n dd r i v e r , e t c b u tt h ed e s i g na n dp r o c e s st e c h n o l o g yo f a d d ac o n v e r t e ra r es t i l lw e a ki no u rc o u n t r ys of a r , s o ，i t sv e r yi m p o r t a n tt o a c c e l e r a t et h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fa d d ac o n v e r t e r s d a 7 2 4 712 b i t sd ac o n v e r t e ri sd e s i g n e da c c o r d i n gt od a 7 2 4 712 - b i t sd a c o n v e r t e rw i t ho u t p u ta m p l i f i e ra n dz e n e rv o l t a g er e f e r e n c eo nam o n o l i t h i cc m o s c h i pw h i c hi sm a d eb ya dc o r p o r a t i o nu s a f o rs i n g l es u p p l yo p e r a t i o n ，t w oo u t p u t r a n g e so f0 - + 5 va n d0 - - , + 10 v a l ea v a i l a b l e ，w h i l et h e s et w or a n g e sp l u sa na d d i t i o n a l + 5 vr a n g ea l ea v a i l a b l ew i t hd u a ls u p p l i e s t h eo u t p u ta m p l i f i e r sa l ec a p a b l eo f d e v e l o p i n g + 1 0 va c r o s sa2 k i il o a dt og n d 1 1 1 i sp a p e rd e t a i l e dd e s c r i b e st h ea n a l o gc i r c u i tw h i c hd e t e r m i n e dt h es p e e da n d a c c u r a t eo fd ac o n v e r t e r ( r - 2 rr e s i s t e rn e t w o r k ，v o l t a g er e f e r e n c e ，o u t p u ta m p l i f i e r , e r e ) aa d a p t i v es e l f - b i a s e dc l a s sa bb i c m o so u t p u ts t a g ew i t hh i g hs p e e da n d w i d ev o l t a g es w i n gi sp r e s e n t e dt or e d u c es e t t i n gt i m e ，t h i sk i n do fo u t p u ts t a g e o v e r c o m e st h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e np o w e rd i s s i p a t i o na n ds p e e db yu s i n ga d a p t i v e s e l f - b i a s i n gt e c h n o l o g y , i t ss t a t i cc u r r e n ti sm u c hl e s st h a nt h eo r i g i n a lo u t p u ts t a g e m e a n w h i l e ，an e wh i g hp e r f o r m a n c eb i c m o sb a n d - g a pv o l t a g er e f e r e n c ei s a l s o p r e s e n t e dt oo v e r c o m eu n s t a b l e n e s so f z e n e rv o l t a g er e f e r e n