（电路与系统专业论文）12位100msps高速dac设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着计算机技术、多媒体技术、信号处理技术、微电子技术的迅速发展，先进的电 子系统不断涌现，在现代先进的电子系统前端和后端都将应用数模转换器，而且需要更 高的速度和分辨率。所以本文设计了一个1 2 位1 0 0 m s p s 分段式电流舵型高速数模转换 器。 本文介绍了数模转换器的基本结构和基本原理，介绍了当今数模转换的状况和发展 动态，分析了电流、电压和电荷三种类型的数模转换器，对数模转换器静态参数和动态 参数进行了具体的分析。通过对二进制码和温度计码结构的分析，综合考虑数模转换器 的性能参数，选择了一种6 + 6 ，低6 位二进制码高6 位温度计码结构的电流舵型数模转 换器。本文进行了详细的理论和实际问题的分析与解决，并给出了寄存器电路，温度译 码电路，选通电路，锁存电路，时钟电路，基准源电路，电压电流转换电路，单位电流 源阵列电路和开关阵列电路的设计方案和具体电路。通过对数模转换器各个模块的原理 分析与结构设计，并对整体电路进行仿真，调试，版图绘制，完成了完整的数模转换器 设计。 采用了本文设计的电路结构，得到了1 0 0 m h z 采样频率，输入频率5 0 m h z ，转换 速度为2 8 2 n s 的1 2 位数模转换器。而且微分线性误差小于0 6 l s b ，积分线性误差小于 1 8 l s b ，s f d r7 1 0 d b ，t h d 一8 2 0 d b ，s n r7 0 1 d b ，s n d r7 0 1 d b ，电路的最大功耗为 1 8 8 ，l m w ，电路的总体版图面积为3 7 8 r a m 2 。 关键词：数模转换器；二进制码；温度计码；单位电流源阵列；开关阵列 大连理工大学硕士学位论文 t h e d e s i g no f12 b10 0 m s p sh i g hs p e e dd a c a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e r ，t h em u l t i m e d i a , t h es i g n a lp r o c e s s i n ga n dt h e m i c r o e l e c t r o n i c ，t h ea d v a n c e de l e c t r o n i cs y s t e mc o m e sf o r t hc o n t i n u o u s l y t h ed i g i t a l a n a l o g c o n v e r t e rw i l lb eu s e di nt h ef r o n te n d a n db a c ke n do ft h ea d v a n c e de l e c t r o n i cs y s t e ma n di t n e e d st h eh i g h e rs p e e da n dr e s o l u t i o n t h i sp a p e rd e s i g n sa12 b10 0 m s p ss e c t i o n a lc o d i n g c u r r e n ts t e e r i n gd a c t h i sp a p e rp r e s e n ta g e n e r a li n t r o d u c t i o no nd ac o n v e r t e ro f b a s i cs t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e ， s t u d yo fd o m e s t i ca n da b o a r d ，t h ea n a l y s i so fd i f f e r e n tc o n v e r t i n gt y p es u c ha sc u r r e n t c o n v e r t i n g ，v o l t a g ec o n v e r t i n ga n dc h a r g ec o n v e r t i n g ，a n dt h ea n a l y s i so fs t a t i cp a r a m e t e ra n d d y n a m i cp a r a m e t e ro fd ac o n v e r t e r b a s e do nt h es t u d yo fb i n a r yc o d ed ac o n v e r t e ra n d t h e r m o m e t e rc o d ed ac o n v e r t e r ，a n dt h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro fd ac o n v e r t e r ，a6 + 6 ，l o w 6 bt ob eb i n a r yc o d ea n dh i g h6 bt ob et h e r m o m e t e rc o d e c u r r e n ts t e e r i n gd ac o n v e r t e rh a s b e e nd e s i g n e d s o m eo f t h eb a s i cd e s i g nt h e o