（微电子学与固体电子学专业论文）一种12位高速cmos+dac的设计.pdf

兰州大学硕士学位论文 摘要 摘要 本学位论文设计了一个1 2 b i t 高速数模转换器( d a c ) 的i c 芯片。 随着计算机技术、信号处理技术、微电子技术的快速发展，先进的电子系统 不断涌现。在许多电子系统中，应用了数模转换器。特别是在无线通讯等领域， 需要用到高速的数模转换器。在通讯日益发达的今天，高速d a c 的前景广阔。 在比较了数模转换器的众多结构之后，本论文中的设计决定采用分段式的电流型 结构。其中，1 2 b i td a c 的中间4 位和高5 位被解码为温度计码，可以减小误差， 加快速度；低三位采用二进制码，可以减小面积。输入输出方式是并行输入、电 流输出，这也符合高遽的目标。 数模转换器的内部电路包括电流源矩阵、电压基准源等模拟电路模块，以及 译码电路和锁存器等数字电路，属于数模混合系统。由于本论文中的设计对数字 电路部分的要求比较严格，而且电路结构简单，所以采用和模拟电路一样的全定 制设计方法，即：使用原理图输入设计，全定制编辑版图，对版图进行届端的物 理和逻辑等验证以及后仿真验证。使用的是u n i x 环境下的c a d e n c e 中的e d a 工 具软件。 本论文中的设计是采用0 5 mn w e l l 、双多晶硅、双金属的5 v 标准c m o s 工艺实现的。芯片共2 8 个管脚，面积是2 r a m 2 2 m n = 4 4 r a m 。 关键词：数模转换器电流源矩阵电压基准源译码器分段结构 兰州大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rr e a l i z e sad e s i g no fa1 2 - b i th i g h - s p e e dd i g i t a l - t o a n a l o gc o n v e r t e r ( d a c ) w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y , d i g i t a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a n dm i e r o e l e e t r o n i c s t e c h n o l o g y , a d v a n c e d e l e c t r o n i c s y s t e m s a r e p r e s e n t e d c o n t i n u a l l y d a c s 眦a p p l i e dt os o m eo ft h e m e s p e c i a l l y , h i g h s p e e dd a c s a r e n e e d e di nt h ea r e ao fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n d u r i n gt h et i m eo ff a s td e v e l o p m e n to f c o m m u n i c a t i o n , t h eh i g h - s p e e dd a c i sv e r y p r o m i s i n g 。 a f t e rc o m p a r i n gw i t hm a n ys t r u c t u r e so fd a c ，t h es e g m e n t e da r c h r e e t u r eo f c u r r e n t s e a l i n g d a ci sd e c i d e d t h e1 2 - b i td a ci s s e g m e n t e d i n t oa5 - b i t t h e r m o m e t e r - d e c o d em s ba r r a y , a4 - b i tt h e r m o m e t e rd e c o d eu p p e rl s b ( u l s b ) a r r a y , t or e d u c ee l t o ra n di n c r e a s et h es p e e do fd a c ，a n da3 - b i tb i n a r y w e i g h t e d l o w e rl s b ( l l s b ) a r r a yt ol o d u c ca r e ao fd a c t h em o d eo fi n p u ti sp a r a l l e l i n p u t a n do u t p u ti sc u r r e n t - o u t p u t 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 s ( c a l ms o u r c ea r r a ya n dv o l t a g