c e k e yw o r d s d ac o n v e r t e ra d a p t i v es e l f - b i a s e dc l a s sa bb i c m o so u t p u ts t a g e b i c m o sb a n d g a pv o l t a g er e f e 托n c e 1 1 1 重庆邮电学院硕士学位论文 s d a 7 2 4 7 电压输出型d a 转换器的设计与分析 第一章引言 1 1a f t ) 、d a 转换器的国外发展动态 a d 、d a 转换器和其他四种电路，即放大器( 如运算放大器) 、调压器( 如参考电源， 脉宽调制器) 、接口电路( 如线驱动器，键盘编码器) 、比较器( 如电压比较器) 等一并被 统称为通用标准模拟电路。在通用标准模拟电路中，a d 、d a 转换器市场值约占2 0 i ， 但平均单价却最高，是其他通用电路平均单价的8 倍，而且跟智能数字电路m c u d s p 相 当，这说明m d 、d a 转换器是一类高技术密集型产品。 在a d 转换器的电路设计中，最通用的基本设计是计数式( 又称斜坡式) 电路结构、 逐次比较( s a r ) 电路结构、闪烁( f l a s h ) 电路结构( 常称为全并行结构) 。其中计数式 电路结构的a d 转换器的速度最慢，但电路结构简单，它只用一个比较器，适用于转换速 度要求不高的场合。f l a s h 结构的a d 转换器速度最快，但电路结构最复杂，它需用2 n 1 个比较器，适用于9 位分辨率以下的高速a d 转换器的设计，其采样率可高达5 0 0 m h z 以 上，满功率输入带宽可大于3 0 0 m h z 。s a r 结构a d 转换器的转换速度高于计数式a d 转 换器，但又低于f l a s h 结构的a d 转换器，其电路结构的复杂性适中，是采样率在i m h z 以内的a d 转换器应用最多、最普遍的一种电路设计结构。积分型电路结构是一种特殊类 型的电路设计结构，这种结构又分为单斜率式、双斜率式和四斜率式。这种结构主要用于 非常低的频率和近似直流信号的场合，如数字电压表。 近年来，国外对高速a d 转换器的研究最为活跃，在基本的f l a s h 结构上又出现了一 些改进结构1 2 j ，如分区式或分级( s u b r a n g i n g ) 电路结构( 又称为h a l f - f l a s h 结构、或p i p e l i n e d 、 或m u l t i s t a g e 结构、或m u l t i s t e p 结构) 。实际上，它们是由多个f l a s h 电路结构与其它功能 电路不同形式组合而成的电路结构，可弥补基本f l a s h 电路结构的缺陷，是实现高速、高 分辨率a d 转换器的优良电路设计技术。这种结构在逐步取代历史悠久的s a r 和积分型 结构。另外还有一类每级一位( b i t - p e r - s t a g e ) 电路结构，在它的基础上进一步改进，得到 一种称为f o l d i n g ( 折叠式) 的电路结构( 又称为m a ga m p s 结构) ，这是一种g r a y 码串行输 出结构。这些电路设计技术为高速、高分辨率、高性能a d 转换器的发展起到了积极的推 动作用。 另外，高分辨率a d 转换器的电路设计技术中，一电路结构是目前很流行的一种 电路设计技术。这种电路结构不仅在高分辨率低速或中速a d 转换器方面将逐步取代s a r 和积分型电路结构，而且这种结构同流水线结构相组合，有望实现高分辨率、高速a d 转 换器。 在d a 转换器电路结构方面，主要有线性组合式d a 转换器结构，r - 2 rd a 转换器 结构、乘法型d a 转换器结构以及电流加权d a 转换器结构。这些结构是早已成熟的电路 结构，近些年在d a 转换器电路结构方面没有太大的变化，而且对d a 转换器的研究报告 重庆邮电学院硕士学位论文 s d a 7 2 4 7 电压输出型d a 转换器的设计与分析 也相对较少。 综合国外一些集成电路制造公司( 主要为美国) 的技术资料和产品手册提供的信息【3 】 可以看出，a d 、d a 转换器的主要发展趋势是向高速、高转换速率、低功耗、单电源低 电压、单片化、c m o s 型方向发展，其主要特点有： 1 ) 向高性能方向发展通过采用新型电路结构以及激光修正技术、自校正技术和统计 匹配技术，在同样的工艺条件下，使单片a d 、d a 转换器的分辨率和精度得到了进一步 的提高( 达到1 8 位- 2 4 位) 。