r ya n dt e c h n o l o g ya r ep r e s e n t e dw i t h i nt h i sp a p e r t oi m p r o v et h i sd ac o n v e r t e r ，s o m eo ft h ec e l la r c h i t e c t u r e s ，i n c l u d i n gr e g i s t e r ，t h e r m o m e t e r d e c o d i n g ，g a t ec i r c u i t ，l a t c h ，c l o c k ，r e f e r e n c ev o l t a g ea n dc u r r e n t ，c u r r e n ts o u r c ea r r a y ，s w i t c h a r r a y ，h a v et ob ed e s i g n d e dc a r e f u l l y 。t h ed e t a i l so ft h e s ec e l l sa r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h r o u g ht h ea n a l y s i so f p r i n c i p l ea n dt h ed e s i g no fs t r u c t u r eo f e a c hm o d u l e ，a n dt h es i m u l a t i n g ， d e b u g g i n ga n dd r a w i n g o fl a y o u to fd ac o n v e r t e r ，i th a sc o m p l e t e dt h ew h o l ed e s i g no ft h e d ac o n v e r t e r t h i sa r c h i t e c t u r ei m p l e m e n t st h e12b i td ac o n v e r t e ra n da c h i e v eas p e e do f10 0 m s p s ， 5 0 mi n p u tf i e q u e n c y ，s w i t c h i n gs p e e d2 8 2 n s ，d n ll e s st h a no 6 l s b ，i n ll e s st h a n1 8 l s b ， s f d r7 1 o d b ，t h d 一8 2 0 d b ，s n r7 0 1 d b ，s n d r7 0 1 d b t h em a x i m u mp o w e r d i s s i p a t i o n18 8 1m w a n d a r e ai sl e s st h a n3 7 8 m m 2 k e yw o r d s ：d ac o n v e r t e r ；b i n a r yc o d e ；t h e r m o m e t e rc o d e ；c u r r e n ts o u r c ea r r a y ； s w i t c ha r r a y 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 x - 作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：! 至焦；竺丝三之5 盔堕丛主垒! 作者签名： 荔汤主兰日期：j 卫年上月上皇日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分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和汇编本学位论文。 学位论文题目： ! 兰鱼! 竺竺! f 三垡建旦丝兰丝! 士 作者签名：套叵星芏垒： 日期：堑堑年j 互月兰l 日 导师签名：毛。抛 日期：j 上年卫月丛日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 今天，电子产品在人们的生活中扮演着举足轻重的角色。手机，计算机，电视机等 电子工具，给我们带来了多姿多彩的娱乐生活，而冰箱，空调，汽车等让我们的生活更 加的方便迅捷。这些都是采用了数字和模拟的结合，才给我们的生活带来了便利。首先， 必须通过电子系统把需要的外部模拟信号采集进来，并把它转换成数字信号，然后通过 d s p 或c p u 等数字信号处理器，对其进行处理，最终得到的结果往往需要再变回到模 拟形式，以便控制各种机电设备，或作为各种家电设备的输出，来满足人们视听的享受。 这种把模拟数据采集进来并转换成数字数据，或把数字数据转换成模拟数据的功能是通 过模数和数模转换器实现的。模数和数模转换器是数字信号和模拟信号的接口。 1 1课题的研究背景及意义 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、自动监 。测、自动控制和多媒体技术等领域。数模转换器和模数转换器( a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r 即a d c ) 沟通了自然模拟世界和计算机数字世界，构成了通用的最基本模块。 随着通信、多媒体技术和计算机技术的快速发展，d a 转换器被广泛应用于国防、 生活、工业自动化等各领域。