八位电阻式数模转换器

八位电阻式数模转换器摘要：伴随着新型半导体技术和通信技术的发展，众多先进电子产品在各行各业中层出不穷。在这些新的技术和产品中，数据转换器（dataconverter）是不可或缺的一个重要模块，他负担着在用数字码来反映编码信息的信号（数字信号）和用幅度来表示编码信息的信号（模拟信号）之间的相互转换的作用。本文所要讨论的便是数模转换器。数模转换器在数字处理系统中有着广泛的应用，集成电路的大规模化、数模混合系统及片上系统（SOC）的趋势需要高性能的数模转换器，例如更高的速度、更高的分辨率、更低的功耗和低电压工作等。本文设计了一个8位电容式数模转换器。关键词：数模转换器；电阻式；二进制；信号TOC\o"1-5"\h\z1绪论 11.1研究背景及意义 11.1.1研究背景 1\o"CurrentDocument"1.1.2研究意义 1\o"CurrentDocument"1.2数模转换器的发展概况 1DAC概述 22.1数模转换器的基本概念 2D/A转换器的性能指标 2\o"CurrentDocument"D/A转换器的转换精度 2D/A转换器的转换速度 3\o"CurrentDocument"2.2.3输出毛刺 32.2.4误差分析 42.3数模转换器的常见结构 5\o"CurrentDocument"2.3.1权电阻网络D/A转换器 5\o"CurrentDocument"R-2R梯形倒T形电阻网络DAC 6\o"CurrentDocument"2.3.3倒T形电阻网络D/A转换器 6\o"CurrentDocument"2.3.4权电流型D/A转换器 8\o"CurrentDocument"2.3.5电压型D/A转换器 82.3.5权电容网络D/A转换器 9DAC的电路设计及其仿真 103.1本论文电阻网络的选择 10\o"CurrentDocument"3.2电阻网络设计 11\o"CurrentDocument"3.3开关电路的设计 12\o"CurrentDocument"3.4电路的仿真结果 14\o"CurrentDocument"参考文献 171绪论1.1研究背景及意义1.1.1研究背景自然界中的物理量，就其表现形式来看，可以分为数字量和模拟量两种。将模拟量转换成数字量的装置称为模数转换器，简称为ADC，将数字量转换成模拟量的装置称为数模转换器，简称为DAC。数据转换器作为数字量和模拟量之间的转换工具，现已被广泛应用。目前在数模转换器器的研究与制造方面，我们国家的技术水平与国外的先进水平有较大的差距，这在很大程度上抑制了我们国家的发展与进步，这迫使我们必须加强学习与研究，努力研发高性能的的数据转换器。1.1.2研究意义随着数字技术，尤其是计算机技术的快速发展与普及，在通信、现代控制、检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。因此，就需要一种媒介使得模拟信号与数字信号能相互转换——模数和数模转换器。1.2数模转换器的发展概况随着人们对生产技术的要求的不断提高，数模转换器的发展经历了电子管、品体管、集成电路三个阶段。四十年代后期，人们开始了对数字通信的研究和实践，例如研究脉冲编码调制式通信。它要求发送部分能将要传送的温度、声音等连续变化的模拟量转换成数字量发送出去，而接收部分能把收到的数字信号还原成温度、声音等模拟量。于是研制出了由电子管组装的A\D转换器和D\A转换器，使这种可靠的、经济的数字通信得以实现。随着晶体管工艺的发展和成熟，到五十年代后期，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，成本降低。随着数字计算机的兴起、发展和应用领域的不断扩大，集成电路和转换技术迅速发展。到六十年代中期，结构数模转换器的主要功能单元电路一一如运算放大器、基准电压源、电阻网络、模拟电子开关和逻辑控制电路等已陆续实现了集成化。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，简化了组装结构降低了生产成本。2DAC概述2.1数模转换器的基本概念数模转换器，又称D\A转换器，简称DAC，它是把数字量转变成模拟量的器件。D\A转换器基本上由四个部分组成，及权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。下图2.1为数模转换器实物图:2.1D/A转换器的性能指标2.2.1D/A转换器的转换精度D/A转换器的转换精度一般用分辨率和转换误差来描述。D/A转换器分辨率为模拟输出电压可能被分离的等级数。n位DAC最多有2n个模拟输出电压。位数越多D/A转换器的分辨率越高。分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给1出。n位D/A转换器的分辨率可表示为2^1。转换精度是指对给定的数字量，D/A转换器实际值与理论值之间的最大偏差，如图2.2.1所示。图中的虚线表示理想的D/A转换特性，它是连接坐标原点和满量程输出（输入全为1）理论值的一条直线。实线表示实际可能的D/A转换特性。产生误差是因为D/A转换器中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳定、运算放大器的零点漂移、模拟开关的导通内阻和导通压将等等因素。

