（通信与信息系统专业论文）高速10比特数模转换器的设计.pdf

摘要 摘要 数模转换器在数字处理系统中有着广泛的应用，集成电路的大规模化、数模 混合系统及片上系统( s o c ) 的趋势需要高性能的数模转换器，例如，更高的速 度、更高的分辨率、更低的功耗和低电压工作等。本文设计了一个1 0 位分段式 电流舵型高速数模转换器。文章介绍了数模转换器的工作原理和性能参数等，重 点论述了设计并仿真的1 0 位分段式电流舵型数模转换器，并针对该新型数模转 换器设计中的常见问题，进行理论上的分析，给出整体电路的设计方案。采用模 块化的设计方式实现数据快速转换，主要包括电流源矩阵模块、锁存模块、译码 模块、带隙基准电压源模块及电流开关网络等电路模块。 电流舵型数模转换器只受到电流开关速度的影响，相对于电压型和电荷型结 构具有高速的优势。同时，考虑到数模转换器的精度、复杂性和速度特性，决定 采用电流舵型结构，确定了“8 + 2 ”的分段式译码方式。其中高8 位采用温度计 译码，可以减小误差，加快速度。低2 位采用二进制码，可以减小面积。采用高 速同步锁存电路和特殊结构的时钟驱动电路，在保证精度和功耗设计要求上，实 现数据快速转换。并行输入，互补电流输出。 从集成度、功耗、成品率等方面考虑，c m o s3 2 艺明显优于双极型工艺，故 本设计采用c m o s 工艺，并用t s m c0 1 3pm1 p 6 mc m o s 工艺模型在s p e c t r e 软件 上完成电路模拟仿真。 该l o 位分段式电流舵型数模转换器的输出端可直接用电流输出来驱动负载 阻抗，省去运算放大器构成的输出缓冲，因此这种电路结构可以达到很高的速度。 本课题设计的数模转换器性能指标为：工作电压3 3 v ，微分非线性误差 0 0 0 3 l s b ，积分非线性误差0 0 0 3 5 l s b ，s f d r 高于7 2 d b ，总功耗不到4 0 m w 。设 计成果可应用于数据处理和控制系统电路中，具有一定的先进性和实用价值。 关键词数模转换器：电流舵型：电流源矩阵：分段式 a b s t r a c t a b s t r a c t d a ci sw i d e l yu s e di nd i g i t a lp r o c e s s i n gs y s t e m t h et r e n d so fv l s i ，m i x e d s i g n a l a n ds o ci n t e g r a t e dc i r c u i t sd e m a n dh i g hp e r f o r m a n c ed a c ，f o ri n s t a n c e ，h i g h e r s p e e d ，h i g h e rr e s o l u t i o n ，l o w e rp o w e rd i s s i p a t i o na n ds u p p l yv o l t a g e n i sp a p e r p r e s e n t st h eg e n e r a ld e s i g nm e t h o d o l o g ya n dt h ep r o c e s so fh i g h s p e e dd a c a n d a c c o m p l i s h e st h ec i r c u i td e s i g no fa10 - - b i td ac o n v e r t e r e m p h a s i si sp u to nd e s i g n a n ds i m u l a t i o n 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 sa n dd i g i t a lc i r c u i tb l o c k s ， s oi ti sam i x e ds i g n a lc i r c u i t b e c a u s et h ed i g i t a lp a r ti ss i m p l ec o m p a r a t i v e l y , w eu s e t h es a m em e t h o da sa n a l o gp a r tt od e s i g ni t c o m p a r i n gw i t hv o l t a g e d o m a i nd a ca n dc h a r g e d o m a i nd a c ，c u r r e n t - s t e e r i n g d a ch a si t sh i g h s p e e ds u p e r i o r i t y , w h i c hi so n l yi n f l u e n c e db yt h es p e e do fc u r r e n t s w i t c h m e a n w h i l