计算机和d s p 中处理的各种数字信号，最终要通过d a 转 换技术，变成可输出的模拟信号，回送给模拟系统，以实现对模拟系统的控制。因此； d a 转换器是数字电子系统和模拟电子系统之间的重要接口电路。但是随着半导体工艺 和器件尺寸的迅速发展，数字电路在高速和低功耗方面有了很大进展，这样就迫切需要 加快a d ，d a 接口模块加快自身的发展速度，赶上数字电路的需要，以此来满足整个 系统【l 】。 在d a 转换器中，速度，精度，功耗，芯片面积是最主要的因素，只有不断的提高 速度和精度，降低功耗，减小芯片面积才能从根本上提高d a 转换器的性能。以往的d a 转换器大多利用电阻，电压或电容的工作方式来实现d a 转换器的功能，这样严重制约 了d a 的发展速度，无法满足当今的需求。有一种电流舵工作方式的d a 转换结构，不 仅大大的提高了转换器的速度和精度，而且o l d , 了功耗，减小了芯片面积。本文就是基于 电流舵结构，采用二进制码和温度计码结合的工作方式，设计了一款分辨率为1 2 位，采 样频率为1 0 0 m 的高速d a c 。 1 2 位1 0 0 m s p s 高速d a c 设计 1 2 国内外研究状况及发展趋势 在过去几十年里，随着通信事业、多媒体技术和数字化设备的飞速发展，数字技术 的广泛应用促使了数模转换器d a c 的长足发展，推动d a c 制造商研制出许多新结构、 新工艺以及各种特殊用途的高速低功耗的d a c 。 首先，我们看看用于制造d a c 的工艺技术发展状况。它几乎涉及双极、c m o s 、 b i c m o s 、s o i 、s i g e 、g a a s 等所有半导体技术。其中双极、c m o s 、b i c m o s 这三种工 艺是主流工艺技术。c m o sd a 转换器在面积，低压低功耗和高集成度方面占据优势，而 b i c m o sd a 转换器具有较高的速度和优良的a c 和d c 性能。高速高位的d a 产品多采 用特殊工艺，近几年由于c m o s 工艺和d a 设计技术的发展以及系统集成技术的需求， d a 转换器的c m o s 化，口化成为主流趋势。不过有时为了某些特殊的性能，也选择 b i c m o s 或b i p o l a r 工艺。 在美国、欧洲大学和实验室里有大量的工作人员从事于各种d a c 、a d c 的结构等基 础研发工作，很多工作颇具代表性。 美国伊利诺斯大学的a l e x r b u g e j 等人研制出1 4 b i t 、i o o m s p s 的自修正 ( s e l f - t r i m m i n g ) c m o sd a c ，采用了f l o a t i 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。在这个设计中， 采用的是电流定标d a c 结构。对于电流定标的d a c ，由于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，这种定标方式d a c 的高速线性度很好。它的缺点 就是静态特性受到电流源中元件参数匹配的限制。这样，对工艺提出更高的要求。为获得 更好的静态线性度，诸如修调、校准、动态单元匹配d e m ( d y n a m i ce l e m e n tm a t c h i n g ) 等技术，都应用到了电流定标的d a c 中，其器件和版图也都有独到的设计。 比利时l e u v e n 大学的g e e r t a m v a n d e r p l a s 等人提出一种四象跟随机流向开关的新 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改善约5 0 倍，且无须 专门校准即可获得良好的静态线性度。这个设计采用了分段式的电流源结构。最高的8 位， 通过温度吗编码器编码后，形成温度码，用来控制电位电流源的输出。剩下的6 位，控制 二进制加权电流源，以形成最小6 位。该电路最具特色的地方是采用了四象跟随机流向开 关技术。另外，这个新型结构的芯片面积和功耗与采用了自修正或特殊版图、工艺的芯片 相比都很小【2 】【3 】。 目前，由于数模转换器在通讯，音频，视频和工业控制等领域的广泛应用，国外著名 公司如a d i ，t i ，m a x i m 等都致力于新一代d a 转换器的开发。m a x i m 公司生产的 m a x 5 5 5 ，1 2 位3 0 0 m 的d a 转换器；a d 公司的d a 9 7 4 8 是8 位16 5 m h z 的d a 转换 大连理工大学硕士学位论文 器：富士通的m b 8 6 0 6 1 为1 2 位4 0 0 m h z 的d a 转换器。表1 。1 提供了一些主要厂商目 前典型d a c 产品。 表1 1目前典型商用d a c 产品 t a b 1 1t h er e c e n tc o m m e r c i a lp r o d u c t so fd a c 综合国外一些集成电路制造公司的技术资料和产品手册提供的信息，可以看出，d a c 的主要发展趋势是向高分辨率、高转换速率、低功耗、低电源电压、单片化、c m o s 型方 向发展。 国内d a c 的发展起步较晚，今年来也引起了重视。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 的d a c 产品或样品【5 】【6 1 。