（微电子学与固体电子学专业论文）基于verilogams的高速dac高层次模型研究.pdf

摘要 摘要 本文主要研究基于v e r i l o g a m s 语言的高速d a 转换器的高层次行为模型。 论文选取分段式电流舵d a 转换器作为高速d a 转换器的典型结构，系统的将分 段式电流舵d a 转换器划分为结构和功能相互独立的各个电路模块，分析各模块 功能的行为特点，建立相应的理想行为模型，使用v e r i l o g a m s 语言对行为模型 进行描述，同时采用c a n d e n e es p e c t r e 软件对各行为模型进行仿真，并对仿真波形 进行了分析；在此基础上对各理想的行为模型进行了误差分析，根据理想模型和 实际的电路的对比，对原有模型进行了修正，修改了模型代码，再次使用c a n d e n e e s p e c t r e 软件对修正后的模型进行仿真，将仿真波形与实际电路的特性进行了比较。 结果表明，使用v e r i l o g - a m s 语言对模拟部分进行行为级建模能够在很大程度上 减少仿真所需要的时间，加快设计进程，并且提高仿真精度。本文的研究工作表 明了在d a 转换器的高层次设计中，使用v e r i l o g a m s 语言建立的行为模型代替 实际电路模块的可行性和有效性。 关键字：高速电流舵d a 转换器v e r i l o g - a m s 高层次模型误差分析 a b s t r a c t t h eh i g h 1 e v e lm o d e lr e s e a r c ho fh i g l l 一s p e e dd ac o n v e r t e r sb a s e d0 1 1 v e r i l o g - a m si ss t u d i e di nt h i sp a p e r s e g m e n t e dc u r r e n t s t e e r i n gd a c i ss e l e c t e da s t h et y p i c a lo fh i g h - s p e e dd a c t h ec u r r e n t - s t e e r i n gd a ci sd i v i d e di n t om o d u l e s w h i c ha r es o r t e db ys t r u c t u r ea n df u n c t i o n b e h a v i o r a lm o d e l so ft h e s em o d u l e sa r es e t u p 惭t hv e r i l o g - a m s ，a n ds i m u l a t i o n so ft h em o d e l sa r ed o n ei nc a n d e n c e s p e c t r e t h e na n a l y s i so fm o d e le r r o ri st a k e n 、枷e l ln o n i d e a lf a c t o r sa r ec o n s i d e r e da s p a r t so fb e h a v i o r a lm o d e l s ，t h em o d e l sa r er e b u i l t 。a n ds i m u l a t i o n so ft h e ma r ed o n e o n c ea g a i ni nc a n d e n c es p e c t r e a l lt h es i m u l a t i o nw a v e sa r es h o w ni nt h ep a p e r t h e v a r ea n a l y s e db a s e do nc o r r e s p o n d i n gc i r c u i t t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h e b e h a v i o r a lm o d e lo fv e r i l o g a m sw i l ls h o r t e nt h et i m eo fs i m u l a t - i o na n di m p r o v et h e p r e c i s i o no fs i m u l a t i o n t h er e s u l tv a l i d a t e st h a tr e p l a c i n gt h ec o n c r e t ea n a l o gc i r c u i t s w i t ht h eb e h a v i o r a lm o d e lo fv e r i l o g - a m si se f f i c i e n ta n df e a s i b l e k e y w o r d s ：h i g h s p e e dc u r r e n t s t e e r i n gd ac o n v e r t e rv e r i l o g a m sh i g h l e v e l m o d e le r r o ra n a l y s i s 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 导师签名：日期圭，g - f 、妒 第一章绪论 第一章绪论 近年来，有线和无线通讯技术以及数字视频系统发展迅速，对信号数字化处 理和实现的要求越来越高，对集成电路和器件的要求也越来越苛刻，采用多片i c 和大量分立器件设计的系统无论在性能上还是体积上、成本等方面，已经难以满 足实际应用的需求，在产品中使用s o c ( 片上系统，s y s t e mo nc h i p ) 已成为业界 发展的主流之一。充分利用日益发展成熟的集成电路工艺，研究s o c 及其构建模 块的设计方法，是集成电路设计的一个热门课题，具有重要的现实意义。 1 1 论文的背景和现状 随着集成电路技术的不断发展，片上系统设计正在成为集成电路设计的发展 方向之一。s o c 芯片集成了大量的p 核，如微处理器、数字信号处理器( d s p ) 、 模数转换器( a d 转换器) 、数模转换器( d a 转换器) 、模拟滤波器( f i l t e r ) 、 存贮器( m e m o r y ) 以及射频( r f ) 单元等等，使得芯片的设计规模远远超过了以 往的设计规模，其片内通讯及m 核接口的复杂程度也大大提高，从而使得其设计 的难度和复杂度都达到了前所未有的程度，而s o c 的系统验证也就成为了其设计 中的难点之一。 s o c 系统验证就是对基于p 核实现的s o c 系统进行功能验证、静态时序分 析、功耗分析等等，以保证正确的系统功能和良好的产品性能。以往s o c 的验证 方法是基于混合信号集成电路方针的方法，其中模拟口核的仿真是采用s p i c e 仿 真方法加以实现。虽然这种仿真方法具有较高的仿真精度，但是仿真速度无法满 足产品开发的时间要求，同时也对仿真收敛性提出了新的要求。如果对所有的模 拟m 核建立精确高层次模型，不仅可以很好的对s o c 进行系统验证，也可以解决 a d 或者d a 转换器等混合信号集成电路的参数测试问题。v e r i l o g - a m s 语言就具 有解决这一问题的潜力，可以很好的解决这一问题。v e r i l o g - a m s 是硬件描述语言， 可以对混合信号集成电路或者系统进行行为级的描述，大大减少仿真时间，增加 仿真精度。 s o c 作为将数字电路与模拟电路同时集成在一起的相对复杂的混合集成电路 系统，通常是依功能划分成几个相对独立的构建模块来分别进行设计和分析研究。 在应用于通讯和数字视频等高速数字处理系统的s o c 设计中，d a 转换器的设计 是最重要最富有挑战性的模块之一。一方面，s o c 设计中对器件的性能要求越来 越高，另一方面，传统的设计中，分辨率高于1 4 位、采样率大于1 0 0 m h z 的d a 转换器只能采用b i p o l a r 或者b i c m o s 工艺实现。随着c m o s 集成电路技术的不 断发展和d a 转换器结构的不断创新，为采用亚微米或深亚微米c m o s 工艺实现 高速、高分辨率适合于高性能s o c 应用的d a 转换器提供了可能。 1 2d a 转换器的发展趋势 兰基于v c r i l o g a m s 的高速d a c 高层次模型研究 在使用v e r i l o g a m s 研究高速d a 转换器的高层次模型之前，有必要了解d a 转换器的发展趋势，使本文的研究工作能够符合其发展趋势。在集成电路高速发 展的今天，d a 转换器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、单片化、c m o s 型等方向发展【l 】。 ( 1 ) 向高性能方向发展 通过采用新型电路结构方案，如调制技术等，在同样的工艺条件下，使 单片d a 转换器的分辨率达到1 8 位2 4 位。通过采用激光修正技术、自校正技 术和统计匹配( s t a t i s t i c a l m a t c h i n g ) 技术，数据转换电路的分辨率和精度得到了进一 步的提高。 ( 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 y b i p o l a r - - - a d i 的专利) 工艺，低工作电压( 3 w 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 转换器电路获得高分辨率、高精度和高转换速率，又可达到低功耗( 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，也适应了便携式仪器的需 要。这一点对于航天产品尤为重要。 ( 3 ) 向单片化方向发展 随着半导体工艺水平的不断提高，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， 并将放大器、基准源、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 ) ，从而使得转换器和非转换器的界线变得模 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 伴随d a 转换器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 u r n 、0 2 5 u m 甚至更高，使d a 转换器 的集成度和功耗有很大的改进。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 种工艺技术来制作模拟和数字电路。 ( 7 ) 向r a i l t o r a i l 方向发展 第一章绪论 3 采用新的电路结构形式和改进工艺使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，这既与前述的降低电源电压和功耗的发展方向一致，又 不使输出摆幅减小太多相适应。 伴随计算机技术和i c 技术的迅速发展，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，其功能将越来越强，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。 1 3 论文的主要内容和结构 本文的主要内容是采用硬件描述语言v e r i l o g - a m s 对高速电流舵d a 转换器的 高层次模型进行研究和仿真，从第二章开始，论文内容具体安排如下： 第二章系统介绍了d a 转换器的分类和性能参数，同时对各种类型的d a 转 换器的特点进行了对比研究，为高速d a 转换器结构的选择创造了条件。 第三章首先介绍了模拟硬件描述语言v e r i l o g - a m s ，简单介绍了v e r i l o g - a m s 描述行为模型的结构，同时介绍了基本电路元器件的模型，给出了一个简单电路 的模型代码。 第四章根据高速电流舵d a 转换器的组成，对各组成模块分别建立了理想的 行为模型，采用v e r i l o g 。a m s 对其进行行为描述，使用c a n d e n e es p e c t r e 软件对模 型进行仿真，得到仿真波形和结果。 第五章具体分析了高速电流舵d a 转换器各组成模块的误差，并且将原有的 行为模型进行了修正，引入了非理想因素，再次使用使用c a n d e n c es p e c t r e 软件对 修正后的模型进行仿真，得到仿真波形和结果。 。 第六章是论文工作的总结，同时还针对论文工作中存在的不足，指出了今后 的研究方向。 第二章数模转换器的基本原理和常见结构 三 第二章数模转换器的基本原理和常见结构 本章首先系统的讨论了d a 转换器的基本工作原理，给出了d a 转换器的主 要参数，简要介绍了影响d a 转换器性能参数的主要因素：在此基础上介绍了d a 转换器的分类，最后对比各类d a 转换器的特点，给出了高速d a 转换器的选择 依据。 2 1数模转换器的基本工作原理 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。或者 也可以这么说，d a 转换器相当于一种译码电路，它将数字输入转换为模拟输出。 对于线性模数转换器： v o - v r d ( 2 - 1 ) 其中，d 是数字输入，v r 是模拟参考输入，v 0 是模拟输出。这里模拟输出可 以是电压，也可以是电流。若用二进制表示时，d 是： d = a 1 2 。1 + a 2 2 。+ 。a n 2 巾= 2 叫 ( 2 2 ) 式中a n 为l 或0 ，由数字对应位的逻辑电平来决定：n 是数字输入d 的位数。 由此，( 2 1 ) 式又可以写为 j l v o = 吆2 1 ( 2 3 ) l 以上表明，输出模拟量与输入数字量成正比。输出模拟量是由一系n - 进制 分量叠加而成的。对于单位数字量的变化，模拟输出是按等幅度的阶跃量变化的。 图2 1 是一般d a 转换器的原理结构图： 图2 - 1d a 转换器的原理图 如图2 1 所示，d a 转换器一般由数字输入、基准电压源、模拟开关、电阻或 电容网络、加法电路、运算放大器、模拟输出等组成。在实际应用中，根据集成 基于v c r i l o g - a m s 的高速d a c 高层次模型研究 度的不同，不同的d a 转换器中可能不完全包括其中的每一部分。 下面以并行电阻网络集成d a 转换器为例，简要说明d a 转换器的转换原理， 图2 2 示出了这种转换器的原理图。 电子开关网络 ：l 一。 数字信号输入 图2 - 2 并行电阻型d a 转换器原理图 图2 2 中基准电压v r 被电阻分成2 n 层，每一层分别与一个对应的模拟电子开 关k 相连，开关的状态将由数字控制电路的输入信号控制。图中的数字控制电路 实际上是一个数字译码器，它将n 位数字输入信号译为2 n 个数码。对应于不同数 字量的数字信号，就有相应的模拟电压经过开关网络输入集成运放a 进行求和运 算，然后获得模拟电压输出v o ，数模转换器就将数字输入量转变为了模拟输出电 压量。若图中模拟参考量为电流k ，则是基准电流被分成2 n 层，求和电路完成的 是数字量相应位权电流相加，输出为电流i o ，数模转换器就实现了把数字输入量转 变为模拟输出的电流量的功能，若想把输出电流转变为电压，则再加一级电流变 电压的电路即可。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 或权电流相加。 2 2d a 转换器的主要参数 理想的线性d a 转换器，其输入输出电路是相互隔离的，而且不接地。它的 噪声为零，并且对应于一个确定的数字输入，有一个确定的输出电流( 或电压) 。 当数字输入发生单位码变化时，模拟输出的变化是等间距的。电流输出型d a 转 换器，其输出阻抗应为无穷大；电压输出型d a 转换器的输出阻抗应为无穷小。 当输入发生变化时，模拟输出变化速率是无穷大。此外，转换器的转换特性应不 随时间、温度、电源电压等改变而改变。所有误差应为零。 第二章数模转换器的基本原理和常见结构 2 实际的d a 转换器与理想d a 转换器有偏差，因此，需要通过一些参数的测 量来衡量它们性能的优劣。所有参数基本上可分为静态参数、动态参数两大类。 下面将从这两个方面对d a 转换器的主要性能参数进行简单介绍。 2 2 1静态参数 精度 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最大的偏差。其单 位通常用满量程范围f s 的百分数( f s ) 或l s b 表示。所谓理想转换特性曲线， 对于d a 转换器来说，就是连接理想转换器输出最正、负两点的直线。精度分为 相对精度和绝对精度。在零点和满量程值校正后测得的精度为相对精度，否则为 绝对精度。一般参数中给出的是相对精度，绝对精度由于受温度和时间的影响较 大，很难给出确定的值。 分辨率 d a 转换器的分辨率有不同的定义方法。一种定义是d a 转换器模拟输出可 能被分立的数目，例如，一个二进制d a 转换器，其输入位数是n ，则其理论分 辨率应为2 n ；另外一种把d a 转换器输出能被分离的最大数目的倒数定义为分辨 率。分辨率可以用能处理数码的位数来表示，也可以用它的总数码数或是l s b 相 对于满度值的百分比来表示即( 1 2 n ) 。 由于噪声、温度、时漂等的影响，转换器的分辨率有时要小于理论值。例如 1 2 位转换器的分辨率在某一温度范围内的实际分辨率也许只有1 0 位。d a 转换器 。 的实际分辨率受其相对精度的限制，但反过来分辨率并不限制精度。分辨率也能 反应动态特性，转换器的动态范围要求越严格，对分辨率的要求就越高。 误差参数 d a 转换器在静态时主要有四种误差，即失调误差、增益误差、积分非线性 误差和微分非线性误差。 a 失调误差 它是指数字输入为零时，模拟输出与零的偏差。它可以用l s b 为进行描述， 也可以用此误差值相对于满刻度输出的百分比来描述。例如，图2 3 中，失调误差 是2 l s b ，是满量程的0 2 8 6 。d a 转换器的初始失调是可以被调节为零的，但是 随着温度的变化引起的失调是无法消除的。 墨 基于v e r i l o g a m s 的高速d a c 高层次模型研究 出 图2 - 3 失调误差 b 增益误差( 满刻度误差) 转换器输入与输出之间关系的曲线的斜率称为转换器的增益。其与理想值之 间的误差称为增益误差。当转换器的失调误差调节为零时，它的增益误差就是满 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出的比值的百分 数来表示。 输出 圈2 4 增益误差 例如，如图2 4 所示，当输入从1 1 0 变为1 1 1 时，其模拟输出与理论值之间的 偏差就是增益误差，其值为1 5 l s b 。增益误差是可以调节的。例如在d a 转换器 中，当输入参考存在误差时，转换器的满度值将发生偏差，即发生了增益误差。 这并非组件的不匹配而引起的，因此可以通过外接组件进行适当调节。 第二章数模转换器的基本原理和常见结构 一9 c 微分线性误差 微分线性误差( 也叫微分非线性，d i f f m 胁t i a ln o n l i n e a r i t y ，简写为d n l ) 是指两 个相邻模拟输出量跳变值与一个理想跳变值1 l s b 之间的差值，可表示为： d n l k ：i ( k ) - i ( k - 1 ) 一1 ( 2 - 4 ) 1 5 曰 微分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 范围 内。如果d n l 大子1 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，输出反而出现下降的非单调情况。这是在实际中不希望看到的，是必须采取 措施防止发生的。微分非线性显示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1 l s b ，那么数模转换器的输出就不均匀。 d 积分线性误差 积分线性误差( 也叫积分非线性，i n t e g r a ln o n l i n e a r i t y ，简称i n l ) 是指模拟输 出量与实际输出量的偏差值，可以用下式定义： n l , = 怒一七 ( 2 5 ) 由式( 2 - 5 ) 可以看出，积分非线性反映的是微分非线性的累积情况，也是在数 字输入逐步跃迁的过程中，实际模拟输出与理想模拟输出曲线之间的偏差值。例 如，从图2 5 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 1 3 l s b ，所以d n l = i 3 l s b - 1 l s b = 0 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 = 0 3 l s b ，所以其i n l = 0 3 l s b 。 图2 - 5 非线性误差 2 2 2 动态参数 a 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o 5 l s b 范围内的这 段时间。如图2 - 6 所示。因为数字输入量的变化越大，建立时间越长，所以一般给 基于v e r i l o g - a m s 的高速d a c 高层次模型研究 出的是输入从全0 跳变为全l 或从全l 跳变到全0 时的建立时间。 ji 获 i t 搿 - - - ? n ：= 。l 蝗 。罗了j ：一 ：弋 图2 - 6 建立时间 建立时间是数模转换器的一个重要参数，特别是对于高速应用场合必须加以 考虑。在电流舵型d a 转换器中，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 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。 b 无杂散动态范围 d a 转换器的动态范围( d r ) 定义为最大输出和最小输出( 定义为对应1 l s b 时的输出值) 的比。如果考虑由数字输入通过d a 转换器重构波形的波谱，就会 发现，除了期望波谱外，转换器的输出中还有噪声和失真。失真可用无杂散动态 范围来描述( s p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e ，简称s f d r ) 。无杂散动态范围的定义 为，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。图2 7 所示的s f d r 值约为6 0 d b 。 第二章数模转换器的基本原理和常见结构 11 j坼n ：靠 1 2口 g 弋7 弋1 5 主占l 7弋 斗 _ 口l口 i r ： 灿 山 射 “i 上吐山土乙“日札。旧t耐山“l 上j刖 j _ _ 鄹职- 7 q 霉 l 叮 呵埔p 砰玎唧砸 帆咿 fm 胛尸聊 研l n i - a 6i1 62 a n a l o gi n p u tf r e q u e n c y ( h 砷 26 l1 0 i 图2 - 7 无杂散动态范围 c 总谐波失真 总谐波失真即t 0 t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，简称t h d 。它被定义为，基波幅值 与频域中的所有谐波幅值的均方根的比值。用公式表示为： 脚_ 2 0l g 业吐鱼安鱼= = 垒 ( 2 6 ) 1 f i n 其中，a f 玳是输出信号基波均方根的值，a r m 2 至a h d n 是输出信号频谱中2 到n 次 谐波均方根的值。 d 信噪比 信噪比即s i g n a l t o n o i s er a t i o ，简称s n r 。其定义是：在给定的输出和采样 频率下，满量程正弦模拟输出信号的基波幅度的均方根和除直流和各次谐波外的 所有频谱分量的均方根之和的比值。 0 s n r = 2 0 l o g l o ( 二芋昀 ( 2 7 ) 妇 其中，a s i g n a l 为正弦模拟输出均方根的值，a n o i s e 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 。量化误差是 指理想输出信号与正弦信号波形之间的差别，理想输出波形是具有阶梯型的传输 函数，两个波形之间的差函数类似于一个锯齿波，其幅值在0 5 l s b - - + 0 5 l s b 范 围内。则差函数的均方根的值等于其峰峰值除以3 ，为怕2l s b 。 对于一个理想的d a 转换器而言，其s n r 为： 舳= 2 = 1 2 2 5 2 ( 2 - 8 ) o 西 加 钧 羽 伽 伽 (岜p】apnlll斗jl珏 里基于v e r i l o g - a m s 的高速d a c 高层次模型研究 换算成相对比例为： s n r = 2 0 l o g j o ( 1 2 2 5 # 2 ) = 6 0 2 n + 1 7 6 3 ( 2 9 ) 上式给出了理想d a 转换器的理论信噪比值。n 为转换器的位数。显然，n 越大， 量化误差越小，转换越精确。当转换电路输出满量程正弦波时，其信噪比的理论 值为( 2 1 ： f， s n r = 6 0 2 n + 1 ，7 6 3 + 1 0 l g 吆 ( 2 1 0 ) ，j 斌勖曲 其中1 。为d a 转换器的采样频率，i 耐是输出正弦波频率。可以看出， 当采样频率大于奈奎斯特频率时，s n r 随着采样频率的增大而增大，原因是随着 采样频率的增高，量化噪声及其它与带宽不相干的噪声功率被分布在带内。因此， “过采样 技术，可以有效地减小频率小于最高信号奈奎斯特频率的噪声的影响。 e 毛刺 由于d a 转换器的电流开关耐间不相等( 数字输入位同步误差、开关导通时间 和关断时间不相等以及传输延迟时间不相等) 造成的暂时的杂散输出，称为毛刺， 如图2 8 所示。由于开关时间的差异而产生的这种毛刺通常是单极性的，幅度很高， 不加基准电压时不会出现。 图2 - 8 毛刺 毛刺的宽度取决于d a 转换器并行输入各位同步误差和开关时间的差异程 度，而其幅度则取决于d a 转换器数码变迁时引起开关切换的数目。通常在主变 迁或半满度时，即数码从0 1 l l 到1 0 o o 之间产生的毛刺最大，而在其它变迁( 例 如o 2 5 或0 7 5 满度) 情况下毛刺通常都比较小，这是因为在主变迁时d a 转换器 的所有位码都发生变化，产生的累积误差最大。在高速d a 转换器中要求毛刺越 小越好，这个参数将影响转换器动态工作时的精度。 2 3 影响d a 转换器参数的因素 影响d a 转换器参数的因素主要有电流源失配、时钟抖动、电流源的有限输 出阻抗和模拟c m o s 开关产生的延迟、毛刺等。这些影响因素对不同的参数有着 第二章数模转换器的基本原理和常见结构 1 3 不同的影响。例如，电流源失配会增大积分非线性误差( 玳l ) 和微分非线性误差 ( d n l ) ，并且会因为非线性传递函数而降低s n r 和s f d r 。然而，这些因素对 d a 转换器的影响并不全都是坏的，有些情况下可以改善d a 转换器的性能。例 如，模拟c m o s 开关的有限切换速度可以抑制d a 转换器输出信号中的高频成分， 这将改善s f d r 特性。 2 4d a 转换器的分类 根据加权网络等部分实现方法不同，常见的d a 转换器结构可以分为电流型、 电压型和电荷型等，下面将分别加以简单介绍【3 】。 2 4 1 电流定标型d a 转换器 曩权电阻型d a 转换器 图2 - 9 是权电阻型d a 转换器的结构框图图中包含n 个并列支路，每个支路 由一个电阻和一个模拟电子开关串联而成，各个支路电阻的阻值按照二进制权系 数关系递增排列，其中的模拟开关分别由各位输入码控制，最高位数码控制阻值 最小的支路开关，依次下去，最低位数码控制阻值最大的支路开关。当某位输入 数码为1 时，它所控制的模拟开关接通参考电源，在运放反相端总线上，就出现 与该支路电阻阻值成反比的权电流分量；当某位输入数码为0 时，它所控制的模 拟开关就关闭，在总线上就没有这一权电流分量。这样，在输出端就按照式2 1 实现了输出为电流形式的d a 转换。 rf 2 a - i r d 1d 2i ) a 图2 - 9 权电阻型d a 转换器 权电阻型d a 转换器是实现二进制d a 转换的一种最简单的电路结构。其明 显缺点是当位数增多时，电阻的取值范围很大。如8 位d a 转换器，电阻最大比 值将达1 2 8 ：1 ，这一比值在工艺生产上很难实现，并且该结构对电阻阻值的苛刻 要求也使该结构实现更加困难。因此，这种结构的d a 转换器很少见，只有偶尔 在某些特殊应用中，以分立组件的形式出现。 b r - 2 r 梯形电阻网络d a 转换器 ： 图2 1 0 是r 2 r 梯形电阻网络d a 转换器的电路原理结构框图。从图中n n 基于v e r i l o g a m s 的高速d a c 高层次模型研究 端口向右看入的阻值是r ，从2 2 、1 1 向右看入的总阻值也是r ，但是从a a 端口向右看入的总阻值是2 r 。同理，从每个阻值为2 r 的电阻向右看入的电阻都 是2 r 。因此，电流每流过一个2 r 支路就被衰减一半。所以，电路从左到右，各 2 r 电阻中流过的电流比值为1 ：2 一：2 也：2 时1 。也就是说，流经各2 r 电阻 的电流是二进制的权电流。当输入数字信号为0 时，开关k 接到1 的位置，当输 入数字信号为1 时，开关接到2 的位置，这样按照输入数字信号变化的权电流相 加，就实现了数字一模拟的转换。 v b 图2 - 1 0r - 2 r 梯形电阻网络d a 转换器 n 位权电流发生电路需要n + 1 个阻值为2 r 和1 1 个阻值为r 的电阻。随着分 辨率的提高，电阻个数增加，但阻值始终是r 和2 r ，而且2 r 电阻可以用两个r 的串联实现。因此，r 2 r 梯形电阻网络克服了权电阻网络阻值繁多的缺点。无论 从改善电阻匹配精度，还是减小芯片面积来说，r 一2 r 梯形电阻网络都比权电阻网 络更有利。集成的并行d a 转换器中，多采用r - 2 r 梯形电阻网络。但是，r 2 r 梯形电阻网络d a 转换器也有着自身的不足。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 转换器的转换速度。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。 c 电流舵型d a 转换器 电流舵型d a 转换器，又称电流源型d a 转换器，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。与电阻型加权d a 转换器相比，电流舵 型d a 转换器速度非常快对开关的寄生参数不敏感。电流源根据权系数不同，可 分为二进制加权型和一进制加权型( 温度计型) 。二进制电流舵型d a 转换器的电 路原理框图如图2 1 1 所示。二进制型电流舵d a 转换器的工作原理与电阻加权型 基本类似，只是用加权的电流源来代替加权的电阻来提供权电流。电流源提供加 第二章数模转换器的基本原理和常见结构 权电流可以通过两种方式来实现。一种是改变电流源m o s 的宽长比，如最低位宽 长比为w l ，高一位宽长比为2 w l ，依次电流源m o s 管的宽长比按指数2 向上 增长；二是改变相同尺寸m o s 管的个数，最低位用1 个，高一位用2 个，向上个 数按指数2 增长。后者的匹配性方面效果比前者好。 r f u 图2 - 1 1 二进制电流型d a 转换器 一进制加权型d a 转换器【2 6 】的电路原理框图：一进制电流舵加权型( 温度计 型) d a 转换器先将二进制编码的数字输入转变为一进制码( 温度计码) ，然后用 一进制编码分别控制一个电流源流向负载或地。表2 1 是2 位二进制编码与一进制 转换的真值表。 可 图2 1 2 温度计码电流型d a 转换器 表2 1 二进制码温度计码的真值表 二进制编码对应温度计码 0 00 0 0 0 1 0 0 1 1 00 1 1 1 11 1 1 与1 1 位二进制编码相对应的一进制编码有2 n 一1 位，当二进制编码换算成十 堑 基于v e r i l o g a m s 的高速d a c 高层次模型研究 进制数为d 时，一进制编码的低d 位全部为1 ，其他全部为0 。也就是随着二进 制编码逐渐增大，相应的一进制编码的各位( 从低位向高位) 依次由0 变为1 。 2 4 2 电压定标型d a 转换器 电压型d a 转换器的电路原理如图2 1 3 所示。这是3 位电压定标d a 转换器 原理图，工作原理如下：a 、b 、c 模拟开关对应于输入位d 1 、d 2 、d 3 ，由其逻 辑信号所驱动其中d 1 对应于最高位( m s b ) ，d 3 对应于最低位( l s b ) 。a 、b 、 c 模拟开关，由输入电平的互补电平驱动。假设开关在对应逻辑电平为0 时打开， 则输入代码0 0 0 时对应的输出将是开关a 、b 、c 都打开，a 、b 、c 都闭合的 情况，输出为o v ；依此类推，如果输入是1 0 0 ，则a 、b 、c 打开，a 、b 、c 闭合，输出为v - r c 舵正好等于1 l s b 。从3 位电压定标d a 转换器可以推广到多位， 只是位数越多，开关的层数和个数也越多。电压定标d a 转换器特别适合m o s 工艺，因为m o s 工艺中开关很容易实现，而且m o s 缓冲放大器的直流偏置电流 很小。电压定标d a 转换器常用作m o sa d 转换器中的一个部件，被用作逐次逼 近式a d 转换器的子d a 转换子电路。电压定标d a 转换器的一个严重缺点就是， 当位数较多时，所需的部件太多。对于一个n 位d a 转换器，需要2 n 个电阻、约 2 n + 1 个开关和2 n 条逻辑驱动线。 图2 1 3 电压定标型d a 转换器 2 4 3电荷定标型d a 转换器 电荷型d a 转换器【2 5 1 是通过重新分配电容阵列中的总电荷来工作的。它的结 构原理如图2 1 4 所示。 第二章数模转换器的基本原理和常见结构 旦 u r 图2 1 4 电荷定标型d a 转换器 在图2 1 4 中，电荷型d a 转换器正常工作需要一个不交叠的两相时钟。在 2 导通时刻，所有电容的上下极板都被接地，进行放电；接下来，在1 导通时刻， 所有输入为“l ”所控制的开关均连接到基准电源v r ，而所有输入为“0 ”所控制 的开关均连接到地。此时，连到u r 上的总电容为： c e , q = d i c + d 2 2 。1 c + d n 2 舯1 c( 2 11 ) 连到地上的总电容为： 2 c - c e , q = i - ( d 1 2 吐斗d 2 + + d n 2 n ) 】2 c ( 2 1 2 ) 此时，输出电压为： u o - - ( d 1 2 q + d 2 2 呓+ + d n 2 屯) u r( 2 1 3 ) 可见，输出实现了d a 转换功能。电荷型d a 转换器的优点是精度较高，但 有着速度慢、面积大、对寄生电容敏感等缺点，而且需要两相时钟，复杂度加大。 2 5高速d a 转换器的选择 对于d a 转换器来说，不同特点和性能的d a 转换器可以适应不同的使用场 合。在选择d a 转换器时，根据根据速度，精度，功耗等等性能特性来选择合适 的d a 转换器。由于本文本文主要讨论的是高速d a 转换器，因此速度是主要考 虑的因素。 首先，输入方式选择并行输入，相对于串行输入的方式来说，并行输入的速 度更快；其次，输出方式选择电流输出，相对于电压输出来说，电流输出方式的 速度也更快【2 7 】。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 可免去电压电流的转换。 电流型d a 转换器可分为加权电阻型、分组衰减的权电阻网络型、r 2 r 梯形 电阻型和电流舵型。最符合高速特点的是电流舵型d a 转换器。电流舵型d a 转 换器又可分为二进制型和一进制型两种结构。比较二进制电流源加权型和一进制 电流源加权型d a 转换器两者的优缺点【4 】： ( 1 ) 二进制电流源加权型d a 转换器结构比较简单，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电路，而且所需要的电流源数量很少( n 旦基于v e r i l o g - a m s 的高速d a c 高层次模型研究 位d a 转换器只需要n 个电流源) ，所以面积较小：一进制电流源结构比较复杂， 需要从二进制输入到一进制的译码逻辑电路，需要电流源的个数也较多( n 位d a 转换器需要2 n 1 个电流源) ，随着位数的增加，需要的电流源呈指数增加。 ( 2 ) 匹配问题对二迸制电流源加权型d a 转换器的性能影响很大。由于要达到 一定的精度，d n l 必须小于0 5 l s b 。以1 0 位d a 转换器为例，在最坏情况下， 即输入从0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 变为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，而进制电流源加权型d a 转换器对匹配性要求很宽松，理论上5 0 的匹配 度就可以实现d n l 0 5 l s b 。且二进制电流源型d a 转换器的动态性能总谐波失 真t h d 比一迸制电流源型差。 ( 3 ) 对于二进制电流源加权型d a 转换器来说，由于开关的动态性为引起的竞 争冒险，在输出处会产生毛刺，这将影响d a 转换器的建立时间，降低速度，尤 其在中间编码处，如0 1 l 儿1 1 1 1 1 变为1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 时，这时所有的开关的状态都将 发生翻转，这种情况最为严重。而对于温度计式编码d a 转换器来说，无论是在 中间编码处还是其他一般情况下，1 l s b 引起的变化都只是一个电流源开关的变 化，所以建立时间较小，速度较快。 小结 本章首先主要介绍了d a 转换器的工作原理，基本性能参数和d a 转换器的 分类，并对各种d a 转换器做了各个方面的比较，最后说明了选择分段式电流舵 d a 转换器的原因：对于高速d a 转换器来说，首先考虑速度，因而采用电流舵 型d a 转换器，其次折中考虑面积和速度，在输入码制上选择高位采用温度计编 码，而低位采用二进制权重码，两种编码共用的方法。 第三章基于v c r i l o g - a m s 的行为模型 1 9 第三章基于v e r i l o g - a m s 的行为模型描述 本章首先阐述了硬件描述语言v e r i l o g a m s ，然后简要介绍了v e r i l o g a m s 描 述行为模型的结构，并给出了一些实例，讨论了v e r i l o g a m s 语言的使用，最后 介绍了v e r i l o g - a m s 程序的仿真流程。 3 1 v 撕l o g j w s 语言概述 v e r i l o g - a m s 语言是一种高层次的模块化硬件描述语言，它用模块的形式来描 述模拟系统及其子系统的结构和行为【5 】。v e r i l o g a m s 语言可分为数字电路描述子 集v 舒1 0 9 h d l 和模拟电路描述子集v e r i l o g a 2 4 。在本文中，主要使用v e r i l o g - a m s 对d a 转换器的模拟电路部分进行行为级描述。v e r i l o g a m s 语言对模拟电路的描 述可以分成两种类型：一是行为描述，一是结构描述。行为描述是指用些数学 表达式或者传输函数来描述目标电