（电工理论与新技术专业论文）分段式电流舵da转换器的研究与设计.pdf

a d e s i g no fs e g m e n t e dc u r r e n t s t e e r i n g d 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 w i t hb o t ht h ea d v a n c e m e n to ft h ei cp r o c e s sa n dt h ed e v e l o p m e n to fi c t e c h n o l o g yi nc o m m u n i c a t i o na r e a ，t h ef f e q u e n c yo fm i c r o p r o c e s s o ra n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nd e v i c eh a sb e c o m em u c hh i g h e r w h i c ha d d ss t r i c t e rr e q u i r e m e n to n t h et r a n s f e ra n dc o n v e r s i o no ft h em i x e ds i g n a l a sar e s u l t ，h o wt od e s i g nah i g h s p e e da n dh i g hr e s o l u t i o nd i g i t a l t o - a n a l o gc o n v e r t e rh a sb e c o m ean e wc h a l l e n g e a c c o r d i n gt ot h i sr e q u i r e m e n t ，t h i st h e s i sr e s e a r c h e sa n dd e s i g n sah i g hs p e e da n d h i g hr e s o l u t i o nd i g i t a l - t o - a n a l o gc o n v e r t e r f i r s t l y ，o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc i r c u i td e s i g n ，t h et h e s i s r e s e a r c h e st w om a j o rb l o c k s ，d i g i t a l t o - a n a l o gc o n v e r t e ra n db a n d g a pr e f e r e n c e c i r c u i t a f t e rc o m p a r i n gt w ot y p e so fc i r c u i ts t r u c t u r e s ，c o m b i n e dw i t ht h e s p e c i f i c a t i o n ，t h es e g m e n t e dc u r r e n t - s t e e r i n gd a c c i r c u i ti sc h o s e n b a s e do nt h e c o n s i d e r a t i o no ft h ec h i pa r e a ，t h ec o m p l e x i t yo ft h ec i r c u i ta n ds oo n ，t h ed e s i g n a d o p t s5 + 4 + 5s e g m e n t e ds t r u c t u r et oa c h i e v et h eo p t i m u mo fu n i tc u r r e n ts o u r c e a n db i n a r yw e i g h t e dc u r r e n ts o u r c e b e s i d e s ，i td i s c u s s e st h ek e yf a c t o r sw h i c h i n f l u e n c et h ed a c sp e r f o r m a n c eo nb o t ha s p e c t so fc i r c u i ta n dl a y o u t s e c o n d l y t h i st h e s i sd i