e r e f e r e n c e ) a n dd i g i t a lc i r c u i tb l o c k s ( d o d c r a n d l a t c h ) s oi t sa m i x e d s i g n a lc i r c u i t b u t ，b e c a u s et h ee l i i g i t a lp a w sd e s i g nd e m a n di ss t r i c ta n di t ss t r u c t u r ei ss i m p l e ，w e u s et h es a m em e t h o da sa n a l o g p a r t t od e s i g ni t 。h st od r a ws c h e m a t i ca n dc u s t o m i z e l a y o u tm a n u a l l y , e d i t d r c 、l v sf i l e st o v e r i f y t h e l a y o u t a n df i n i s ht h e p o s t s i m u l a t i o n as e r i e so fe d a t o o l so fc a d e n c ea r eu s e di nt h es u r r o u n d i n go f u n i x t h ec h i pi sf a b r i c a t e do nt h eo 5 a u mp r o c e s s ( n - w e l l d o u b l ep o l ya n dd o u b l e m e t a l ) t h ec h i ph a s 2 8 p i n s ，a n di t s 啪a i s2 m i n x 2 2 r a m = 4 4 r a m 。 k e yw o r d ：d i g i t a l t o - a n a l o gc o n v e r t e r ( d a c ) ；c u r r e n ts o u r c ea r r a y ；v o l t a g e r e f e r e n c e ；d e c o d e r ；s e g m e n t e d a r c h i t e c t u r e 娃 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进 行研究所取得的成果学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的 成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的 内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对 本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：匿l 色 日期：丝! ! ：! ! 关于学位论文使厝授权盼声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同 意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许 论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学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，可以采用任何复制手段保存和汇编本学 位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：丑盔l 导师签名；耋蕴垒望日期：皂竺矿 兰州大学硕士学位论文第一章引言 背景和意义 第一章引言 数字电路的发展已经日新月异，许多类型的信号处理已经转移到数字领域， 尤其在现代通讯领域，数字电路的应用越来越广泛，但同时我们又不可避免的要 用到对模拟信号处理的模拟电路，于是我们就很需要一个中间的转换电路来实现 数字信号和模拟信号之间的转换。数字模拟转换器d a c ( d i g i t a l t o a a l o g c o n v e r t e r ) 和模拟数字转换器a d c ( a n a l o g - - t o - - d i g i t a lc o n v e r t e r ) 就是个数 字世界和模拟世界的关口，来实现两种信号的互相转换。 我们在对很多自然信号的处理，如数字通信，机械，动力或是电子工程等众 多的领域中，都要用到数字信号和模拟信号的转换。有时我们需要对采集到的随 时间变化的某些物理量的连续函数信号用计算机来处理，然而计算机的处理的是 数字薰，这时我们就需要a d c 将这些模拟量转换为数字量。我们通过计算机对 量化的数字信号进行信息提取和处理，然后将这些数字量变成模拟量输出，用来 作为反馈或是我们可以更好理解分析和应用的模拟量，这时候我们就需要通过 d a c 来实现。 