（微电子学与固体电子学专业论文）高速数模转换器的设计.pdf

浙江大学硕士研究生毕业论文 摘要 1 9 3 6 7 2 本项目的目的是设计一个1 0 b i t 高速数模转换器( d a c ) 的i c 芯片。 随着计算机技术、信号处理技术、微电子技术的快速发展，先进的电子系统 不断涌现。在许多电子系统的后端，应用了数模转换器。特别是在无线通信等领 域，需要用到高速的数模转换器。在通信日益发达的今天，高速d a c 的前景广 阔。 在比较了数模转换器的众多结构之后，本设计决定采用分段式的电流型结 构。其中，1 0 b i t d a c 的商6 位采用一进制编码，可以减小误差，加快速度；低 4 位采用二进制编码，可以减小面积。输入输出方式是并行输入，电流输出，这 也符合高速的目标。 数模转换器的内部电路包括电流源矩阵、基准源等模拟电路模块，以及寄存 器、译码器、锁存器等数字电路模块，属于数模混合电路。由于本设计对数字电 路部分的要求比较严格，而且电路结构相对简单，所以采用和模拟电路设计一致 的设计方法，即：使用原理图输入设计，全定制编辑版图，对版图进行d r c ， l v s 以及后模拟验证。使用的是c a d e n c e 中的一系列c a d 工具。 本设计是采用无锡华晶上华半导体有限公司的o 6 p m 双阱、双多晶硅、双金 属的5 伏标准c m o s 工艺实现的。芯片共2 1 个管脚，面积为2 m m 1 m m = 2 m m 2 。 测试得到的微分线性误差和积分线性误差分别为1 一l l s b 、1 + 1 5 l s b 。y 、 浙江大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t t h e p u r p o s e o ft h i s p r o j e c t i st or e a l i z ead e s i g no fa10 b i t h i g h s p e e d d i g i t a l t o a n a l o gc o n v e n e rr d a c ) w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y , d i g i t a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a n dm i c r o e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , a d v a n t a g e d e l e c t r o n i c s y s t e m s a r e p r e s e n t e d c o n t i n u a l l y d a c s a r e a p p l i e d t ot h eb a c k - e n do fs o m eo ft h e m e s p e c i a l l y h i g h s p e e dd a c s a r en e e d e di nt h ea r e ao fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n d u r i n gt h et i m e o ff a s td e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n ，t h eh i g h s p e e dd a ci sv e r yp r o m i s i n g a f t e rc o m p a r i n g 、i t hm a n ys t r u c t u r e so fd a c t h es e g m e n t e da r c h i t e c t u r eo f c u r r e n ts c a l i n gd a ci sd e c i d e d t h e6m s b sa r eu n i t y w e i g h t e dt or e d u c ee r r o ra n d i n c r e a s et h es p e e do fd a c a n dt h e4l s b sa r eb i n a r y w e i g h t e dt or e d u c ea r e ao f d a ct h em o d eo f i n p u ti sp a r a l l e l i n p u ta n do u t p u tc u r r e n t o u t p u t t h ed a cc o n s i s t so fa n a l o gc i r c u i tb l o c k s ( c u r r e n tm a t r i xa n dr e f e r e n c e ) a n d d i g i t a lc i r c u i tb