（微电子学与固体电子学专业论文）十位数模转换器的设计.pdf

沈阳l 业大学硕士学位论文 摘要 十位数模转换器的设计，是受单位委托设计开发的一款单片电路。该电路为中规模 数模混合集成电路。电路的设计采用正向设计和逆向设计相结合的方法完成。逆向设计 主要是对数模转换器a d 7 5 2 0 做了解剖分析，逆向设计了新电路中的r 2 r 电阻网络和 模拟开关部分。由于a d 7 5 2 0 中没有基准电路，所以在查阅了大量资料的基础上，正向 设计了一款带隙基准源，并与a d 7 5 2 0 集成在一起。 本课题基于c s m c0 6 t mc m o sn - w e l ld p d m ( d o u b l ep o l yd o u b l em e t a l ，双层多 晶双层金属) 工艺设计的。对a d 7 5 2 0 的设计包括：芯片的逆向解剖分析、电路提取、 原理分析和电路仿真，在o 印m 的工艺条件下达到( 大多优于) 原电路的功能和性能。 正向设计的带隙基准源，分析了带隙基准源的基本原理，给出了带隙基准源的电路结构， 详细讨论了其中运放部分的设计，给出电路的仿真结果。搭建整体数模转换器的电路结 构并进行仿真，给出仿真结果。最后完成了整个数模转换器的版图设计，结合数模混合 电路版图设计的特点合理进行布局布线，并通过了d r c 、l v s ，提取带有寄生参数的网 表做后仿真。 本课题全部工作在p c 机上完成，电路设计采用w o r k v i e wo f f i c e 软件；版图设计采 用l - e d i t 软件；应用h s p i c e 软件对电路和版图的功能和性能进行仿真。电路实现了 数模转换的功能，基于5 v 单电源条件下工作，分辨率达到1 0 位，采样速率为5 0 k s p s ， 功耗为4 3 2 m w ，版图面积为o 8 m m 2 。最小i n l 为0 l s b ，最大1 n l 为+ 2 5 3 l s b 。最小 d n l 为0 4 7 l s b ，最大d n l 为+ 0 4 6 l s b 。其中带隙基准源为3 3 v ，零温度系数点在 2 7 。 关键词：数模转换器，带隙基准源，运算放大器 十位数模转换器的设计 t h ed e s i g no f1 0 - r b i t sd i g i t a l t o - a n a l o gc o n v e r t e r a b s t r a c t t h el o - b i t sd i g i t a l t o a n a l o gc o n v e r t e r ( d a c ) i sd e v e l o p e df o rt h ec o m p a n y t h ec i r c u i t i st h em e d i u ms c a l ed i g i t a la n da n a l o gm i x e di n t e g r a t e dc i r c u i t t h ep o s i t i v ed e s i g nm e t h o d a n di n v e r t e dd e s i g nm e t h o da r ea p p l i e dt ot h ed e s i g n a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fa d 7 5 2 0 ， t h er - 2 rr e s i s t o r sn e t w o r ka n dt h ea n a l o gs w i t c hs e c t i o na r ed e s i g n e dw i t hi n v e r t e dm e t h o d s i n c et h e r ei sn o tt h er e f e r e n c e dv o l t a g ec i r c u i t ，w eh a v er e a dal o to fi n f o r m a t i o na n d d e s i g n e da k i n do fb a n d g a ps o u r c ei n t e g r a t e dw i t ha d 7 5 2 0 t h i sd e s i g ni sb a s e do nt h ec s m c0 6 “mc m o sn - w e l ld p d m ( d o u b l ep o l yd o u b l e m e t a l ) p r o c e s s t h ew o r ki n c l u d e sn e g a t i v e l ya n a l y z i n gt h ec h i p ，e x t r a c t i n gt h ec i r c u i t i n v e s t i g a t i n gt h ep r i n c i p l ea n ds i m u l a t i n gt h ec i r c u i t s t h ee x c e l