随着计算机技术、多媒体技术、信号处理技术以及微电子技术的发展，电子 技术的应用已经逐渐渗透到军事和民用领域的各个角落，不断推出先进的电子系 统。在现代先进电子系统的前端和后端都要用到模数和数模转换器，以改善数字 信号处理技术的性能，特别是诸如雷达、声纳、高分辨率视频和图像显示、军事 和医疗成像、商性能控制器与传动器以及包括无线电话和基站接收机等现代数字 通讯系统等，对高速离性能的模数和数模转换器的需求不断的增加。 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， 国外著名的公司如b b 、a d i 、h a r r i ss e m i c o n d u c t o r 、m a x i m 、富士通等都致力 于新一代d a 转换器的开发。在高速、高性能的d a 产品方面有b b 公司单片 数摸转换器d a c 9 0 x 己达到1 6 5 m h z ；a d 公司已做出a d 9 7 6 x 、a d 9 7 5 x 、 a d 9 7 4 x 三代数模转换器产品，其第三代产品a d 9 7 4 2 ，是1 2 位1 6 5 m h zd a 转 换器，d a 9 7 4 8 ，是8 位1 6 5 m h zd a 转换器；h a r r i ss e m i c o n d u c t o r 的i - 1 1 5 8 6 0 、 兰州大学硕士学位论文第一章引言 h 1 5 9 6 0 分别是1 2 位和1 4 位1 2 5 m h z 的d a 转换器；m a x i m 公司生产的 m a x 5 5 5 ，1 2 位3 0 0 m h z 的d ，a 转换器，富世通的m b 8 6 0 6 1 为1 2 位4 0 0 m h z 的d i a 转换器。 我国从7 0 年代开始研制a 佃转换器和d a 转换器，起步不算晚，至今已研 制出8 位、l o 位、1 2 位、1 4 位、1 6 位的d a 产品。典型的产品水平为8 位d a ， 转换速率为4 0 m s p s ，1 2 位d a 的转换速率为3 0 m s p s 。对比国内外d a 的产 品可以看出，国内目前在高速a 仍、d a 方面的研究与国外还有较大的差距。所 以自行设计高速高性能d a c 对于我国的军事、医疗设备和数字通讯系统的发展 有着举足轻重的意义。 数模转换器的发展状况 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，它是因人类 生产生活的迫切需求而产生发展的，其发展的每一步都和当时最新的科学技术相 联系。 4 0 年代后期，人们开始了数字通讯领域的研究和实践，例如研究脉冲编码 调制式通讯。它要求发送部分能将要传送的声音、图像等连续变化的模拟量转换 成数字形式发送出去，而接收部分将接收到的数字信号还原成声音、图像等模拟 量输出，于是研制了电子管构成的数模和模数转换器，使可靠经济的数字通讯得 以实现。 随着晶体管工艺的发展和成熟，到5 0 年代后期，转换器中的电子管逐渐被 晶体管代替，使转换器的重景和体积得以大大的减小。 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经陆续实 现了集成化，特别是集成电路运算放大器已开始进入大规模工业生产阶段。在此 基础上人们逐渐摒弃了全部由分立元器 牛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， 2 兰州大学颈士学位论文 第一章日i 言 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，还是由集成电路附加许多分立 元器件组装的转换器，都被称为组件型转换器。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) 上构成的整体电路。薄膜 集成电路的膜厚通常在l g m 以下。厚膜集成电路是采用丝网印刷、喷涂、聚合 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) 上构成的整体电路。厚膜集成电路的膜厚一般 为几微米到几十微米。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，从而大大降低了成本，提高了可靠性。从此，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 路可采用离速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进。 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 c m o s 和i 2 2 m o s 工艺技术，使速度和精度方面占 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 3 兰州大学硕士学位论文第一章引言 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。