（材料物理与化学专业论文）8位高速da转换器设计研究.pdf

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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：酉址 日期：聊垆年a 月肋日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：堑弛兰 导师签名： 日期：咖 摘要 本项目的目的是设计一种8b i t 乘法型高速硅数模转换器i c 芯片。 对自然界和实际生产中的物理信息进行处理，离不开a d ( 模拟数字) 和 d a ( 数字模拟) 转换技术。a d 和d a 转换器被广泛应用于计算机、电视机、 通讯、航空航天、d s p ( 数字信号处理) 等等许多领域，这些领域的发展，离不 开a d 和d a 转换器的进步；而且d a 是a d 的组成部分，因此a d 的发展也 依赖于d a 。d a 转换器已经成为制约计算机、数字信号处理、通信等发展的主 要因素，是解决各种信号处理速度及精度的瓶颈。 本文详细阐述了8 位高速d a 转换器的设计与研制过程。首先，确定输入 方式采用并行输入，输出采用电流互补输出，这符合实现高速的要求。其次， 在比较了数模转换器的众多结构之后，本设计决定采用主从一分段式的电流舵 结构，应用电流分裂技术；开关采用全差分电流开关。 数模转换器的内部电路由基准放大器、电流开关网络、偏置网络和精密电 阻网络构成，属于模拟电路。基于该电路的特点，利用p s p i e e 软件进行模拟仿 真，采用c a d e n c e 进行版图设计，应用2 4 所3pm 双极工艺线进行投片试验， 采用双列直插式封装，研制出的芯片共十六个管脚。 最后，己功研制出的8 位d a 转换器，建立时间为1 0 5 1 1 7 n s ，微分线性 度达1 2 l s b 。 该8 位d a 转换器可直接与t t l 、c m o s 、p m o s 等接口。研究指出，该单片 电路可广泛应用于数据采集、数据处理等电子技术领域。 关键词：数模转换器，分段电流舵，电流分裂技术，全差分电流开关，双极 a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i sp r o j e c ti st or e a l i z ead e s i g no fa l l8b i th i g h - s p e e d d i g i t a l - a n a l o gc o n v e r t e r a c ) i no r d e rt od e a lw i t ht h ep h y s i c a ls i g n a lo fn a t u r e ，w em u s tu s ea n a l o g - d i g i t a l c o n v e r t e r ( a d c ) a n dd i g i t a l a n a l o gc o n v e r t e r a d ca n dd a c a r ea p p l i e di nw i d e f i e l d ，s u c ha sc o m p u t e r ，t e l e v i s i o n ，c o m m u n i c a t i o n ，m i l i t a r ya f f a i r sa n dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ( d s p ) d e v e l o p m e n to ft h e s ef i e l d sd e p e n d so r lt h ea d v a n c e m e n to fa d c a n dd a c d a ci sap a r to fa d c ，s od e v e l o p m e n to fa d cr e l i e so nt h ep r o g r e s so f d a c d a ch a sb e e nt h eo n eo fp r o b l e m s ，w h i c hr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to ft h e c o m p u t e r , c o m m t m i c a t i o na n dd s ri th a sb e e nak e y , w h i c hs o l v e st h es p e e da n d p r e c i s i o no fs i g n a lp r o c e s s i n g i nt h i sp a p e r , d e s i g na n df a b r i c a t i o np r o g r a mo fa ne i g h tb i td