s c u s s e ss o m ea s p e c t sr e l a t e dt ot h ed a cs u c ha s p r e - s i m u l a t i o n ，i a y o u t ，d r c l v sa n dp o s t - s i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o no fd a ci s i m p l e m e n t e di no 3 5 p mc m o sp r o c e s su s i n gc a d e n c ea d e ，a n di t s r e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tt h ed n li s ：l 2 0 l s b ，i n li s 士3 5 l s b ，a n ds f d r = 7 8 2 d b f d a t a = 13 0 m s p s f o u t = 2 4 6 m h zi nt h ed a c a tl a s t ，c o n c l u s i o n so nt h er e s e a r c hw o r kd i s c u s s e da b o v eh a v eb e e ng i v e na t t h ee n do ft h et h e s i sa n dp e r s p e c t i v er e s e a r c hb a s e do nt h i st h e s i sh a sa l s ob e e np u t f o w a r d k e y w o r d s ：d a c ，s e g m e n t e dc u r r e n t - s t e e r i n g ，t e m p e r a t u r ec o d e ，c u r r e n ts o u r c e ， b a n d g a pr e f e r e n c e 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 _ 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图2 1 8 图3 i 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 l 图3 2 2 图3 2 3 插图清单 无线通信信号传输图。l 数模转换器工作示意图。4 数模转换器结构图。5 3 位d a c 的理想输入输出特性曲线5 采样频率和分辨率的关系图6 3 位电压定标型d a c 7 二进制加权电阻d a c 8 r j 2 r 型d a c 8 电荷定标型d a c 9 二进制加权电流源型d a c 1 0 单位电流源型d a c 1 l 失调误差( o f f s e te r r o r ) 1 3 增益误差( g a i ne r r o r ) 1 3 d a c 的i n l 、d n l 示意图1 4 d a c 的单调性与非单调性1 4 d a c 的输出频谱1 5 转换器的建立时间。1 6 转换器的毛刺1 7 尖峰能量( g l i t c he n e r g y ) 1 7 单位电流源与二进制加权电流源d a c 的m a t l a b 模拟1 9 温度计码与二进制码m a t l a b 仿真结果2 0 温度计码与二进制码m a t l a b 仿真结果的均方根2 0 芯片面积与分段比例关系示意图2 l 1 2 位分段电流舵d a c 2 2 m o s 管之间的失配。2 4 o 与i n l 。对应关系图2 5 成品率与匹配误差之间的关系图2 5 6 位温度计译码电流舵d a c 的结构图2 6 传统式对称开关误差分布图。2 7 层次式对称开关误差分布图。2 7 电流源矩阵中误差分布示意图。2 9 d a c 电流源的一阶线性误差图3 0 d a c 电流源的二阶系统误差图3 0 8 位d a c 电流源q 2 随机游动开关序列3l 减小边缘效应的d u m m y 器件。3 2 电流源等效模型。3 2 单位电流源d a c 的等效电路模型图3 3 电流舵d a c 中电流源电路图3 4 低交叉点开关管波形图3 4 开关管的时钟馈通效应3 5 消除时钟馈通效应的电路。