l e n tf u n c t i o na n dp e r f o r m a n c e a t ea t t a i n e dw i t ht h e0 6 “mp r o c e s sa d o p t e d t h eb a n d g a pi sd e s i g n e dw i t hp o s i t i v em e t h o d ， t h eb a s i cf u n c t i o no ft h eb a n d g a pi sa n a l y z e d ，a n dt h ed e s i g no ft h eo p e r a t i o na m p l i f i e ri si n d e t a i ld i s c u s s e di nt h et h e s i s t h e n ，t h es t r u c t u r eo ft h ew h o l ed a ci sc o n s t r u c t e da n d s i m u l a t e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eo b t a i n e d f i n a l l y ，t h el a y o u to ft h ew h o l ed a c i s a c c o m p l i s h e db a s e do nt h ec h a r a c t e ro fd i g i t a la n da n a l o gm i x e ds i g n a ll a y o u td e s i g n t h e d r ca n dl v sh a v ed o n e ，a n dt h ep a r a s i t i c a lp a r a m e t e r sa r ee x t r a c t e dt om a k et h e p o s t - s i m u l a t i o n a l lw o r k sa r ec a r r i e do u tw i t ht h ep e r s o n a lc o m p u t e ri nt h i st h e s i s t h ew o r k v i e wo f f i c e i sa p p l i e dt od e s i g nt h ec i r c u i t ，t h el - e d i ti sa d o p t e dt od e s i g nt h el a y o u t ，a n dt h eh s p i c ei s u s e dt os i m u l a t et h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft h ec i r c u i ta n dt h el a y o u t t h ef u n c t i o no f d i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r s i o ni sr e a l i z e dw i t ht h ed e s i g n e dd a c t h ew o r k i n gv o l t a g es o u r c ei s 5 vs i n g l ep o w e rs u p p l y ，t h er e s o l u t i o nr e a c h e sl o - b i t s ，t h es a m p l e 仃e q u e n c yi s5 0k h z ，t h e p o w e rc o n s u m p t i o ni so n l y4 3 2m w ，t h el a y o u ta r e ai s0 8m m 。，t h em i n i m u m1 n l i s0l s b ， t h el a r g e s ti n li s + 2 5 3l s b ，t h em i n i m u md n li s 一0 4 7l s b ，a n dt h el a r g e s td n li s + o 4 6 l s b ，t h eo u t p u tv o l t a g eo fb a n d g a pi s3 3 v ，t h ez e r ot e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t sp o i n ti s2 7 c k e yw o r d s ：d i g i t a l t o - a n a l o gc o n v e r t e ro d a c ) ，b a n d g a p ，o p e r a t i o na m p l i f l e r 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。