典型 产品为8 位d a c 的建立时间为5 0 n s ( 如s d a 7 5 2 4 ) ，十位d a c 的建立时间小于3 7 5 n s ( 如s d a l 0 0 ) ，1 2 位d a c 的建立时间达到5 0 0 n s ( 如s d a 0 0 2 ) 。 通过和国外同类型产品的性能比较，我们可以看到目前我国d a c 的性能跟国外相比 还存在较大差距。因此大力发展d a c 产品，对于满足国防、通信等关键领域的需求有着 非常重要的意义。 1 3 研究方法和途径 ( 1 ) d a c 架构的选取 根据上述对d a c 国内外研究情况和工作方式的分析，选取满足d a c 四大性能指标 ( 速度、精度、功耗、芯片面积) 的工作方式和其内部基本模块单元来设计d a c 整体电 路，从而实现数模转换器的功能。 1 2 位1 0 0 m s p s 高速d a c 设计 d a c 的工作方式主要可以通过四种方式来实现，包括电阻，电容，电压，电流等方 式。通过下章的对四种工作方式的分析，我们可以知道几种电阻结构有着精度不高，电容 和电压工作方式速度低等缺点。所以我们选择了速度快，精度高电流舵的工作方式，采取 的是电流驱动式电流源，采用二进制码和温度计码结合的分段码方式来实现单位电流源阵 列。在选取基准电压模块，放大器模块，单位电流源模块，开关阵列模块，选通电路模块 和寄存锁存模块等各个主要模块电路时要满足电流舵工作方式的要求，从而完成d a c 电 路的整体架构。 ( 2 ) 系统电路的实现方式 利用c a d e n c es p e c t r e 电路图( s c h m e m a t i c ) 设计工具，设计，仿真并调试基准源模 块，电压电流转换模块，偏置电路模块，寄存器模块，译码器模块，选通电路模块，锁存 器模块，单位电流源阵列模块和开关阵列模块。然后利用调试好的模块，再进行整体电路 的调试，使整体电路能到达系统性能的要求，参数到达指标。 接着再利用c a d e n c ev i r t u o s o 版 ( l a y o u t ) 绘制工具，进行各个模块的绘制。利用 d r a c u l a 进行版图设计规则检查( d r c ) 和电路与版图的一致性检查( l v s ) ，最终完成 整体d a c 设计。 ( 3 ) 工艺版图 现今生产d a c 使用的工艺是采用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 艺基础上的低功耗技术已经取得了很大发展。而且随着c m o s 工艺向深亚微米的挺进， 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 等特殊工艺能做出很快 的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， 不能和其它数字电路系统集成在同一块芯片上。随着c m o s 工艺的日益成熟，现在的工 艺水平已经可以把整个电路系统集成在同一块芯片上。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 ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 设计中，越来越多的 电路系统需要把数模接口电路集成到同一个系统中，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 些电路结构复杂的和做成宏单元，使之能内嵌于整个电路系统中。第三，工艺的集成电路 的功耗小，并且c m o s 工艺电路的设计能力趋于完善。而伴随电路规模的增大，电路的 设计难度也随之增大。目前在设计里，仍然以c m o s 电路为主。为了提高电路设计的可 靠性，缩短设计周期，降低设计成本，人们希望把数字电路、一些电路结构复杂的高速 d a c 和a d c 做成宏单元，使之能内嵌于整个电路系统中。 大连理工大学硕士学位论文 为了便于系统集成和降低成本，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 的性能要求有不同的侧重点，各种不同的d a c 结构正是为 了不同的性能要求而提出的。为了实现高性能与成本有机结合，对己有各种d a c 结构的 研究，早以突破了传统的转换器技术如权电阻网络或者权电容网络型d a c 。目前比较流 行的是温度码控制的电流源型d a c 。传统的电阻梯形或电荷分配型d a c ，在其输出端有 降低其转换速度的大电阻或电容负载，而且需要电阻或电容的数量随转换精度的增加呈指 数增长，如要设计出较高位数( 1 0 或1 0 位以上) 的d a c ，无论是从功耗还是从面积上都 难以接受。而在传统的电流源型d a c 里，要有一个很大的器件来提供分配电流，这也要 占用很大的面积。在温度码控制的电流源型d a c 子电路中，采用参考电流与d a c 中电 流源进行镜像的手段，从根本上克服了上述缺点。这种结构的d a c 不仅仅适合于高速的 数模转换，而且如配合以分段转换技术，各段之间采用二进制加权控制技术能达到较高的 分辨率的同时，进一步降低管子个数，从而进一步降低电路面积。 1 4 研究内容和章节安排 本文设计了一种1 2 位1 0 0 m s p s6 + 6 方式分段二进制和温度计码加权控制的电流源 型d a c 。全文内容安排如下： 第一章是绪论部分，主要说明了课题的研究背景和意义，对d a c 芯片的研究动态和 发展趋势做了简要介绍。 