3 5 同步互补控制信号电路3 6 图4 1 图4 2 图4 3 图禾4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 - 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 图4 2 8 图4 2 9 图4 3 0 图4 3 l 图4 3 2 图4 3 3 图4 3 4 图4 ，3 5 图4 3 6 图4 3 7 图4 3 8 图4 3 9 图4 - 4 0 图4 - 4 1 图4 - 4 2 图4 - 4 3 图4 埘 1 4 位1 6 0 m s p sd a c 转换器系统结构图3 7 电荷泵锁相环c p p l l 的m a t l a b 建模3 8 电荷泵锁相环中v c o 控制电压的m a t l a b 仿真3 8 电荷泵锁相环中参考信号与反馈信号的m a t l a b 仿真结果3 8 时钟产生和控制模块3 9 1 4 位d a c 电路s y m b o l 图。4 0 1 4 位5 + 4 + 5 分段电流舵d a 转换器4 0 带隙基准原理示意图4 2 带隙基准基本电路结构示意图4 3 带隙基准电路结构示意图。4 4 运算放大器的偏置电路。4 5 自共源共栅晶体管的等效结构。4 5 普通晶体管与自共源共栅晶体管漏电流特性比较。4 6 低压共源共栅电流镜结构。4 6 折叠共源共栅运算放大器电路图。4 7 负反馈电路仿真图4 8 运算放大器频率响应仿真图4 8 运算放大器阶跃响应仿真图。4 9 双p n 结结构电路图。5 0 启动电路示意图。5 1 带隙基准温度扫描仿真图5 l 带隙基准源电源启动时间仿真图。5 2 带隙基准源电源抑制比p s r r 仿真图。5 2 行、列译码器对电流舵d a c 电流源选通原理图5 3 电流源状态逻辑选择电路5 3 中间4 位温度计译码器逻辑电路图。5 4 高5 位温度计译码器电路5 5 中间4 位温度计译码器电路5 5 低5 位二进制码信号通路。5 6 信号与时钟的时序关系图。5 6 中间4 位温度计译码器输入信号图5 6 中间4 位温度计译码器输出信号图。5 7 时钟同步控制。5 7 时钟同步控制仿真图5 8 低交叉点电流开关驱动电路图5 8 低交叉点电流开关驱动器仿真图5 9 参考电流产生电路图5 9 电流源与电流开关电路图6 0 二进制加权电流源电路图6 l s l e e p 控制电路。6 1 d a 转换器的输出阶梯波形6 2 输出阶梯的局部波形6 3 d a 转换器输出信号的频谱图。6 3 t w o - t o n e 交调失真频谱图6 4 v n 图4 - 4 5 图5 - 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 9 d a 转换器的建立时间仿真图。“ 芯片的整体布局图6 5 d a c 模块布局结构图。6 6 数字单元模块的版图6 6 运算放大器版图6 7 带隙基准源版图6 7 译码器、电流源开关版图6 8 d a c 模块的整体版图6 8 d a c 静态测试方案6 9 d a c 动态测试方案。6 9 v 1 1 1 表格清单 表1 - 1不同数字设备对数模转换器的性能要求2 表2 1 二进制编码与温度计编码之间的对应关系1 i 表2 2d a c 性能总结。1 2 表3 1两种电流源标准差的比较2 0 表3 2 两种结构所需面积的比较2 l 表3 38 位d a c 开关分布表。3 2 表4 1c p p l l 中分频器与输入信号速率关系3 9 表4 2 运算放大器性能参数4 9 表4 3 四位二进制码的高两位温度计译码5 4 表4 - 4 四位二进制码的低两位温度计译码5 4 i x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外。论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金壁王丝太堂 或其他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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：刁弗签字日期：如矽年牛月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒g b 王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金月b 王些盘 堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：了屿 签字日期：加7 年牟月f 。