如a d i 公司的单片流水线a d 转换器a d 9 0 4 2 ( 1 2 位，4 1 m s p s ) ， a d 9 2 4 0 ( 1 4 位，1 0 m s p s ) 。f l a s h 单片a d 转换器也在向更高转换速率方向发展，如s p t 公司的s p t 7 7 5 5 ( 8 位，7 5 0 m s p s ) s p t 7 7 6 6 ( 8 位，i g s p s ) 。 2 ) 向单电源、低电压、低功耗方向发展采用c m o s 、b i c m o s 、x f c b ( e x t r af a s t c o m p l e m e n t a r yb i p o l a r - - a d i 的专利) 工艺，低工作电压( 3 v 5 v ) 及电源休眠工作方式 ( s l e e pm o d e ) 等措施和技术，既可使转换器获得高分辨率、高精度和高转换速率，又可 以达到低功耗( m w 量级) ，解决了一直存在的精度、速度和功耗之间的矛盾，同时也适应 了便携仪器的需要。这一点对航空产品尤其重要。 3 ) 向单片化方向发展随着半导体工艺水平的不断发展，l s i 、v l s i 工艺的成熟，过 去要采用模块、混合电路生产的高性能转换电路逐渐被单片产品所代替，从而降低了芯片 的成本和功耗，减小了体积，提高了可靠性。 4 ) 发展与微机兼容的转换电路随着计算机技术和i c 技术的发展，新研制的数据转换 电路几乎都与微机兼容，并将采样保持放大器、基准源、多路转换开关等集成于转换电路 的同一芯片上。事实上，它已构成一个数据采集子系统。 5 ) 向混合信号处理芯片方向发展由于v l s i 技术的成熟及一调制技术的实现，数 字信号处理器( d s p ) 及其它标准数字器件( 如微控制器、e p r o m 等) 与高分辨率a d 、d a 转换器可集成于同一芯片上，构成混合信号处理器( m s p ) ，从而使转换器与非转换器的 界限变得模糊，增强了芯片功能，减少了外围电路，电路得以简化，应用更加方便。 6 ) 向单一的c m o s 型工艺发展近年来，一个明显趋势是尝试尽可能将转换器和一些 混合信号功能从昂贵、复杂的专业型工艺转入主流的c m o s 型工艺，采用一种工艺技术来 制造模拟和数字电路。 7 ) 向r a i l t o r a i l 方向发展采用新的电路结构形式和改进工艺使运算放大器的输入 输出范围或d a 转换器的输出幅度( 若为电压输出型) 可接近正负电源电压值，这与降低 电源电压值而又不使输出摆幅减小太多相适应。 计算机技术和i c 技术发展迅速，新技术、新工艺层出不穷，可以预计，今后会有更 多新颖的数据转换电路出现，其功能将愈来愈强，性能愈加优越，进而使系统设计工程师 的工作变得更加简单。 s d a 7 2 4 7 电压输出型d a 转换器的设计与分析 1 2 我国a d 、d a 转换器的发展概况 集成电路制造业是一门高技术、高投入的产业，虽然我国自7 0 年代就开始研制a d 、 d a 转换器，但无论是资金和技术都不能与美日相比。我国至今已开发出4 、6 、8 、1 0 、 1 2 位等a d 、d 从转换器产品1 0 0 多个，目前正着手研制1 4 、1 6 位产品。总体来说，技 术指标要比商品化指标好些，例如8 位、1 2 位a d 转换器的转换时间分别为4 0 0 n s ( x 1 0 0 1 ) 和2 5 p s ( s d a 5 7 4 ) ；8 位、1 2 位d a 转换器的转换时间分别为6 5n s ( s d a 7 5 2 4 ) 和5 0 0 1 x s ( s d a 0 0 2 ) 。而样品a d c 已达1 4 位和1 6 位，转换时间分别达4 5 1 a s 和2 0 岬，8 位和1 2 位d a 转换器的建立时间分别为5n s 和2 0 0 n s ，达到8 0 年代国际同类产品水平。但是能 进入商品市场，批量供应用户需求的产品则不多。其中一个原因跟国外先进产品挤占国内 市场有关，使我国a d 、d a 转换器没有时间走完“学习曲线 过程，始终难以进入良性 循环。另一个原因也跟投资体制与运行机制有关，至今尚未建立起一条有竞争力的先进模 拟电路制造线。两个原因互为因果，科研成果难以商品化，适得科研水平最终也难以提高。 表一对比了国内外典型 的技术指标，表二对比了 在电路设计技术上与国 外水平的差距。 从以上对比中可以 看到，我国加、d a 转 换器技术与商品化工作 在很困难的条件下取得 了长足的进步，产品可靠 性也有很大提高，具备了 进一步发展的设计、测试 与工艺基础。