半导体集成电路-17DA与AD转换器

半导体集成电路知识要点复习数字集成电路输入与输出量均为二进制的数字，不是高电平，既是低电平，在数字电路中表现为“0”，“1”。01输入与输出量为连续变化的模拟量，在电路中用连续的电压值或电流来标定模拟集成电路现实生活中的电路系统在照相的过程中，每一个像素点感受来自大自然的光，针对不同的光强及色度，呈现不同的色彩，完成成像过程表征像素值的量是模拟的值存储的数据是数字格式将模拟的信号转化成数字信号的过程将存储数字的信号转化成模拟信号再现图像数字处理（微处理器）预处理(滤波、ADC）数字典型的信号处理系统框图后处理（数模转换(DAC)）DAC(DigitaltoAnalogConverter)：数/模转换器

ADC(AnalogtoDigitalConverter)：模/数转换器第12章D/A与A/D转换器模拟模拟本章内容提要D/A变换器的基本原理D/A变换器的基本类型电压定标电荷定标电流定标A/D变换器的基本原理A/D变换器的常用类型积分型ADC逐次逼近式ADCΣ-ΔADC闪烁ADC(全并行ADC)流水线ADC折叠插值ADCD/A变换器的设计原则本次课内容D/A变换器的基本原理D/A变换器的基本类型电压定标电荷定标电流定标基本原理分类技术指标D/A变换器的设计原则本次课小结§12.1D/A转换器的基本原理D/A数字信号模拟信号基本D/A变换器电压或电流量（设为VOUT）…b0b1b2bN-1K——比例因子VREF——基准电压D——数字代码如(1101)2参考电压二进制开关比例网络输出放大器b0b2b3bN-1…VREFDDVREFKVOUTD/A变换器原理框图K一、基本原理VFS——满量程输出电压DAC的数学形式VFS——满量程输出电压LSBMSB1110004.3750V111