l o c k s ( r e g i s t e r , d e c o d e ra n dl a t c h ) s oi t s am i x e ds i g n a lc i r c u i t b u t ， b e c a u s et h e d i g i t a lp a r t sd e s i g n d e m a n di ss t r i c ta n di t ss t r u c t u r ei ss i m p l e ，w eu s et h e s a n l em e t h o da sa n a l o gp a r tt od e s i g ni t i t st od r a ws c h e m a t i ca n dc u s t o m i z el a y o u t m a n u a l l y ，e d i t t h ed r c 、l v sf i l e st ov e r i f yt h el a y o u ta n df i n i s ht h ep o s t s i m u l a t i o n a s e r i e so f e d a t o o l so f c a d e n c ea r eu s e d t h ec h i pi sf a b r i c a t e do nt h e0 6 一g r nc m o sp r o c e s s ( t w i nw e l l ，d o u b l ep o l ya n d d o u b t em e t a l ) o f c s m c t h e c h i pa r e ai s 2 r a m 1 r m n = 2 m m 2 t h ei n la n dd n lo f t h ed a c c h i pa r e1 - - + i l s b 、一1 计1 5 l s b ，r e s p e c t i v e l y 1 1 浙江大学硕士研究生毕业论文 第一章概述 1 1 论文背景和意义 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d a c ) 是一种将输入的数字 信号转换成模拟信号输出的电路或器件，它被广泛地应用在信号采集和处理、数 字通信、自动检测、自动控制和多媒体技术等领域。 无论在工业生产还是在科学研究中，常常要对某些系统参数进行采集、加工 和控制。它们往往是非电的模拟量，例如声、光、磁、热和机械参数等。为了用 电子技术处理这些信号，先要通过传感器把这些非电信号变换为相应的电信号。 例如，我们可以用热电偶产生随温度变化的电压，或者可以用半导体应变片接入 桥路来获取随压力变化的电压。经传感器变换产生的电信号往往仍是模拟信号， 对它们的处理通常有模拟和数字两种方法。 模拟的方法是用模拟电路( 包括模拟计算机) 加工模拟信号，其结果用模拟 仪表显示或者驱动执行机构。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，即使能达到高精度，其代价往往是很高的。 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 信号已越来越受到重视。其方法是先把模拟电信号变换为数字信号( 模数转换) ， 再利用数字技术对数字信号加工处理，处理结果根据需要再变换为模拟信号( 数 模转换) ，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。 例如，在工业生产中常常需要对系统的温度参数进行控制，采用数字系统实 现控制的过程如图1 1 所示。 图1 - 1 通过数字系统控制系统温度示意图 浙江大学硕士研究生毕业论文 如图所示，先用热电偶或其它温度传感器把系统温度转换成电压，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 i s t i lc o n v e r t e r ，简称a d c ) 变 换为数字信号，送入数字系统处理，根据系统情况和控制要求产生的处理结果用 数模转换器变换为模拟信号，用来改变晶闸管的导通角，从而控制加热系统的功 率，实现对系统温度参数的控制。 综上所述，数模转换器具有和模数转换器相对应的基本功能。模数转换器使 数字系统能从模拟电子系统获取与模拟信号有单值函数关系的数字信号，而数模 转换器则可把数字系统处理输出的数字信号结果变为对应的模拟信号，回送给模 拟系统，以实现对模拟系统工作状态的控制。因此，数模转换器是数字电子系统 和模拟电子系统之间的常用接口电路。 随着计算机技术、多媒体技术、信号处理技术、微电子技术的发展，电子技 术的应用已经逐渐渗透到军事和民用领域的各个角落，不断推出先进的电子系 统。在现代先进的电子系统前端和后端都要用到模数转换器和数模转换器，以改 善数字处理技术的性能，特别是诸如雷达、声纳、高分辨率视频和图像显示、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 现代数字通讯系统应用对高速、高分辨率的模数转换器和数模转换器的需求不断 增加。 