第二章主要介绍数模转换器的几种常见结构和一些参数指标； 第三章主要介绍本次数模转换器的总体设计，介绍各个模块的结构设计和功能参数仿 真； 第四章主要给出数模转换器的总体仿真，并通过m a t l a b 仿真计算出d a c 的静态性能 参数和动态性能参数； 第五章主要介绍数模转换器的电路版图布局和设计。 1 2 位1 0 0 m s p s 高速d a c 设计 2d a c 的基本结构和误差差数 2 1d a 转换器的基本原理 d a 转换器的功能就是把数字信号量转变成模拟信号量，通常这种转换是线性的。假 设d a 转换器输入的数字量是n 位二进制码d ( = d l d 2 d 3 d n ) ，d 1 为最高位( m o s t s i g n i f i c a n tb i t ，简称m s b ) ，d n 位最低位( 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 和输入数字量d 间的函数关系可用下式表示： a = k d = k ( d 1 2 ”1 + 砬2 ”2 + + 哦2 。= k d , 2 ”1 ，- 1 ( 2 1 ) 式中k 为模拟参考量，也即最小变化值、最低输出值。当模拟参考量为电压时，k = u r 2 n ， 当模拟参考量为电流时，k = i r 2 n 。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 小1 是第i 位的权值。 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y 0 - - 进制分 量叠加而成的，每位二进制分量为该位的权值与模拟参考量k 的乘积。d a c 的结构原理 如图2 1 【7 】所示。 。 l ! j r = 五 雨1 削 d i u 1 工j ， 图2 1d a c 结构原理图 f i g 2 1 t h es t r u c t u r ep r i n c i p l ec h a r to fd a c 由模拟参考量k 形成了各位权对应二进制分量( 2 0 k 、2 1 k 、2 n k ) ，各分量送入 电子开关网络各位数字量控制相应的电子开关，电子开关网络输出的各支路分量经求和电 路相加，最后得到模拟量a 。 以并行电阻网络集成d a 转换器为例，定性的说明一下d a 转换器工作原理。图2 2 示出了这种转换器的原理图。 大连理工大学硕士学位论文 电子开关网络 ，- - 一- 一 一一一一一一，一- 一_ 一一一_ 一一- _ p - 一一一- _ _ 一一 r ； 卜k l 一， r 摹 l k 2 ，一 甲r 手 l k k 2 “ ， r 。 数字译码电路 数字信号输入 图2 2 并行d a c 原理图 f i g 2 2 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f p a r a l l e ld a c 0 00 11 01 1 d i g i t a l i n p u t 图2 3 理想2 b i td a c 的输入输出曲线 f i g 2 3 t h ei d e a li n p u ta n do u t p u tc u r v e so f2b i td a c 图2 3 是一个理想2 b i td a 转换器的输入输出曲线。 2 2 d a 转换器的基本结构 根据加权网络等部分实现方法不同，常见的d a c 结构可以分为电流型、电压型、 和电荷型等，每一类又可以分为若干小类，下面将分别加以简单介绍【8 1 。 2 2 1 电流定标型d a 转换器 ( 1 ) 权电阻型d a 转换器 图2 4 是权电阻型d a c 的结构框副9 】【1 0 】。 1 2 位1 0 0 m s p s 高速d a c 设计 u 。 r f d 1d 2 d - 图2 4 权电阻型d a c f i g 2 4w e i g h t e dr e s i s t o rd a c l r 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反比的权电流分量；当某位输入数码为o 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 实现了输出电流形 式的d a 转换。 权电阻型d a c 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 c ，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 c 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。 ( 2 )r 一2 r 梯形电阻网络d a 转换器 图2 5 是r 2 r 梯形电阻网络d a c 的电路原理结构图】【1 2 。 图2 5r 一2 r 梯形电阻网络d a c f i g 2 5 r 2 rl a d d e rs h a p e dr e s i s t a n c en e t w o r kd a c 大连理工大学硕士学位论文 从图中n 1 1 t 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 。1 ：2 。2 ：i2 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，就实现了数字模拟的转换。 