但是差距十 分明显，有很多工作，如 设计技术、制造工艺中很 表一国内外典型a d 、d a 转换器产品水平对比 a d cd a c 高精度高速度低电压 0 2 位)( 1 2 位) 1 5 m h z 国内 t e - - - 2 5 坶 t s - - 5 0 0 n s1 4 位空白 ( 6 位a d c ) 2 g 国外 t c = 5 0 n st s = 5 0 d n s2 6 位3 v ( 6 位a d c ) 表二国内外a d c 电路结构对比 产品逐次 积分型全并行流水线型折叠型吕型 类型逼近型 国内v vv 空白 空白空白 国外vvvvv v 多方面还存在“空白 ，实践经验不多。这种情况不能适应我国消费类电子产品数字化发 展的要求，更难适应高清晰度图像显示和直接数字合成( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ) 等特殊领 域的需求，而后者不仅价格昂贵，有时也难以进口，应该下力气解决。 1 3 关于发展我国a d 、d a 转换器的思考 由于我国a d 、d a 转换器设计和制造技术相对落后，急于求成是不现实的，但也不 能长期处于被动落后地位，应采取有效措施，扎扎实实地工作，争取在较短的时间内在微 电子关键技术领域取得突破性进展，逐步建立起我国自主的微电子工业，生产出高性能的 重庆邮电学院硕士学位论文s d a 7 2 4 7 电压输出型d a 转换器的设计与分析 数字和模拟集成电路，满足国内的需要。 在数字经济高速发展的今天，虚拟制造 、“虚拟企业 的概念与模式已在微电子工 业中得到了充分体现，集成电路的生产已从过去的设计、制造、测试以及封装条龙产业 模式逐渐裂变为单一的设计业、制造业、钡0 试业以及封装业，据预测，在未来的l o 年内， 亚洲集成电路制造业将占整个世界集成电路制造业的6 0 - - - 7 0 ，而其中中国的集成电路制 造业又将占整个亚洲集成电路制造业的7 0 - - 8 0 ，这一飞速增长的主要原因来自外商在我 国投资的集成庖路制造企业的迅速增加，就目前而言，我国的外资集成电路制造企业( 如 华晶公司、贝岭公司等) 的生产水平已同国外先进水平相当。在这一特殊情况下，我个人 认为，我国今后发展a d 、d a 转换器应注意以下几点： 1 ) 建立自主设计队伍。这支队伍应包括电路设计与应用、工艺设计和制造、测试等 方面的专业工程技术人员，队伍中的关键技术人才要相对稳定。首先要集中精力于8 位、 1 2 位a d 、d a 转换器的攻关，力争尽快进入商品化，只有这样我们才有可能进入技术与 经济的良性循环，在这种良性循环中，才更有可能加快“民族模拟集成电路制造线”的建 设。 2 ) 突破关键技术。首先要在较短的时间内突破制造a d 、d a 转换器的关键工艺： 高速低功耗双极工艺、b i c m o s 、c m o s 、l c 2 m o s 等，并着手解决在同一芯片上采用单 一c m o s 工艺制造模拟和数字电路的技术；解决电阻或电容网络、基准源的稳定性问题； 解决电阻网络的修正技术，发展自校正技术和统计匹配技术；重视a d 、d a 转换器的测 试技术研究，测试a d 、d a 转换器是一门难度技术很大的学问，涉及的知识面宽，在研 制和生产a d 、d a 转换器的同时，应同步考虑这一问题。 3 ) 加强与高等院校的横向联系。以模拟集成电路研究所为依托，充分利用高等院校 在培养研究生或科研工作中已积累的设计经验和外资企业先进的制造技术，集中力量开发 新型电路结构( 如型、流水线型、折叠式等) 的高性能a d 、d a 转换器，尽快走完 “学习过程 ，逐步建设能够提供具有自主版权的芯片产品的设计中心，走正向设计道路。 4 ) 加强国内外集成电路制造商的联系，经常开展学术交流。建立a d 、d a 转换技 术信息网，互通信息，交流经验，共同提高a d 、d a 转换器的制造和应用水平。 重庆邮电学院硕士学位论文 s d a 7 2 4 7 电压输出型d a 转换器的设计与分析 第二章集成d a 转换器基础 2 1d a 转换器的基本原理及其应用参数 d a 转换器是一种译码电路，其输入为数字量d ，输出为模拟量a 。它们的转换关系为： 。 a d = a r ( a m 2 “+ a 2 2 + a - 一1 2 咖叫+ 2 1 ) 坦 = a r 2 ( 1 ) t - ! 式中，a r 为参考模拟量；a i 为第i 位的二进制码；n 是位数。( 1 ) 式代表任意一种二进制转 换器的基本传递函数。d a 转换器的分辨率被定义为d a 转换器模拟输出电平可能被分 离的数目。一个二进制转换器，数字输入位数为n 时，其分辨率为2 n 。通常用转换器输入 位数表示。