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 沈阳工业大学或其他教育机构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任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：聋盈蟑日期：型z 。蔓：星 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：! 啡导师签名：豸址日期：2 与乙互粤一 沈阳1 ：业大学硕士学 i ) ：论文 1 绪论 1 1 引言 自然界中存在的物理量可分为模拟量和数字量两种i ”。模拟量的表现形式是连续的， 这罩所说的连续有两个含义：一是随着时间是连续变化，二是其数字是连续可变的。数 字量的表现形式则是不连续的、离散的，它的数值只能一个单位一个单位的增加或者是 减少。 真实的世界是模拟信号的世界，例如日常生活中经常出现的声、光、电、磁、热和 一些机械参数等等【2 j ，它们大多是非电的模拟量。为了利用电子技术能处理这些信号， 首先要通过传感器把这些非电信号转换成相应的电信号。这时的电信号往往仍是模拟信 号，对它们的处理通常有模拟方法和数字方法两种1 3j 。 模拟方法是用模拟电路加工模拟信号，其结果用模拟仪表显示或驱动执行机构。由 于模拟电路对电磁干扰、器件参数的变化比较敏感，因此要实现高精度是比较困难的且 实现高精度的代价也往往是很高的。 随着数字技术的迅速发展和成熟，尤其是微处理器的迅速发展和广泛应用，使得数 字信号的大量存储、快速处理成为很容易的事，因而用数字技术处理模拟信号已越来越 收到重视。这就需要先把模拟电信号变换成数字信号，再利用数字技术对数字信号加工 处理，处理结果根据需要变换为模拟信号以适应后面显示或执行机构的要求，实现对模 拟信号的显示或控制。 其中将模拟量转换成数字量的装置称为模数转换器( a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r ，简 称a d c ) ，输入是模拟量，输出是数字量。将数字量转换成模拟量的装置称为数模转 换器( d i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e r ，简称为d a c ) ，输入是数字量，输出是模拟量【”1 。 例如，在工业生产中常常需要对温度参数进行控制，采用数字系统实现控制的过程如图 1 1 所示。先用热电偶或其它的传感器把系统温度转化成电压，经放大和滤波等预处理， 再通过模数转换器( a d c ) 变成为数字信号，送入数字系统处理，根据系统情况和控制 要求将产生的处理结果再用数模转换器( d a c ) 变换成模拟信号，用来改变晶闸管的导 通角，从而控制加热系统的功率，实现对温度参数的控制。 十位数模转换器的设计 图1 1 数字系统控制温度示意图 f i g 1 1t h es c h e m a t i co ft h ed i g i t a ls y s t e mc o n t r o l l i n gt h et e m p e r a t u r e 由此可见，a d c 和d a c 具有相应的基本功能。是数字电子系统和模拟电子系统之 间的常用接口电路，是自然模拟世界与计算机数字世界之间的桥梁，是通用的基础元器 件。a d c 、d a c 在混合信号处理中仍然起着不可缺少的作用【6 j 。 1 2d a c 的发展及现状 d a c 的发展经历了电子管、晶体管到集成电路的过程。它是因人类生产和生活的 迫切需要而生产和发展的，其发展的每一阶段都和当时最新科技成就相关联。 4 0 年代后期，人们从事了数字通信的研究和实践，例如研究脉冲编码调制式通信。 它要求发送部分能将要传送的声音、图像等连续变化的模拟量转化成数字形式发送出 去，而信号接收部分要求能把接收到的数字信号还原成声音、图像。于是研制了有电子 管组装成的模数转换器和数模转换器，使这种可靠和经济的数字通信得以实现【”。 随着晶体管工艺的发展和成熟，到5 0 年代后期，转换器中的电子管逐步由晶体管 替代，使转换器的体积和重量大大减小。 数字计算机的兴起、发展和应用领域的不断扩大，促进了集成电路和转换技术的迅 速发展。到6 0 年代中期，构成数模转换器的主要功能单元电路一如运算放大器、基准 电压源、电阻网络、模拟电子开关和逻辑控制电路等已陆续实现了集成化，特别是集成 化运算放大器已开始进入大规模工业生产阶段。在此基础上人们逐渐摒弃了全部由分立 元器件组装数模转换器的传统方法，开始选用某些现成的具有某一种单一功能的集成电 路一如集成化运算放大器、逻辑集成电路或集成基准电压源等集成单元电路，并外加一 沈阳业大学硕士学位论文 些必要的元器件，来组装数模转换器。这种结构形式的数模转换器，与完全分立元器件 组装的转换器相比，在一定程度上简化了组装结构。 单片d a c 工业化生长始于上个世纪7 0 年代。7 0 年代初，所有元件都被集成在一 个芯片上的单片集成数模转换器研制成功。它标志着数模转换器真正达到了工业化大批 量生产的阶段，摆脱了精心挑选转换器中源器件的麻烦，从而大大降低了成本，提高了 可靠性。