e ，c o n s i d e r i n go fa c c u r a c y , c o m p l e x i t ya n ds p e e d ，a8 + 2s e g m e n t e d a r c h i t e c t u r ei sp r e s e n t e d t oe n h a n c et h es p e e dp e r f o r m a n c ea n dr e d u c ee r r o ra n da r e a o fd a c ，t h e8m s b sa r et h e r m o m e t e r - d e c o d e d ，a n dt h e2l s b sa r eb i n a r y - w e i g h t e d t h e m o d eo fi n p u t sa n do u t p u t si sc o n f i r m e dt ob ep a r a l l e l i n p u ta n dc o m p l e m e n t a r y c u r r e n t o u t p u t h i g h _ s p e e ds y n c h r o n i z e dl a t c hc i r c u i ta n ds p e c i a lc l o c kd r i v e ra r e u s e d ，w h i c ha d a p tt ot h er e q u i r e m e n to fq u i c kd a t a - t r a n s f o r m a t i o nw i t hh i g ha c c u r a c y a n dl o wp o w e r n ec m o st e c h n o l o g yi sb e t t e rt h a nb i p o l a rt e c h n o l o g y , w h i c hh e l pt h ec i r c u i tg e t l o w e rp o w e r , s oi ti sa d o p t e d t h es p e c t r ei su s e df o rd a cc i r c u i ts i m u l a t i o nw i t h t s m c0 13 1 m a1 p 6 mc m o sm o d e l t h ec u r r e n ti nt h ed a c so u t p u tc a nd r i v et h el o a d a n dt h es t r u c t u r ec a ns a v eab u 行e r c o n s i s t e do fo p e r a t i o n a la m p l i f i e r , s ot h es t r u c t u r ec a na c h i e v eh i g hs p e e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t si nt h i st h e s i si n d i c a t et h a t w i t h3 3 vs u p p l y , t h et o t a ls t a t i cp o w e r d i s s i p a t i o ni s1 e s st h a n4 0 m w ：t h ed i f f e r e n t i a ln o n l i n e a r i t ye r r o ri s0 0 0 3 l s b ，t h e i n t e g r a ln o n l i n e a r i t ye r r o ri s0 0 0 3 5l s b ，s p u r i o u sf le ed y n a m i cr a n g ei sm o r et h a n 7 2 d b ，a n dt h eo u t p u tc u r r e n t c a nb ea d j u s t e d t h er e s u l tm e e t st h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s ，a n dp r o v e st h a tt h ed e s i g nh a sc e r t a i na d v a n t a g e sa n dp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r dd a c ；c u r r e n ts t e e r i n g ；c u r r e n ts o u r c ea r r a y ；s e g m e n t e da r c h i t e c t u r e 1 1 独创性声明 本人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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业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了谢意。 