a ca r ed e s c r i b e d i nd e t a i l s f i r s to fa l l ，t h em o d eo fi n p u ta n do u t p u ti sc o n f i r m e dt ob ep a r a l l e l i n p u t a n dc o m p l e m e n t a r ye u r r e n t o u t p u t ，w h i c hi sa d a p tt ot h er e q u i r eo fh i g h s p e e d a f t e r c o m p a r i n gw i t hm a n ys t r u c t u r eo f d a c ，t h es e g m e n t e dc u r r e n t - - s t e e r i n ga r c h i t e c t u r e i sd e c i d e d a n dd i f f e r e n t i a lc u r r e n ts w i t c ha n ds e g m e n t e dc u r r e n tt e c h n i q u ea r eu s e d i n i t t h ed a cc o n s i s t so fr e f e r e n c ea m p l i f i e r , c u r r e n ts w i t c h ，b i a sn e t w o r ka n d p r e c i s i o nr e s i s t a n c en e t w o r k ，s oi ti sa n a l o gc i r c u i t b a s e dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e c i r c u i tw es i m u l a t ei tw i t l lp s p i c es o f t w a r e t h el a y o u to ft h ec i r c u i ti sd e s i g n e da n d d r a w nw i t ht h et o o lo fc a n d e n c e p r o c e s se x p e r i m e n t a t i o no ft h ec i r c u i ti sc a r r i e d w i t hi na3um b i p o l a rp r o c e s so fs i c h u a ni n s t i t u t eo fs o l i d - s t a t ec i r c u i t s d u a l i n l i n ep a c k a g em o d ei su s e di np a c k a g e t h ei ch a ss i x t e e np i n s f i n a l l y , 8b i td a c i sf a b r i c a t e d ，i nw h i c hs e r l i n g t i m ei sf o r m1 0 5 n st o11 7 n s a n dd i f f e r e n t i a ll i n e a r i t yi s 1 2 l s b i tc a nb ei n t e r f a c e dd i r e c t l yw i t ht t l ，c m o s ，p m o sa n do t h e r s i ti su s e f u li n m a n ye l e c t r o n i cf i e l d s ，s u c ha sd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n gs y s t e m s k e yw o r d s ：d i g i t a l - t o - a n a l o gc o n v e r t e r ；s e g m e n t e dc u r r e n t - - s t e e r i n g ：s e g m e n t e d c u r r e n tt e c h n i q u e ；d i f f e r e n t i a lc u r r e n ts w i t c h ；b i p o l a r p r o c e s s 第一章引言 第一章引言 对自然界和实际生产中的物理信息进行处理，离不开a d ( 模拟 数字) 和d a ( 数字模拟) 的转换，数模与模数转换技术应运而生， 并且a d 的发展更离不开d a ，d a 是a d 的组成部分。d a 转换器 被广泛应用于计算机、电视机、通讯、航空航天、d s p ( 数字信号处 理) 等等许多领域，可以毫不夸张的说没有d a c 就没有计算机、电话、 电视机等，也就没有国防现代化、工业自动化、办公自动化，也就没 有整个现代化的工作和生活。