此后，工艺上的进一步发展，生产了标准双极型工艺和c m o s 工艺结合起来 的组合技术，例如a d i 公司的b i m o s 和l c 2 m o s 工艺技术，使速度和精度方面占优势 的线性双极型器件与高集成度、低功耗的c m o s 双向模拟开关及逻辑电路集成在同一 芯片上，构成双极- - m o s 相容型数模转换器。 进入9 0 年代以来，由于数字化的影响，供应商品种类急剧增加，且由于d a c 可用 t 于构造a d c ，所以d a c 在转换器中占的比重比较高。综观整个d a c 的发展孵匍。 发现d a c 的研究一直朝着三个方向发展，一是以提高速度为主：二是以提高精度为主； 三是兼顺速度和精度。由于高速高精度d a c 有比普通d a c 更多的优点从而逐渐成为 d a c 发展的潮流刚。 现代d a c 的主要特点有：一是集成度高，现在的d a c 将基准电压源、采样保持电 路等外围单元电路与d a c 集成在一块芯片上。二是单电源、高性能，许多高速d a c 的 电源为5 v 或+ 5 v 、+ 3 v 。三是低功耗、低价格。这种趋势必然倒置采用标准的o 6 9 m c m o s 制造工艺开发各种高速d a c 。但是由于用c m o s 工艺无法制造薄膜电阻，这对 集成电路设计者是一个很现实的挑战。而双极型c m o s 工艺( b i c m o s ) 由于汇集了 双极的高速和保持了c m o s 工艺的低功耗特性，目前b i c m o s 工艺生产的d a c 可达 最高性能。在集成数模转换器的内部，既含有模拟集成电路，又包括逻辑集成电路，因 此通过单片式集成数模转换器的制作，在设计技巧和工艺技巧方面，使模拟集成电路和 数字电路彼此融合在一起，为模拟与数字系统的进一步结合开创了良好的先例。 随着半导体工艺和器件尺寸的继续发展，数字电路在高速和低功耗方面有了很大的 发展，这种趋势给混合信号集成电路形成了巨大压力。首先数字电路提供了更多的操作， 而不是他们相应的模拟电路：其次，为了能够完全应用先进工艺的优势，d a c 、a d c 接口的速度必须与数字电路的速度相当1 9 1 ；最后，资金和性能也促使人们想要在混合信 十位数模转换器的设计 号处理系统的单个芯片上时间高速集成的功能。以上分析说明，数字信号处理和数字转 换虽然保持着一个重要的低位，d a c 、a d c 在混合信号处理系统中仍然起着不可缺少 的重要作用【1 0 l ：在视频和通信应用中，模拟量与数字量的转换速度仍然有待提高，数据 转换器的设计中将有一个新的挑战：在混合信号处理系统中，噪声的消除成为一个相当 重要的问题；当今的许多应用产品中数据转换器的功耗也是一个重要的参数。总之，d a c 还有着很大的研究空问。 1 3 课题的内容 本课题的研究内容为十位数模转换器的设计。该电路为中规模的数模混合专用集成 电路，基于c s m co 6 # m 的硅栅n 阱c m o s 工艺，采用逆向和正向相结合的方式进行 设计。设计过程中，采用了w o r k v i e wo f f i c e 、l - e d i t 和h s p i c e 等设计工具。论文工作 的具体研究内容如下： ( 1 ) 参照a d 7 5 2 0 芯片，设计电阻网络和模拟开关电路。 ( 2 ) 研究带隙基准的工作原理，并设计一款带隙基准源，为数模转换器提供基准电 压。 ( 3 ) 完成数模转换器的版图设计及验证。 4 沈阳t 业又学硕士擎t i = 论文 2d a c 基本结构和工作原理 2 1d a c 常用结构和工作原理 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，如 图2 1 所示。为将模拟电流转换成模拟电压，输出通常外加运算放大器。 输 入 d 图2 1d a c 结构框图 f i g 2 1t h es t t u c m t eo f d a c 出 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1 的位，开关将参考电源u 。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【”。 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 开关比一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 一2 r 梯形电阻网络d a c 和r 2 r 倒置梯形电阻网络d a c 等几类1 1 3 】。 2 1 1 权电阻网络d a c 权电阻求和网络d a c 的基本电路结构如图2 2 所示。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，并且其中的模拟开关分别受输入数码的控制，最高位数码控制阻值最小 的支路的开关，依此类推，最低位数码控制阻值最大的支路的开关。当某位数码为1 时， 十能数模转换器的设计 它所控制的开关接通，输出总线上出现与该位电阻阻值成反比的电流分量，当该位数码 为o 时，总线上就没有这一位的电流分量。