日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期：年月日 电话： 邮编： 致谢 时光荏苒，转眼又是一个春天。两年半的研究生生活即将结束，十八载的 学生生涯也临近尾声。在过去的两年半时间里，我经历了初涉i c 领域的懵懂与 彷徨，体味了深入学习与钻研的艰辛和愉悦，也走过了寻找工作那段喧嚣与困 惑的日子。在最后撰写论文的日子里，在思考与总结中享受到了集成电路设计 带来的无限乐趣。一路走来，消沉时有欢笑相随，坎坷时有鼓励相助，成功时 有希望相伴。我心存感激，感激一直在身边支持和帮助我的师长、同学和亲人， 在此谨向他们致以我深深的谢意。 首先，我要衷心地感谢我的导师高明伦教授和潘剑宏老师，他们的引领使 我有幸涉足集成电路设计领域，在合肥工业大学微电子设计研究所尽情享受集 成电路设计的饕餮大餐。高老师严谨求实的治学精神、广博精深的学识水平和 敏锐深刻的洞察力，让我感受到了知识与科研的魅力。也学习到了做人和做学 问的道理。潘老师在日常生活上给予我充分的关心和帮助，让我感受到家的温 暖，在此谨向二位老师表示最衷心的感谢。 感谢尹勇生老师和邓红辉老师，在平常的科研中他们给予了很多指导，对 本论文的撰写也提出了许多宝贵的意见和建议，在此表示诚挚的感谢。 合肥工业大学微电子设计研究所是一个充满活力的、和谐的大家庭。感谢 已经毕业的学长陈巨、郭舒生、王学权，他们给了我兄长般的关怀和勉励! 感谢微电子所混合信号设计组可爱的成员们，王晓娟、刘涛、陈志明、刘 宏、万超、瞿美霞、梁上泉、矫妹、张睿、罗芳杰，是你们让我体会到团队的 力量。 感谢微电子所王锐老师、宋宇鲲老师、张多利老师，刘聪老师，杜高明博 士、林微老师、贾靖华老师在本人攻读硕士研究生期间给予的帮助。 感谢国家某部委预研项目的资助，感谢中国兵器工业部第2 1 4 所洪德杰研究 员的指导。 最后，更要感谢从小辛苦养育、教育我的父母，有他们在精神和物质上的 支持，我才能毫无后顾之忧地完成学业。同时，感谢女友梁上泉给予的支持与 鼓励。 新的旅途就要启程，话别昨天追寻未来，祝愿师长、同学、朋友、亲人和 我自己一帆风顺。 谨以此论文献给所有关心我的人，谢谢! i 作者：王炜 2 0 0 7 年3 月 第一章绪论 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 ，简称d a c ) 将数字电路处理过 的信号转换为模拟信号传送到外界，它是数字系统和模拟系统接口的关键部件。 随着通信、多媒体技术和图像处理技术的快速发展，数模转换器被广泛应用在 信号采集和处理、数字通信、自动控制和多媒体技术等领域，在国防建设方面 具有重要的作用。本章将对数模转换器的研究背景、目的、意义做一个概述， 之后将讨论d a 转换器在国内外的研究现状与发展趋势，最后将介绍本课题的 设计要求及论文结构。 1 1 研究背景 近年来，随着大规模集成电路技术的飞速发展，传统的模拟信号处理技术 正逐渐被更具灵活性和可靠性的数字信号处理技术所取代。然而，人们所处的 世界是一个模拟的世界，数字信号经过d s p 或者c p u 等数字信号处理器处理 后，需要通过数模转换器转换为模拟信号才能为人类所感知。 数模转换器广泛应用在民用及军用产品中，例如：民用产品中的高清晰电 视、数字电话、d v d 、声卡和显卡等；军用产品方面则广泛应用于雷达、通信、 电子对抗、声纳、卫星、导弹、测控系统等等。其中，高速度，高精度d a c 在高精度测试、高速图像处理、高速网络、通信领域有着十分广泛的应用，在 武器系统中则是雷达检测、快速反应及精确制导的前提。因此，它对国防武器 的现代化建设有着重要意义。 图1 1 显示了在无线通信系统中经过处理的数字信号通过d a c 转换成模拟 信号，再交给r f 电路输出，从而完成无线通信发射的过程。 t r a n s m i t t e r t x i n _ q 图1 - 1 无线通信信号传输图 在不同的应用领域，不同的数字信号处理系统对数模转换器的性能要求也 不一样。在数模转换器的各项参数指标中，d a c 的采样率和分辨率是衡量其性 能的关键。表1 1 给出了不同数字设备对数模转换器的性能要求。 曰 日品驾l ! 鹤 曰 表1 - 1不同数字设备对数模转换器的性能要求 类别采样率分辨率 数字语音 8 0 0 0 h g 8 1 2b i t c d4 4 1 k h z 9 6k h z1 6 2 4b i t 数字通信 1 0 0m h z - 5 0 0m h z1 2 1 6b i t 雷达系统1 0 0m h z 一2g h z l o 1 4b i t 1 2国内外发展现状1 5 i 从2 0 世纪8 0 年代起，随着集成电路技术和信息技术的发展，数模转换芯 片也经历了一个价格越来越低、性能和功能日趋完善的发展过程。