随着社会的发展，科学技术和生产建设 正在逐步向高、精、尖迈进，向着高效率和自动化方向发展，这就更 离不开数字技术和计算机技术以及通讯和多媒体技术的快速前进，这 使得对d a c 的研制开发更加迫切。目前，d a c 已经成为制约计算机、 数字信号处理、通信等发展的主要因素，是解决各种信号处理速度及 精度的瓶颈。 1 1 论文背景及意义 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。 2 0 世纪4 0 年代后期，人们开始了对数字通信的研究和实践，发展 了脉冲编码调制技术( p c m 技术) ，因而从模拟信号的编码、译码技 术发展到了模数与数模转换技术；5 0 年代后，转换器中的电子管逐步 由晶体管代替，使转换器的体积和重量大大减小。到了6 0 年代中期， 数模转换器的主要功能单元都陆续实现了集成化，特别是运算放大器 已经开始进入大规模生产阶段，因此数模转换器也开始向单片集成方 向发展。 由于数字技术及计算机技术的发展，特别是进入7 0 年代后微处理 器突飞猛进的进步，大大推动了模拟信号的数字处理技术，因而，作 为重要的接口单元的集成模数及数模转换器也得到了迅速发展。与此 同时，薄膜集成电路和厚膜集成电路也有了很大发展。1 9 7 1 年，首先 第一章引言 出现了将所有组件集成在一个芯片上的单片数模转换器。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 器中组件的麻烦，大大降低了成本，提高了可靠性，开辟了模拟集成 电路的一个新方向。今天，单片集成的模数与数模转换器已经成为模 拟集成电路的一个重要的分支。 此后，转换器得到迅速发展，新的设计思想、新的制造工艺和新 的种类不断增加，性能不断提高。特别是工艺的进一步发展，双极工 艺的进步使的数模转换器的速度得到了大大提高。 但是随着数字技术和数字计算机的发展，以及通讯和多媒体技术 的快步前进，数字信号处理( d s p ) 中的d a 转换器被广泛的应用于 工业自动化的各个领域，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，系统整机对d a 提出了更 高的要求。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d a 转换器的速度却没 有很大的提高。我国目前d a 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，d a 和a d 转换器市场成稳步增长的发展趋势，2 0 0 0 年的市场销售额已达 2 0 3 亿美元，有很大的市场前景，所以由我们自行设计生产高性能的 转换器已经成为当务之急。 本次课题正是在此前提下开展的，对高速d a 转换器进行研究， 进而设计出更高速度的d a c 以满足更高速率的信号转换需求。 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，将基准、输出放大器等外围单元电路全部集成于一 块芯片上，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 ) 功耗小，价格低，功耗越小越节能。 第一章引言 8 位高速d a c 是高速d a c 的典型代表，广泛应用于军事和民用 的各种设各上，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，工艺上也可为利用双极工艺进行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 、10 、1 2 、1 4 、1 6 位的d a c ，取得了很大进步， 例如信息产业部第二十四研究所研制生产的1 0 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 、d a 方面的研究主 要集中在中等转换速度、中等精度的范畴，多采用电阻、电容网络等 结构为主。对高速、高精度的新型a d 、d a 的研究尚不多见，如国 外流行的结构仅有复旦大学作过研究。 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作过 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，并没能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d a 和a d 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 i t1 0 0 m ( 采样速率) 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。