签名： 血轧嗍掣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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守此规定) 签名：啦导师签名： 第1 章绪论 第l 章绪论 数模转换器( d i g i t a l t o a n a l o gc o n v e r t e r ，即d a c ) 是数字世界和模拟世 界之间的桥梁。虽然当前应用领域中数字器件及设备的比重日益增强，但人类生 活的环境是模拟的，所以d a c 的发展仍是必不可少的。d a c 现已广泛用于多种 领域，从航空航天、国防军事到民用通信、多媒体、数字信号处理，都涉及到d a c 的应用。这促使了研究人员对高性能d a c 的不断探索。但是，我国在高速高精 度低功耗d a c 的设计方面与国外先进水平的差距甚大，这对我国的战略安全和 经济发展造成不利的影响。在学习引进国外先进技术的同时，自主开发具有独立 知识产权的d a c 是必要的1 引。 1 1 论文的背景和意义 数模转换器的发展经历了从电子管、晶体管到集成电路的过程。它是随着人 们生产生活的迫切需求而产生发展的，其发展的每一阶段都和最新科技成就相关 联h 1 。 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 们逐渐摈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，还是由集成电路单元附加许多 分立元器件组装的转换器，都被称为组件式转换器。其中，前者被人们称为第一 代组件型数模转换器，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1um 以下。厚膜集成电路是采用丝网印刷、喷涂、聚 北京工业大学工学硕士学位论文 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l lm 到几十um 。结合薄膜、厚膜和半导体集成电路三种工艺的长处， 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，从而大大降低了制造成本，提高了可靠性。此后，数模 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善。 随着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，将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。例如采用先进的 c m o s 工艺的集成电路，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音频信号转换成模拟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。 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数模转换器的速度却没有很大的提高。我国目前数 模转换器的发展和国际水平相比还存在着较大的差距，而且国外的器件产品价格 昂贵，只依赖进口国外的高性能转换器而不开发本国的产品，不利于我国电子事 业的发展，并且近年来，模数和数模转换器市场成稳步增长的发展趋势，具有巨 大的市场前景，所以自行设计生产高性能的转换器已经成为当务之急哺1 。 本课题正是在此前提下开展的，对国内外同类高性能数模转换器进行研究， 第1 章绪论 皇曼曼曼曼曼曼曼皇鼍曼! 曼曼曼皇曼曼舅曼曼皇曼曼皇曼曼曼! 曼曼曼皇曼曼皇量曼! 曼l e e i , m 一一i 皇曼曼穹 进而设计出更好的d a c 以满足更高要求的信号转换需求。 应用于各种不同领域的d a c 有不同的要求，但对高性能d a c 的普遍要求主 要有： ( 1 ) 集成度高，通过高度集成化，可以大大降低成本，提高性能。 ( 2 ) 高分辨率，即高位d a c 。 ( 3 ) 高精度，精度越高即误差越小。 ( 4 ) 低功耗，价格低，功耗越低越节能。 l o 位d a c 是d a c 的典型代表，广泛应用于军事和民用的各种设备上，市场 应用前景广阔，而且它的理论依据也具有广泛的代表性，开展它的研究在理论上 可以为今后设计研究更高速和更高精度d a c 提供理论借鉴，工艺上也可为利用 c m o s 工艺进行d a c 生产提供实验依据。