1 1 位权电流发生电路需要n + 1 个阻值为2 r 和n 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 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 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。 ( 3 ) 电流衰减型d a 转换器 图2 6 显示了电流衰减型d a c 的电路原理框图。 图2 6 电流衰减型d a c f i g 2 6 c u r r e n td e c a yd a c 图中t l 、t 2 t n 和r e 构成权电流发生器中的恒流源。各个管子的r e 是相等的， 所以各位电流源中的电流相等，把它记做i e 。r 2 r 梯形是电流源的负载。电子开关k l 、 一9 一 1 2 位1 0 0 m s p s 高速d a c 设计 k 2 k 可以控制电流是通向地端还是流向r 2 r 梯形电阻网络和加法器，最终经运放转 变成电压。 电子开关k l 、k 2 k 控制的电流大小分别为i e 、2 d i e 2 n - 1 i e ，不难证明，通过 加法器相加的总电流i o 为： i o = i e + 2 。1 i e + + 2 川+ 1 i e 2 ( 2 - 2 川) i e ( 2 2 ) 电流衰减型d a c 比权电阻型d a c 和r 2 r 梯形电阻网络优越，它几乎克服了两者各 自存在的缺点，而保留了它们的优点。这首先因为r ，2 r ，r e 的阻值范围易于实现，其 次由于各恒流源的射极电阻r e 相同，所以各管的v b e 和i e 均相等，从而可以消除由于电 阻的电压系数引起的误差。 ( 4 ) 电流舵型d a 转换器 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。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。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 c 的电路原理框图如图2 7 所示。二进制型电流舵d a c 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 几，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。 u r r 图2 7 电流舵加权型d a c f i g 2 7c u r r e n t s t e e r i n gd a c 一进制( 温度计) 加权型d a c 的电路原理框图如图2 8 所示。 大连理工大学硕士学位论文 u d 1d 2 d t 图2 8 一进制电流舵型d a c f i g 2 8 u n i t y - w e i g h t e dc u r r e n t - s t e e r i n gd a c 一进制电流舵加权型( 温度计型) d a c 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- 进制转换的真值表。 表2 12 位二进制编码与一进制编码的对应关系 t a b 2 1n e c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e nb i n a r yc o d ea n du n i t yc o d e 二进制编码对应一进制编码 o o 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 11 1 11 与n 位二进制编码相对应的一进制编码有2 n 1 位，当二进制编码换算成十进制数为 d 时，一进制编码的低d 位全部为1 ，其他全部为o 。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 2 2电压定标型d a 转换器 电压型d a c 的电路原理如图2 9 所示，工作原理如下：a 、b 、c 模拟开关对应于输 入位d l 、d 2 、d 3 ，由其逻辑信号所驱动其中d l 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 i ，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 e f 2 1 2 位1 0 0 m s p s 高速d a c 设计 正好等于1 l s b 。从3 位电压定标d a c 可以推广到多位，只是位数越多，开关的层数和个 数也越多。 图2 9 电压型d a c f i g 2 9v o l t a g es o u r c ed a c 电压定标d a c 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 c 常用作m o sa d c 中的一个部件，被用 作逐次逼近式a d c 的子d a 转换子电路。 电压定标d a c 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 c ，需要2 “个电阻、约2 叶1 个开关和2 “条逻辑驱动线。 2 。2 ，3 电荷定标型d a 0 电荷型d a c 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 0 所示。 