例如用于视频调色现实的视频数模转 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 转换成模拟音频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，是模拟集成 电路和数字电路彼此融合在一起，为数模混合信号系统的设计开创了良好的先 例。 d a c 的最初的结构是通过权电阻的形式来实现的，然后发展出了倒t 型网 络d a c ，现在的d a c 大多是通过电流源形式来实现的集成d a c ，其精确度和 各项性艨参数都褥到了很大的提高。本文将就d a c 的结构，发展，以及本人所 参与设计的d a c 的具体电路和性能参数等做详尽的讨论。 本文的讨论分以下章节进行： ( 1 ) 第二章讨论了d a c 的基本的概念，它的一些基本的性能参数的意义以及 d a c 的发展过程中几种典型的结构。 ( 2 ) 第三章对我所参与设计的d a c 结构特点做整体介绍和描述，并讨论该 d a c 的模拟部分的电路结构，电路特点和仿真结果，其中包括基准源， 运放，开关电路和电流源矩阵等；该d a c 数字部分的电路结构、特点、 逻辑功能和仿真结果，其中包括锁存器，解码电路等。 ( 3 ) 第四章讨论了用于d a c 版图编辑绘制的工具以及d a c 关键模块版图编 辑绘制的细节特点，并绘出了利用从d a c 版图中提取出的参数进行后仿 真的步骤和结果。 ( 4 ) 经过流片得到实际芯片后要进行封装和测试工作，以检测设计的目的是否 达到，以及在前述设计工作中的不足之处，以期改进。本文的第五章就详 细介绍了封装和测试的内容，并给出了测试的结果和结果分析。 ( 5 ) 对本文工作进行总结，并讨论本设计有待改进和完善的地方。 4 兰州大学硕士学位论文 第二章数模转换器的缀理和常用结构 第二章数模转换器的原理和常用结构 2 1d a c 的基本概念 d a c 的功能就是将数字量转换成模拟量，通常这种转换是线性的。一个电 压输出的d a c 可以用图2 - 1 的框图表示。它由n - b i t s 数字输入( b o tb l ，b z ， b n 1 ) 和一个参考电压v r e f 构成，其中b n _ 1 被称为最高有效位( m o s ts i g n i f i c a n t b i t ， 简写为m s b ) ，而b o 被称为最低有效位( 1 e a s ts i g n i f i c a n tb i t ，简写为l s b ) 。电 压输出v t 可以用下式表达： v o o t 。五y m f 甘 这里的k 是比例系数，数字量b 按权展开为： 曰一鲁+ 参+ 争”+ 等 所以d a c 的输出为式( 2 1 3 ) 所示： v 。鼢岳e + 歹b 1 + 争”- + 等) 同理，一个电流输出的d a c 的输出可以用下式表示： t 。一。c 誓+ 参+ 争+ ”+ 净 图2 - 1d a c 框图 5 v o u t ( 2 1 ，1 ) ( 2 ，1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 兰州大学硕士学位论文 第二二章数模转换措的原理和常用结构 数模转换器的基本工作原理就是基于权的控制，即权电压或是权电流的相 加。 d a c 数字输入可以采用多种形式，但是必须是最终容易转换为模拟量的形 式。d a c 中通常用的有三种形式：二进制码，温度计码和n 选一码，他们都是 由0 和1 构成。从表2 - 1 的真值对照表我们可以看出，后两种格式看起来更直观。 温度计码的每一列由底部的j 个1 和顶部的k 个o 构成，j + k 是个常数， 而此时的温度计码的值就对应十进制码的j 。如表2 - 1 中，十进制数3 对应的温 度计码就由底部为三个1 和项部为一个0 的列构成。温度计码之所以如此命名就 是因为它像温度计一样，通过不断的累积1 来实现数字的增长。 在n 选1 码中，每一位数都只对应该列中的一个1 ，而此列中其余的都是o ， 如表2 - 1 中，十进制数3 对应的n 选1 码就是从底往上数第三个为一而其他为o 的一列数。 虽然温度计码和n 选1 码都远没有二进制码紧凑，尤其在数值比较大时，但 是他们在d a c 中却是经常用到的很关键的码制。 褒2 1 二进剖码，温度计码和n 选1 码真值对照表 十进制数0 123 二进制数 0 00 11 01 1 oooo oool 温度计码 0011 0111 0000 0001 n 选1 码 oo1o 01 00 2 2d a c 性能参数 d a c 的性能参数主要有两类：静态参数和动态参数。 6 兰州大学硕士学位论文第二章数模转换器的原理和常用结构 2 2 1d a c 静态性能参数 一、分辨率 d a c 的分辨率，即为电路所能分辨的最小输出电压增量v l s b 与满刻度输出 电压v 。之比。而最小输出电压增量，就是输入数字量中最低位( l s b ) b o 状态 变化引起对应输出电压变化的幅值v l s b 。