4.375110

3.750101

3.125100

2.500011

1.875010

1.250001

0.625000

0.000以3位DAC为例（设满量程为5V）(1LSB)输入数据每增加1，理想DAC的输出将增加1LSB。数字输入码以VFS归一化的模拟输出值1LSB00000111101010010111001101/21D/A数字信号输入（并行）模拟输出数据锁存输出采样与保持串行数据输入实际应用中的D/A变换器控制信号电流定标电路电压定标电路电荷定标电路二、DAC的分类3.按工作原理分：电流输出型：输出信号为电流（如THS5661A)电压输出型：输出信号为电压(如TLC5620)1.按输出信号类型分：2.按能否作乘法运算：乘算型：基准电压可变的DAC(如AD7533)三、DAC的主要技术指标1.分辨率:即1LSB:DAC输入一个最低有效位(LSB)，在输出端模拟电压的变化量。取决于满量程和位数。一般：如满量程5V，8位则分辨率为5/256=19.5mV(更多的时候直接用位数来表示分辨率）2.建立时间:一个数字量转换成稳定模拟量所需要的时间。一般电流输出型较短，电压输出型较长。3.静态特性:是与时间无关的特性,反映静态工作时实际模拟输出接近理想特性的程度。用失调误差、增益误差、非线性误差和单调性等指标来描述。当N∞时,LSB0N位D/A转换器的传输特性由阶梯曲线变为直线数字输入码以VFS归一化的模拟输出值1LSB000001111010100101110011无限精度特性（1）无限精度特性曲线（2）失调误差失调误差也叫漂移误差，定义为输入为零时的输出模拟值由转换器中放大器失调产生失调误差数字输入码以VFS归一化的模拟输出值1LSB000001111010100101110011理想输出特性（3）增益误差增益误差又称比例误差，是指转换器实际的转换曲线和理想在满刻度时的差值(当失调误差为零时),以满刻度的百分比表示数字输入码以VFS归一化的模拟输出值1LSB000001111010100101110011理想输出特性增益误差（4）非线性误差非线性误差表示实际转换曲线和理想曲线的最大偏差.数字输入码以VFS归一化的模拟输出值1LSB理想输出特性000001111010100101110011非线性误差一、电压定标VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUT数字输入码以VFS归一化的模拟输出值0§12.2D/A转换器的基本类型000一、电压定标数字输入码以VFS归一化的模拟输出值0§12.2D/A转换器的基本类型000VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUT001一、电压定标VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUT§12.2D/A转换器的基本类型数字输入码以VFS归一化的模拟输出值0000001010一、电压定标VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUT§12.2D/A转换器的基本类型数字输入码以VFS归一化的模拟输出值0000001010011数字输入码以VFS归一化的模拟输出值0一、电压定标VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUT§12.2D/A转换器的基本类型000001010011100一、电压定标数字输入码以VFS归一化的模拟输出值1LSB无限精度特性0000011110101001011100110§12.2D/A转换器的基本类型VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUT实际的简单电压定标DAC电路图VREFRRRRRRRRb1b2b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b1b1b1b0b0b0b0A-+VOUT缺点:对于位数多的DAC，所需元件太多，面积大，功耗大优点：通常具有良好的精度二、电荷定标＋－VxCACBVREFS0S1复位阶段：S0、S1接地CA、CB放电，VX=0＋－VxCACB采样阶段：S0打开，S1接至VREF＋－VxCACBVREF二、电荷定标＋－VxCACBVREFS0S1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:对于位数多的DAC，电容比大连接到VREF的电容总电容＋－VOVREFS0CC/2C/4C/2N-1C/2N-1端接电容b0b1b2bN-1三、电流定标设R0=R/2IR1A-+R1R2V1VO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A-+R0VOUTR2R4R2N-1RVrefI0b0b1b2bN-1缺点：电阻值范围太宽如：8位分辨率的DAC电阻值范围从R到128RA-+-+VO2R2R2R2RRR2R端接电阻RVREFI0I1I2IN-1IOR-2R梯形网络电流定标DAC任何节点向右看去的电阻等于两个2R电阻并联RRR2.R-2R梯形网络电路b0b1b2bN-1优点:电阻阻值范围小存在问题：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2R电阻并联A-+-+VO2R2R2R2RRR2R端接电阻RVREFI0I1I2IN-1IOR-2R梯形网络电流定标DAC……b0b1b2bN-1解决方法加伪开关伪开关（常通）A-+-+VO2R2R2RR2R端接电阻RVREFIOR-2R梯形网络电流定标DAC△R△R△R△R△R/23.电流驱动型优点: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很大的电流或电压尖峰。如：输入0111111－>10000000Iout..….I2I4I2N-2I2N-1IbN-1bN-2bN-3b1b0MOS-2MOS二进制权重电流源VbiasIout-Iout+b0b0b1b3b2b1b2b3IsumABCD电流在A、B、C、D点被等分,类似R-2R网络优点:版图比R-2R型要紧凑的多I0I1I2I3Iout..….IIIIIb1b2b3b2N-2b2N-1共需2N-1个开关，采用温度计码形式输入采用单位电流源优点: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，电流或电压尖峰小缺点：需要复杂的译码单元如3位二进制码对应的温度计码二进制码温度计码00000000000010000001010000001101100001111000001111101001111111001111111111111111电流驱动型的特点高电流驱动，不需要输出缓冲器驱动电阻负载，速度快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N位的DAC需要2N-1个电流源；而对于二进制权重电流源则最大和最小电流源之比很大。根据实际应用场合从以下几方面权衡：§12.3D/A转换器的设计原则精度：速度：功耗:面积:如高精度仪表如图像处理如便携式仪器如要求低成本的设备小结DAC的基本原理DAC的基本类型电压定标电荷定标电流定标基本电路R-2R型电流驱动型DAC的设计原则§12.4A/D转换器的基本原理A/D数字信号模拟信号输入多路选择器采样保持A/D变换输出选通状态控制逻辑数字输出模拟输入b1b2bnA/D变换器框图一、基本原理积分型ADC逐次逼近式ADCΣ-ΔADC闪烁ADC(全并行ADC)流水线ADC折叠ADC二、常用的ADC结构类型三、ADC的主要技术指标1.分辨率:数字量变化一个最低有效位(LSB)所需的输入模拟电压的变化量。取决于满量程和位数。一般：如满量程5V，8位则分辨率为5/256=19.5mV(更多的时候直接用位数来表示分辨率）2.转换时间（速率）:完成一次从模拟量到数字量所需要的时间。积分型属ms级，慢速；逐次比较型，微秒级，中速；全并行，纳秒级，快速。3.量化误差:ADC的有限分辨率阶梯状传输特性曲线与无限精度传输特性曲线之间的最大偏差。通常为1LSB或1/2LSB。数字输出码1LSB无限精度特性0000011110101001011100110模拟输入