u d i d2 d 1 图2 1 0 电荷型d a c f i g 2 1 0c h a r g e dd a c 如图中所示，电荷型d a c 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“1 所控制的开关均连接到基准电源v r ，而所有输入为“o 所控制的开关均连接到地。此时， 连到u r 上的总电容为： 大连理工大学硕士学位论文 = d l c + d 2 2 1 c + 3 2 1 c ( 2 3 ) 连接地上的总电容为： 2 c - c 0 = 1 - ( ) 1 2 1 + d 2 2 2 + + 见2 一”) 】2 c 此时，输出电压为： v o = ( 1 9 1 2 1 + 砬2 - 2 + + 见2 一”) u j r ( 2 4 ) ( 2 5 ) 可见，输出实现了d a 转换功能。 电荷型d a c 的优点是精度高，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。 表2 2 是对d a c 性能的总结 1 3 】 1 4 1 。 表2 2d a c 性能总结 t a b 2 2s u m m a r i z a t i o no f p e r f o r m a n c e so f d a c 2 3d a o 主要误差参数 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 c ，其输出阻抗应为无穷大； 电压输出型d a c 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 1 2 位1 0 0 m s p s 高速d a c 设计 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。 实际的d a 转换器不可能具有这样的特性，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 1 5 】【17 1 。下面将从两 个方面对d a c 的主要性能参数进行简单介绍【1 8 】 1 9 】。 2 3 1 静态性能参数 ( 1 ) 精度 d a c 的精度等于实际输入码字的位数，用n 位表示，n 为位数。图2 1 1 为一个理想 的3 位d a c 的输入输出特性。我们看到8 个可能的码字中的每一个都有特定的模拟输出 电压。这些电平用l s b 来区分。l s b 的值定义为： 、厂 l s b 2 晋 ( 2 6 ) j 0 码字每增加1 位，理想d a c 的输出将增加1 l s b 。 s 趔 1 三| 基铎 喜垂 墨星 数字输入码 图2 1 l3 位d a c 的理想输入输出特性 f i g 2 11 t h ei d e a li n p u ta n do u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so f3b i td a c 因为d a c 的精度是有限的，所以最大的模拟输出电压不等于v r e f 。这个特性用d a c 的满刻度值( f s ) 来描述。满刻度值定义为最大码字( 1111 ) 和最小码字( 0 0 0 0 ) 对 应的模拟输出量之差。一般而言，d a c 的满刻度值可以表示为： 满刻度值( f s ) 5 - l s b = v 击( 1 - 古) ( 2 7 ) 大连理工大学硕士学位论文 f s 的这个定义式没有考虑特性是否平移了o 5 l s b 。在图2 1 1 中，f s 等于0 8 7 5 v r e i ：。 满刻度范围( f s r ) 定义为： f s r 2 1 i m f s = v r e f ( 2 8 ) n - - o o 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。 ( 2 ) 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( 1 2 “ ) 。 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。 ( 3 ) 增益误差 出 图2 1 2 增益误差示意图 f i g 2 12 g a i ne r r o rs c h e m a t i cd i a g r a m 1 2 位1 0 0 m s p s 高速d a c 设计 反映d a c 静态特性的误差参数有差分非线性误差( d n l ) 、积分非线性误差( i n l ) 、 增益误差、失调误差和单调性。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。实际转换斜率与理想斜率之间的误差称为增益误差，如图2 1 2 所示。 ( 4 ) 失调误差 d a c 的失调误差是指模拟输出的实际起始值与理想起始值之差。如图2 1 3 所示： 输出 图2 1 3 失调误差示意图 f i g 2 13 o f f s e te r r o rs c h e m a t i cd i a g r a m ( 5 ) 单调性 d a c 的单调性是指当转换器的数字输入信号增加到超过其满量程范围时，模拟输出 在一个转换台阶和下一个转换台阶之间不会降低。换句话说，在一个单调转换器中，转换 特性的斜率永远不会为负的。如图2 1 4 所示，显示的是一非单调性曲线。 io 08 7 5 出0 7 5 0 脚 二0 6 2 5 辱0 5 0 0 囊椰 02 5 0 0 1 2 5 0 0 0l0