图2.2.1D/A转换器的转换特性曲线数字量输入由镣*图2.2.1D/A转换器的转换特性曲线数字量输入由镣*希螂D/A转换器的转换速度通常用建立时间tse来定量描述D/A转换器的转换速度。建立时间是从输入的数字量发生突变开始，直到输出电压进入与稳态值相差土1LSB范围以内的这段时间。2图2.2.2为建立时间的参考图: 建立时间:: 建立时间:图2.2.2建立时间2.2.3输出毛刺毛刺是当输入码字发生半量程转换时在DAC模拟输出端产生的尖峰脉冲，如图2.2.3所示。r>igiEgl;Inp^t图2.2.3输出毛刺Jr>igiEgl;Inp^t图2.2.3输出毛刺JA■0■ndwoywKY2.2.4误差分析造成D/A转换器误差的原因有，运算放大器的零点漂移、参考电压Vref的波动、模拟开关的导通内阻和导通压降、三极管特性的不一致及电阻网络中电阻阻值的偏比例系数误差由于V的变化△▼而引起的误差△v二一匕苹D,可见其与输入数字量的大小是REF REF 0 2nn成正比的。所以将由△▼引起的转换误差成为比例系数误差，图2.2.4中用虚线表REF示当^vref一定时，七值偏离理论值的情况。图2.2.4比例系数误差漂移误差当输出电压的误差是由于运算放大器的零点漂移而造成的时候，误差电压△Vo2的大小和输入数字量的大小没有关系，输出电压的转换特性曲线将发生平移，如图2.2.5中的虚线所示，这种误差叫做漂移误差或平移误差。图2.2.5漂移误差图2.2.6图2.2.5漂移误差图2.2.6非线性误差非线性误差由于模拟开关的导通内阻和导通压降不可能真正为零，因此它们的存在也必将在输出电压产生误差AV。3.但是每个开关的导通压降不一定相等，而且开关在接地是和接Vref时的压降也不一定相同，因此AV。’既不是一个常数，也不是一个与输入数字量成正比的量，这种误差称为非线性误差。由图2.2.6可以看出这种误差没有一定的变化规律。2.3数模转换器的常见结构2.3.1权电阻网络D/A转换器①权电阻型DAC图2.3.1为一个四位权电阻网络DAC的电路图。它由权电阻网络，模拟开关和求和放大器组成。电子开关的状态分别受输入代码《d-dn的取值控制，代码为1时开关接到参考电压V上，代码为0时开关接地。所以d=1时有支路电流I流向求和REF i i放大器，4=0时支路电流为零。求和放大器是一个接成负反馈的运算放大器。一*-虱d-id码(LSI3) (MSU)图2.3.1权电阻网络D/A转换器把运算放大器输入电流认为为零，可以得到输出端电压Vo=—早(d323+d222+d121+do2o) (2.3.1)如果是n位的权电阻网络数模转换器，反馈电阻取R/2,输出电压为VV=—rf(d2n-1+d2n-2+„+d21+d2o) (2.3.2)输出电流为I=EI=DU/R+DU/2R+„DU/2n-1ROI1R2R nR这种电路的优点是结构相对简单，使用的电阻元件少。缺点是各个电阻的阻值相差较大，特别是在输入位数多时，这个问题就更加明显，并且最高位的电阻精度也很难达到，所以一般不使用这种结构的数模转换器。