国内模数转换器和数模转换器的发展起步较晚，但是近年来也引起了重视， 在单片、混合及模块集成技术方面都投入了一定的研制力量，已研制出8 、1 0 、 1 2 、1 4 、1 6 位的模数转换器和数模转换器产品或样品【1 7 】【1 9 1 。典型产品水平为：8 位数模转换器的建立时间为5 0 n s ( 如s d a 7 5 2 4 ) ，1 0 位数模转换器的建立时间 小于3 7 5 n s ( 如s d a l o o ) ，1 2 位数模转换器的建立时间小于5 0 0 n s ( 如s d a 0 0 2 ) 。 而样品8 位和1 2 位d a c 建立时间分别为5 n s 和2 0 0 n s ，达到8 0 年代国际同类 产品水平【1 8 1 。但是能进入商品市场，批量供应用户需求的产品则不多。 国外生产数模转换器的最著名的厂家主要有以下三家：t i ( 德州仪器) 、a d i ( a n a l o gd e v i c ei n c ：模拟器件公司) 、n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ( 国家半导体) ， 其中，t i 在2 0 0 0 年成功收购了b b ( b u r r - b r o w nc o r p o r a t i o n ：巴尔布劳恩公司) ， 成为全球高性能数据转换器的主要供应商。除此之外，还有m a x i m ( 美信) 、 m o t o r o l a ( 摩托罗拉) 、f a i r c h i l d ( 仙童) 、n e c ( 日本电气) 、h i t a c h i ( 日立) 浙江大学硕士研究生毕业论文 等公司。表l 一1 、1 2 分别是上述公司的一些相关产品介绍。 表1 - 1t i 公司的d a c 产品介绍1 7 j 分辨率电源电压采样频率建立时间功耗零售价 型号 ( 位)( v )( m s p s )( n s )( m w ) ( 美元) t h $ 5 6 4 1 a8+ 3 51 0 03 5 1 0 03 t h $ 5 6 5 1 al o + 3 51 2 53 51 7 54 2 5 t h $ 5 6 6 1 a1 2+ 3 51 2 53 51 7 56 2 5 表1 - 2a d i 公司的d a c 产品介绍 分辨率电源电压采样频率建立时间功耗零售价 型号 ( 位)( v )( m s p s )( i i s )( m w ) ( 美元) a d 9 7 0 98+ 3 - 51 2 5 3 53 8 05 8 6 a d 9 7 5 01 0+ 3 - 51 0 0 3 51 9 06 1 8 a d 9 7 5 21 2+ 3 5l o o3 51 8 59 2 4 通过和国外相应产品的性能比较，我们可以看出国内的d a c 水平和国外先 进产品之间还有很大的差距，所以，自行设计生产高速d a c 器件对于我国的军 事、医疗设备和数字通信系统的发展有着举足轻重的意义。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，可以看出，数据 转换电路的主要发展趋势是向高分辨率、高转换速率、低功耗、单电源低电压、 c m o s 型方向发展。 本课题就是基于c m o s 工艺的、在一定分辨率下的高速d a c 设计。设计指 标为： 1 分辨率：1 0 位： 2 建立时间：1 0n s ； 3 电源电压：+ 5 v 单电源； 1 2 数模转换器的发展概况 数模转换器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 浙江大学硕士研究生毕业论文 产和生活的迫切需求而产生和发展的，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，人们开始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换成数 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。 于是研制了由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，与完全用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。 无论是完全由分立元器件组装的数模转换器转换器，还是由集成电路单元附 加许多分立元器件组装的转换器，都被称为组件型转换器。其中，前者被人们称 为第一代组件型数模转换器转换器，而后者被称为第二代组件型转换器。显然， 第二代组件型转换器是全集成化数模转换器的先声。 与此同时，薄膜集成电路和厚膜集成电路也有很大的发展。