由d a c 转换特性可知，当v k 一定时， 输入数字量位数n 越多，v l s b 就越小，分辨率为： 分辨率= 等一击( 2 2 - 1 ) 即说明n 越大，d a c 的分辨能力越高。 实际中也常用位数来表示分辨率。 二、精度 精度是实际输出值和理想输出值之差。这种差值是由转换过程中的各种误差 引起的，它反映了实际输出曲线和理想输出曲线之间的最大偏差。它是失调误差、 线性误差、增益误差和噪声等因素累加的结果。 数模转换器的糟度包括绝对精度和相对精度，通常说的精度是相对精度。精 度有两种表示方法，一种是用满量程的百分比表示( f s r ) ，一种是以最小模 拟输出量( l s b ) 为单位表示的。 三、误差参数 数模转换器在静态时的基本误差包括以下几种：失调误差、增益误差、微分 线性误差和积分线性误差。对于前两种误差是可以通过外围电路进行调整的，而 对于后两种误差，用户是无法进行调整的。 1 失调误差 数模转换器的失调误差是指模拟输出的实际起始值和理想起始值之间的差 值，如图2 2 所示。对于单极性d a c ，起始值是零，而对于双极性d a c ，其 起始值是负满偏刻度值。 失调误差通常用满量程百分比( f s r ) 或l s b 为单位来表示。 7 兰州大学硕士学位论文 第二章数模转换器的原理和常用结构 键! 土： 节j ：毒朔峰差：，： 图2 - 2 失调误差 2 增益误差 数模转换器的输出特性曲线的实际斜率和理想斜率之间的偏差值称为增益 误差。 当失调误差调整后，增益误差可以表示为满量程输出的实际僮与理想值之问 的差值。增益误差通常用满量程百分比( f s r ) 或l s b 为单位来表示。 ：增鼙餐差+ ： 图2 - 3 增益误差 3 微分线性误差 微分线性误差( 也叫微分非线性，d i f f e r e n 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。可表示如 下： d n l k 一盖kl x a , i t 一1 l s b ( 2 2 2 ) 8 兰州大学硕士学位论文 第二章数模转换器的膀l 理和常用结构 微分线性误差是d a c 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 大于1 l s b ，则输出会出现非单调的情况，也就是输出不再是输入的 单调函数了。如图2 - 4 ，随着输入的增加，输出反而出现了下降的非单调情况， 这是我们在实际中不希望看到的，是我们必须采取措施防止发生的， 4 。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总的偏差值。可以用下式定义： t i n l 。善q d n l ， ( 2 2 3 ) ；：聱粤甥性：- ! ： 图2 _ 4d a c 单调性误差 图2 - 5d a c 线性误差 9 兰州大学硕士学位论文第二章数模转换嚣的原理和常用结构 这里的微分非线性是一个“微观”量，它显示的是数模转换器在数字输入发 生变化时它的模拟输出的均匀性。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，它的性能就好，反之， 如果它对应的模拟输出不是1 l s b ，那么数模转换器的输出就不均匀，微分线性 误差就是实际输出跳变和i l s b 之间的差值。而积分非线性是一个“宏观”量， 它反映的是微分非线性的累积情况，也就是在从数字输入从全0 到全1 的逐步转 换的过程中，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 中我们可以看出，当数字输入0 1 1 跳变到1 0 0 时，模拟输出的变化量是1 3 l s b ， 所以其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0 3 l s b ，所以其i n l = - - 0 3 l s b 。 2 2 2d a c 动态性能参数 一、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。 建立时闻是指：从输入的数字量发生突变开始，直到输出的模拟量与稳态相 差- + 0 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，所以一般产品说明中给出的都是输入从全0 跳变为全1 ( 或从全1 跳变到全o ) 时的建立时间。 建立时间是数模转换器的个重要参数，尤其在高速应用场合。 f l 事 j 人 t 一 ， 矬 ， 、一 口 厂a _ 弋一。 一 ：一t 图2 6建立时间 1 0 兰州大学硕士学位论文第二章数模转换器的原理和常用结构 二、无杂散动态范围 数模转换器的动态范围( d y n a m i cr a n g e ，简写为d r ) 是指最大输出和最 小输出的比值( 最小输出是对应1 l s b 输入时的输出值) 。如果考虑由数字输入 通过数模转换器重构波形的波谱，就会发现，除了期望的波谱外，输出信号中还 包含了噪声和失真。