半导体集成电路上

1、半导体集成电路南京理工大学电光学院D/AD/A变换器的基本原理变换器的基本原理D/AD/A变换器的基本类型变换器的基本类型电压定标电压定标电荷定标电荷定标电流定标电流定标A/DA/D变换器的基本原理变换器的基本原理A/DA/D变换器的常用类型变换器的常用类型积分型积分型ADCADC逐次逼近式逐次逼近式ADCADC- -ADCADC闪烁闪烁ADC(ADC(全并行全并行ADC)ADC)流水线流水线ADCADC折叠插值折叠插值ADCADCD/AD/A变换器的设计原则变换器的设计原则第十二章 A/D D/A转换器输入与输出量均为二输入与输出量均为二进制的数字，不是高进制的数字，不是高电平，既是低电平，

2、电平，既是低电平，在数字电路中表现为在数字电路中表现为“0”，“1”。01输入与输出量为连续变输入与输出量为连续变化的模拟量，在电路中化的模拟量，在电路中用连续的电压值或电流用连续的电压值或电流来标定来标定在照相的过程中，在照相的过程中，每一个像素点感受每一个像素点感受来自大自然的光，来自大自然的光，针对不同的光强及针对不同的光强及色度，呈现不同的色度，呈现不同的色彩，完成成像过色彩，完成成像过程程表征像素值的量表征像素值的量是模拟的值是模拟的值存储的数据是数字格式存储的数据是数字格式将模拟的信号转化成将模拟的信号转化成数字信号的过程数字信号的过程将存储数字的信号转化成将存储数字的信号转化成模

3、拟信号再现图像模拟信号再现图像数字处理数字处理（微处理器）（微处理器）预处理预处理(滤波、滤波、ADC）数字数字后处理后处理（数模转换（数模转换(DAC)）模拟模拟模拟模拟D/A 转换器的基本原理转换器的基本原理D/A基本基本D/A变换器变换器b0b1b2bN-1DKVVREFOUTK比例因子比例因子VREF基准电压基准电压D数字代码数字代码如如 ( (1101) )213148212121023 NREFOUTDKVV2102112012222NNNNbbbbD参考电压参考电压二进制开关二进制开关比例网络比例网络输出放大器输出放大器b0b2b3bN-1VREFDDVREFKVOUTD/A变换

4、器原理框图变换器原理框图K一、基本原理一、基本原理NNbbbbD22221322110)2222(1322110NNREFOUTbbbbKVVDKVVREFOUTNREFOUTDKVV2102112012222NNNNbbbbD)2222(1322110NNFSOUTbbbbVVVFS满量程输出电压满量程输出电压DAC的数的数学形式学形式NFSNoVV2) 12(max,)2222(1322110NNFSOUTbbbbVVVFS满量程输出电压满量程输出电压LSB，最低位，最低位MSB，最高位，最高位1110004.3750V111 4.375 110 3. 750 101 3.125 100

5、2.500 011 1.875 010 1.250 001 0.625 000 0.000 VV625.0253以以3位位DAC为例（设满量程为为例（设满量程为5V）NFSVV2(1LSB)输入数据每增加输入数据每增加1，理想，理想DAC的输出将增加的输出将增加1LSB。1LSB000 001111010100 101 11001101/21D/A数数据据锁锁存存输出采输出采样与保样与保持持实际应用中的实际应用中的D/A变换器变换器v电流定标电路电流定标电路v电压定标电路电压定标电路v电荷定标电路电荷定标电路3.按工作原理分：按工作原理分：v电流输出型：输出信号为电流（如电流输出型：输出信号为

6、电流（如THS5661A)v电压输出型：输出信号为电压电压输出型：输出信号为电压(如如TLC5620)1.按输出信号类型分：按输出信号类型分：2.按能否作乘法运算：按能否作乘法运算：v乘算型：基准电压可变的乘算型：基准电压可变的DAC(如如AD7533)DKVVREFOUT1.1.分辨率分辨率: :即即1LSB:DAC输入一个最低有效位输入一个最低有效位(LSB)，在输出端模在输出端模拟电压的变化量。取决于满量程和拟电压的变化量。取决于满量程和位数位数。一般：一般：如满量程如满量程5V，8位则分辨率为位则分辨率为 5/256=19.5mV(更多更多的时候直接用位数来表示分辨率）的时候直接用位数