该网络各位的输出电流和电压符合二进制关 系，因此这个网络称为权电阻网络，它的最高位的权为l 2 ，第二位的权为1 4 ，最 低位的权为1 ，2 n ，它代表了该d a c 的分辨能力。 k e f 1 0 , ( r 2 ) iii ii 西 越以 ( l s b ) 图2 2 权电阻求和网络d a c f i g 2 2t h ew e i g h t e dr e s i s t a n c en e t w o kd a c 图2 2 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，它是数模转换器的核心部份。 各种数模转换器的差别就在于这部分电路结构的不同。 权电阻网络数模转换器的优点是电路简单、概念清楚。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，使数模转换器对噪声电流很敏感。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【1 4 1 。 6 l 沈拜l | ：业大学硕士孛位论文 2 1 2r - 2 r 梯形电阻网络d a c r 2 r 梯型d a c 的网络结构，如图2 3 所示。 图2 3r - 2 r 梯形电阻网络 f i g 2 3r - 2 rl a d d e rr e s i s t a n c en e t w o r k 与权电阻网络的显著差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。输入数码控制各个支路中的模拟开关，当输入数码为l 时，开关将2 r 电阻接 参考电压v r e f ，反之接地。因为参考电压源内阻可以视为零。所以，不管开关是接v o 还是接地，从每个结点向右看的等效电阻均为2 r 。因为运放的反向输入端为虚地点， 可以利用电流的比例关系计算出输出电压的值 1 5 , 1 8 】。 对上述两类d a c 的分析可知，输出端的放大器的功能是进行电流一电压变换，所 以又称电流一电压变换器，它可以提供低阻抗的电压输出。 此种数模转换器非常著名，r 2 r 梯形电阻网络d a c 克服了权电阻网络电阻值种类 繁多的缺点，使用的电阻不但比例单一( 2 r 可用两个r 串联) ；而且使用的数量非常 少( 8 b i t 设计仅1 7 个电阻) t 4 j 5 3 8 i 。这样就带来很多好处，因为c m o s 工艺中电阻的 绝对值是很难制造得准确的，但是电阻的相对比例却是很容易达到很高的精度的。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【1 4 l 。 2 1 3 倒置r - 2 r 梯形电阻网络d a c 如图2 4 所示，是一个倒置r 2 r 梯形电阻网络d a c 。它包括由数码b i t 控制的开 十位数模转换器的设计 关和电阻构成。与r 2 r 梯形电阻网络的d a c 相比，它们的电路结构十分相似，不同点 在于模拟开关接入的位置不一样。 “垂“芝8堡“ 上 。i7i。i。? 且一 l i 一 卜 图2 4 倒置r - 2 r 梯形电阻网络d a c f i g 2 4i n v e r t e dr - 2 rl a d d e rr e s i s t a n c en e t w o r k 倒置r 2 r 梯形数模转换器的电阻网络与r 2 r 梯形数模转换器的工作原理基本相 同，不同之处在于将电子模拟开关与电阻网络的位置对调。r - 2 r 电阻网络将电阻网络 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。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 切换时速度不一样，将会在运算放大器的输出端产生尖峰脉冲1 1 6 1 。 与r 2 r 梯形网络相比，倒置r 2 r 梯形网络结构具有两个特点1 1 4 】：一是不管开关 接地还是虚地，流过网络的电流总是近似恒定的，因此输入数码变化时，网络中由于变 化的电流对杂散电容充电引起的瞬态过程要短得多；二是模拟开关在地和虚地之间切 换，流过开关的电流恒定，开关两端电压很小，所需的驱动电压也很小，这不仅有利于 提高开关的切换速率，而且切换时产生的瞬态电压也很小。然而应该指出，这种工作方 式也有一个严重的缺点，当输入数字变化时。接到在放大器同相输入端的电阻数值是变 化的，也就是说接到在放大器同相输入端的时问常数是输入数字的函数，这不但使输出 直流误差不易补偿，而且难以做到最佳相位补偿，造成的转换器输出非线性误差，影响 d a c 的稳定时1 臼j l ” 。 8 沈阳t 业大学硕士学位论文 2 2d a c 主要性能参数 2 2 1 微分非线性 微分非线性( d i f f e r e n t i a ln o n l i n e a r i t y ，d n l ) 指的是任意两个相邻的输入数字所引 起的数模转换器的模拟输出增量与理想增量之差称为该点的微分非线性误差f 1 9 1 。