②双级权电阻网络为了克服上述缺点，在输入数字量的位数较多时可以采用如图2.3.2所示的双级权电阻网络。在这个电阻网络中，每一级还是只有4个电阻，阻值还是R、2R、4R、8R。能够证明，只要两级间的串联电阻R=8R，就能得到sV=_Vref(d27+d26+…+d2i+d20)0 28 7 6 1 0可以看到结果与式(2.3.2)相同，最大值的电阻与最小值的电阻相差任然为8倍，使电阻网络中电阻阻值范围大大缩小。R-2R梯形倒T形电阻网络DACDiDaDaDwDsDigDrDs图2.3.2分组衰减的权电阻DAC2.3.3倒T形电阻网络D/A转换器倒T形电阻网络D/A转换器克服了权电阻网络D/A转换器中电阻阻值相差大的不足，由图2.3.3可见，电阻网络中只有R、2R电阻，这使集成电路的设计和制作难度降低。2R 16(MSB)d32R 16(MSB)d32R专2R(LSB)dodi图2.3.3由图可知，由于求和放大器反向输入端V电压一近似于零，素以无论开关S、S、- 3 2S1、S0接到哪一边，都相当于接到地上，流过每个支路的电流始终不变。在计算电阻网络支路电流时，可以将电阻网络等效为图2.3.4。从图中可以看出，从AA、BB、CC、DD每个端口向左看过去的等效电阻都是R，因此从参考电流源流入倒T形电阻网络的总电流为I=V^/R,每个支路的电流依次为I/2,I/4,I/6,I/8.求和放大器的反馈电阻等于R时，输出电压为一V…………、=—ref(d23+d22+d2i+d2。)0 24 3210图2.3.5为n位出入的倒T形电阻网络D/A转换器，当求和放大器的反馈电阻等于R时，输出电压为= REF(d2n-1+d2n-2+•..+d21+d2。)0 2n n-1 n-2 1 0=—^REFD2n>图2.3.4支路电流等效电路图2.3.5n位倒T形电阻网络DACR-2R倒T形电阻网络也有其自身的不足，由模拟开关动作到梯形电阻网络建立稳定的输出要经过一段的时间，随着转换器位数的增加，所需的建立时间也就越长，因此在为数较多时将直接影响数模转换器的转换速度。2.3.4权电流型D/A转换器上面介绍的权电阻网络D/A转换器和倒T形电阻网络D/A转换器中，都把模开关当作理想开关处理，忽略了导通电阻和导通压降。但实际上，这些开关总有一定的导通电阻和导通压降，并且一个开关与另一个开关的情况都不相同。它们必将引起转化误差，影响转换精度。图2.3.6所示的权电流型D/A转换器是解决这个问题的一种方法。在权电流型D/A转换器中有一组恒流源，没个横流电源电流的大小依次为前一个的一半，和输入二进制数对应的权成比例。因为采用了恒流源，所以每个支路电流的大小不再受开关内阻和压降的影响，从而降低了对开关电路的要求。2.3.5电压型D/A转换器电压型的DAC的原理如图2.3.7所示。电压型DAC的原理是采用的是用电阻进行分压。输入为n位的，基准电压Ur被2n个阻值相同的电阻分压，每个分压点的电压值分别为：V二U*0/2N,……,V(Z-2)二U*(2n-2),v(2-1)二U*(2n-1)/20R R R当输入信号D=i时，转换器的输出为：V(i)二U*i/2nR