薄膜集成电路是 利用真空蒸发、溅射、光刻等薄膜技术，将构成电路的电子元器件及连线，以薄 膜形式制作在绝缘基板( 例如微晶玻璃片或陶瓷基片) 上所构成的整体电路。薄 膜集成电路的膜厚通常在l p m 以下。厚膜集成电路是采用丝网印刷、喷涂、聚 合或烧结等厚膜技术，将组成电路的电子元器件及连线，以厚膜形式制作在绝缘 基板( 例如微晶玻璃片或陶瓷基片) 上所构成的整体电路。厚膜集成电路的膜厚 一般为几g m 到几十i l m 。结合薄膜、厚膜和半导体集成电路三种工艺的长处， 浙江大学硕士研究生毕业论文 用半导体工艺制作有源器件，用薄膜或厚膜工艺制作无源器件及连线，再把有源 器件外接到薄膜或厚膜集成电路的基片上，构成薄膜或厚膜混合集成电路。混合 集成电路工艺应用到数模转换器制造领域，制成的混合集成电路型数模转换器， 性能上有很大提高，结构上也大为简化。 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 转换器中元器件的麻烦，从而大大降低了成本，提高了可靠性。此后，转换器得 到迅速发展。新的设计思想、新的制作工艺和新的种类不断增加，性能不断提高。 工艺上，不但双极型器件的工艺进一步得到改进，使全双极型转换器内部的逻辑 电路可采用高速e c l 电路或高集成度的集成注入逻辑电路，而且增加了m o s 工艺，特别是c m o s 工艺，使数模转换器的集成度和功耗有很大的改进。 工艺上的进一步发展，产生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。 数模转换器的品种和功能随着制造工艺的发展而迅速增加。例如c m o s2 1 2 艺的集成电路，功耗小、集成度高，制成的模拟开关有双向特性。利用这种模拟 开关可制成有乘法特性的数模转换器，即转换器的输出和基准电压及输入数码的 乘积成正比。c m o s 工艺也很适用于制作与微机兼容的数模转换器。在数模转换 器的功能方面，也有了一些为特定应用领域研制的特殊的数模转换器。例如用于 视频调色显示的视频数模转换器，代替手工调整电位器而设计的数字电位器，以 及专门用于把数字化音频信号转换成模拟音频信号的音频数模转换器等等。 单片集成数模转换器已经是数模转换器的主流。 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。 浙江大学硕士研究生毕业论文 1 3 数模转换器的类别 数模转换器作为数字系统和模拟系统之间的接口器件，输入数字景，输出模 拟量。其内部电路具有数字电路和模拟电路的各种特点，因此数模转换器品种繁 多，分类方法也是多种多样的。下面简单介绍一下数模转换器的分类情况【6 】n 一、按数模转换器主要功能单元特点分类 集成数模转换器的主要功能单元有模拟开关、权电流产生电路、基准电源和 输出电路。 模拟开关的基本类型有电压型和电流型两种，数模转换器按模拟开关的类型 不同可以分为电压型和电流型两种。电压型模拟开关在工艺上易于实现，但工作 时对寄生电容的充放电会影响开关速度。电流型开关在切换时，由于开关两端的 电压没有明显的变化，因此开关速度比电压型的快。 按数模转换器中权电流或权电压发生电路的形式分，常见的有权电阻网络、 权电容网络、梯形电阻网络、电压分段网络和电流源阵列等。 至于基准电源和输出电路，不是所有的集成数模转换器中都有这两个单元。 有的数模转换器的基准电源是外接的，用户可根据需要灵活配置不同精度的基准 电源。输出电路主要是运算放大器，它把数模转换器转换成的电流模拟量变为电 压输出。很多电流输出数模转换器不带运算放大器，而由用户根据自己的需要配 置。 二、按数模转换器的性能特点分类 数模转换器常常按它的主要性能指标进行分类，如转换速度、转换精度、分 辨率等。 按转换速度不同，数模转换器可分为低速( 建立时间大于1 0 0 p s ) 、中速( 建 立时间为1 - 1 0 0 1 t s ) 、高速( 建立时间为5 0 n s 1 1 t s ) 和超高速( 建立时间小于5 0 n s ) 四种。 按分辨率分类，数模转换器可分为6 位、8 位、1 0 位、1 2 位、1 4 位等等。 三、按输入和输出的特点分类 根据输入数字编码的不同，数模转换器可分为二进制输入型、b c d 码输入 型和格霄码输入型等。 按数字码输入方式，可分为串行输入和并行输入。其中，串行输入方式又可 浙江大学硕士研究生毕业论文 分为2 线式和3 线式。并行输入的速度比串行输入要快。 按转换器的输出是电压还是电流，数模转换器可分为电压输出型和电流输出 型。电流输出型比电压输出型的转换速度要快。 四、按组成数模转换器的器件和工艺分类 按工艺分类，集成数模转换器可分为组件式、混合集成电路式和单片集成电 路式。其中单片集成电路式的数模转换器按内部有源器件类型来分，又可分为全 双极型、全m o s 型和双极- c m o s 相容型( b i c m o s 和l c 2 m o s ) 。 以上数模转换器的分类，是从不同侧面考察数模转换器得出的，因此，同一 个数模转换器，按不同的分类方法，可列入不同的类别中。 