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 国内数模转换器的发展起步较晚，但是近年来已经得到了各方面的重视，在 数模和模数方面都投入了一定的研究力量。目前，我国已经研制和生产出了8 到 1 6 位的d a c ，取得了很大进步，例如中电集团第二十四研究所研制生产的l o 位 电流型d a c 和含相加器的高速1 2 位d a c 等都是国内d a c 的典型产品。但我 国的d a c 技术和国际水平相比还存在很大差距。国内a d c 、d a c 方面的研究主 要集中在中等转换速度、中等精度的范畴，对高速、高精度的新型a d c 、d a c 的 研究尚不多见，如国外流行的一结构仅有少数大学做过研究。对于其它的主 流新结构和新技术，国内由于受到工艺条件、基础研究与设计水平的限制，也很 少有人涉及。有些大学的实验室曾做过有益的探索工作，但是也仅限于电路的模 拟仿真阶段，未能达到真正与工业界接口，并未达到工艺投片实现的水平。 在国外，很多公司和著名大学都在进行a d c 和d a c 的研发工作，他们大多是 针对某一特定的应用而展开的，工作颇具特色，在该领域的许多方面都取得了长 足进步。 在美国国家科学基金资助下，伊利诺斯大学的a l e x r b u g e j a 等人研制出 了1 4 b it1 0 0 m ( 采样速率) c m o sd a c ，采用了f l o a ti n gm s b 电流源和跟踪衰 减输出级电路，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。此设计主结构采用了电流定标结构，这种结构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，因此这种方式的d a c 的线性度很好。 它的缺点是其静态特性受到电流源中组件参数匹配的限制，因此对工艺要求较 高。加入自修正电路，可以克服传统电流定标d a c 的静态线性度不好的缺点， 自修正电路的核心是一个可修正的浮动m s b ( 最高位) 电流源，为了保证修正是 北京工业大学工学硕士学位论文 自发进行的，修正电路必须工作在两个过程下：测量过程和校正过程。这样，它 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 的复杂程度来获得的。 1 9 9 9 年，比利时l e u v e n 大学的g e e r ta m v a nd e rp l a s 等人提出一种 四象限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 比传统结构的误差改善了大约5 0 倍，并且无需专门的校准即可获得良好的静态 线性度。该电路的最主要的特点是采用了四象限随机流向开关技术，以克服电流 舵型d a c 所具有的因工艺参数不匹配而导致的静态线性度不佳的缺点。g e e r t a m v a nd e rp l a s 等人采用电流源随机选取，这样可以利用误差分析中误差分 布互相抵消的特点，减小总误差。测试结果表明，系统误差和累积误差都得到有 效缩减。并且这个结构还有一个优点，其芯片面积和功耗与采用了自修正的或特 殊版图、工艺的芯片相比，都比较小盯1 。 伴随d a c 电路结构研究的进步，生产工艺也有迅速的发展，先进的c m o s 工 艺被大量使用，工艺水平达到0 3 5 l lm 、0 1 8 um 甚至更高，使d a c 的集成度 和功耗有很大的改进。2 0 0 7 年德州仪器研制成功的1 2 位d a c ，采用了9 0 n m 标 准c m o s 工艺，采样速率为1 6 0 m s p s ，在1 3 v 工作电压下，整个d a c 的功耗 仅为2 m w ，同时具有很高的线性精度。可见，国外已不再局限于传统的转换器技 术，而是开始开发更新型的，可以大大提高转换器性能的拓扑结构和适合大规模 集成化的新型电路拓扑结构。目前国内外另一个主要方向集中在对已经证实为可 靠转换器的技术进行完善上，以期待更高性能的产品出现哺1 。 1 3 研究内容和设计要求 设计高速d a c 应该采用c m o s 工艺。其原因有：首先，利于d a c 的集成化。 d a c 作为数字和模拟之间的转换，是将现实的模拟领域和电子的数字领域相连接 的关键。采用c m o s 工艺，有利于将d a c 的设计与数字电路结合起来。其次，在 c m o s 工艺基础上的低功耗设计技术已经得到很大的发展。而且随着c m o s 工艺向 纳米级的挺进，它也可获得可与双极工艺相比的高速。所以，尽管双极型与g a a s 等特殊工艺能够做出很快的d a c 、a d c ，但是所需采用的工艺更加复杂，功耗也 很大，这给实际应用带来了很大的限制，不能和其他数字电路系统集成在一块芯 片上。因此，电路的规模越来越大，电路设计也就更加复杂。在a s i c 设计中， 越来越多的电路系统需要把d a c 接口电路集成到同一系统当中，为了提高电路设 计的可靠性，加快设计周期，降低设计成本，人们就希望除了能把简单的数字电 路做成标准单元外，还能把一些电路结构复杂的高速数模转换器和模数转换器做 成宏单元，使之能内嵌于整个电路系统中。第三，c m o s 工艺集成电路的功耗小， 第1 罩绪论 并且c m o s 工艺电路的设计能力正趋于完善。而伴随电路规模的增大，电路设计 难度也相应增大。 为了便于系统集成，通常要求d a c 具有低功耗和面积小的特点。同时根据应 用场合的不同，对d a c 的性能有不同的侧重点，各种不同的d a c 结构正是为了不 同的性能要求提出的。为了实现高速d a c ，对已有的各种d a c 结构的研究，早已 突破了传统的转换器技术，如电阻网络分压式或者加权电容分布式d a c 。目前比 较流行的d a c 是电流舵型d a c ( c u r r e n ts t e e r i n gd a c ) 。传统的电压或电容型 d a c 需要的电阻或电容数随位数的增加呈指数增长，如果要设计出较高位数( 8 位或以上) 的d a c ，无论从功耗还是面积上都难以承受。而电流舵结构的d a c 不 仅适用于高速d a c ，如果配合以合理的转换技术，还能达到较高的分辨率。 本文工作主要是基于t s m c0 1 31 1mc m o s 工艺模型，采用正向设计方法，在 明确设计目标的基础上，提出了整个电路的系统架构。了解d a c 的性能指标，并 分析这些指标的影响因素，进行电路设计时，考虑减小这些不利因素的方法。d a c 的功能是由子模块实现的，分别设计每个子电路通过仿真确定电路参数，使各部 分达到预期目标。电路的最终实现必须通过整体仿真，加不同的输入数据验证系 统的功能，在反复的参数调整中提高系统的性能。前仿真通过且各项指标达到要 求后，进行物理层的版图设计。版图设计的好坏直接关系到芯片的性能优劣，必 须综合考虑。前仿真是在较理想的情况下对电路做的仿真，版图设计完成后，有 必要对电路做后仿真，模拟真实的电路工作情况，这样可以在流片前提早发现问 题，缩短设计周期。在后仿真结果达到指标要求的基础上进行流片。 本设计的性能指标要求为： 电源电压：3 3 v 功耗：4 0 m w 分辨率：1 0 比特 采样率：2 5 0 h m z 积分非线性：1 l s b 微分非线性：1 l s b 从第二章开始，论文的结构安排如下：第二章介绍d a c 转换的基本原理、目 前常用的几种d a c 结构以及d a c 的各种性能参数，并比较它们的优缺点。第三章 分析电流舵型d a c 的分段结构，确定分段比例。第四章和第五章论述d a c 各个模 块电路的实现方法。第六章描述版图设计和仿真结果分析。 第2 章d a c 基本原理及基本结构 第2 章d a c 的基本原理及基本结构 2 1 d a c 的基本原理 数模转换器，顾名思义就是将一个输入为数字代码的信号转换成模拟信号输 出，一个数字码对应一个模拟量。d a c 的基本原理可以用一个数学公式来阐述， 即任意一个非负整数，总可以用一个t 进制数来表示： 以= a _ i t ”1 + a n 一2 t ”2 + q f l + a o t o ( 2 1 ) 其中，t 表示进制数，n 表示位数，珥表示t 进制代码。显然，上式是一个 代数多项式。对于二进制数，即t = 2 ，式( 2 - i ) 可改为为如下： 如= a n 1 2 ”1 + a n 一2 2 ”2 + a 1 2 1 + 口0 2 0 ( 2 2 ) 如果将4 。看成是要转换量，根据图2 - i 所示的原理图可以看出，通过模拟 基准信号，模拟输出信号吃，与二进制码信号4 之间可建立如下关系( 假设 和吃，都是电压信号) ： = ( 一1 2 州+ 巳一2 2 ”2 + q 2 1 + a 0 2 0 ) = 以 ( 2 3 ) d a c 图2 - 1o 转换器的方框图 f i g u r e 2 一ld i a g r a mo fd a c 这就实现了将输入的数字信号变成了模拟的电压信号。输出电压的范围由 及d a c 的结构决定。 为了便于理解，可以把d a c 看作一个译码器，它将输入的数字码转换成模拟 信号，并以电压或者电流形式输出。为了理解d a c 的输入一输出特性，我们用一 个理想的3 位d a c 来说明。如图2 2 ，它表示了一个理想的3 位d a c 的输入输出 关系。 北京i q k 大学工学硕士学位论文 p s 了，8 p s h 腿f s 蝈 羽5 s f s 鹰 叠4 8 v s 垮 3 ，8 f s 2 ，8 f s i ，8 f s 0 0 00 0 10 1 00 ll i ( mi o ll i ol l l 数字输入码 图2 - 2 理想的3 位d a c 输入输出关系图1 f i g u r e 2 。2i d e a li n p u t o u t p u tl i n eo f3b i to a c 2 2 电压型d a c 以3b i t 的d a c 为例，电压型d a c 电路如图2 - 3 所示。它采用的是电阻式分 压，通过数字码来控制开关的断开和闭合选择性地获得所需要输出的模拟电压。 工作原理如下：b 。，b 。，b ：模拟开关对应于输入位b o 、b 。b 。，其中b 6 是最低位 ( l s b ) ，b 。是最高位( m s b ) 。开关在对应逻辑电平为1 时闭合，为o 时断开。当 输入代码0 0 0 时输出为0 v ；当输入代码0 0 1 时，输出为( 1 8 ) k ，：依此类推。 这种结构的数模转换器只需要用到一种电阻值，容易保证制造精度，这个是它的 优点。但是如果转换的位数大于8 ，它需要的面积也会很大，而且由于开关层数 较多，它不适用于高速d a c 瞪1 。 - 8 第2 章d a c 基本原理及基本结构 ii ii i 厂 2 3 电容型d a c 图2 - 3 电压型d a c 原理图 f i g u r e 2 。3s c h e m a t i co fv o l t a g e 。d o m a i nd a c 电容型d a c 是通过电容分压的原理来工作的，它的结构原理如图2 4 所示， 电容的电量从左到右依次按2 的乘方倍数递减。当d i - 1 时，开关接到参考电压 亿，上；当d i - o 时，开关接到地上。电荷型d a c 正常工作需要一个不交叠的两相 时钟。在转换开始前即2 时刻，所有的电容的上下极板都连到地，进行放电； 在l 时刻，所有输入为“1 ”的位所控制的开关连接到基准电压，而所有输入 为“0 ”的位所控制的开关连接到地。现假定输入信号只有最高位为1 ，其余全 为0 ，即艮。d 川d 。d 。= 1 0 0 0 时，开关将最左边的电容2 州c 接到v 。，一边，而d o 、 d 。、d ，。将电容c 、2 c 、。- 2 c 接地。这样，电容2 c 与( c + c + 2 c + 2 川c ) 构成 了一个电容分压器，输出电压v 删。为 n n - i ” = r r e fl 扎1 十j n 甜_ il + , 丽( 2 - 4 ) 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 - 4 电容型d a c 原理图 f i g u r e2 4s c h e m a t i co fc h a r g e d o m a i nd a c 根据以上分析，可以得到输入数字信号为任何状态时输出模拟电压的一般表 达式为： 。等等茏警 5 ， 此时，输出电压为： ：塑坐笔坠堕：导( n 2 0 + 9 , 2 - + 讥2 一一t ) ( 2 - 6 ) 0 l,-1。删 w，h 门， 、一一7 上式表明，输出的模拟电压与输入的数字量成正比。 电容型d a c 的优点是精度较高，电容之间匹配性好，但有着速度慢、面积 大、对寄生电容敏感、充放电时间会影响电路的转换速度等缺点，而且需要两相 时钟，复杂度加大。 2 4 电流型d a g 2 4 1 权电阻型d a c 对于n 位的权电阻网络的d a c ，它是由n 个模拟开关、一个求和放大器和权 电阻网络组成，如图2 - 5 所示。权电阻网络由n 个按二进制规律排列的电阻 俾2 - i r ) 组成，所有电阻的一端共同接到放大器的反向端，而另一端与各开关 相连。最高位对应的电阻尺腑。= r ，最低位对应的电阻足，。= 2 - i r ，即二进制代 码的权重越高，对应的电阻越小。n 个模拟开关的状态受输入数字代码 ( d 1 皿见) 控制，当某位的代码为l 时，该位控制的开关接到参考电压圪，上， 反之，该开关接到地上，故当口= l 时，支路有电流流向求和放大器，最后各 支路的电流相加，并流向疋，最后转换成输出电压。用数学公式推导如下： 若放大器处于深度负反馈状态，则根据“虚短”原理，放大器的反向端也接 地，于是每条支路的电流可表示为： = 等口= 熹口 7 ) 当d i = l 时，电流为 = 鲁= 岳 8 ) 否则= 0 。按照电流叠加原理，总的电流可表示为： 厶= 喜= 等喜笋 协9 ， f - o n 拉l 经过运算放大器，最后输出的电压为： 。b 厶= 鲁喜= 旦2 i - i ( 2 - l o ) 从公式可以看出，每一个输入数字序列都对应着一个模拟的输出电压，即完 成了数字到模拟的转换。 图2 _ 5 权电阻型d a c 原理图 f i g u r e2 - 5b i n a r yw e i g h t e dr e s i s t o rd a c 该d a c 的精度主要由权电阻、运算放大器、开关和参考电压的精度决定。为 了保证精度，权电阻的阻值必须很精确，且不随温度变化。因为这类d a c 的权电 阻的阻值范围非常大，如l o 位d a c ，电阻的最大比值将达5 1 2 ：1 ，利用集成工 艺制造范围如此大的电阻是相当困难的，很难进行温度系数的匹配。 2 。4 2r - 2 r 梯形结构 r 2 r 梯形结构的提出，其实是对权电阻结构的d a c 的一种改进，该结构中， 电阻只有两种阻值，r 和2 r ，克服了权电阻结构电阻范围大的缺点。该结构的 电路原理如图2 - 6 所示。 北京工业大学 二学硕士学位论文 图2 _ 6r - 2 r 梯形结构d a c f i g u r e2 - 6r 。2 rl a d d e rs t r u c t u r e 从图2 - 6 中可知，当某位输入数字信号为“1 ”时，对应的电子开关将电阻 2 r 接至运算放大器的反相输入端；而当它为“0 ”时，该电阻接地。由于运算放 大器的反相输入端为“虚地”，故无论开关在哪个位置，2 r 电阻的一端都是接地。 这样，流过每一个2 r 电阻的支路电流始终不变。另外，节点a 、b 、c 、d 、e 、 f 往左看，其等效电阻均为r 。这样从流出的总电流，= 尺保持恒定。此 电流每经过一个节点，分为相等的两路流出。因此输出电压可表示为： = f ，辟 = 耶( 吾见一，+ 吾见一：+ + 嘉d l + 吾d o ) = 怒( 趔- i + 一d , 。x ? n - 2 + + d l 2 1 + d o 2 0 ) ：i x f r r e fy n 2 j r 2 “= 0 由此可见，输出模拟电压正比于输入数字代码。这类结构的特点是只有两个 阻值的电阻r 、2 r ，电阻容易匹配。但是，尺一2 尺梯形电阻网络d a c 也有着自 身的不足。梯形电阻网络相当于传输线，从模拟开关到梯形电阻网络建立稳定的 输出，需要一定时间。而且位数越多，建立时间越长。因此，在位数较多时将直 接影响d a c 的转换速度。另外，当有几位数码同时发生变化时，由于各级信号 传输到输出端所需时间不同，因而在输出端可能产生瞬时尖峰。 2 4 3 电流舵型d a c 电流舵型d a c ，又称电流源型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，如图2 - 7 所示。与电阻型加权d a c 相比，电流舵型d a c 速度非常快，对开关的寄生参数不敏感。这种电流模式d a c 主要是用数字码来控 制开关的断开和闭合，通过电阻将电流转化为电压。它的转换速度只受到电流开 关速度的影响，转换速度很快，在高速d a c 中常被采用扫卜n 们。 第2 章d a c 基木原理及基本结构 r f u d id 2 d n 图2 - 7 电流舵型d a c 原理图 f i g u r e2 7c u r r e n ts t e e r i n gd a c 通过以上介绍的d a c 的一些常用结构，了解了他们的优点和不足之处。对本 设计的设计指标，需要选择合适的结构来实现这些指标。表2 - 1 列出了三种模式 d a c 的主要优缺点： 表2 - 1 几种主要结构及性能对比 t a b l e2 1t h ec o m p a r i s i o no fs e v e r a ls t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e d a c 类型优点缺点 容易保证制造精度，单随着位数的增加，所需元器件的数量 电压型 调性好呈几何级数急剧增加，面积会很大 电流型 线性度好，速度快精度不高 面积大，对寄生电容敏感，而且需要 电容型精度最高，速度快 两相时钟，复杂度增加 从各种d a c 本身特点来看，就要在其优缺点之间做个衡量，选择比较折衷的 方案。综合了各方面性能指标和面积、速度等的考虑，最后还是选择了电流型 d a c 这种结构。 2 5d a c 的性能参数 d a c 的性能参数及应用特性是选用数模转换器的依据。d a c 的参数可以分为 两类：静态性能参数和动态性能参数1 。 2 5 1 静态性能参数 由于d a c 中各元件参数的偏差和基准电压v 耐的波动等各种因素的影响，使 得转换器实际所能达到的精度与分辨率及转换误差的大小有关。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 分辨率 分辨率用输入二进制数的位数表示，也表示该d a c 在理论上可达到的精度。 例如，在分辨率为n 的d a c 中，从输出模拟电压的大小能区分出输入代码从 0 0 0 0 0 到1 1 l l l 全部2 个不同的状态，给出2 个不同等级的输出电压。 在实际中，按照d a c 能分辨出来的最小电压和最大输出电压之比给出分辨 率，用公式表示为：分辨率= 丽。对于1 0 比特输入的d a c 可达到的分辨率 为：虿南2 东丢o 0 0 1 。同时，也可发现，随着输入位数的增加，d a c 的分辨 率越高。 ( 2 ) 失调误差 失调误差又称为漂移误差或平移误差，是指当输入为零时输出的值。引起该 误差的原因很多，例如，运算放大器的零点发生漂移时，输出电压的转换特性将 会发生平移( 上移或下移) 。如图2 - 8 所示。 f s 7 ，8 f s 矾f s 嚣5 ，8 f s 玺 暮4 愿f s 3 ，8 f s 2 1 8 f s l 8 f s 调 差 删o o lo l oo l l1 0 01 0 l1 1 01 1 1 敛宇输入码 图2 - 8 失调误差 f ig u r e2 - 8o f f s e te r r o r ( 3 ) 增益误差( 满刻度误差) 转换器的输出与输入之间的传输特性曲线的斜率称为它的增益，实际增益和 理想值之间的误差成为增益误差。