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， 第一章引言 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。 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，以克服电流舵形式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 ta 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可以互相抵消的特 点，减小总误差。测试表明，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。 最近，2 0 0 0 年底报道了荷兰的p h i l l p s 研究实验室的e j v a nd e r z w a n 等研究者研究了一种用于车载a m f m 接收机的i f 一基带一 1 6 位a d c ，采用了0 2 51 tm 标准c m o s 工艺，输入i f 频率是1 0 7 m h z ， 采样速率为2 0 0 7 m s p s ，在2 5 v 工作电压下，整个a d c 的功耗为 1 9 m w 4 。 鉴于传统的a d c 随转换精度的提高规模指数式增大，以及内部比 较器的亚稳态和失配引起的闪烁码造成的输出不稳定，很难实现8 位 以上的分辨率。目前i c 界提出一种采用流水线( p i p e l i n e ) 结构的a d c 。 它将逐次比较结构的a d c 在时间上的串行工作转换为单元电路的流 水线串行工作。这样在保证了高速工作的同时实现高分辨率并减小了 芯片面积，降低了功耗m m 。 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 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。 4 第一章引言 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 量，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， 因此数模转换器种类繁多，分类方法也多种多样，下面简单介绍一下 数模转换器的分类情况。 a 按数模转换器的主要单元特点分类 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、 基准源电路和输出电路等。 模拟开关的基本类型有电压型和电流型两种，数模转换器按使用 开关的种类分为电压型和电流型两种，电压型模拟开关工作时对寄生 电容的冲放电会影响开关速度，因此一般用于对速度要求不严格的数 模转换器中。电流型开关在切换时，由于开关两端的电压没有明显变 化，因此寄生电容的影响小，开关速度比电压型快，在高速数模转换 器中应用较多。 按数模转换器中权电流或权电压发生网络形式分，有权电阻网络 数模转换器、全电容网络数模转换器、梯形电阻网络数模转换器和电 压分段网络数模转换器等等。 b 按数模转换器的性能特点分类 数模转换器的性能指标，如建立时间、转换精度、分辨率等。 按转换速度分为低速( 建立时间大于1 0 0l - ts ) 、中速( 建立时间 1 l o ops ) 、高速( 建立时间1us 5 0 ns ) 和超高速( 建立时间小于5 0 ns ) 四种。 按分辨率分，有4 位、8 位、1 0 位、1 2 位、1 6 位、2 4 位等多种分 辨率的数模转换器。 c 按输入和输出的特点分类 按数模转换器的输入方式分也可分为并行输入和串行输入两种。 其中，并行输入方式更适合高速数模转换器。 按数模转换器的输出形式分，有电流输出型和电压输出型两种。 第一章引言 电流输出型比电压输出型速度快。 d 按工艺分类 按生产工艺不同可以分为全m o s 数模转换器、全双极数模转换器 和双极一c m o s 数模转换器等，c m o s 数模转换器最主要的特点功耗 小，双极数模转换器的转换速度较快m w 。 以上数模转换器的分类是从不同角度不同侧面进行的，因此，同 一数模转换器，按不同分类方法，可以列入不同的类别中。 1 4 我们的任务 本文讨论设计了一种8 位乘法型电流舵结构的d a c 。 全文分为五部分，第一部分为总论，其中包括第一章和第二章。 这一部分主要介绍并讨论了d a c 的基本原理和概念。第二部分通过不 同结构的比较，选择恰当的电路拓扑以实现高速的要求。对各个单元 电路进行设计从而设计出8 位d a c 的总体拓扑图。第三部分主要对所 设计电路进行模拟仿真，进行电路的拓扑结构的验证。第四部分是电 路的工艺设计和版图设计，对设计进行验证为试验投片做准备。最后 一部分是试验投片的结果及d a c 产品的测试。 