由于d a c 的性能直接影晌到整个系统终端输出信号的品质，因此现代信息处理和通信系 统对d a c 的设计提出了更高的要求和挑战。在此背景下，国外许多著名大学 和知名公司，如a d i 、t i 、m a x i m 、f u j i s u n 、h a r r i ss e m i c o n d u c t o r 等都致力 于新一代d a c 的研发。 美国伊利诺斯大学的a l e x r b u g e j a 等人研制的1 4 b i t 、1 0 0 m s p s 的c m o s d a c ，采用f l o a t i n gm s b 电流源和跟踪，衰减输出级电路，可以获得很好的静 态和动态性能，并提高了输出驱动电流。这种d a c 采用电流源结构，因此输 出电流不需要电压缓冲器就可以直接驱动电阻负载，降低了d a c 的功耗并提 高了静态性能。比利时l e u v e n 大学的g c e r ta m v a nd e rp l a s 等人提出一种四 象限随机游动开关序列的新型电流控制结构，克服了电流舵型d a c 因工艺误 差而导致静态和动态性能下降的缺点，使得数模转换器的梯度误差、系统误差 因子比传统结构的改善了5 0 倍左右，并且无需专门的校准电路即可获得良好的 静态线性度。 随着d a c 电路结构研究的进步，其生产工艺也在迅速的发展，目前涉及 b i p l o a r 、c m o s 、b i c m o s 、g c s i 、o e a s 等几乎所有半导体工艺技术。其中 b i p l o a r 、c m o s 、b i c m o s 是主流工艺。基于b i p o l a r 工艺的数模转换器虽然具 有很强的电流驱动能力和较高的速度，但功耗太大，且不利于集成；基于 b i c m o s 工艺的数模转换器具有较高的速度和优异的静态和动态性能，但其制 造工艺复杂，且价格昂贵；而采用c m o st 艺的数模转换器在面积、速度、低 压低功耗和集成度方面都有得天独厚的优势，因此c m o s 工艺逐渐成为数模转 换器的主流工艺。 国内数模转换器的发展起步较晚，但是近年来由于各界的重视，国家和国 内i c 企业都投入了一定的研发力量，已经研制出8 位、1 0 位、1 2 位、1 4 位、 1 6 位的数模转换器，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 、 含相加器的1 2 位高速d a c 等都是国内d a c 的典型产品。与国外数据转换器 发展状况相比，国内在设计水平和制造工艺上都存在着很大的差距，远不能满 2 足国防工业和信息产业发展的需要，因此研制高速度、高精度的数模转换器具 有十分重要的意义。 1 3 论文实现的目标 本论文的研究内容来源于国家某部委“”一技术研究”的预研项目。目 的是研究和设计一款1 4 位、1 6 0 m s p s 的高速高精度数模转换器( d a c ) 。数模 转换器采用了分段式电流舵( s e g m e n t e dc u r r e n t s t e e r i n g ) 结构，1 4 位的输入 数字信号分段为5 + 4 + 5 ，其中，高5 位译码成温度计码，控制高3 l 路相同的单 位电流源；中间4 位转换成温度计码后，控制中间1 5 路相同的单位电流源；低 5 位直接使用二进制l f 言号控制二进制加权电流源网络，并行输入信号，输出电 流直接驱动电阻负载，以达到减小电路功耗、提高电路速度的目的。 论文中电路采用了s m i c0 3 5 9 mc m o s 工艺库，电源电压v d d = 3 3 v ，输 出电流在2 m a 2 0 m a 范围内连续可调，d n l = 2 0 l s b ，i n l = 3 5 l s b 。建 立时间( s e t t l i n gt i m e ) 为1 0 n s ，s f d r = 7 8 2 d b 国f d a t a = 1 3 0 m s p s ，f o u t = 2 4 ，6 m h z ， 最大功耗约为2 5 0 m w 。 1 4 论文结构 本文的结构如下： 第一章介绍了数模转换器d a c 的研究现状、发展状况和论文的研究目标。 第二章介绍了数模转换器的工作原理、常见结构及性能指标。 第三章讨论了分段式电流舵d a c 的系统结构，并对其误差机理进行了分 析。 