无杂散动态范围( s p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e ，简写为 s f d r ) 就是用来描述失真情况的。s f d r 可以定义为某一特定频带内信号功率 和杂散功率的比值。s f d r 通常用d b 做单位，它可以用下式表示： s f d r ( d b c ) = 1 0 - l o g ：( 磊凳魏条) 爿州o g f 矧( 2 2 - 4 ) 这里的x 1 是基波值的均方根，墨是最大杂散信号的均方根。 我们通常通过一个单音正弦波的输入来检测s f d r ，有时候也用双音或是多 音的谐波输入来检测，这要视数模转换器的应用场合而定。 2 3d a c 的常见结构 通常，d a c 包括三个部分：电压基准源、加权网络和模拟开关网络。这其 中，以加权网络的实现最为多样化，所以，根据加权网络和其他部分实现方法的 不同，d a c 的结构可以分为电流型、电压型和电荷型等几大类，而每个大类又 包括一些小的分类，下面将作以简单介绍。 2 3 1 电流型d a c 一、权电阻d a c 图2 7 是权电阻d a c 的电路，它由基准电压源、电子模拟开关、权电阻网 络和求和放大器等组成。 图中包含n 个并列支路，每个支路由一个模拟开关和一个电阻串连组成。电 阻网络中电阻阻值从m s b 位到l s b 位每一位的电阻值是相邻高位的2 倍，使各 支路电流l 诸位递减1 2 ，从而使流过每个电阻的电流与该位的权值成正比例。 开关的位置由输入数字信号控制，输入信号为“1 ”，则该位开关位置接参考电压， 反之接地。 兰州大学碗士学位论文第= 章数模转换器的原理和常用结构 r 上 b ib l b n 一1 图2 - 7权电阻d a c 集成运算放大器作为求和权电阻网络的缓冲器，使输出模拟信号不受负载变 化的影响，将电流装换成电压输出，且可通过改变反馈电阻r f 的大小来调节转 换系数。 对于一个任意的二进制数字输入，网络输出的总电流i o 等于各电流分量的 和，即： l 一薹m 薹惫础一惫( 2 3 - 1 ) 通过求和运放，输出电压为： “。一一r ，。一一i - r ：7 百u rz - - 曰。2 ( 2 3 - 2 ) 权电阻d a c 是实现数字一模拟转换的最简单的一种网络结构，它的电路简 单、直观，便于理解d a c 的工作原理，但是电阻网络中电阻种类太多且范围宽， 这给保证转换的精度带来困难，同时集成也十分的困难。因此这种结构的d a c 很少见到产品，仅在某些特殊电路中以分力元件的形式出现。 二、分组衰减的权电阻d a c 为了克服权电阻d a c 中的上述缺点，在构成d a c 时，可以采用分组衰减 的电阻网络。把n 位电阻网络分成若干组，组内各位仍采用符合二进制权系数关 系的权电阻，组间加衰减电阻进行分流。图2 - 8 为分组衰减的权电阻( 8 位) 的 一个实例。 兰州大学硕士学位论文 第二章数模转换器的原理和常用结构 b 7b 6b 5b t b 3b 2b 1b 0 图2 - 8分维衰减权电阻d a c 构成的d a c 为8 位，分为两组，每组4 位。组内权电阻为r 、2 r 、4 r 和 8 r ，组间分流电阻为r 。和r b 。因为每组为4 位，故组间对应权电流衰减系数应 该为1 6 ，所以第二组注入到p 2 节点的电流应该是注入到p 1 节点的电流的1 1 6 。 取“为组中最大的权电阻值8 r ，则可算出r b 应该是7 5 r 。在该d a c 中用到 的电阻值有：r 、2 r 、4 r 、7 5 r 和8 r ，电阻的种类大为减少，这给工艺实现带 来了很大的方便。由此可以看出，用分组衰减的方法，可使d a c 电阻网络中的 电阻阻值范围大大的减小。如果采用更少的位数分组的话，还可使电阻范围进一 步缩小( 例如3 位或是2 位一组等) 。当变为一位一组时，就只用到两种阻值的 电阻：r 和2 r ，这就变成了我们下面将要介绍的另外一种d a c _ r 一2 r 倒梯 形电阻网络d a c 。 三、r - 2 r 倒梯形电阻网络n a c 图2 - 9 显示了r ，2 r 倒梯形电阻网络d a c 的电路结构。 r l b n - 1 b 1 b0 图2 - 9r 一2 r 倒梯形电阻网络d a c 1 3 兰州大学硕士学位论文第二章数模转换器的原理和常用结构 通过计算可得，r 一2 r 倒梯形电阻网络d a c 的总的输出电流1 0 为： 小寺峨争舢。歹i + b o - 一妻。2 ”1 + 鼠一2 2 ”2 + b 。2 1 + b 0 2 。) ( 2 3 - 3 ) 2 互1 n 禽 - b t 2 总的输出电压u 。为： u 。一一j 。q 一- 1 2 r 。, 禽b 。2 ( 2 3 - 4 ) r 2 r 倒梯形电阻网络d a c 克服了权电阻网络d a c 电阻种类繁多的缺点， 但本身也存在不足。例如梯形电阻网络相当于传输线，从模拟开关动作到倒梯形 电阻网络建立稳定的输出，需要比较长的一段时间，转换器的位数越多，需要的 时间就越长，这严重的影响了d a c 的速度。