定义 为： d n k = 第n 个转换的实际增量高度一理想的增量高度 ( 2 1 ) n 为对应数字输入转化的编号。 微分非线性误差误差描述的是任意相邻输入数字相对应的d a c 模拟输出增量的不 均匀性，反映了线性误差的分布特性。d n l 用来衡量d a c 产生均匀的模拟信号的能力。 图2 5 给出了一种实际d a c 的d n l 曲线。观察可知，转换器的d n l 为0 7 5 l s b 。 图2 5d n l 曲线 f i g 2 5c u r v e sw i t hd n l 齄入码d 2 2 2 积分非线性 d a c 的另一个比较重要的静态特征指标是积分非线性( i n t e g r a ln o n l i n e a r i t y ，i n l ) ， 它被定义为数据转换器的输出与连接第一个输出和最后一个输出所得参考直线之间的 偏差【1 9 1 。1 n l 描述了整条转换曲线的线性度，可以表示为： i n k = 输入码n 对应的输出一参考直线上同一点的输出值( 2 2 ) 式中，n 为对应数字输入转化的编号。 !：； 甓撖赣出馥 十位数模转换器的设计 积分非线性描述的是d a c 的实际转换特性曲线与理想转换特性之间的偏差，反映 了实际转换特性的整体线性度。非理想的3 位d a c 的i n l ，如图2 6 所示，i n l 的最坏 情况分别为+ 0 ，5 l s b 和一0 7 5 l s b 。 8 ， 7 6 摸 j 拟 输4 ， 出3 嬗2 ， 1 图2 6i b l l 曲线 f i g 2 6c u r v e s w i t h1 n l 数字输入磅d 2 2 3 失调误差 d = 0 对应的模拟输出电压应该是0 v 。如果输出端出现非零电压值，则称d a c 存 在失调误差( o f f s e te r r o r ) 1 2 0 - ”。如图2 7 所示，可以把失调看作是转换曲线的平移， 这个特性类似于运算放大其的失调电压，不过这里的失调不是相对于输入而言。 2 2 4 增益误差 如果转换曲线的最匹配直线的斜率不等于理想情况的斜率，则称d a c 存在增益误 差( g a i ne r r o r ) 1 2 0 - 2 孤。如图2 8 所示，增益误差为： 增益误差= 理想斜率一实际斜率。( 2 3 ) 2 2 5 建立时间 建立时间( s e t t i n gt i m e ) 是指描述d a c 速度特性的一个重要参数。它包括转换器 量程变化的建立时间以及输出幅度为l s b 的建立时间，输出满量程变化时的建立时间 1 0 沈阳工业人学硕士学位论文 是更为重要的参数，它是指，当数字输入从全0 突变1 ( 或从全1 突变o ) 时，转换器 的输出达到规定( 误差带为1 ，2 l s b ) 所需要的时间，如图2 9 所示【1 4 l 。 失调误差 图2 7 失调误差曲线 f i g 2 7c u r v e sw i t ho f f s e tc n _ o r 然 妙7 增益误差 图2 8 增益误差曲线 f i g 2 8c u r v e sw i t hg a i b r r o r 图2 9 建立时间 f i g 2 9s e t t i n gt i m e 建立时间由内部逻辑电路系统的切换时间和寄生的结点电容产生的电路瞬变切换 时间和寄生的结点电容产生的电路膀变延迟时间所决定。建立时间主要受m s b 建立时 间的贡献所控制，较低位数相关的建立时间一般可以忽略不计【2 3 1 。 2 2 6 分辨率 输入数字量的最低位发生变化时，输出电压的变化量u ( 即最低位值) 对满值输出 电压u 的比叫分辨率，即 十位数模转换器的设计 分辩率= 等= 击 ( 2 4 ) 分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反映越灵敏。而分辨率和输入数字量的位数 n 有关 2 4 1 。n 越大分辨率就越高。 通常分辨率用数字量的位数n 柬表示，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1 ( 2 8 1 ) = 】2 5 5 的增量作出反应。分辨率也可 以用百分比表示，如1 2 5 5 - 0 4 。 分辨率有三种表示方法：数字分辨率、模拟分辨率和相对分辨率。d a c 的位数决 定了最低有效位对应的模拟量值，故用位数表示d a c 的数字分辨率，通常所说的分辨 率就是指数字分辨率。模拟分辨率是指d a c 能分辨的最小输出量值，即l s b 大小的电 流或电压，该值通常作为参考单位或基准单位。相对分辨率是用模拟分辨率与额定满度 输出量程f s r ( f u l ls c a l er a n g e ) 的比值表示。 2 ，2 6 精度 精度是指对给定的数字输入，其模拟量输出的实际值和理想值之间的最大偏差，它 反映了数模转换器实际的转换曲线和理想曲线之间的最大偏差。它是失调误差、增益误 差、线性误差和噪声等累加的结果。 数模转换器的精度分为绝对精度和相对精度两种，通常所说的精度是指相对精度。 