Un早&HrUn早&Hrr-—sTOC\o"1-5"\h\z■7 _nVOI_ -p ■*J 1建码器1]

Ch\)i**Dn2.3.7电压型DAC电压分压式的数模转换器的优点是只需要用到一种阻值的电阻，这样可以确保制造精度；缺点是，输入位数为n,就需要2n个电阻与个模拟开关，因此随着位数的增加，所需原件的数量呈几何级数增加。2.3.5权电容网络D/A转换器它的工作原理是利用电容进行分压。他的结构原理如图2.3.8所示2.3.8电荷型2.3.8电荷型DAC结构原理Ur上的总电容为：C=DC+DC/2+……+DC/2n-i=(D2-1+D2-2+……+D2-n).2C

R1 2 n 1 2 n连到地上的总电容为：2C-C=[1-(D2-1+D2-2+……+D2-n)].U

R 1 2 n R其中，D=D12-1+D22-2+……+Dn2-n为输入的数字信号。3DAC的电路设计及其仿真3.1本论文电阻网络的选择上一章介绍了数模转换器的基本原理，常见结构，与其各自的优缺点。在8位及8以下的数模转换器中，R-2R倒丁形电阻网络数模转换器，结构较简单，面积小，功耗低，精度较高，有较好的应用价值。本着学习和应用研究的目的，所以本论文采用R-2R倒T结构的数模转换器。输入数字信号d图3.1DAC的总结构框图图3-1是本DAC设计的总体结构图，T型电阻网络是DAC的核心，是实现数字信号向模拟信号转换的网络。4、5、6、7、8、9、10、11、是输入的8位数字信号，它们控制R-2R电阻网络的开关状态。1、2端外接运算放大器，对电流进行求和。13接外接基准电压源。图3-1中的T型电阻网络的具体结构为：V3 d'lh d'lh li'o[|\.他接基准电压源Rf输出1Rf输出1第i位数字输入信号后接运放图3.2T型电阻网络结构图由DAC总体结构图可知，在T型电阻网络之后需要外接一个运算放大器，它的作用是将流入放大器的各个支路电流进行求和。3.2电阻网络设计电阻网络的作用是将输入的数字信号转化成为模拟的输出信号，作为数模转换器的核心工作部分，它的性能高低直接影响数模转换器的整体性能。R-2R倒T梯形电阻网络的电阻取值为R和2R两种阻值。当二进制代码各位取值全为“0”，全部位切换开关与地相接时，任意一个节点向右、向左、及向下看的等效电阻均为2R。因此,当某位4的取值为1，它相应的位切开关5叩「与基准电压Vr相接时，在SWj上方的节点电压是Vr/2，此电压往节点1传送的过程中，每当经过一个节点，电压就要衰减1/2。这种D/A转换器所用的电阻值仅有两种，因而方便进行集成化，但位切换开关在Vr与地之间切换，容易产生尖峰电流，所以对开关的要求很高，而且电阻网络中的电流值随着输入数字信号的变化而变化，因此网络中的功耗及发热都将随之发生变化，这将会引起非线性的转换误差。

_J/2J/4_i/8二/2-i_J/2J/4_i/8二/2-i一I/2图3.3R-2R倒梯形D/A转换器原理图R-2R倒梯形电阻数模转换器，它解决了R-2R梯形电阻数模转换器电阻网络中的电流值随输入数字信号的变化而变化的问题。由图3-3可知，由于运算放大器A的反相端为“虚地”，所以位切换开关是在地与虚地之间进行切换的。当输入数字信号任一位d=1时。SW与A反相端接通，即与“虚地”相接；当d=0时，SW直接接地。i i i i由此可见，无论di值如何，位切换开关支路总是接在第i个节点与地之间，所以总能保持电流值不变。这种数模转换器，在输入数字信号转换过程中，流过各个支路电流值不变，而且输入数字位值为1的各个支路电流直接接到放大器A的反相输入端，因此既不需要支路电流的建立和消失时间，也不存在各支路电流间的传输时间差。所以，该类型的数模转换器转换速度快，而且还有效地减小了动态误差。3.3开关电路的设计每个位切换开关是由9个MOS管构成的CMOS开关，其原理电路如图3-4所示，M1、M2和M3组成电平位移电路，是它能接受TTL、DTL、HTL、CMOS等不同数字电路送来的数字输入逻辑电平，直接进行D/A转换，从而适用于不同的场合。M4、M^PM6、M组成两级CMOS反相器，驱动M、M构成的单刀双掷开关的通与断。当数字输入为7 8 9逻辑电平“1”时，M1截止，M2导通输出低电平，经倒相器之后，M5输出高电平、M7输出低电平，使M截止、M导通。加权电流经M从输出端1流出；当数字输入为逻8 9 9辑电平“0”时，使M截止、M导通，加权电流经M从输出端2流出。