当转换器的失调误差调节为零时，它的增益误 差就是满刻度值误差。它用l s b 为单位进行描述，或用此偏差值与满刻度输h = j 的 比值的百分数来表示，如图2 - 9 所示。 第2 章d a c 基本原理及摹本结构 u l l iii i 鼍! 曼! 曼曼曼皇曼! 鼍曼曼 输出 图2 _ 9 增益误差 f i g u r e2 - 9g a i ne r r o r ( 4 ) 微分非线性误差( d if f e r e n tiain o n l n e a ri t ye r r o r ，简称d n l ) 微分非线性误差，是指任何相邻两个数码间隔所对应的模拟量的间隔与实际 ( 即1 l s b ) 之间的偏差的最大值。若所有的问隔都是1 l s b ，则微分非线性误差 为零，否则就存在误差。数字码k 对应的d n l 表示为： d n l ( k ) = 义( 妨一x ( k - 1 ) 一l 船 ( 2 一1 1 ) 微分非线性误差是数模转换器的重要参数之一，一般d n l 要在o 5 l s b 以 内。如果d n l 要大于i l s b ，输出端就会出现非单调的情况，也就是随着输入的 增加，输出反而会出现下降的非单调的情况。微分非线性误差反应的是数模转换 器在数字输入发生变化时模拟输出的均匀性。如果相邻的数字输入发生变化，其 对应的模拟输出变化为1 l s b ，那么数模转换器的输出就是均匀的，性能就好； 反之，如果它对应的模拟输出变化不是i l s b ，那么数模转换器的输出就不均匀。 ( 5 ) 积分非线性误差( i n t e g r a in o n i ；n e a r i t ye r r o r ，简称i n l ) 积分非线性误差是指转换器的实际转换特性曲线与它的平均特性曲线( 通过 两端点的直线) 之间的最大偏差。积分非线性误差指的是非线性误差的总量度， 数字码k 对应的i n l 表示为： 丝 1 n l ( k ) = ：d n l ( i ) ( 2 1 2 ) 面 非线性误差如图2 - 1 0 所示。从图2 - 1 0 中可以看出，当数字输入由0 1 1 跳变到 1 0 0 时，模拟输出的变化量是i 3 l s b ，所以d n l = i 3 l s b - i l s b = o 3 l s b ，而此时 的实际模拟输出量与理想输出量的差值为2 。7 l s b - 3 l s b = 一0 3 l s b ，所以其 i n = - 0 3 1 ，s b 。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 5 2 动态性能参数 图2 - 1 0d n l 和i n l f i g u r e2 1 0d n la n di n l ( 1 ) 建立时间 通常用建立时间来定量描述数模转换器的转换速率。建立时间是指：从输入 的数字量发生突变开始，直到输出的模拟量与稳定状态相差0 5 l s b 范围内的 这段时间。因为数字输入量的变化越大，建立时间越长，所以一般给出的是输入 从全0 变为全1 ( 或从全1 跳变到全0 ) 时的建立时间。 建立时间是数模转换器的一个重要参数，特别对于高速应用场合必须加以考 虑。在电流舵型d a c 中，它和被改变的位电流及c m o s 电流模拟开关的响应时间 有关，是由内部逻辑电路系统的切换时间和寄生的节点电容产生的电路瞬变所决 定的。建立时间主要受m s b 位建立时间所控制，与较低位相关的建立时间一般忽 略不计n 们。 ( 2 ) 信噪比 信噪比即s i g n a 卜t o n o i s er a t i o ，简称s n r 。 定义：在给定的输出和采样率下，满量程正弦模拟输出信号的基波幅度的均 方根和各类噪声的所有频谱分量的均方根之和的比值。 j s n r = 2 0 l o g ，。“t $ i g n a l ( 2 - 1 3 ) 一4 妇 其中，a 。咖为正弦模拟输出均方根的值，a 叫。包括热噪声、量化噪声等所有 噪声源之和的均方根，正弦波输出的均方根等于其峰峰值除以2 2 。 对一个理想的d a c 而言，其s n r 为： s n r = 6 0 2 n + 1 7 6 3( 2 1 4 ) 式( 2 - 1 4 ) 给出了理想d a c 的理论噪比值。n 为数据转换器的位数，由式可 见，在转换器中每增加一位，s n r 增加6 0 2 d b 。在实际的转换器中，包含非理想 因素影响的s n r 可以通过测量输出信号来求得。通常情况下，直接测量信噪比和 第2 章d a c 基本原理及基本结构 信号噪声失真比较困难，在实际应用中，一般先测量d a c 的s f d r ，再间接推算 得到d a c 的信噪比n 剀。 ( 3 ) 无杂散动态范