精度有两种表示方法，一种是用满量程范围的百分比表示( f s r ) ，另一种是以最低 位( l s b ) 对应的模拟输出值为单位表示。 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，转 换器的精度并不高。 沈僻l l + 业大学硕士学位论文 3a d 7 5 2 0 的电路提取及分析 3 1 芯片说明 a d 7 5 2 0 是a d i ( a n a l o gd e v i c e ，i n c l 公司的一款单片集成、高性能、低价位的数模 转换器。它的分辨率为1 0 位，电源供电范围是+ 5 v + 1 5 v ，最大功耗2 0 r o w ，可与 t t l c m o s 电平兼容。芯片的管脚排步如图3 1 所示，各个管脚的功能如表3 1 所示。 t o pv l w 、j 一 a d 7 5 2 0 i k e e d b a c k v r e f v + 8 讦1 0 t u 湛i 8 玎9 8 玎8 b 盯7 b l t 6 图3 1 芯片引出端排列俯视图 f i g 3 1p l a n f o r mo fa d 7 5 2 0 表3 1a d 7 5 2 0 管脚说明 t a b 3 1s p e c i f i c a t i o no f a d 7 5 2 0 他国脚晗倦=!碍 帆蚰翩麟叭鲋昕阱 b 十t ：) = 数模转换器的设计 如图3 2 所示，其中虚线部分是a d 7 5 2 0 是倒置r 2 r 梯形网络。在实际应用中， 需要外接运算放大器。运算放大器的反馈电阻可以使用芯片内设的反馈电阻r f e e d b a c k 也可以另选反馈电阻接到l o t m 和v o 之间。 珀。弱跫主皇陛 l li 哳1 陟 r n “ 图3 2 芯片结构框图 f i g 3 2a r c h i t e c t u r eo fa d 7 5 2 0 3 2 芯片的解剖、拍照及电路提取 3 2 1 芯片的解剖 ( 1 ) 去除外部封装 购买的成品是带有封装的，要得到其内部结构，必须首先去除外部封装。金属壳或 陶瓷壳封装的管子可以用相应的模具来开壳，而对于塑封的管子则可以用酸来处理。由 于a d 7 5 2 0 采用的是塑料封装，所以选择用酸来处理。 试验药品：发烟硝酸。发烟硝酸不腐蚀铝，可以保留芯片结构完整。 试验步骤： 第一次煮片：将发烟硝酸倒入烧杯中，加热至烧杯上层有薄烟，放入成品芯片，继 续加热煮沸。当杯口上方的烟雾变小时，需要第二次煮片。这主要是由于要保持发烟硝 酸的浓度。芯片的外部封装有可能一次煮片无法去处干净，所以需要多次煮片。 第二次煮片：将烧杯中的液体倒出，将芯片移出来，反复清洗烧杯后，烘干，倒入 发烟硝酸重复煮片。 当芯片的外部封装被完全去除后，要对芯片反复冲洗，并用滤纸吸干芯片上的残留液 体。 沈阳r 业大学硕牛学位论文 ( 2 ) 去铝 一般情况下，芯片上除了压焊块和一些特殊的需要修正的部分外，其它部分都被钝 化层覆盖。钝化层可以是s i 3 n 4 ，还可以是聚酰亚胺，磷硅玻璃等。对去处封装的芯片 放大观察，发现在p a d 处的铝层已经脱落，其余部分铝层完整。因为p a d 处没有钝化 层保护，所以在p a d 处铝被酸腐蚀了。其余钝化层可以用等离子刻蚀去除，大约刻蚀 时间3 分钟。 由于带铝的照片不利于判断被铝条覆盖部分的结构，所以还得再剖一个去掉铝层的 芯片。去铝可以用盐酸或者硫酸，为了最小程度的破坏芯片表面，最好用热磷酸。水浴 加热磷酸到8 0 ，大约1 0 分钟左右，就可把芯片表面铝条去干净。去除铝层后，芯片 表面就很清晰了。 由于此芯片内部结构在去铝之后就可以判断了，所以可以直接提取。但一般情况下 为了使提取更加准确，还要去处多晶层和染色。 ( 3 ) 去除多晶层 在铝和多晶硅层之间有一层s i 0 2 介质层，先用稀h f 酸漂掉这层s i 0 2 介质层，再 来处理下面的多晶硅层。去掉多晶层后，露出了栅氧化层。 ( 4 ) 染色 通过上面的解剖，提出了芯片的线路图，根据线路中电源线和地线的连接位置，初 步判断芯片工艺。为了确认判断是否正确，最后要用染色的方法来验证。 染色是用五水硫酸铜( 白( s d 4 ) s 日：0 ) 5 0 毫升，然后加入两滴氢氟酸( h f ) 配成 溶液，把芯片放入溶液中，大约2 0 秒后，将芯片取出，用去离子水冲净，用滤纸慢慢 吸干上面的水份。在显微镜下观察染色后的芯片，附着有铜的区域是n 区i 矧。 3 2 2 芯片拍照 ( 1 ) 放大、局部拍照 由于芯片很小且内部关系比较复杂，所以为了获得清晰的结构只能对芯片放大拍 照。但是对其放大2 0 0 倍以后仍然无法得到连接清晰的结构，因此只能放大后再局部拍 照，然后再将若干局部照片拼接，合成一张芯片的整体的照片，从而正确的提取芯片内 部的连接关系。 十位数模转换器的设计 ( 2 ) 拼图 在开始拼接时，按序号顺序排好，寻找相邻照片的共同点，将后一张在前一张上并 粘住。要注意，由于照片本身有一些偏差，不可能完全对上，因而取最重要部分能重合 即可，不一定要求全部对接得很好。拼图时可以从中心部分开始向四周拼接，这样可以 保证中间部分较好重叠，而外部则可放低要求。