第四章给出了分段式电流舵d a c 各个单元电路的设计，包括单位电流源、 温度计译码器、行列译码器、对称开关与低交叉点电流驱动器等，同时给出了 电路的整体仿真结果。 第五章分别介绍了数模转换器的版图设计和测试方法等内容。 最后，第六章是对本论文的总结和展望。 第二章数模转换器原理和结构 2 1 数模转换器的基本原理 数模转换器在系统中的作用是把系统中处理完成的数字信号转换成模拟信 号，如图2 1 所示，在时间和幅值上都离散的数字信号经过d a c 后转换成在时 间和幅值上都连续的模拟信号。 t r a n s m i s s i o nl i n k s 、 m a g n e t i ct a p e c o m p u t e r m e m o r i e s m i c r o c o m p u t e r s f 一 1 0 1 0 0 0 o l l l 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 叭o o 、p d a d i g i t a l t 髓卜_ la n a l o g ( a u d i os y s t e m s ，j c r td i s p l a y s a 1 w l 。日 l s e r v o m o t o r s d i s c r e t et i m e c o n t i n u o u st i m e d i s c r e t ea m p l i t u d ec o n t i n u o u sa m p l i t u d e 图2 - l数模转换器工作示意图 当数模转换器的输入是n 位的并行二进制码时，利用基准电压将二进制输 入信号转换成等价的输出模拟信号。如图2 2 所示，线性数模转换器的输入由 n 位二进制码( b n - l ，b 2 ，b l ，b o ) 和基准电压v r e f 组成，产生的输出电压 v o u t 可以表示为： = k d ( 2 - 1 ) 其中，k 为比例因子，v r e f 为模拟参考电压，d 为输入数字信号： n - i d = b o t l + 鱼严+ + r = 嘻 ( 2 2 ) j 卸 b i 的值由数字对应位的逻辑电平来决定为0 或l 。式( 2 - 1 ) 又可写成： = k v 艇f q 2 一 ( 2 - 3 ) 一i 上式表明输出模拟量与输入数字量成正比，输入数字信号每增加1 b i t ，模 拟输出量将增加l l s b 。l s b 的值为： 工s b = 卫乒 ( 2 4 ) 4 b n 1b 2b lb 0 图2 - 2 数模转换器结构图 图2 - 3 反映了一个理想的3 位数模转换器的输入输出特性，因为d a c 的精 度有限，所以最大模拟输出电压不等于v r e f ，其值为一l 脚。满刻度值( f s ) 为模拟输出电压的范围，其大小为： 1 f s = k 口一1 l s b = 巧h ( 1 一 ) ( 2 - 5 ) 图2 - 33 位d a c 的理想输入输出特性曲线 数模转换器广泛应用在各种领域，如声音、影像、传感器、测试设备和通 讯领域等。图2 - 4 为不同应用领域的采样频率和分辨率的关系图。 图2 - 4 采样频率和分辨率的关系图 2 2 数模转换器的基本结构 根据各种应用领域中系统的要求，数模转换器需要针对不同性能、不同结 构进行研发，因此d a c 的种类繁多。一般来说，按数据的传送方式划分，d a c 可以分为串行和并行两种，串行d a c 一次只能转换l 位的模拟输出，因此需 要n x t 的转换时间( n 是位数，t 是d a c 转换一次所需要的时间) ，并行 d a c 可以同时转换所有位，转换时间仅为t 。相比之下，并行输入方式适合于 高速数模转换器。数模转换器按参考量的二进制比例缩放方式分类，可以分为 电压定标型d a c 、电流定标型d a c 、电荷定标型d a c 等。 d a 转换器的每种结构都有各自的优缺点，在设计时需要考虑到精度、速 度、误差、功耗、面积等各方面因素，根据积分非线性误差( i n l ) 、微分非 线性误差( d n l ) 、单调性、建立时间等指标选择所要设计的d a 转换器的结 构，最终确定d a c 的最优化结构。本章将介绍几种常见的d a c 结构，并分析 其优缺点。 2 2 1 电压定标型d a c 电压定标型d a c 是一种结构简单的数模转换器，它由2 n 个串联的电阻、 开关和输出缓冲器组成。串联电阻底端接地，顶端接参考电压v r e p ，n 位d a c 的v r e v 被2 “个电阻分压，每一个分压点与一个模拟开关相连，输入的数字信 号通过控制开关网络或译码器产生相应的输出模拟电压，运算放大器对串联电 阻进行缓冲以避免过载。