浙江大学硕士研究生毕业论文 第二章数模转换器的基本原理和常用结构 2 1 数模转换器基本工作原理 数模转换器的功能就是把数字量转换成模拟量，通常这种转换是线性的。设 数模转换器输入的数字量为n 位二进制数码d ( = d l d 2 d n ) ，d 1 为最高位 ( m o s ts i g n i f i c a n tb i t ，简称m s b ) ，d n 为最低位( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ，简称l s b ) ， 则输出模拟量a 与输入数字量d 之间的函数关系可用下式表示： a = k d = k ( d 1 2 ”1 + d 2 2 ”2 + + 或2 0 ) = k 3 , 2 ” ( 2 1 ) i = i 式中k 为模拟参考量，当模拟参考量为电压时，k i u r 2 “，当模拟参考量为电流 时，k = i r 2 “。其中，u r 为参考电压，i r 为参考电流。d i 为数字量d 的第i 位代 码，其值为0 或1 。2 ”1 为第i 位的权。 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，每一个二进制分量为该位的权与模拟参考量k 的积。d a c 的结构原理如图2 1 所示【引。 电子开关网络 a d ld 州d n 图2 1d a c 结构原理图 由模拟参考量k 形成了各位权对应的二进制分量( 2 0 k 、2 1 k 、2 - 1 k ) ， 各分量送入电子开关网络，数字量各位控制相应的电子开关。电子开关网络输出 的各分量经求和电路相加，最后输出模拟量a 。 在图2 1 中，若模拟参考量为电压，则2 0 k 、2 1 k 、2 - 1 k 表示二进制 浙江大学硕士研究生毕业论文 各位的权电压，求和电路完成的是数字量相应位权电压相加，输出模拟量为电压， 数模转换器实现了数字量变电压的功能。若图中模拟参考量为电流，则2 0 k 、 2 1 k 、2 n 以k 表示二进制各位的权电流，求和电路完成的是数字量相应位权 电流相加，输出模拟量为电流，数模转换器实现了数字量变电流的功能。若想把 输出电流转变为电压，则再加一级电流变电压的电路。 总之，数模转换器的基本工作原理是基于权的控制，即权电压相加或权电流 相加。 2 2 数模转换器性能参数 同其它集成电路器件一样，数模转换器有着许多性能参数，是选用器件的主 要依据。数模转换器的参数可以分为两类：静态性能参数和动态性能参数【8 】吼 2 2 1 静态性能参数 一、分辨率 分辨率是表征输出模拟量分辨程度的参数。分辨率是一项设计参数，故仅有 标称值。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 能分辨的最小输出模拟量值，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。 二、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。 数模转换器的精度可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。 三、误差参数 数模转换器在静态时的四种基本误差是失调误差、增益误差、积分线性误差 浙江大学硕士研究生毕业论文 和微分线性误差。前两项误差是可以通过外围电路调整的，而对后两种误差，用 户是无法调整的。 1 、失调误差 数模转换器的失调误差上指模拟输出的实际起始值与理想起始值之差。对单 极性的数模转换器，理想起始值为零，对双极性的数模转换器，理想起始值为负 满刻度值。如图2 2 所示。 失调误差通常用满量程的百分比( f s r ) 或l s b 为单位来表示。 1 ；：iii t ： 赣 ：郏聃： 蕾 ：q ： i：y j 癯想的： ： ： 4 ；j ；i ： 电调误差：i ： 图2 2 失调误差 2 、增益误差 数模转换器的特性曲线的实际斜率和理想斜率的偏差称为增益误差，如图 2 3 所示。 数字输入 图2 - 3 增益误差 模拟输出 浙江大学硕士研究生毕业论文 当失调误差调整后，增益误差也可以表示为满量程输出的实际值与理想值之 间的偏差。增益误差通常用满量程的百分比( f s r ) 或l s b 为单位来表示。 3 、积分线性误差 积分线性误差( i n t e g r a t e d n o n l i n e a r i t y ，简称i n l ) 指实际输出的模拟量 值与理论值之差。即： i n l = 测量值一理论值 4 、微分线性误差 微分线性误差( d i f f e r e n t i a ln o n l i n e a r i t y ，简称d n l ) 指的是两个相邻 数码的模拟量输出的跳变值与理论的增量1 l s b 之差。即： d n l = 实际测量跳变值一i l s b 1 微分线性误差是数模转换器的重要参数，一般要求该参数在工船范围内。 