拼接后的包含a l 层的照片如图3 3 所示， 去除舢层的照片如图3 4 所示。 幽 ，o 鲁、销层的。占片照片 f i g 3 3c h i pp h o t ow i t ha i 沈刚】：业大学硕士学位论文 图3 4 去铝的芯片照片 f i g 3 4c h i pp h o t ow i t h o u ta i ( 3 ) 标注与分块 由管脚图寻找对应的压焊块、注明功能、标号。从压焊块出发，经输入输出电路向 内部走线，找到各输入端在内部的入口及各输出端在内部的出口，并做出标记。由此将 版图分成若干个功能块，由输入信号确定各功能块的功能。为了提高提取效率，对照片 上重要的铝线( 比如电源线、地线或较长的铝线等) 或管子加以标注，也可根据需要对 一些并不长的铝线或较次要的管子加以标注。为铝线和管子等标注的名字应该简单明 了，这样不仅方便标注而且减少了提取过程中不必要的错误。 3 2 2 芯片电路提取 根据照片提取电路的连接关系以及各个管子的宽长比及个数。由于本设计要对原始 设计工艺进行转化，将原来6 , u m 的工艺改为0 6 “m ，所以就必须对提取的参数进行换算。 1 7 十位数模转换器的设计 换算时要切记w l 一定要以最小特征尺寸为基准。例如：我们由照片得到某些管子的 w l 为9 6 u m 6 t m ，则我们要设计的电路里这个管子的宽长比就应该为9 6 z m 0 缸m 。 3 3a d 7 5 2 0 的分析与仿真 3 3 1 倒置r - 2 r 电阻网络 a d 7 5 2 0 是一个典型的倒置r 2 r 梯形网络。电路主要由两个部分组成：电阻网络 部分和c m o s 开关部分。电阻网络部分的版图如图3 5 所示。 幽3 5 电阻网络照片 f i g 3 5p h o t oo fr e s i s t a n c en e t 图3 6 电阻网络结构 f 瑭3 6s t r u c t u r eo fr e s i s t a n c e t 1 8 沈剐i ：业大学硕士学位论文 版图比较规则，版图内的电阻为薄膜电阻，每个电阻的阻值为1 0 k ( 即一个r ) ， 其2 r 的阻值是通过两个r 相连构成的。图中黑色框内为电阻2 r ，框外为电阻r ，浅色 部分为金属连结线，由此可以判断其连接结构并画出电路，如图3 6 所示。 根据运算放大器线性运用时虚地的概念可知，由于运放的反相输入端的电位接近于 零，所以在r 2 r 电阻网络中，无论歼关合到哪一边，都相当于接到了“地”电位上，其 结构如图3 7 所示。 v r e f 图3 7r - 2 1 1 电阻网络 f i g 3 7a r c h i t e c t u r eo fr 2 rr e s i s t o rn e t 根据该网络的特点，对于一个n 位输入的倒t 型r 2 r 网络，从任一个纵向2 r 电 阻向右看的两端网络其等效电阻都为r ， 所以 i 。鳖 ( 3 1 ) r 且各个支路电流i l 、i z 、l n 满足 i 一2 1 1 4 1 2 8 1 3 一一2 ”i n ( 3 2 ) 得到总电流1 0 为 卜：| ；卜等扣一； 慨s ， 运算放大器输出电压为 。一r f i o ，一言r 善n b ；2 一。 ( 3 4 ) 由该式可见，输出模拟电压与数字输入量成正比【2 2 1 。 十偷数模转换器的设计 3 3 20 m o s 单刀双掷开关 一个c m o s 开关部分版图如图3 8 和3 9 所示，它是一种典型的c m o s 单刀双掷类 型的开关。图3 8 含有灿层，图3 9 不含a i 层，提取电路时对比两个图来确定电路结 构。图3 8 中已经将管子进行了标注，浅色的部分为金属a l ，可以判断各个管子之间的 连接。根据图3 9 ，可以判断管子的栅、源、漏和管子的类型。提取得到的电路如图3 1 0 中框内所示。 幽3 8 开芙钭线连接照片 f i g 3 8p h o t oo fs w i t c hw i t ha i 图3 9 开天玄铝线连接照片 f i g 3 9p h o t oo fs w i t c hw i t h o u ta i 沈阳i ：业大学硕士学谚论文 _l v d dii v d d 爵 阳可 ； 卜 鞫fj 衅煳( a 一d 1 b l 一 j l 巾l 也阻网络j 。“11jl：!号：。“5。jl：! 图3 1 0c i l o s 单刀双掷开关 f i g 3 1 0c m o ss 峨g kp o l ed o u b l et h r o w 删钕蛔 这个开关电路由9 个m o s 管组成的，通过三个反向器控制两个开关管的导遭或截 止。控制信号d 为0 ，m n l 、m p 7 、m n 5 管截止，m p 2 、m p 4 、m p 6 管导通，a 点为 高电平“l ”的状态，m n 8 导通；b 点为低电平o ”的状态，m n 9 截止。输入电流矗经 m n 8 送到i o l l l l o 控制信号d 为1 ，m n l 、m p 7 、m n 5 管导通，m p 2 、m p 4 、m p 6 管截止，a 点为