而且，当n 位开关同时导通时，由 于各级传输信号传输到输出端的时闻不一致，会存在很大的瞬时尖峰脉冲。 四、电流源型d a c 权电流源型d a c 是用有源器件( b i t ，或是m o s 管) 代替权电阻网络中的 电阻，构成加权电流源，来提供加权电流。与电阻加权型d a c 相比，权电流源 的速度快，对开关的寄生参数不敏感，而且精度得到了提高。而权电流源根据加 权形式的不同，常用到二进制加权电流源和温度计码加权电流源，关于温度计码， 已在前面做过介绍。图2 一l o 就是二进制加权电流源d a c 的电路结构图。 b r , 1 b l 图2 1 0 二进制加权电流源d a c 1 4 兰州大学硕士学位论文 第二章数模转换器的原理和常用结构 二进制加权电流源d a c 的原理和权电阻网络d a c 的相似，只是在这里用 二进制加权电流源提供的电流来代替电阻网络中电阻提供的加权电流。这可以用 两种方法实现，一种是通过改变晶体管的尺寸来实现，例如对于m o s 管来说， 只要改变w l 的值，使从l s b 到m s b 的每相邻两位的w l 值成二倍关系，就 可以实现二进制权电流：二是改变相同晶体管构成电流源的个数，如提供给相应 b 0 数字输入的最低位l s b 电流的m o s 管尺寸为w l ，则提供给b 1 对应的电流 源应该由两个尺寸都为w l 的m o s 管构成，以此类推，则第n 位对应得电流源 应该由2 ”1 个尺寸为w l 的m o s 管构成。 我们可以通过计算得出d a c 的总的输出电流为： z o _ j 妊k l 。2 4 - 1 + 玩- 2 2 “一2 + + 马2 + b o 2 0 j ；，2 1 5 总的输出电压为： u 。；一侬，z 垦2 ( 2 3 - 6 ) 温度计码加权电流源d a c 结构如图2 1 1 所示。 图2 - 1 1 温度计码加权电流源d a c 温度计码加权电流源d a c 先将二进制码转换成温度计码，然后温度计码的 每一个输出控制一个电流源开关的开启与关断，温度计码与二进制码的关系对照 表在前面已经给予了说明，在此就不再赘述。 兰州大学硕士学位论文 第二章数模转换器的原理和常用结构 2 3 2 电珏型d a c 电压型d a c 原理图如图2 1 2 所示： r v ( a ) r l 【v c 孝- 2 ) l ；l ：。刚r 们l + 聿：一6 们 e 田 b r - ib 蚰一4 8 0 圈2 - 1 2 电压型d a c 结构原理图 电压型d a c 采用的是电阻式分压。对于n 位的d a c ，基准点压u r 被2 “个 电阻值相同的电阻分压，各分压点的电压值为： v o 一争x o ，v ( 2 - 2 ) m x ( 2 - 2 ) v ( 2 4 一1 ) 一争x ( 2 ”一1 ) 。( 2 3 - 7 ) 每一个分压点与一个对应的模拟开关相连，模拟开关的状态由数字输入信号 b o 、b 1 等经过译码后控制。当数字输入信号b 为b 时，译码输出使开关s ( i ) 闭合，而其他开关断开，此时d a c 的输出是： v ( i ) 。等x i ( 2 3 - 8 ) 电阻分压式的转换器只需要用到一种电阻，容易保证制造精度，即使电阻出 现较大的误差，也不会出现非单调性，这是它的优点。但是对n 位二进制输入的 这种结构的数模转换器来说，需要2 “个这样的分压电阻，以及同样数量的模拟 开关，所以随着位数的增加，其所需元器件的数量会呈几何级数增加，这是它的 缺点。这种结构单独用来做一个d a c 的情况比较少见，但是它却在逐次逼近式 a d c 中常用到，尤其在位数低于8 位时。 兰州大学硕士学位论文第二章数模转换器的原理和常用结构 2 3 3 电荷型d a c 电荷型d a c 是通过在电容阵列中重新分配总的电荷来进行工作的。它的结 构如圈2 1 3 所示： 一一。1 l l b i n - 1 b z t - 2 b o 图2 1 3 电荷型d a c 结构原理圈 如图中所示，电荷型d a c 正常工作需要一不交叠的鹾相时钟。在中2 时刻， 所有电容的上下极板接地，对地进行放电。接着，在中1 时刻，所有输入为“1 ” 的位所控制的开关连接到基准电源u 。上，而所有输入为“0 ”的位所控制的开关 连接到地上。此时连接到u r 上的总电容为： ，1r， c c q - - - - - b o j 旨+ 曰l j 兰f + - + 曰。1 詈；p 0 2 “+ b t 2 1 ”+ _ + b 。一1 2 “) 2 c ( 2 3 9 ) 连接到地上的总电容为： c 一2 c c 。2 【1 一( b 0 2 ”+ 马2 “4 + + 只1 2 “) 】+ 2 c ( 2 3 1 0 ) 其中b 0 2 ”+ b 2 “+ + b 。2 “为数字输入， 此时，电压输出为：u 。= ( 口0 2 ”+ 最2 “+ + 曰2 - 1 ) u ，实现了数模 转换的功能。 电荷型d a c 的优点是精度教高，但是却有着面积大，对寄生电容敏感等缺 点，而且还需要两相时钟，增加了设计制造的复杂度。 除了上述的几种比较经典传统的d a c 结构外，现在还出现了一d a c 和 带有自校准电路的d a c 等。