要求设计生产出的8 位高速d a 转换器样品，性能指针标达到： 1 ) 满量程建立时间：1 0 0 n s 2 ) 分辨率：8 位 3 ) 线性误差：o 4 f s ( 1 l s b ) 4 ) 功耗：1 0 0 1 7 0 m w 第二章d a 转换器的基本原理和常见结构 第二章d a 转换器的基本原理和常见结构 2 1d a 转换器的基本原理 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 = d ( 2 卜1 ) 其中，d 是数字输入，是模拟参考输入，是模拟输出。这里 模拟输出可以是电压，也可以是电流。式中数字d 是一个小于l 的值。 若用二进制表示时，d 是 d = q 1 2 。+ d 2 2 4 + + 吼2 一= 熹 ( 2 卜2 ) n t l 式中a 。为1 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 卜1 ) 式又可以写为 v o = 鲁 ( 2 卜3 ) n = l 当参考电压输入固定时，转换器的模拟输出d 成正比关系，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 一l 集成o a 转换器的组成框图 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，如图2 1 - 1 ，根据集 成度不同可能d a 转换器中不全包括其中的部分。 第二章d a 转换器的基本原理和常见结构 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 化原理。图2 1 2 示出了这种转换器的原理图。 电子开关网络 、，j 数字信号输入 图2 i 一2 并行d a 转换器原理图 在图2 卜2 中，基准电压v 。被电阻分成2 “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 ”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 。，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i ，则是基准电流被分成2 “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 。，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 转换器的几种常见结构 根据加权网络等部分实现方法的不同，常见的d a c 结构有电流 型、电压型、电荷型等，每一类又细分为若干小类，接下来将分别简 第二章d a 转换器的基本原理和常见结构 单介绍。 2 2 1 电流定标型d a 转换器 a 权电阻型d a 转换器 图2 2 1 1 权电阻型d a 转换器的电路框图。 2 “一l r d ，d 。d 1 6n 图2 2 1 1 权电阻型d a 转换器 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，其中的 模拟开关分别由各位输入数码控制，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。当某位输入数码位l 时， 它所控制的开关接通参考电源，在运放反相端总线上就出现与该位电 阻值成反比的权电流分量；当某位输入数码位0 时，它所控制的开关 关闭，在总线上就没有这一权电流分量。这样就实现了( 2 1 3 ) 式的 输出为电流时的数模转换。 权电阻型d a 转换器是实现二进制数模转换的最简单的一种网络 结构。其明显缺点是位数增多时，电阻的取值范围很大，如要实现8 位d a 转换器，电阻比值将高达1 2 8 ：1 ，这一比值在工艺制造上几乎 难以实现，并且该结构对于电阻精度的苛刻要求也使得的这一结构的 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 些特殊电路中以分立组件的形式出现。 第二章d a 转换器的基本原理和常见结构 b r - 2 r 梯形电阻网络d a 转换器 图2 2 1 2 为r 一2 r 梯形电阻网络d a 转换器的电路结构原理框图。 。蝠 图2 2 1 2r - 2 r 梯形电阻网络d a 转换器 从图中n n7 端口向右看入的电阻值是r ，从2 2 、1 1 端口向 右看入的总电阻值也是r ，但是从a a 端口处向右看入的总阻值是 2 r 。同理，从每个2 r 电阻向右看入的电阻值均是2 r 。因此，电流每流 经一个2 r 支路就被衰减一半。所以从左到右，各2 r 电阻中的电流比 例关系为：1 ：2 ：2 - ：2 “。也就是说，流经各2 r 电阻中的电 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k 接到2 的位置，这样就实现了按照数字输入而变化的 权电流加权，实现了数字一模拟的转换。 n 位权电流发生电路需要n + 1 个值为2 r 的电阻和n 个值为r 的 电阻。