舍入式：1/2LSB舍尾式：1LSB1LSB无限精度特性0模拟输入§12.5A/D转换器的常用类型1.积分型A/D变换器（介绍目前较常用的双斜率积分型A/D变换器）初始状态:S2闭合,S1接至-VA起止信号VREF控制逻辑二进制计数器-VAS1S2VX比较器门控时钟信号R1数字输出C1控制逻辑二进制计数器-VAVX比较器门控时钟信号R1数字输出初始状态:VX=0VREF控制逻辑二进制计数器-VAS1S2VX比较器门控时钟信号R1数字输出变换过程:第一阶段S2打开，S1继续接至-VA控制逻辑二进制计数器-VAVX比较器门控时钟信号R1数字输出变换过程:第一阶段输入信号进行2N个时钟周期的积分VX从0开始上升。C1tVXVREF控制逻辑二进制计数器-VAS1S2VX比较器门控时钟信号R1数字输出变换过程:第二阶段S1接至VREF，S2保持打开VREF控制逻辑二进制计数器VX比较器门控时钟信号R1数字输出第二阶段：计数器清零后开始计数，VX下降：当VX下降至0时，计数器停止计数tVX计数双斜率积分器输出波形可变上升斜率VA1VA2固定下降斜率tVXn1n2双斜率积分型ADC的特点:1.结构简单，精度较高(可高达22位分辨率)，但是速度很慢。2.与普通积分型ADC相比,由于积分利用两个时间的比值，所以能消除大部分线性误差的影响。应用于低速、精确测量等领域，如数字电压表、数字万用表、智能化仪表及热电偶输出的量化。

计数器的计数值反映输入电压的大小2.逐次逼近式（SAR

）A/D变换器控制逻辑N位D/A变换器N位保持寄存器N位移位寄存器比较器模拟输入VA起止信号时钟b1b2b3bNMSB逐次逼近寄存器数字输出一种以相应数字代码按试探误差技术对输入信号进行逼近的方式工作的反馈系统.

初始状态：逐次逼近寄存器清零

MSB->1,若D/A输出小于VA则MSB不变,否则,用0取代1.照此方式,从高位到低位逐次试探,直到N个周期完成全部位的试探.逐次逼近式A/D变换器判断图000VA100110010101111011001100001010011101110111小于1/2VFS大于1/2VFS小于3/4VFS大于3/4VFS大于7/8VFS时钟周期时钟周期时钟周期逐次逼近ADC特点:结构简单，面积小，功耗低，精度高(最高达到18bit,如AD7641

)。但是由于算法原因，需要N个时钟周期才能完成转换，速度较慢。被广泛地应用于便携/电池供电仪表，工业控制和数据/信号采集器等

3.Σ-ΔA/D变换器根据前一采样值与后一采样值之差（即所谓的增量）进行量化编码的ADC

Σ-Δ调制器以远大于奈奎斯特频率的采样率对模拟信号进行采样和量化，输出一位的数字位流;数字滤波器滤除大部分经Σ-Δ调制器整形后的量化噪声，并对一位的数据位流进行减取样，得到最终的量化结果。闭环反馈环路使输出数字序列对应的模拟平均值等于输入信号的采样平均值

Σ-ΔADC特点及应用场合特点：1.具有较高的转换精度和性价比，且使用方便。如ADI的AD7760（20位分辨率）、TI的ADS1232（24位）。2.串行接口输出、外围器件少,低功耗3.转换速率低（一般不超过5000sps）应用场合：用于高精度的低频或直流信号测量的应用中。特别是数字音响系统，多媒体地震勘探仪器，声纳、电子测量，频率合成等领域。4.全并行（Flash)A/D变换器VREFRRRVin寄存器编码及输出CO7CO6CO1D2D1D0电压比较器Q7Q1Q6模拟输入电压Vin直接与各参考电压比较，当比较电压低于Vin时，所有的输出都是高电平；而当比较电压高于Vin时，所有的输出都是低电平。FlashADC的特点及应用场合特点：是已知结构中速度