随着工艺和技术水平的不断提高，d a c 的性能，精 度和速度等都得到了大幅度的提离。 1 7 兰州大学硕士学位论文 第三章电路设计及仿真结果 第三章电路设计及仿真结果 3 1 本设计的总体结构 通过上一章我们对不同类型d a c 的介绍，通过比较它们的优缺点，结合本 设计对高速的要求，我们糇体上采用并行输入的分段式电流型d a c 的结构，这 是基于以下几点考虑得出的； 首先：相对于串行输入的方式来说，并行输入的速度更快：其次电流输出相 对于电压输出也有高速的优点。选择了电流输出的方式，我们相应的选择电流源 加权网络，这样就省去了电压和电流之间的转换，这也符合高速这个目的。 由于电流源型d a c 又有二进制加权型和温度计码加权型两种，通过对比它 们的优缺点，最终做一个折中的选择。 1 ) 。二进制电流源加权型d a c 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，而且所需要的电流源个数很少，所以面 积比较小；温度计码电流源加权型d a c 结构比较复杂，需要从二进制码到温度 计码的译码过程，增加了电路的复杂程度，而且电流源的个数会随着数字输入位 数的增加而指数的增加，所以面积就会非常的大。相应的功耗等问题也会随之指 数的增加。 2 ) 匹配问题对二进制电流源加权型d a c 的影响很大。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 c 为例，当数字输入从0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 跳 变到1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 时，最高位的输出值和其余位输出的和的差值必须小于o 5 l s b ， 这是很难实现的。但是对于温度计码电流源加权型d a c ，只要能够保证5 0 的 匹配度，就能够达到d n l 小于0 5 l s b 的要求。 3 ) 对于二进制电流源加权型d a c 来说，由于开关的动态行为引起的竞争 冒险，在输出信号处会产生毛刺，这将影响d a c 的建立时间，减小速度。尤其 是在中间编码处，如从0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 跳变到1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 时，所有的开关都打开 或是关闭，这时的情况是最坏的。而对于温度计码来说，无论是在中间编码处还 是在其他情况下，1 l s b 的跳变引起的只是一个开关的动作，所以开关的动态动 作引起的竞争冒险对d a c 的速度影响就会小很多。 1 8 兰州大学硕士学位论文第三章电路设计及仿真结果 通过以上对比我们最后选择了3 + 4 + 5 的分段式结构，即低三位用二进制加 权的结构，中间4 位和高5 位采用温度计码加权的结构。5 位m s b s 经过解码成 为3 1 位温度计码的输出；4 位u l s b s ( u p p e rl s b s ) 也经过解码成为了1 5 位温 度计码的输出；3 位l s b s 没有经过解码，但是经过了延时，以保持时序的一致 性。本设计的结构框图如图3 一l 所示： ：。：。 数孚辅入( d o d 1 1 ) ：_ 图3 - 1d a c 功能结构框图 本文设计的d a c 的电流源由能够提供2 0 m a 总电流的大p m o s 电流源阵列 组成。该阵列被分为3 1 路相等的电流源，他们组成了5 位最高位( m s b s ) 。接 下来的中间4 位( u l s b s ) 由1 5 路电流值等于一个m s b 位电流1 1 6 的电流源 组成。而低3 位( l s b s ) 是中间位电流源的二进制加权部分。用电流源代替r 2 r 倒梯形电阻网络实现中间位和低位，可以增强高频和低幅信号的动态性能，还可 以使d a c 的输出阻抗高达1 0 0 k q 。 所有这些电流源都是由p m o s 差分开关控制，已输出到输出节点i o u t a 或 i o 啪。本文设计的差分开关及其驱动电路采用了一种新技术，可以有效地减小 失真的问题。该新开关结构一方面可以减少变化延时的误差，另一方面可以为差 分开关提供良好的匹配驱动信号。 整个d a c 由锁存器，解码电路，开关阵列，p m o s 电流源阵列( 包括二进 制加权电流源和温度计码加权电流源) 、1 2 2 v 的电压基准源和参考源控制运放 等模块构成。其中锁存器和解码电路属于数字电路范围，而电流源阵列、开关阵 1 9 兰州大学硕士学位论文 第三章电路设计及仿真结果 列、电压基准源和参考源控制运放模块属于模拟电路部分。为了降低数模串扰误 差，d a c 的模拟部分和数字部分分别有自己的电源和地，电源可以在3 - 5 v 之 间变化。 通过对外部电阻r s g r 的调节，经过参考源控制运放的作用，满偏电流输出 能从2 m a 变化到2 0 m a 。而且，通过对输入端r e f l