7、来表示分辨率）2.2.建立时间建立时间: :一个数字量转换成稳定模拟量所需要的时间。一般电一个数字量转换成稳定模拟量所需要的时间。一般电流输出型较短，电压输出型较长。流输出型较短，电压输出型较长。3.:当N时,LSB0N N位位D/AD/A转换器的传输转换器的传输特性由阶梯曲线变为特性由阶梯曲线变为直线直线1LSB000 001111010100 101 110011无限精度特性无限精度特性（1）无限精度特性曲线）无限精度特性曲线（2） 失调误差失调误差失调误差也叫漂移误差，失调误差也叫漂移误差，定义为输入为零时的输出定义为输入为零时的输出模拟值模拟值由转换器中放大器失调产生由转换器中放大器失

8、调产生失调误差失调误差1LSB000 001111010100 101 110011理想输出特性理想输出特性（3） 增益误差增益误差增益误差又称比例误差增益误差又称比例误差，是指转换器实际的转，是指转换器实际的转换曲线和理想在满刻度换曲线和理想在满刻度时的差值时的差值( (当失调误差当失调误差为零时为零时),),以满刻度的百以满刻度的百分比表示分比表示1LSB000 001111010100 101 110011理想输出特性理想输出特性增益误差增益误差（4） 非线性误差非线性误差非线性误差表示实际转非线性误差表示实际转换曲线和理想曲线的最换曲线和理想曲线的最大偏差大偏差. .1LSB理想输出特

9、性理想输出特性000 001111010100 101 110011非线性误差非线性误差VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUT0D/A 转换器的基本类型转换器的基本类型0000D/A 转换器的基本类型转换器的基本类型000VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUT001VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUTD/A 转换器的基本类型转换器的基本类型8REFV0000 001 010VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2

10、b2b2b1b1b1b1b0b0VOUTD/A 转换器的基本类型转换器的基本类型0000 001 01028REFV0118REFV0VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUTD/A 转换器的基本类型转换器的基本类型8REFV38REFV000 001 010 01128REFV10028REFV58REFVREFV68REFV38REFV48REFV78REFV8REFV1LSB无限精度特性无限精度特性000 001111010100 101 1100110D/A 转换器的基本类型转换器的基本类型VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b

11、2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUT实际的简单电压定标实际的简单电压定标DAC电路图电路图VREFRRRRRRRRb1b2b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b1b1b1b0b0b0b0A-+VOUT缺点缺点:对于位数多的对于位数多的DAC，所需元件太多，面积大，功耗大，所需元件太多，面积大，功耗大优点：通常具有良好的精度优点：通常具有良好的精度VxCACBVREFS0S1复位阶段：复位阶段：S0、S1接地接地CA、CB放电，放电，VX=0VxCACB采样阶段：采样阶段：S0打开，打开，S1接至接至VREFVxCACBVREFBABREFxCCCVVVxCACBVRE

12、FS0S1BABREFxCCCVVTOTeqREFOCCVV 1133221102222NNeqCbCbCbCbCbCCCCCCCCCNNTOT22222211321)2.22(1210NNREFobbbVV优点：电容网络没有直流功耗，因此电路具有功耗低的特点优点：电容网络没有直流功耗，因此电路具有功耗低的特点缺点缺点:对于位数多的对于位数多的DAC，电容比大，电容比大连接到连接到VREF的的电容电容总电容总电容VOVREFS0CC/2C/4C/2N-1C/2N-1端接电容端接电容b0b1b2bN-1设设R0=R/2IR1A-+R1R2V1VO21111RIVRVIROR在电路内部产生二进制加