随着分辨率的提高，电阻的个数增加，但电阻始终是r 和2 r 两种，而且2 r 电阻可以设计成为两个r 电阻的串联。因此r 一2 r 梯形 电阻网络d a 转换器克服了权电阻网络中电阻值种类繁多的缺点。无 论从改善电阻的匹配精度和减小总值的角度说，r 一2 r 梯形电阻网络都 更为有利。集成的并行位电流控制的d a 转换器中，多采用r - 2 r 梯形 电阻网络。 但是r 一2 r 梯形电阻网络d a 转换器结构本身也存在不足，梯形电 1 0 第二章d a 转换器的基本原理和常见结构 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要 一定的传输时间，转换器的位数越多，所需要的传输时间就越长，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。 c 电流衰减型d a 转换器 图2 2 卜3 示出了电流衰减型d a 转换器原理图。 v r f o v 图2 2 1 - 3 电流衰减型d a 转换器 图中t 。、t ：t 。和r 。构成权电流发生器中的恒流源。各个管子的 r 。是相等的，所以各位恒流源中的电流相等，我们把它记为ie 。r 一2 r 梯形为电流源的负载。电子开关k 。，k ：，k 。可以控制i 。通向地端 还是流进r 一2 r 梯形电阻网络和加法器，在加法器的相加点可以流入 加权电流的和。 如果只有电子开关k 将恒流源t ，和r 一2 r 梯形电阻网络与加法器 接通，其它电子开关均接向地，则通过加法器相加点的电流正好是一 个i 。不难证明，电子开关k 。，k 。，k 。依次接通时，相应的通过加 箜三垩! 丝整垫量盟董查垦里塑堂墨堕塑 法器相加点的电流分别为j l k ，古，古l ，如果全部电子开关 同时接通，则通过加法器相加点的总电流i 。为： to = i e + 毛i e + 丢”+ 专i e = + 争- + 办 ( 2 2 1 1 ) ( 2 2 1 2 ) 电流衰减型d a 转换器比权电阻型d a 转换器和r 一2 r 梯形电阻 网络d a 转换器优越，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 。、r 和2 r 的阻值范围易于实现，其次由于 各恒流源的射极电阻r 。相同，所以各管的v 。和i 。均相等，从而可以 消除由于电阻的电压系数引起的误差。 d 电流源型d a 转换器 电流源型d a 转换器是用有源器件( 一般是m 0 s 管) 构成的电流 源来提供加权电流。与电阻加权型转换器相比，电流源型d a 转换器 速度比较快，对开关的寄生参数不敏感。这种结构一般用于m o s 结构 的d a 转换器。 电流源型d a 转换器的简单结构如图2 2 卜4 v 0 图2 2 卜4电流源加权型d a 转换器 电流源加权型d a 转换器和电阻加权型d a 转换器基本相似，只 是用加权的电流源代替加权的电阻来提供权电流。电流源加权可以用 两种方法来实现，一种是改变组成电流源的m o s 管的宽长比，最低位 第二章d a 转换器的基本原理和常见结构 宽长比为w l ，高一位宽长比为2 w l ，依次宽长比成2 的指数倍变化； 二是改变相同尺寸m o s 管的个数，最低位用一个，次低位用2 个，管 予个数成2 的指数倍变化。 从图2 2 卜4 中可以得到d a 转换器输出的总电流i 。为 n j o = ，= k 2 “j + k m 2 “+ 托2 0 ， j 1 = ，k 2 ”。+ 丘m 2 “+ + 岛2 。) i k y o = i k r f 2 2 。2 电压定标型d a 转换器 电压型的d a 转换器原理如图2 2 2 - 1 所示 ( 2 2 ( 2 2 ( 2 2 1 4 ) 1 5 ) l 一6 ) 图2 2 2 13 位电压定标d a 转换器 图2 2 2 1 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b 。，b 。，b 。的逻辑信号所驱动，其中b 。对 应于高位( m s b ) ，b 。对应于低位( l s b ) 。爿、b 、c 模拟开关，由出入 逻辑电平的互补电平所驱动。假设开关对应的逻辑电平为0 时开启， 则输入代码0 0 0 对应的输出将是开关a 、b 、c 都打开，a 、b 、c 都闭 合的情况，其结果输出是o v ，一次类推，如果输入代码为1 0 0 ，则模 拟开关a 、b 、c 闭合，结果输出电压v 。2 ，正好等于1 m s b 。从3 位 第二章d a 转换器的基本原理和常见结构 电压定标d a 转换器可以推广为多位，原理相同，只是位数越多开关 的层数越多，开关的个数也就越多。 电压定标d a 转换器特别适合m o s 工艺，因为m o s 工艺中模拟开 关容易实现，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 转换器系统中的一个部件，被用作逐次逼近式 a d 转换器中的d a 转换子电路。 