z 若大于i l s b ，数模转换器将出现非单调性，郎输出不再是输入数字码的单调函 数，如图2 4 所示。图中，输入数字从o l l 增至1 0 0 ，输出的模拟值反而减少， 这在实际应用中是不希望出现的。 ：；：i ；：；朔； i ：；：i ： ：j ：纠：； ：；分： ； ：； ；： ；：； ：；：； 0 0 0 10 1 00 1 l 1 0 01 0 11 1 01 1 i 图2 - 4 微分线性误差 注意区分微分线性误差和积分线性误差的含义，前者描述的是相邻数字变化 时引起的模拟值的变化。若每次交化都等于其步长( 1 l s b ) ，则微分线性误差为 0 ；如果模拟值的变化不严格等于1 l s b ，就存在微分线性误差，因此它反映了邻 近数字码间的输出模拟步长的均匀性，它是一种“微观”参数。而积分线性误差 考虑的是模拟输出值的线性程度，即转换特性曲线上某点对理想直线的偏离情 2 伽 啪 啪 们 狮缃 m o 浙江大学硕士研究生毕业论文 况，它是一种“宏观”参数。 2 2 2 动态性能参数 一、建立时间 数模转抉器的建立时间( s e t t l i n gt i m e ) 定义为在输入有一阶跃变化后，对 应模拟输出达到规定误差带范围内所需要的时间，如图2 - 5 所示。误差带通常规 定为圭脚。 ii ，孛 i 入 j一； _ 二。上；曼 罄 。 一 ， 一 ：一i 图2 5建立时间 把数模转换器的输入从全“0 ”阶跃到全“1 ”的建立时间称为满量程建立时 间；而把输入发生单位数码跃变的建立时间称为1 l s b 建立时间。通常说的建立 时间主要是指满量程建立时间。 建立时间是数模转换器的一个重要参数，特别是在高速应用的场合。 二、无寄生动态范围 数模转换器的动态范围( d r ) 指最大输出和最小输出( 最小输出定义为对 应i l s b 输入时的输出值) 的比。如果考虑由数字输入通过数模转换器重构波形 的波谱，就会发现，除了期望的波谱外，转换器的输出中还包含有噪声和失真。 失真可用无寄生动态范围( f r e es p u r i o u sd y n a 血cr a n g e ，简记f s d r ) 来描述， 浙江大学硕士研究生毕业论文 无寄生动态范围的含义是：在感兴趣的输出频带范围内，幅值最大的谐波峰值和 基波幅值的比，其比值通常用d b 表示。 2 3d a c 转换器的常见结构 通常，d a c 中含有三个基本部分：参考电压源( 可以外接) 、加权网络和电 子开关网络。比较完备的d a c 还含有电流电压转换器及数字量输入接口( 输入 锁存器) 等环节。d a c 的基本结构框图如图2 - 6 所示。 数字输入 图2 - 6d a c 的基本结构框图 出 根据加权网络等部分实现方法的不同，常见的d a c 结构可以分为电流型、 电压型、电荷型等，每一类又可以分为很多小类，接下去将分别加以简单介绍。 2 3 1 电流型的d a c 一、权电阻型d a c 图2 7 为权电阻型d a c 的电路图。 d l d 2风 图2 7 权电阻型d a c 1 3 浙江大学硕士研究生毕业论文 图中包含n 个并列支路，每个支路由一个电阻和一个模拟开关串联而成。各 个支路电阻的阻值按二进制权系数关系递增排列，而其中的模拟开关分别受各位 输入数码的控制，最高位数码控制阻值最小的支路开关，最低位数码控制阻值最 大的支路开关。当某位数码为l 时，它所控制的那位开关接通参考电压源，在运 算放大器反相端总线上出现与该位电阻值成反比的权电流分量。当某位数码为0 时，它所控制的那位开关关闭，在总线上就没有这一位的权电流分量。对于任意 一个二进制输入数字，网络输出的总电流i o 为各位输出权电流分量之和，即 i o = 喜i i = d l 警+ d z 面u r + 蛾轰 2 黄( d l r l + d 2 2 ”2 + 1 ，+ d 2 。) ( 2 - 2 ) 输出电压为：u 。= - i o r ， ( 2 - 3 ) 权电阻d a c 是实现二进制数字电压转换的最简单的一种网络结构。其缺点 是当位数明显增多时，电阻的取值范围过大。这点在集成电路制作中难以实现， 另外，对最高位电阻精度要求过于苛刻也是不易做到的。因此，这种结构的d a c 很少见到产品，仅在某些特殊电路中以分立元件的形式出现。、 二、分组衰减的权电阻网络 为了克服上述缺点，在构成多位d a c 时，采用分组衰减的权电阻网络。把 n 位电阻网络分成若干组，组内各位仍采用符合二进制权系数关系的权电阻，组 间加衰减电阻进行分流。图2 8 为分组衰减的权电阻d a c ( 8 位) 的一个实例。 r f d ld 2 d 3 d 4d 5d 6d t d 8 图2 - 8 分组衰减的权电阻d a c 浙江大学硕士研究生毕业论文 构成的d a c 为8 位，分为两组，每组4 位。组内权电阻为r 、2 r 、4 r 、8 r ， 组间分流电阻为r a 、r b 。因为每组为4 位，故组间对应位权电流衰减系数应为 1 6 ，所以第二组注入到p 2 节点的电流应为注入到p l 节点电流的1 1 6 。