13、权电流，有选择地取和输出在电路内部产生二进制加权电流，有选择地取和输出VrefA-+R0VOR2R4R2N-1RI0b0b1b2bN-1010101011.基本电路基本电路211RRVVO)2.22(112100002NNrefObbbbRRVRIV)2.222(132210NNrefObbbbVVA-+R0VOUTR2R4R2N-1RVrefI0b0b1b2bN-1缺点：电阻值范围太宽缺点：电阻值范围太宽如：如：8位分辨率的位分辨率的DAC电阻值范围从电阻值范围从R到到128RA-+-+VO2R2R2R2RRR2R端接电阻端接电阻RVREFI0I1I2IN-1IOR-2R梯形网络电流定标梯形

14、网络电流定标DAC任何节点向右看去的电阻等于两个任何节点向右看去的电阻等于两个2R电阻并联电阻并联RRR102 .21RVRVIREFREF 2. R-2R梯形网络电路梯形网络电路b0b1b2bN-1优点优点:电阻阻值范围小电阻阻值范围小 存在问题：开关的导通电阻会导致误差存在问题：开关的导通电阻会导致误差任何节点向右看去的电阻等于两个任何节点向右看去的电阻等于两个2R电阻并联电阻并联A-+-+VO2R2R2R2RRR2R端接电阻端接电阻RVREFI0I1I2IN-1IOR-2R梯形网络电流定标梯形网络电流定标DAC)2.22(.12110111100NNREFNNObbbRVbIbIbII2

15、012 .21RVIIREF102 .21RVRVIREFREFNREFNRVI2 .1)2.22(12110NNREFOObbbVRIVb0b1b2bN-1解决方法解决方法v加伪开关加伪开关伪开关（常通）伪开关（常通）A-+-+VO2R2R2RR2R端接电阻端接电阻RVREFIOR-2R梯形网络电流定标梯形网络电流定标DACRRRR2RR/2 3. 电流驱动型电流驱动型优点优点:不需接输出缓冲器可直接驱动电阻负载不需接输出缓冲器可直接驱动电阻负载 存在问题：采用二进制编码输入，开关切换瞬间可能引起存在问题：采用二进制编码输入，开关切换瞬间可能引起很大的电流或电压尖峰。很大的电流或电压尖峰。I

16、out.I2I4I2N-2I2N-1IbN-1bN-2bN-3b1b0)2.22(22.221210101201NNNNNNoutbbbIIbIbIbIMOS-2MOS二进制权重电流源二进制权重电流源VbiasIout-Iout+b0b0b1b3b2b1b2b3IsumABCD电流在电流在A、B、C、D点被等分点被等分,类似类似R-2R网络网络优点优点:版图比版图比R-2R型要紧凑的多型要紧凑的多 I0I1I2I3201221sumIIIsumII210312221sumIII423221sumIII)2222(222243322103423120bbbbIbIbIbIbIIsumsumsum

17、sumsumoutIout.IIIIIb1b2b3b2N-2b2N-1共需共需2N-1个开关，采用温度计码形式输入个开关，采用温度计码形式输入采用单位电流源采用单位电流源优点优点:不需接输出缓冲器可直接驱动电阻负载，每次变化不需接输出缓冲器可直接驱动电阻负载，每次变化的位数少，电流或电压尖峰小的位数少，电流或电压尖峰小 缺点：需要复杂的译码单元缺点：需要复杂的译码单元如如3位二进制码对应的温度计码位二进制码对应的温度计码二进制码温度计码00000000000010000001010000001101100001111000001111101001111111001111111111111111电流驱动型的特点电流驱动型的特点v高电流驱动，不需要输出缓冲器驱动电阻负高电流驱动，不需要输出缓冲器驱动电阻负载，速度快载，速度快v其精度依赖于电流源的匹配程度，对于单位其精度依赖于电流源的匹配程度，对于单位电流源，需要的电流源数目多，如电流源，需要的电流源数目多，如N位的位的DAC需要需要2N-1个电流源；而对于二进制权重个电流