图2 5 中，b 2 、b l 、b o 是二进制输入信号，开关用m o s 管实现，整个m o s 管构成的开关网络相当于一个多路选通器，每组二进制信 号确定一个模拟电压值v o u t 。 p & ，r = 巧口( 6 0 2 3 + 岛2 2 + 如2 ) ( 2 - 6 ) 6 m s b 广- 、 i 亍 图2 53 位电压定标型d a c 电压定标型d a c 利用串联电阻分压，保证每个抽头的电压不会低于下一 个抽头，使得输出模拟信号有较好的单调性。 但是，一个n 位输入信号的d a c ，需要2 “个电阻、近2 n + 1 个模拟开关以 及2 n 条逻辑驱动线。随着输入信号位数的增多，电阻与m o s 开关的个数呈指 数上升。这一方面会占用很大的芯片面积，另一方面随着内部节点寄生电容的 变大，r c 延迟增加，d a c 的转换速度会下降。因此该电路结构不适用于高速 高精度的数模转换器。 2 2 2 二进制加权电阻型d a c 二进制加权电阻型d a c 是电流定标型d a c 的一种，通过输入的数字信号 控制二进制电流的大小，产生相对应的模拟输出信号。结构如图2 - 6 ，图中包 含了n 条并列支路，每条支路由电阻和开关串联组成。各个支路的阻值按二进 制权系数的关系递增排列，各条模拟支路的开关s i 由输入信号的对应位控制， 当输入信号中的某一位b i 为l 时，它所控制的开关s i 与参考电压源v r e f 相连， 在反馈电阻r f 的总线上就会出现2 j “( i - - - - o n 一1 ) 大小的权电流分量：反 之，当b i 为0 时，开关s i 与地连接，总线上不会出现权电流分量。k 可以用来 标定d a c 的增益。模拟输出电压大小为： 一彤锄一等喙+ 轰+ 羔+ + 熬) = 一量( b 0 2 + 堕4 + 蔓8 + + 导2 1 ( 2 - 7 ) “l 7 v 图2 6 二进制加权电阻d a c 当输入信号的位数增多时，d a c 需要的电阻范围会变得很大，若最高有效 位( m s b ) 的权电阻为r m s b = r ，最低有效位( l s b ) 的权电阻为r l s b = 2 “1 r ， 随着二进制权的增大，对应的电阻比值变大，最高位与最低位权电阻的比值为： ! 虹；2 n - i _ _ _ r r ；2 ”一1( 2 8 ) 震 r n = 8 时，权电阻的比值达到1 2 8 ：l ，范围过大的电阻分布会导致不同电阻 之间的匹配很差。另外，电阻的阻值会随着工艺参数和环境温度的变化而变化， 当m s b 电阻的精度不在0 5 l s b 之内，那么当对应位信号输入d a c 时，将产 生超过1 l s b 的d n l ，导致d a c 非单调。高精度的二进制加权电阻d a c 除了 占用很大的芯片面积外，速度还会受到运算放大器性能的限制，因此该电路结构 同样不适用于高速高精度数模转换器的设计【6 】。 2 2 3r 2 r 型d a c 二进制加权电阻d a c 的缺点是需要大范围电阻分布，而r 2 r 型d a c 则可 以避免这一点。如图2 7 所示，从任意一个2 r 电阻右边看进去的并联电阻阻值 都是2 r ，这时当电流从最左边的垂直2 r 流向最右边的垂直2 r 时，每经过 个垂直的2 r 电阻，电流就会减小一半。因此，流经电阻的电流大小为： 1，l，1 ，1 ， 厶2 眚，厶2 案，厶2 晋，i n - , = 援( 2 - 9 ) 当输入的数字信号全为l 时，所有支路的电流都流经运算放大器的求和节 点，产生式( 2 3 ) 的输出电压。 v r 盯 图2 7r 2 r 型d a c 8 v o t r r r 一2 r 型d a c 的优点是它克服了权电阻型d a 转换器阻值种类繁多的缺 点，所采用的电阻只有r 和2 r 两种，电阻值比例单一，而且2 r 电阻可以设计 成为两个r 电阻的串联。r 2 r 型d a c 所用电阻数目非常少，同样是8 位的 d a c ，仅需要1 7 个电阻，大大减少了d a c 的芯片面积。 r 2 r 型d a c 的不足之处在于；从模拟开关到相当于传输线的电阻网络建 立起稳定的输出，需要一定的传输时间，随着转换器位数的增多，所需要的传 输时间变长，这直接影响到d a c 的转换速度。此外，当n 位数字输入信号同 时变化时，信号传送到输出端的时间不同，在输出端可能会产生较大的瞬时尖 峰。 2 2 4 电荷定标型d a c 电荷定标型d a c 的工作原理是将电容阵列储存的总电荷进行二元划分。 图2 - 8 给出了电荷定标型d a c 的基本实现方法，d a c 采用两相非交叠时钟m l 、 m 2 。在m l 时刻，所有电容的上、下极板都接到地，进行放电；在0 2 时刻，数 字位输入为“1 ”的开关与基准电压v r e f 相连，其余为“0 ”的位对应的开关接 地。此时，与v r e f 相连的电容c 。中的电荷与总电容c “中的电荷相等，可以 表示为： q ：v e f ( b o c + 竽+ 等+ 斗喾) ：2 c ( 2 1 0 ) 得到的模拟输出电压v o u t 大小为： k 聊= l6 0 2 - 1 + 6 1 2 2 + b 2 2 3 + + “一1 2 。l k 杯 ( 2 - 1 1 ) 图2 8 电荷定标型d a c 由于电容网络不消耗直流功耗，因此电荷定标型d a c 的功耗很低，电容 可以达到比电阻更高的匹配精度( 约为0 1 ) ，d a c 的分辨率可以做得很高。 但是当转换位数较多时，需要的电容范围很大，l s b 与m s b 之问的电容比为 2 n - i ：1 ，这将会占用很大的芯片面积。此外，电容的充放电过程需要消耗较长的 时间，相对于以上几种结构的d a 转换器，它的转换速率更低。 2 2 5 电流源加权型d a c 电流源加权型d a c 是用有源器件构成的电流源来提供加权电流。与电阻 加权型d a c 相比，电流源加权型d a c 速度更快、精度更高，而且对开关的 9 寄生参数不敏感。根据加权方式的不同，可以分为二进制加权电流源型和单位 电流源型两种。 2 2 5 1二进制加权电流源型d a c 二进制电流源加权型d a c 和电阻加权型d a c 的基本结构相似，如图 2 - 9 所示，提供加权电流的方法有两种：一是改变构成电流源的m o s 管的宽长 比，比如最低位b o 对应电流源的m o s 管宽长比为w l ，高一位b 1 对应电流源 的比值为2 w l ，最高位b n i 位电流源的比值为( n 1 ) w ，l ；二是改变相 同尺寸m o s 管的个数以构成不同的电流源，最低位b o 对应电流源的m o s 管个 数为l ，高一位b l 对应电流源的m o s 管个数为2 ，最高位b n 1 对应的个数 为2 n 。 从图2 - 9 可以得到总电流和输出电压分别为： k - l 厶= = 2 0 b o i + 2 1 b l i + 2 2 b d + + 2 “6 一l ， i o = ( 2 。b o + 2 1 岛+ 2 26 2 + + 2 “。) ，= d ， v o 四= d - l r | ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 图2 9 二进制加权电流源型d a c 二进制加权电流源型d a c 直接通过二进制码控制电流源的开关来决定电 流源是否导通，而不需要额外的译码电路，这使得数字电路设计的复杂度降低， d a c 的面积减小，并且提高了d a c 的转换速度。 二进制加权电流源型d a c 的缺点是二进制输入信号对应的电流源难以做 到良好的匹配，无法保证d a c 的输出具有很好的单调性，从而产生很大的微 分非线性误差( d n l ) 。以8 位d a c 转换器为例，最坏的情况出现在中间码 的转换，即( 0 1 l l l l l l 一1 0 0 0 0 0 0 0 ) ，因为输入的n 位二进制码不同步，造成 电流源的切换不同时，开关动作的瞬间会产生电荷注入和时钟馈通，进而影响 到输出信号，在输出信号上产生较大的毛刺( g l i t c h ) 。同时，二进制加权电 流型d a c 无法保证输出信号具有单调性，加之工艺的影响，d a c 中的各个电 流源之间存在匹配误差，最高位m s b 对应电流源不超过其它位对应电流源之 和的0 5 l s b ，是难以达到的，因此输入数字信号递增或递减变化时，d a c 容 易产生非单调性。 2 2 5 2 单位电流源型d a c 单位电流源型d a c 首先通过译码器将输入的二进制码转换为温度计码， 然后温度计码的每一位输出分别控制一个电流源的导通与截止，如图2 一l o 。表 2 - i 给出了以3 位二进制码为例的二进制码与温度计码的对应关系。 图2 1 0 单位电流源型d a c 表2 - i二进制编码与温度计编码之问的对应关系 二进制编码温度计编码 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 l0 0 0 0 0 0 l 0 1 0 0 0 0 0 0 1 l 0 1 l0 0 0 0 1 l l 1 0 00 0 0 l l l l l o l0 0 l l l