如1 2 位转换器的分辨率为1 2 b i t s 。由于噪声、温度和时漂等因素的影响，转换 器的分辨率有时要小于理论值。d a 转换器的实际分辨率受到它的相对精度的限制，但是 分辨率并不限制精度。例如：用于可编程电源的4 位d a 转换器，虽然只有1 6 个量化电 平，但是它可以有0 0 1 的精度( 大约相当1 3 位d a 转换器的精度) 。严格的说，分辨率 和精度是彼此独立的。具有1 0 位转换器可以具有0 0 5 的精度，也可以具有0 5 的精度。 但对于性能良好的转换器，二者应该是统一的。 精度是转换器实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差。理想转换特性 曲线就是连接理想转换特性上正、负最大输出点的直线。对与单极性输出，其中一点为零。 精度分为相对精度和绝对精度，在零点和满量程值校对以后测得的精度为相对精度，否则 为绝对精度。绝对精度受时间和温度的影响较大，所以很难给出特定的值。而且对于内部 不带精密参考电压源的转换器，绝对精度是无意义的，因为外部参考电压源是用户给的。 所以我们说的精度一般都指相对精度。通常评价一个d a 转换器的好坏由下述参数来表 征： 1 ) 失调及增益误差：失调是d a 转换器模拟输出电压的起始值与理想起始值的偏差。 通常用l s b 表示。对于单极性d a 转换器，理想起始值为零，对于双极性d a 转换器， 理想起始值为负满量程。增益误差是指转换器实际转换特性曲线斜率与理想转换特性曲线 斜率之间的偏差，通常也用l s b 表示。在零点调整后，增益误差常用满量程误差表示，满 量程误差为转换特性最后一个变迁点的实际值与理想值之差。 2 ) 线性误差：线性误差是d a 转换器实际转换特性曲线对与其最佳拟合直线的最大 偏差。最佳拟合直线是指对实际转换特性曲线具有最小极大偏差的直线，适当调整失调及 增益误差可以使最佳拟合直线与理想转换特性曲线重合。通常认为只要将失调及增益误差 调好后，测得相对与理想直线的最大偏差( 即相对精度) ，就可以反应转换器的线性特性 了。 3 ) 微分线性误差：微分线性误差被定义为d a 转换器两个相邻的数字量所对应模拟 重庆邮电学院硕士学位论文 s d a 7 2 4 7 电压输出型d a 转换器的设计与分析 量差值与1 l s b 模拟量的相对偏差之最大绝对值。通常线性误差对微分线性误差的影响可 以不必过多考虑，如具有1 2 l s b 的1 2 位d a 转换器，若假定线性误差在整个量程内是 均匀分布的，那么这样的线性误差对任何代码所造成的微分线性误差都不会大于i 2 l s b 。 当微分线性误差大于1 l s b 时，d a 转换器将出现非单调性。最大微分线性误差在数值发 生最高进位跃变的时候出现，此时加权网络的增益系数切换的数值较大。 4 ) 单调性：单调性被定义为在满量程内，d a 转换器数字输入单调变化时，模拟输 出增量不改变符号的转换特性。 5 ) 建立时间：建立时间是d a 转换器时间参数中的一个重要参数，它表征转换器的 输入阶跃发生变化到规定的误差带之内所需要的最大时间，规定的误差带一般为a ：i 2 l s b 。 建立时间包括上升速率和限制过冲所需要的时间。对于电压输出型d a 转换器来说，上升 速率主要由输出运算放大器决定。而过冲所需要的时间，取决于电路的闭环接法。 2 2d a 转换器的误差分析 d a 转换器的固有误差包括失调、增益误差 几v 一 和线性误差，大多数d a 转换器的失调及增益误 d c ot d 厂：一 。， 差是可以预先调整好的。因此线性误差往往成为 竺：! - i 1 a 毒：卜芦 实际使用中最关心的问题。l 。i 电压输出型d a 转换器的误差主要取决于参 l ? 一1 考e g e , 、r - 2 r 开关电阻网络以及输出运算放大器 图一d ，a 转换器的一般描述 的误差，其一般描述如图一所示。设eo 表示d a 转换器的输出误差，则： o = v + r + ”。( 2 ) 式中ev 、r 、 分别表式参考电压v i 凇、r 2 r 开关电阻网络以及输出运算放大器a m p 的精度。 v r e f 对精度的影响是整体性的，即v r e f 对d o d l d l l 为0 0 o 到1 l l 都有影 响，但对不同的码其造成的误差大小不同，( 1 ) 式中通常a r o c v r e f ，显然，二进制代码越 大，输出电压也越大，由v 旺f 精度引起的误差也越大。通常这可通过激光修调技术来调整 v r e f 在常温下的值，因此最终决定v l 迮f 精度的是参考电压基准源的温度漂移( 即温漂) 特性 和电压基准源的电压抑制比p s r r 。如果器件选择适当，线路设计合理，参考电压基准源 的温度系数小到1 0 p p m c 是不难实现的。 r 2 r 开关电阻网络误差来源于模拟开关以及网络电阻的误差，开关误差源于模拟开关 并不是理想状态，即导通电阻不为0 ，关断电阻不为无穷大，仍有漏电流存在。网络电阻 误差源于阻值匹配精度和材料的温度跟踪特性。 输出运算放大器主要有三种误差源，即输入偏置电流、输入失调电压和输入失调的温 度漂移。为了减小输入偏置电流的影响，输出运算放大器输入级通常采用m o s f e t 或j t e t 重庆邮电学院硕士学位论文 s d a 7 2 4 7 电压输出型d a 转换器的设计与分析 差分对，两种差分输入级的跨导相当，且都具有很小的输入偏置电流，但m o s 差分对输 入偏置电流的温度稳定性要比j f e t 差分对好得多，然而输入白燥声j f e t 又比m o s f e t 好得到4 1 。 r - 2 r 开关电阻网络与输出运放a m p 对d a 转换器的精度是相互关联的，对于一定转 换精度的d a 转换器，输出运放开环增益a v 越大，对r 2 r 电阻网络的精度要求就愈低， 对输出运放的失调要求也愈低。反之，则对r 2 r 电阻网络的精度要求愈高，下面柬定量 分析输出运放开环增益a v 与转换精度的关系。图一中v e 表示r 2 r 电阻求和网络的输出 电压，其输出电压范围为o i 岍，av 表示输出运放的差模电压，f 为输出运放的反馈系 数，显然，输出运放满度输出电压v f s r = v r e f f 。对于通常要求的转换误差小于i 2 l s b 的 n 位d a 转换器，有： v = v o u t a v i 2 l s b ， 即 a v 2 v o u t i l s b ( 3 ) ( 3 ) 式告诉我们，对于一定精度的d a 转换器，在其整个输出电压范围内对a v 的要 求是不一样的，显然满度输出时对a v 的要求最大，假定r - 2 r 电阻网络是理想的，此时输 出运放的开环增益a v 需满足： a v 7 2 0 1 0 9 1 0 2 。+ 1 ( 4 ) ( 4 ) 式是全码输出时误差小于1 2 l s b 所要求的输出运放的最小开环增益，当输出电压 降低时，要满足相同的精度要求，a v 可按输出电压每减小一倍降低6 d b 。换句话说，d a 转换器精度一定时，输出运放的开环增益a v 并非要求在全输出范围内都能达至- i j ( 4 ) 式的要 求。另外，( 4 ) 式是在r - 2 r 电阻网络理想的情况下推得的，实际上考虑到r 2 r 开关网络 的误差a v 需远远大于( 4 ) 式之值，若a v 足够大，则r 2 r 网络的最大充许误差可达 1 2 l s b 。因此，为了降低对r 2 r 开关电阻网络精度的要求，总是希望在满足带宽和速度 的基础上尽量提高输出运放的开环增益a v 。 2 3d a 转换器的测试 2 3 1d a 转换器的静态测试 所谓静态测试是指测试所需要的时间比d a 转换器本身的建立时间要长得多的测试， 或者说是在基本静态工作条件下进行的测试。其涉及的参数有失调、增益误差、线性误差 和微分线性误差。 静态测试包括逐点测试法和选点测试法两种【5 】。逐点测试法的基本思想是根据转换器 应该具有的台阶数( 位数的函数) ，一个台阶一个台阶地设置数字量，然后将其输出所得 到的实际值与理论值相比较，得出各项转换误差。逐点测试法的主要缺点是对于高精度转 换器需要测量的数据太多，这对于生产厂家尤其不现实，这时则需要有计划地进行选点测 试。 重庆邮电学院硕士学位论文$ d a 7 2 4 7 电压输出型d a 转换器的设计与分析 所谓选点测试就是说要设计一种测试，不用测试全部2 “个数字输入码，就可得到失调、 增益误差、线性误差和微分线性误差等参数的规范值。对于1 2 位d a 转换器而言，一个 可行的方案如表三所示： 表三1 2 位1 ) a 转换器选择测试点 步骤操作内容输入代码 步骤操作内容输入代码 l 失调 0 0 0 0 ，0 0 0 0 ，0 0 0 0 2 增益误差 1 1 1 1 ，1 1 1 1 ，1 1 1 1 3第a o 位 0 0 0 0 ，0 0 0 0 ，0 0 01 4第a t 位 0 0 0 0 ，0 0 0 0 ，0 010 5第a 2 位 0 0 0 0 ，0 0 0 0 ，010 0 6 第1 t 3 位 0 0 0 0 ，0 0 0 0 ，10 0 0 7第a 4 位 0 0 0 0 ，0 0 0l ，0 0 0 0 8第如位 0 0 0 0 ，0 010 ，0 0 0 0 9第a 6 位 0 0 0 0 ，010 0 ，0 0 0 0 1 0第a 7 位 0 0 0 0 ，10 0 0 ，0 0 0 0 1 6 f s r 0 0 0 0 ，1 1 1 l ，1 1 1 1 1 8f s r 0 0 0 1 ，1 1 1 1 ，1 1 1 1 1 11 2 第8 位进位 0 0 01 ，0 0 0 0 ，0 0 0 0第9 位进位0 010 ，0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 0 1 0 ，1 1 1 l ，1 1 1 1 l 4 f s r 0 0 1 1 ，1 1 1 1 ，1 1 1 1 1 33 1 6 f s r1 4 0 01l ，0 0 0 0 ，0 0 0 0第1 0 位进位 010 0 ，0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 1 0 0 ，1 1 1 1 ，1 1 1 10 l o l ，1 1 1 1 ，1 1 1 1 1 55 1 6 f s r1 63 8 f s r 0 1 0 1 ，0 0 0 0 ，0 0 0 0 0l l0 ，0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 1 1 0 ，1 1 1 l ，1 1 1 1 1 2 f s r 0 1 1 l ，1 1 1 1 ，1 1 1 1 1 77 1 6 f s r1 8 0 1 1 1 , 0 0 0 0 ，0 0 0 0第1 1 位进位 10 0 0 ，0 0 0 0 ，0 0 0 0 1 0 0 0 ，1 1 1 1 ，1 1 1 11 0 0 1 ，1 1 1 1 ，1 1 1 1 1 99 1 6 f s r2 0 5 8 f s r l0 01 ，0 0 0 0 ，0 0 0 0l010 ，0 0 0 0 ，0 0 0 0 1 0 1 0 ，1 1 1 l ，1 1 1 1 1 0 1 1 ，1 1 1 1 ，1 1 1 1 2 111 1 6 f s r2 23 “f s r 1 0 l1 , 0 0 0 0 ，0 0 0 0 1l0 0 ，0 0 0 0 ，0 0 0 0 1 1 0 0 ，1 1 1 l ，1 1 1 11 1 0 l ，1 1 1 1 ，1 1 1 1 2 31 3 1 6 f s r 2 47 8 f s r 110 1 ，0 0 0 0 ，0 0 0 01110 ，0 0 0 0 ，0 0 0 0 1 1 l o ，1 1 1 1 ，1 1 1 1 2 51 5 1 6 f s r 1 1 1 1 ，0 0 0 0 ，0 0 0 0 在表三中，步骤( 1 ) 、( 2 ) 分别测试了失调和增益误差，( 3 ) 到( 1 0 ) 分别测试了a o o a 各位的误差，( 1 1 ) 以后在1 5 个间隔上进行测试，即满量程的1 6 、1 8 、3 1 6 7 8 、1 5 1 6 。 经验表明，d a 转换器通常在这些进位处存在较大的误差。另外，在测试中还发现，d a 转换器的误差具有对称性，即互为反码的线性误差基本上大小相等方向相反。这表明d a 转换器具有很小的位干扰( 低累加误差) ，低累加误差意味着任何位的权重或导通位的组 合，总是与其它位的开关状态无关的。事实上，大于i i o l s b 的位干扰多半产生在1 6 、1 5 、 或1 4 位d a 转换器中，当位干扰小于1 1 0 l s b 时，也可以考虑尽量缩短表三的测试，如 重庆邮电学院硕士学位论文s d a 7 2 4 7 电压输出型d a 转换器的设计与分析 只测表中( 1 ) 、( 2 ) 以及各位的进位误差。 d a 转换器测试的主要 仪器是数字电压表( d v m ) ， 根据经验法则，d v m 至少 要是被测d a 转换器所允许 的最低精度的1 0 倍。d a 转 换器的误差通常规定为 1 2 l s b 。应该注意的是，转 换器的线性误差通常比增益 误差小，而d v m 的线性误 表四d a 转换器与d v m 的位数及分辨率的关系 d a 转换器l s b ( 1 0 v f s r )d v m 的d v m 的 分辨率( 位) ( m v )有效位数分辨率( m v ) 61 5 6 2 5 31 0 8 3 9 0 641 1 0 9 7 75o 1 1 22 4 45o 1 1 40 6 l60 o l 1 60 1 56 0 0 l 1 80 0 3 870 0 0 1 差通常比增益误差大。表四给出了转换器对d v m 的位数和分辨率的要求。