取r a 为 每组中的最大权电阻值8 r ，计算可得r i b 为7 5 r 。在该d a c 中用到的电阻 阻值有r 、2 r 、4 r 、7 5 r 、8 r ，比原来少得多。所以，采用分组加衰减电阻的 方法，可以使多位d a c 电阻网络中电阻阻值范围大大缩小。如果采用更少的位 数( 3 位，2 位，) 为一组的分组方法时，用到的阻值种类更少。当一位一组 时，只用到了两种阻值的电阻。这就是下面要介绍的结构_ r 2 r 梯形电阻网 络d a c 。 三、r - 2 r 梯形电阻网络d a c 图2 - 9 是r - 2 r 梯形电阻网络d a c 结构图。 r f d ld 2 d 3d n 图2 - 9r 2 r 梯形电阻网络d a c 计算可得，r 一2 r 梯形电阻网络d a c 的输出总电流和总电压分别为： 伽喜= d l 生2 r + d 丝, 4 k + 见两v r = 惫( d 1 2 - t + d 2 2 n - 2 + + d , , 2 。) ：u rd 2 “r 输出电压为：u o = 一l r 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，但本身 浙江大学硕士研究生毕业论文 也存在一些不足。例如梯形电阻网络相当于传输线，从模拟开关动作到梯形电阻 网络建立稳定的输出需要一定的传输时间，转换器的位数越多，所需的传输时间 就越长，因此在位数较多时将直接影响数模转换器的转换速度。另外，当输入数 字信号有n 位同时发生变化时，由于各级信号传输到输出端的时间不同，因而在 输出端可能产生瞬时尖峰脉冲。 四、电流源型d a c 电流源加权型d a c 是用有源器件( 一般是m o s 管) 构成的电流源来提供 加权电流。与电阻加权型相比，电流源加权型d a c 速度快，对开关的寄生参数 不敏感，而且精度增加。电流源根据权的不同，可以分为二进制加权型和一进制 加权型( 温度计式) 。 二进制加权型d a c 的结构如图2 1 0 所示。 r f d ld 2d n 图2 - 1 0 二进制电流源加权型d a c 二进制电流源加权型d a c 和电阻加权型d a c 基本机构相似，只是用加权 的电流源代替加权的电阻来提供加权电流。这可以用两种方法实现，一是改变组 成电流源的m o s 管的尺寸( w l ) 来提供加权的电流值，如提供给最低位d 。 的电流源的m o s 管尺寸为w l ，高一位d 。1 电流源的m o s 管尺寸为2 w l ，以 此类推；二是改变相同尺寸m o s 管组成的电流源的个数，如提供给最低位d 。 的电流源的m o s 管( 尺寸为w l ) 的个数为1 ，高一位d n 1 电流源的m o s 管 ( 尺寸也为w l ) 的个数为2 ，以此类推，直到最高位d 1 的m o s 管的个数为 2 n 1 。 浙江大学硕士研究生毕业论文 从图2 一1 0 中容易得到d a c 输出的总电流和电压分别为： l = = d 1 2 ”1 - r + d 2 2 ”2 ，+ + 见2 。， = ，( d 1 2 “+ d 2 2 “+ + d 2 0 ) = ，d u a = i d - r ， 一进制加权型d a c 的结构如图2 1 l 所示。 r f d l d 2 。一一d 。 图2 - 1 1 一进制电流源加权型d a c 进制( 温度计式) 电流源加权型d a c 先将二进制编码的数字输入转变为 一迸制编码，也就是温度计式编码，然后一迸制编码的每一位输出分别控制一个 电流源的导通与截止。一迸制编码与二进制编码的对应关系如表2 1 所示： 表2 - 1 一进制编码与二进制编码的对应关系 二进制编码对应的一进制编码 0 00 0 0 0 10 0 1 1 00 1 1 1 11 1 l 浙江大学硕士研究生毕业论文 与n 位二进制编码对应的一进制编码有2 n 1 位，当二进制编码为d 时，则 对应的一进制编码的低d 位都为1 ，其余位为0 。也就是随着二进制编码的增大， 相应的一进制编码的各位( 从最低位开始) 依次从0 变为1 。 2 3 2 电压型的d a c 电压型d a c 的原理如图2 1 2 所示。 l 三l i l 一一 r v ( 乒1 ) r r v ( 2 “- 2 ) d ld 2一。一一一d n 图2 - 1 2 电压型d a c 的原理图 r v 0 电压型d a c 采用的是电阻式分压。对n 位的d a c ，基准电压u r 被2 “个阻 值相同的电阻分压，各分压点的电压值分别为： v 。= 争o ，v ( 2 - 2 ) = 争( 2 ”- 2 ) ，v ( 2 - 1 ) = 争( 2 k 1 ) a 每一个分压点与一个对应的模拟开关相连，模拟开关的状态由输入数字信号 d ( = d i d 2 一d n ) 经译码后控制。当输入信号d = i 时，译码输出使开关s 0 1 闭 合，其它开关断开，此时转换器的输出为： v ( 0 ：鲁f 电阻分压式的数模转换器只需要用到一种电阻值，容易保证制造精度，即使 阻值有较大的误差，也不会出现非单调性，这是它的优点。