电压定标d a 转换器的一个严重的缺点是位数较多的d a 转换器 所需要的组件太多。对于一个n 位的d a 转换器，需要2 “各电阻和差 不多2 “1 个模拟开关以及2 “条逻辑驱动线。 2 2 3 电荷定标型d a 转换器 电荷定标d a 转换器是利用电容矩阵上的总电荷进行定标的方法 产生模拟电压，其基本原理可以通过图2 2 3 一l 所示的简单电路来说 明。 图2 2 3 1 电荷定标原理说明 图中电容c a 接地，c b 则周期性的在地和内部基准之间转换。假 设开始时s o 和s l 都接地( 这种情况称为“复位”模式) ，此时c a 和 c b 都放电，输出电压v 。= 0 。然后打开s o ，将s l 接至基准电压v r e f ( 这种情况称为“采样”模式) 。如果在采样期间对输出电压进行测量， 可得v 。为 圪= 矗 上式说明，采样电压正比于与基准电压v 。相连的电容的放电量，反比 于总的电荷量。 第二章d a 转换器的基本原理和常见结构 图2 2 3 - 2电荷定标d a 转换器的简化原理图 图2 2 3 2 是多个电容组成的电容矩阵实现电荷定标的d a 转换 器的简化原理图。 在复位状态，包括s 。在内的所有开关都接地。此时所有电容都放 电，输出电压v 。= o v 。在采样模式，s 。打开，s 。到s 。受n 位输入信号电 平的控制，每个开关对应n 位输入数字信号的一位。如果某一位输入 数字信号的电平为l ，则对应的开关和v 。接通；若输入为0 ，则对应 的开关保持接地。根据图2 2 3 2 电路工作原理分析结果，可得出在 采样模式输出电压v 。的表示式为 k ：拿 乙t o 式中，c 。是连接到v 。的各电容容量之和：c 。为电容矩阵的总电容量。 c 。取决于各个位系数，b ，、b 。、b 。b ，即由它们来确定图2 2 3 - 2 中开关矩阵各开关的的位置。c 。可以表示为 c 。呐c + 竽+ 等+ ”- + 歹b n c ( 2 2 3 - 3 ) 式中c 是二迸制加权矩阵中的最大电容，它对应于数字输入信号的最 高位。矩阵中的总电容量c 。为 c 。，= c + i c + 可c + 件歹c + 歹c = 2 c ( 2 2 3 4 ) 由式( 2 2 3 - 2 ) ，( 2 2 3 - 3 ) ，( 2 2 3 - 4 ) 可得采样模式的模拟输出电 压v 。为 v 0 = 矿矗f ( 6 1 2 。+ 6 2 2 2 + + b n 2 一”) ( 2 2 3 - 5 ) 电荷定标的d a 转换器要求具有高精度电容比的电容矩阵和具有 第二章d a 转换器的基本原理和常见结构 高阻抗采样与保持电路的理想模拟开关，因而特别适合m o s 集成电路。 电荷定标的d a 转换器的缺点是当转换器位数较多时，需要的电 容比会很大，其m s b 与l s b 之间的电容比为 r 1 超= 2 “1( 2 2 3 6 ) c b 因此，对于一个8 位转换器所需要的电容比为1 2 8 。并且大电容太多会 增大电路的面积。因此，电荷定标结构只用于作为a d 转换器的一部 分或适用于8 位以下的d a 转换器】。 2 3d a 转换器的性能参数 理想的线性d a 转换器，其输入与输出电路是相互隔离的，而且 不接地。它的噪声为零，当数字输入为零时，模拟输出也为零，并且 对应于一个确定的数字输入，有一个确定的输出电流( 或电压电平) 。 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 出型其输出阻抗应为无限大；电压输出型其输出阻抗应为零。当输入 数码变化时，模拟量的变化速率是无限大。此外，转换器的转换特性 应不随时间、温度、电源电压而变。所有转换器的误差应为零。 实际的d a 转换器不可能具备这样的特性，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 和动态参数两大类，下面将从这两个方面对d a 转换器的部分主要性 能参数进行简单的介绍。 2 3 1 静态性能参数 a 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的最大 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。 所谓理想转换特曲线，对于d a 转换器来说，就是连接理想转换 器特性上正、负最大输出点的直线。精度分为相对精度和绝对精度。 在零点和满量程值校正以后测得的精度为相对精度，否则为绝对精度。 一般参数表中给出的为相对精度，绝对精度由于受时间和温度影响较 大，因此很难给出特定的值。 1 6 第二章d a 转换器的基本原理和常见结构 b 分辨率 分辨率有不同的定义方法。一种d a 转换器的分辨率的定义是o a 转换器模拟输出电平可能被分离的数目，例如：一个二进制转换器， 数字输入的位数为n ，择其分辨率理论值为2 n ；另外种把d a 转换 器输出电平被分离的最大级数的倒数定义为d a 转换器的分辨率。