应当说明，表 四中的数据同样适用于a d 转换器，也适用于在其它测试方法中所使用的d v m 。 2 3 2d a 转换器的动态测试 所谓动态测试是指转换器在动态工作条件下的测试。动态测试除了用于d a 转换器的 动态参数测试外，由于有些反映精度的静态参数在动态工作的条件下可能发生有所变化， 因此为了测试精度，这些静态参数也采用动态测试。 动态测试主要包括主过渡态测试法和计数型动态测试法。主过渡态测试法是测试动态 微分线性的直接方法。其基本思想是把脉冲信号加到d a 转换器上，使输入代码在主进位 状态交替变化，然后在示波器上观察1 l s b 的变化间隔。这种测试法简单方便，且不需要 任何精密测量标准，被测d a 转换器的本身就是它的测量标准，因为每一位总是同本身的 低位相比较。当然，这个方法是不太精确的，因为误差的积累往往要引起对示波器视觉的 微分线性误差，但是这种方法可以反映转换器的动态精度，其价格是最低廉的。对于低精 度高速d a 转换器的应用，往往是最有效的。 计数型动态测试法是一种全动态测试，其基本思想是利用计数器同时驱动一个参考 d a 转换器和被测d a 转换器，然后利用一个运算放大器将两个d a 转换器的输出相减， 并用记录仪或显示器记录相减的结果。显然，被测和参考d a 转换器的都将产生阶梯状输 出波形，计数方式的理想误差显示图形是一条直线。 采用这种测试技术并配合高速记录示波器( 计数频率i k h z ) ，则可在四秒左右的时间 里产生1 2 位d a 转换器所有的代码，同时获得永久的误差记录。对于1 6 位d a 转换器， 也只需1 分钟。获得的误差记录，可以作为在各种温度下快速估计d a 转换器的一种手段。 重庆邮电学院硕士学位论文 s d a 7 2 4 7 电压输出型d a 转换器的设计与分析 第三章s d a 7 2 4 7d a 转换器的电路设计与分析 3 1s d a 7 2 4 7d a 转换器功能简介 r e f o u t r e f i n d 0 d l l w r c s a c s b v d d 图二s d a 7 2 4 7d a 转换器结构图 s d a 7 2 4 7 是双通道1 2 b i t s 电压输出型d a 转换器，由片选信号c s a 、c s b 控制通道 的选通，其原理框图如图二所示，它主要由以下几部分组成：两级双1 2 位数据锁存器、 r - 2 r 开关电阻网络、输出运算放大器和一个齐纳基准电压源，另外还有一些输入电平转换 和输入保护电路。s d a 7 2 4 7d a 转换器具有以下性能特点： 双通道两级锁存器加内置齐纳基准稳压源的结构可使用户勿需任何外界元器件就 可用于多路输入、多个d a 同时工作的情况，利用基准电压输出引脚1 还可为外部提供+ 5 v 基准稳压源。 单+ 1 5 v 电源、双1 5 v 电源均可工作，单电源工作时通过改变引脚的连接就可分别 或同时获得0 。5 v 、0 1 0 v 的电压输出。双电源工作时的电压输出范围为5 v 。 带负载能力强，0 1 0 v 输出时可为r 。= 2 k ，c t = 1 0 0 p f 提供大于5 m a 的负载电流。 建立时间t s e t 短，三种电压输出范围情况下的建立时间t s e t 1 0l js 。 重庆邮电学院硕士学位论文s d a 7 2 4 7 电压输出型d a 转换器的设计与分析 3 1 1s d a 7 2 4 7d a 转换器引脚功能描述 ， 该电路共有2 4 个引脚，除电源、地、输入信号外，还有数据端和控制端，表五给出 了这些引脚的名称和主要功能。 表五s d a 7 2 4 7d a 转换器引脚名称及功能 编号名称功能说明 1r e fo u t内置+ s v 基准稳压源输出端 2r o f s bd a cb 输出运放的偏置电阻( 见图一) 3v o u t bd a cb 电压输出端 4d b l l数据第1 2 位( m s b ) 5d b l 0数据第l l 位 6g n d电源地 7 1 5d b 9 d b l数据第2 位第1 0 位 1 6d b 0数据第1 位 1 7d a cb 选通端，低电平有效 c s b 1 8d a ca 选通端，低电平有效 c 黝 1 9d a c 输入数据写入端，低电平有效 豫 2 0v d d+ 1 5 v 电源输入端 2 lv o u t ad a ca 电压输出端 2 2v s s- 1 5 v 电源输入端 2 3r o f s ad a ca 输出运放的偏置电阻( 见图一) 2 4r e fi nd a c 用外部稳压源时的输入端 2 4r e fi nd a c 用外部稳压源时的输入端