但是，对n 位二进制 浙江大学硕士研究生毕业论文 输入的这种结构的数模转换器来说，需要2 “个分压电阻，以及2 “个模拟开关。 因此随着位数增加，所需元器件的数量呈几何级数急剧增加，这是它的缺点。 2 3 3 电荷型的d a c 电荷型结构的d a c 是通过在电容阵列中重新分配总电荷来工作的。它的结 构原理如图2 一1 3 所示【9 l 。 d ld 2 d 。 图2 1 3 电荷型d a c 结构原理图 如图中所示，电荷型d a c 正常工作需要一不交叠的两相时钟。在0 2 时钟 时刻，所有电容的上、下极板都连到了地，进行放电：接下去，在o l 时钟时刻， 所有输入为“l ”的位所控制的开关连接到基准电压u r ，而所有输入为0的 位所控制的开关连接到地。此时，连到u r 上的总电容为： c 。：d i c + d ：要+ + d i ；：( d ，2 一+ d 2 2 一z + + d 。2 一一) 2 c 连到地上的总电容为：2 c c 。= 1 一( d 1 2 - 1 + d 2 2 - 2 + + d 。2 ”) 】2 c 其中，d = d 1 2 。+ d 2 2 。2 + + 见2 ”为输入的数字信号。 此时，输出e g e , 为：u o = ( d 1 2 - 1 + d 2 2 _ 2 + + d 。2 1 ) 】u 月，实现了数模转 换的功能。 电荷型d a c 的优点是精度较高。但是有着面积大，对寄生电容敏感等缺点， 而且需要两相时钟，复杂度增加。 浙江大学硕士研究生毕业论文 2 4 本设计的总体结构 通过以上介绍的数模转换器的一些常用结构，我们了解了它们各自的优点和 不足之处。对本设计的着眼点高速，我们需要选择合适的结构来实现这一目 标。 首先，输入方式我们选择并行输入，相对于串行输入方式来说速度更快；其 次，输出方式我们选择的是电流输出，相对于电压输出来说也有高速的优势。在 选择了电流输出后，就把加权网络的结构确定为电流型，这样可以免去电压电 流的转换，这也是符合高速这一目标的。 如前所述，电流型d a c 分为加权电阻型、分组衰减的权电阻网络型、r 2 r 梯形电阻型和电流源型，最符合高速特点的是电流源型d a c 。电流源型d a c 又 有二进制电流源加权型与一进制电流源加权型两种结构。 比较二进制电流源加权型与一进制电流源加权型d a c 两者的优缺点 1 l 】： 1 ) 二进制电流源加权型d a c 结构比较简单，由于输入的数字信号本来就是 二进制编码的，因此不需要译码逻辑，而且所需要的电流源个数很少( n 位的 d a c 只需1 1 个电流源) ，所以面积较小；一进制电流源加权型d a c 结构比较复 杂，需要从二进制编码到一进制编码的译码逻辑，电流源的个数也比较多( n 位 的d a c 需要2 - 1 个电流源) ，而且，随着d a c 位数的增加，复杂程度以指数的 方式增加。 2 ) 匹配问题对二进制电流源加权型d a c 的影响很大。由于要达到一定的 精度，d n l 必须小于0 5 l s b 。如以1 0 位d a c 为例，在最坏的情况下，即输入 0 1 1 “1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 跃迁的时刻，按这一要求，就需要最高位( m s b ) 对应 的输出值和其余各位之和对应的输出值之差小于0 5 l s b ，这很难做到。而一进 制电流源加权型d a c 对匹配的要求就非常宽松，5 0 的匹配度就能很好地做到 d n l 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 时，这时，所有的开关都打开或 是都关闭，这种情况最为严重。而对于温度计式编码d a c 来说，无论是在中间 编码处还是其它一般情况下，i l s b 的跃迁引起的只是一个电流源开关的动作， 浙江大学硕士研究生毕业论文 所以开关的动态行为引起的竞争冒险对d a c 的速度影响较小。 综上所述，二进制电流源加权型d a c 有结构简单、面积小的优势；而一进 制电流源加权型d a c 有匹配要求小，速度快等优点。要完成一个好的设计，必 须取两者的长处，所以要在两者之间作一个折衷处理，于是我们采取了分段的方 法。即在对匹配要求高的高位采用一进制编码方式，而在低位仍采用二进制编码 方式，以减小面积。本设计的d a c 分辨率是1 0 位，因此将它分为高6 位+ 低4 位的两段形式【1 4 1 。 具体的内部电路设计将在第三章中详细介绍。 浙江大学硕士研究生毕业论文 第三章电路设计及模拟结果 3 1 总体结构 整个电路的结构框图如图3 。1 所示。 b 0 图3 - 1d a c 的总体结构框图 如图中所示，整个电路由输入锁存器、时钟驱动、行列译码器、伪译码器、 锁存器与开关矩阵、电流源矩阵( 包括二进制加权电流源和一进制加权电流源两 部分) 和基准源等单元模块组成。其中，输入锁存器、时钟驱动、行列译码器、 伪译码器、锁存器与开关矩阵属于数字电路