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( 1 2 “) 来表示。 由于噪声、温度、和时漂等因素的影响，转换器的分辨率有时要 小于理论值。例如一个1 2 位转换器在某一温度范围内可能只有1 0 位 的实际分辨率。d a 转换器的实际分辨率受到它的相对精度的限制，但 是分辨率并不限制精度。 分辨率也能反应转换器的动态特性，信号的动态范围要求较严格， 其分辨率也要求较高。 c 误差参数 d a 转换器的静态时主要有四种误差，即失调误差、增益误差、 线性误差和微分线性误差。 ( 1 ) 失调误差 它是指数字输入为o 时，其模拟输出与理想值之间的偏差。它可 图2 3 卜1 失调误差示意图 第二章d a 转换器的基本原理和常见结构 以用l s b 为单位进行描述，也可以用此偏差值相对于输出满度值的百 分比来表示。对于单极性的转换器，此理想值应为零。 例如，图2 3 卜l 中，失调误差为2 l s b ，或是满度值的0 2 8 6 。 d a 转换器的初始失调都是可以被调节为零的。但是失调随温度 变化的影响是无法消除的。 ( 2 ) 增益误差( 也称为满度值误差) 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。 实际转换器与理想转换器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相对于输出满度值的百分比来表示。 图2 3 1 2 增益误差示意图 例如，图2 3 卜2 中，当它的数字输入从1 1 0 变化到1 1 1 时，其 模拟输出与其理论值之间的偏差就是它的增益误差，值为l l s b 。 增益误差是可以调节的。例如，在d a 转换器中，当参考输入存 在偏差时，转换器的满度值将发生偏差，即产生了增益误差，这并非 由于组件的不匹配引起的，因此，可用外接组件进行适当的调节。 ( 3 ) 线性误差 线性误差( 也称为相对精度或线性度) ，是指转换器的实际传输特 性曲线与它的平均传输特性曲线( 通过端点值的平均线) 之间的最大 第二章d a 转换器的基本原理和常见结构 偏差。如图2 3 卜3 所示( 零点与满刻度值均已校准) 。该误差量也是 用模拟量的偏差来表示的，也可用绝对值或百分数表示。 量 图2 3 1 - 3 线性误差示意图 转换器的线性误差与转换器的内部组件的匹配性或线性特性等因 素有关。在单片集成转换器中，这是不能被调节的参数。 ( 4 ) 微分线性误差 微分线性误差( 或微分线性度) ，是指任何两个相邻数码间隔所对 应的模拟量间隔( 称为步长) 与标准值之间的偏差。若这个步长为1 l s b ， 则该转换器的微分线性误差为零，否则就称它存在微分线性误差。用 公式表示为 s = a e a e 。 ( 2 3 卜1 ) 式中s 是微分线性误差，缸为实际的模拟量步长，血。为标准值。 为了说明线性误差和微分线性误差的区别，我们可以利用图 2 3 i 4 所示的d a 转换器传输特性曲线来说明。 1 9 第二章d a 转换器的基本原理和常见结构 l s b 0 0 0 0 0 1 0 1 00 1 11 0 01 0 l1 1 01 1 1 一 图2 3 1 - 4微分线性误差与线性误差比较 图中实线为理想的转换曲线，符号“。”为理想曲线所通过的点； 图中虚线为实际的转换曲线，符号“”为实际曲线通过的点。例如a 点所对应的线性误差与微分误差均为零。当从b 点变化到c 点时，所 对应的微分线性误差为1 l s b ，而c 点的线性误差仅为 l s b 。当从c 点 变化到d 点时，所对应的微分线性误差为一l l s b ，而d 点的线性误差 仅为- l s b 。 从图中可以看到，微分线性误差总大于等于线性误差。因此，只 要保证转换器的微分线性误差满足要求，线性误差一定是满足要求的。 在d a 转换器参数中，这是要求最苛刻的一个参数，并且它和线性误 差一样，不能通过外部电路进行调节。 2 3 2 动态性能参数 a 建立时间 它是描述d a 转换器特性的一个重要参数。它包括转换器输出满 量程变化建立时间以及输出幅度为1 l s b 时的建立时间。 第二章d a 转换器的基本原理和常见结构 输出满量程变化时的建立时间是更为重要的参数，它是指数字输 入从全0 突变到全l ( 或全1 突变到全0 ) 时，转换器的输出达到规定 误差带( 误差带一般为 嬲b ) 所需要的时间。其意义见图2 3 2 - 1 最终 输出 f， 堤差带( 士 t 。1 + 一建立时间+ 图2 3 2 1 建立时间示意图 当转换器的输出变化值为i l s b 时的建立时间就称为1 l s b 的建立 时间，这时的误差带一般仍为+ k l s e 。 b 尖峰 这是指d a 转换器的数字输入速度变化时，其模拟输出中可能出 现的尖峰波形，在高速o a 转换器中要求此尖峰信号越小越好。这个 参数将影响转换器动态工作时的精度。 第三章d a 转换器