Ml输.人数字信号prnosM2Y2M6—接T型电阻网路位切换开关单元原理电路:irnos■.■17M8 M9输出卫 输出1Ml输.人数字信号prnosM2Y2M6—接T型电阻网路位切换开关单元原理电路:irnos■.■17M8 M9输出卫 输出1图3.4位切开关原理电路本论文的开关不需要电平位移电路，所以，最终选择后6个MOS管作为本设计的开关，其原理图如图3-5所示：图3.5图3.5开关电路图3-5中的前四个MOS管构成两级CMOS反相器，CMOS反相器是CMOS逻辑门电路的基本逻辑电路，它是由一个增强型PMOS管和一个增强型NMOS管构成的，它的基本结构如图3-6所示。VTp是增强型PMOS管，VTn是增强型NMOS管，它们的栅极连接在一起作为CMOS反相器的输入端，它们的漏极连在一起作为输出端°vtn管子的源极接在正电源VDD上，vtn的源极接地。当输入为高电平，输出为低电平，当输入为低电平，输出为高电平。在静态情况下，无论输入是高电平还是低电平，总有一管是截止的。

V1,5V占Iv111 2图3.6CMOS反相器3.4电路的仿真结果开关电路:图3.78位D/A转换器模拟开关由图3.7可知，当输入信号为高电平（3V）时，经过一级反相器，输出低电平，此时，M4截止，经过二级反相器，输出高电平，M5导通,输出为2V;当输入信号为低电平（0V）时，经过一级反相器，输出高电平，此时，M4导通，经过二级反相器，输出低电平，M5截止，所以输出为1.5V。如图3-8所示。

3.0V'图3.8开关电路仿真图输出特性:图3.98位R-2R型D/A转换器连接图本设计都采用理想器件对其进行仿真，所以误差较小，但从模拟输出曲线仍可以看出，由于位的逻辑状态发生变化，存在有毛刺，从放大了的低位部分模拟输出图3.8中尤为明显，但本DAC具有较好的线性关系。产生毛刺的主要原因是，由于MOS管开关动作在时间上无法保证一致。模拟分辨率指的是D/A转换器能分辨出的最小模拟输出量，即每一个“台阶”的大小，也就是LSB大小的电压或电流。本8位D/A转换器的模拟分辨率的理论值为：，VEF,^^序的取值为5V,那么LSB^20mv，由于采用理想器件，实际的模拟输出曲线的每个“台阶”的值与理论值十分接近，如图3.10。lOOniVovSOliiV-3SmV二图3-118位D/A转换器部分模拟输出4.OOus5.OOui6.001Time参考文献于继洲.集成a/d和d/a转换应用技术[M].北京：国防工业出版社，1989.徐振英.数模转换应用技术[M].北京：科学出版社，2000.邓元庆.数字电路与系统设计[M].西安：西安电子科技大学出版社.PhillipE.Allen,DouglasR.Holberg.COMS集成电路设计（英文版）[M].电子工业出版社，2002年6月第二版.JoseBastos,AugstoM.Marques,MichelS.J.Steyaert,andWillySansen.A12-bitinstrinsicaccuracyhigh-speedCOMSDAC,inIEEEJ.Solid-StateCircuitsvol.33,no.12,Dec1998.刘会刚，耿卫东.LCoS芯片集成参考电压源的设计.液晶与显示.2007年第4期ADI公司编译.数模转换器产品设计[M].北京：北京航空航天大学出版社.徐阳，闵昊.一种高速电流型COMS数模转换器设计[J].半导体学报，2000年6月21期赵毅，牟同升.A/D、D/A接口电路系统设计.仪表技术与传感器,2001年第5期M.MorrisMano.DigitalDesign.3rded.Beijing:PearsonEducationNorthAsisLimitedandHigherEducationpress,2002.钟书鹏，谭年熊.一种12位400MHz电流开关型D/A转换器的设计.微电子学[J],2006年4月第36期.李从飞.12位高速D/A转换芯片MX7541原理及应用.国外电子元件,2003年.黄全胜.一种有效提高D/A转换器线性指标与分辨率的方法[J].电子世界,2005年第6期.李素芬，李刚.高精度数模转换器接口技术.电子测量技术[J],2002年第3期EightoftheResistiveDigital-to-analogConvertersAbstract: