（微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)論文）一種8位高精度、低功耗dac的設(shè)計.pdf

摘要 本項目的目的是設(shè)計一種8 位高精度 低功耗的 d a c 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 本文首先分析討論了數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)如建立時間 線性精度 功耗等 這些參數(shù)是對電路性能好壞的界定 是進行結(jié)構(gòu)選擇和電路設(shè)計的依 據(jù)和目標(biāo) 其次 d a c 輸入采用并行數(shù)字輸入結(jié)構(gòu) 輸出采用互補電流輸出結(jié)構(gòu) 在 保證精度和功耗設(shè)計要求基礎(chǔ)上實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)換 在比較了數(shù)模轉(zhuǎn)換器的眾 多結(jié)構(gòu)之后 決定采用電流型倒梯形r 2 r 電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 該結(jié)構(gòu)速度較快 便 于實現(xiàn)高精度 電路面積較小 n m o s 管相對于p m o s 管速度更快 有更高的 電流驅(qū)動能力和高的跨導(dǎo) 在本設(shè)計中作為倒梯形r 2 r 電阻網(wǎng)絡(luò)中各支路的電 流開關(guān) 從集成度 功耗 成品率等各個因素考慮 m o s 工藝尤其是c m o s 工藝明顯優(yōu)于雙極型工藝 本設(shè)計采用n 襯底p 阱c m o s 工藝 在功耗方面有 較好的表現(xiàn) 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電路由控制選擇電路 數(shù)字輸入鎖存電路 r 2 r 電阻網(wǎng) 絡(luò)及電流開關(guān)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成 屬于數(shù)?；旌想娐?由于數(shù)字電路結(jié)構(gòu)相對簡單 所 以采用和模擬電路設(shè)計一致的設(shè)計方法 并使用h s p i e e 進行電路模擬仿真 在 c a d e n c e 平臺上進行版圖設(shè)計 最后 設(shè)計完成的數(shù)模轉(zhuǎn)換器在電源電壓為5 v 情況下 建立時間約為2 8 n s 微分線性度達(dá)到土0 2 8 l s b 積分線性誤差達(dá)n 0 1 5 l s b 功耗低于1 0 m w 指 標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求 具有 定的先進性和實用意義 關(guān)鍵詞 數(shù)模轉(zhuǎn)換器倒梯形r 2 r 電阻網(wǎng)絡(luò)c m o s 線性精度建立時間 a b s t r a c t t h e p u r p o s eo f t h i sp r o j e c ti st or e a l i z ead e s i g no f a l l8 b i th 啦a c c u r a c y l o w p o w e rd i g i t a l a n a l o gc o n v e r t e r d a c i nt h i sp a p e r t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fd a cf i f ei n t r o d u c e df i r s t l y s u c ha s s e t t l i n g t i m e l i n e a r i t yp r e c i s i o n p o w e r e t c t h e s ep a r a m e t e r sa r et h eg i s ta n dg o a l o fs t r u c t u r es e l e c t i o na n dc i r c u i td e s i g n s e c o n d l yt h em o d eo fi n p u ta n do u t p u ti s c o n f i r m e dt ob ep a r a l l e l i n p u ta n d c o m p l e m e n t a r yc u r r e n t o u t p u t w h i c h i s a d a p t t ot h e r e q u i r e m e n t o fq u i c k l y d a t a c o n v e r tw i t h h i g ha c c u r a c ya n dl o wp o w e r a f t e rc o m p a r i n g w i t h m a n y s t r u c t u r eo f d a c t h es e g m e n t e di n v e r t e dr 2 rl a d d e ra r c h i t e c t u r ei sd e c i d e d w h i c h c a l lh e l pd a ct o g e th i g hs p e e da n dh i g ha c c u r a c ya n dt h ea r e ao f t h ec i r c u i ti s s m a l l e r n m o si su s e d 船c u r r e n ts w i t c h w h i c hh a sf a s t e rs p e e dc o m p a r ew i t h p m o sa n dh a sh i g hc u r r e n td r i v ec a p a b i l i t ya n dg mt h ec m o s t e c h n o l o g yi sb e t t e r t h a nb i p o l a rt e c h n o l o g y t h u st h ens u bpw e l lc m o s t e c h n o l o g yi sb eu s e d w h i c h h e l pt h e c i r c u i tg e tl o w e r p o w e r n ed a cc o n s i s t so f a n a l o gc i r c u i tb l o c k s i n v e r t e dr 2 rl a d d e ra r c h i t e c t u r e a n dc u r r e n ts w i t c h a n d d i g i t a lc i r c u i tb l o c k s c o n t r o la n dd a t a 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 e c a u s et h ed i g i t a lp a r t sd e s i g ni ss t r i c ta n di t ss t r u c t u r ei ss i m p l e c o m p a r a t i v e l y w eu s e t h es a m em e t h o da sa n a l o g p a r tt od e s i g n i t a n dt h eh s p i c ei s u s e df o rd a cc i r c u i ts i m u l a t i o n 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 dd r a w n w i t ht h et o o lo fc a d e n c e f i n a l l y t h e8b i td a c i sf i n i s h e d i t ss e t t l i n g t i m ei s2 8 n sw i t h5 v s u p p l y d n li s 士o 2 8 l s ba n d1 n li so 15 l s b p o w e ri sl o w e rt h a n10 m w t h ed a t a a c h i e v et h et a r g e to ft h ed e s i g n a n dt h ec i r c u i th a sg o o dc a p a b i l i t ya n da p p l i e d v a b e k e yw o r d d i g i t a l a n a l o gc o n v e n e r d a c i n v e r t e dr 2 rl a d d e ra r c h i t e c t u r e c m o s l i n e a r i t yp r e c i s i o n s e t t l i n g t i m e i i 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工 作及取得的研究成果 據(jù)我所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的 地方外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不 包含為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的 材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中 作了明確的說明并表示謝意 簽名 堡壘墨日期 2 0 0 5 年9 月7 日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論 文的覯定 有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機掏送交論文的復(fù)印件和 磁盤 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位 論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索 可以采用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存 匯編學(xué)位論文 保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定 日期 2 0 惦年月臼 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章引言 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 d i g i t a l a n a l o gc o n v e r t e r 簡稱d a c 是一種將輸入 的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出的電路 它被廣泛地應(yīng)用在信號采集 和處理 數(shù)字通信 自動檢測 自動控制和多媒體技術(shù)等領(lǐng)域 無論是在工業(yè)生產(chǎn)還是在科學(xué)研究中 常常要對某些系統(tǒng)參數(shù)進 行采集 加工和控制 它們往往是非電學(xué)的模擬量 例如聲 光 磁 熱和機械參數(shù)等 為了用電子技術(shù)處理這些信號 先要通過傳感器把 這些非電信號變換為相應(yīng)的電信號 例如 我們可以用熱電偶產(chǎn)生隨 溫度變化的電壓 或者可以用半導(dǎo)體應(yīng)變片接入橋路來獲取隨壓力變 化的電壓 經(jīng)傳感器交換產(chǎn)生的電信號往往仍是模擬信號 對它們的 處理通常有模擬和數(shù)字兩種方法 模擬的方法是用模擬電路處理模擬信號 其結(jié)果用模擬儀表顯示 或者用來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu) 由于模擬電路對電磁干擾 器件參數(shù)的變化 比較敏感 因此要實現(xiàn)高精度是比較困難的 即使能達(dá)到高精度 其 代價往往是很高的 隨著數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展和成熟 尤其是微處理器的迅速發(fā)展和 廣泛應(yīng)用 使得數(shù)字信號的大量存儲和快速處理成為很容易的事 因 而用數(shù)字技術(shù)處理模擬信號已越來越受到重視 其方法是先把模擬電 信號變換成為數(shù)字信號 即模數(shù)轉(zhuǎn)換 再利用數(shù)字技術(shù)對數(shù)字信號加 工處理 處理結(jié)果根據(jù)需要再轉(zhuǎn)換為模擬信號 即數(shù)模轉(zhuǎn)換 以適應(yīng) 后面顯示或執(zhí)行機構(gòu)的要求 實現(xiàn)對模擬信號的顯示或控制 1 1論文背景及意義 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的發(fā)展經(jīng)歷了從電子管 晶體管到集成電路的過程 它是隨著人們生產(chǎn)生活的迫切需求而產(chǎn)生發(fā)展的 其發(fā)展的每一階段 都和最新科技成就相關(guān)聯(lián) 2 0 世紀(jì)4 0 年代后期 人們開始了對數(shù)字通信的研究和實踐 例如 研究脈沖編碼調(diào)制式通信 它要求發(fā)送部分將要傳送的聲音 圖像等 連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式發(fā)送出去 而信號接收部分要求把 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 接收到的數(shù)字信號還原成聲音 圖像 于是研制了由電子管組裝成的 模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 使這種可靠和經(jīng)濟的數(shù)字通信得以實現(xiàn) 隨著晶體管工藝的發(fā)展和成熟 到5 0 年代后期 轉(zhuǎn)換器中的電子 管逐步由晶體管替代 使轉(zhuǎn)換器的體積和重量大大減小 數(shù)字計算機的興起 發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大 促進了集成電 路和轉(zhuǎn)換技術(shù)的迅速發(fā)展 到6 0 年代中期 構(gòu)成數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要功 能單元電路一一如運算放大器 基準(zhǔn)電壓源 電阻網(wǎng)絡(luò) 模擬電子開 關(guān)和邏輯控制電路等已陸續(xù)實現(xiàn)了集成化 特別是集成化放大器已開 始進入大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)階段 在此基礎(chǔ)上人們逐漸擯棄了全部由分立 元器件組裝數(shù)模轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng)方法 開始選用某些現(xiàn)成的具有某一種 單一功能的集成電路一一如集成化運算放大器 邏輯集成電路或集成 基準(zhǔn)電壓源等集成單元電路 并外加一些必要的元器件 來組裝數(shù)模 轉(zhuǎn)換器 這種結(jié)構(gòu)形式的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 與完全用分立元器件組裝的轉(zhuǎn) 換器相比 在一定程度上簡化了組裝結(jié)構(gòu) 無論是完全由分立元器件組裝的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 還是由集成電路單 元附加許多分立元器件組裝的轉(zhuǎn)換器 都被稱為組件式轉(zhuǎn)換器 其中 前者被人們稱為第一代組件型數(shù)模轉(zhuǎn)換器 而后者被稱為第二代組件 型轉(zhuǎn)換器 顯然 第二代組件型轉(zhuǎn)換器是全集成化數(shù)模轉(zhuǎn)換器的先聲 與此同時 薄膜集成電路和厚膜集成電路也有很大的發(fā)展 薄膜 集成電路是利用真空蒸發(fā) 濺射 光刻等薄膜技術(shù) 將構(gòu)成電路的電 子元器件及連線 以薄膜形式制作在絕緣基板 例如微晶玻璃片或陶 瓷基片 上所構(gòu)成的整體電路 薄膜集成電路的膜厚通常在1um 以下 厚膜集成電路是采用絲網(wǎng)印刷 噴涂 聚合或燒結(jié)等厚膜技術(shù) 將組 成電路的電子元器件及連線 以厚膜形式制作在絕緣基板 例如微晶 玻璃片或陶瓷基片 上所構(gòu)成的整體電路 厚膜集成電路的膜厚一般 為幾 m 到幾十um 結(jié)合薄膜 厚膜和半導(dǎo)體集成電路三種工藝的長 處 用半導(dǎo)體工藝制作有源器件 用薄膜或厚膜工藝制作無源器件及 連線 再把有源器件外接到薄膜或厚膜集成電路的基片上 構(gòu)成薄膜 或厚膜混合集成電路 混合集成電路工藝應(yīng)用到數(shù)模轉(zhuǎn)換器制造領(lǐng)域 制成的混合集成電路型數(shù)模轉(zhuǎn)換器 性能上有很大提高 結(jié)構(gòu)上也大 為簡化 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 7 0 年代初 所有元件都被集成在一個芯片上的單片集成數(shù)模轉(zhuǎn)換 器研制成功 它標(biāo)志著數(shù)模轉(zhuǎn)換器真正達(dá)到了工業(yè)化大批量生產(chǎn)的階 段 擺脫了精心挑選轉(zhuǎn)換器中元器件的麻煩 從而大大降低了制造成 本 提高了可靠性 此后 數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到迅速發(fā)展 新的設(shè)計思想 新的制作工藝和新的種類不斷增加 性能不斷提高 工藝上 不但雙 極型器件的工藝進一步得到改進 使全雙極型轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的邏輯電路 可采用高速e c l 電路或高集成度的集成注入邏輯電路 而且增加了 m o s 工藝 特別是c m o s 工藝 使數(shù)模轉(zhuǎn)換器的集成度和功耗有很大 的改善 隨著工藝上的進一步發(fā)展 產(chǎn)生了標(biāo)準(zhǔn)雙極型工藝和c m o s 工藝 結(jié)合起來的組合技術(shù) 例如a d i 公司的b i m o s 和l c 2 m o s 工藝技術(shù) 將速度和精度方面占優(yōu)勢的線性雙極型器件與高集成度 低功耗的 c m o s 雙向模擬開關(guān)及邏輯電路集成在同一芯片上 構(gòu)成雙極 m o s 相容型數(shù)模轉(zhuǎn)換器 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的品種和功能隨著制造工藝的發(fā)展而迅速增加 例如 采用先進的c m o s 工藝的集成電路 功耗小 集成度高 制成的模擬 開關(guān)有雙向特性 利用這種模擬開關(guān)可制成有乘法特性的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 即轉(zhuǎn)換器的輸出和基準(zhǔn)電壓及輸入數(shù)碼的乘積成正比 c m o s 工藝也 很適用于制作與微機兼容的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 在數(shù)模轉(zhuǎn)換器的功能方面 也有了一些為特定應(yīng)用領(lǐng)域研制的特殊的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 例如用于視頻 調(diào)色顯示的視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器 代替手工調(diào)整電位器而設(shè)計的數(shù)字電位 器 以及專門用于把數(shù)字音頻信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器 等等 單片集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器已經(jīng)是數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主流 在集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部 既含有模擬集成電路 又包括邏輯集 成電路 因此通過單片式集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器的制作 在設(shè)計技巧和工藝 技巧方面 使模擬集成電路和數(shù)字電路彼此融合在一起 為模擬與數(shù) 字系統(tǒng)的進一步結(jié)合開創(chuàng)了良好的先例 目前計算機 數(shù)字信號處理的速度已經(jīng)得到了很大的提高 然而 作為模擬輸出和數(shù)字處理中間必不可少的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的速度卻沒有很 大的提高 我國目前數(shù)模轉(zhuǎn)換器的發(fā)展和國際水平相比還存在著較大 屯子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 的差距 而且國外的器件產(chǎn)品價格昂貴 只依賴進口國外的高性能轉(zhuǎn) 換器而不開發(fā)本國的產(chǎn)品 不利于我國電子事業(yè)的發(fā)展 并且近年來 模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器市場成穩(wěn)步增長的發(fā)展趨勢 具有巨大的市場前景 所以由我們自行設(shè)計生產(chǎn)高性能的轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急 本次課題正是在此前提下開展的 對國外同類高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器 進行研究 進而設(shè)計出更好的d a c 以滿足更高要求的信號轉(zhuǎn)換需求 應(yīng)用于各種不同領(lǐng)域的d a c 有不同的要求 但對高性能d a c 的 普遍要求主要有 1 集成度高 通過高度集成化 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 精度越高即誤差越小 4 低功耗 價格低 功耗越低越節(jié)能 8 位d a c 是d a c 的典型代表 廣泛應(yīng)用于軍事和民用的各種設(shè) 備上 市場應(yīng)用前景廣闊 而且它的理論依據(jù)也具有廣泛的代表住 開展它的研究在理論上可以為今后設(shè)計研究更高速和更高精度d a c 提供理論借鑒 工藝上也可為利用c m o s 工藝進行d a c 生產(chǎn)提供實 驗依據(jù) 1 2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 國內(nèi)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的發(fā)展起步較晚 但是近年來已經(jīng)得到了各方面 的重視 在數(shù)模和模數(shù)方面都投入了一定的研究力量 目前 我國已 經(jīng)研制和生產(chǎn)出了8 到1 6 位的d a c 取得了很大進步 例如中電集 團第二十四研究所研制生產(chǎn)的1 0 位電流型d a c 和含相加器的高速1 2 位d a c 等都是國內(nèi)d a c 的典型產(chǎn)品 但我國的d a c 技術(shù)和國際水平 相比還存在很大差距 國內(nèi)a d d a 方面的研究主要集中在中等轉(zhuǎn) 換速度 中等精度的范疇 對高速 高精度的新型a d c d a c 的研究 尚不多見 如國外流行的z 結(jié)構(gòu)僅有少數(shù)大學(xué)作過研究 對于其它的主流新結(jié)構(gòu)和新技術(shù) 國內(nèi)由于受到工藝條件 基礎(chǔ) 研究與設(shè)計水平的限制 也很少有人涉及 有些大學(xué)的實驗室曾作過 有益的探索工作 但是也僅限于電路的模擬仿真階段 未能達(dá)到真正 電子科技大學(xué)硬士學(xué)位論文 與工業(yè)晃接口 并未達(dá)到工藝投片實現(xiàn)的水平 在國外 很多公司和著名大學(xué)都在進行a d c 和d a c 的研發(fā)工作 他們大多是針對某一特定的應(yīng)用而展開的 工作頗具特色 在該領(lǐng)域 的許多方面都取得了長足進步 在美國國家科學(xué)基金資助下 伊利諾斯大學(xué)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 采樣速率 c m o sd a c 采用了f l o a t i n gm s b 電流源和跟蹤 衰減輸出級電路 在確保良好靜態(tài)線性度的同時得到高 的動態(tài)線性度 并提高了輸出驅(qū)動電流 此設(shè)計主結(jié)構(gòu)采用了電流定 標(biāo)結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)輸出電流可以直接驅(qū)動一個電阻負(fù)載 而不需要電 壓緩沖器 因此這種方式的d a c 的線性度很好 它的缺點是其靜態(tài)特 性受到電流源中組件參數(shù)匹配的限制 因此對工藝要求較高 加入自 修正電路 可以克服傳統(tǒng)電流定標(biāo)d a c 的靜態(tài)線性度不好的缺點 自 修正電路的核心是一個可修正的浮動m s b 最高位 電流源 為了保 證修正是自發(fā)進行的 修正電路必須工作在兩個過程下 測量過程和 校正過程 這樣 它就增加了電路的復(fù)雜程度 也就是說 良好的靜 態(tài)線性度是以增加電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度來獲得的 1 9 9 9 年 比利時l e u v e n 大學(xué)的g e e r ta m v a nd e rp t a s 等人提出 一種四象限隨機流向開關(guān)的新型電流控制結(jié)構(gòu) 實現(xiàn)轉(zhuǎn)換器梯度誤差 系統(tǒng)誤差因子比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的誤差改善了大約5 0 倍 并且無需專門的校 準(zhǔn)即可獲得良好的靜態(tài)線性度 該電路的最主要的特點是采用了四象 限髓機流向開關(guān)技術(shù) 以克服電流舵型d a c 所具有的因工藝參數(shù)不匹 配而導(dǎo)致的靜態(tài)線性度不佳的缺點 g e e r ta m v a nd e rp l a s 等人采用 電流源隨機選取 這樣可以利用誤差分析中誤差分布互相抵消的特點 減小總誤差 測試表明 系統(tǒng)誤差和累積誤差都得到有效縮減 并且 這個結(jié)構(gòu)還有一個優(yōu)點 其芯片面積和功耗與采用了自修正的或特殊 版圖 工藝的芯片相比 都比較小 伴隨d a c 電路結(jié)構(gòu)研究的進步 生產(chǎn)工藝也有迅速的發(fā)展 先進 的c m o s 工藝被大量使用 工藝水平達(dá)到o 3 5 um 0 2 51 1m 甚至更 高 使d a c 的集成度和功耗有很大的改進 2 0 0 4 年報道臺灣學(xué)者研 制成功的8 位a d c 采用了o 2 5pn i 標(biāo)準(zhǔn)c m o s 工藝 采樣速率為 1 0 m s p s 在2 v 工作電壓下 整個d a c 的功耗僅為2 m w 同時具有 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 很高的線性精度 可見 國外已不再局限于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器技術(shù) 而是開始開發(fā)更新 型的 可以大大提高轉(zhuǎn)換器性能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和適合大規(guī)模集成化的新 型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 目前國內(nèi)外另一個主要方向集中在對已經(jīng)證實為可 靠轉(zhuǎn)換器的技術(shù)進行完善上 以期待更高性能的產(chǎn)品出現(xiàn) 1 3數(shù)模轉(zhuǎn)換器的類別 d a c 作為數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)之間的接口器件 輸入數(shù)字量 輸 出模擬量 其內(nèi)部電路具有數(shù)字電路和模擬電路的各種特點 因此d a c 品種繁多 分類方法也是多種多樣的 主要有以下四種分類方法 i 按d a c 主要功能單元的特點分類 集成d a c 的主要功能單元有模擬開關(guān) 權(quán)電流產(chǎn)生電路 基準(zhǔn)電 源和輸出電路 模擬開關(guān)的基本類型有電壓型和電流型兩種 d a c 按模擬開關(guān)的 類型不同可以分為電壓型和電流型兩種 電壓型模擬開關(guān)在工藝上易 于實現(xiàn) 但工作時對寄生電容的充放電會影響開關(guān)速度 電流型開關(guān) 在切換時 由于開關(guān)兩端的電壓沒有明顯變化 因此寄生電容的影響 小 開關(guān)速度比電壓型模擬開關(guān)快 在高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用較多 按d a c 中權(quán)電流或者權(quán)電壓發(fā)生電路的形式分 常見的有權(quán)電阻 網(wǎng)絡(luò) 權(quán)電容網(wǎng)絡(luò) 梯形電阻網(wǎng)絡(luò) 電壓分段網(wǎng)絡(luò)和電流源陣列等 至于基準(zhǔn)電源和輸出電路 不是所有的集成d a c 中都有這兩個單 元 有的d a c 的基準(zhǔn)電源是外接的 用戶可以根據(jù)需要靈活配置不同 精度的基準(zhǔn)電源 輸出電路主要是運算放大器 它把d a c 轉(zhuǎn)換成的電 流模擬量變?yōu)殡妷狠敵?很多電流輸出d a c 不帶運算放大器 而由用 戶根據(jù)自己的需要配置 2 按d a c 的性能特點分類 d a c 常常按它的主要性能指標(biāo)進行分類 如轉(zhuǎn)換速度 轉(zhuǎn)換精度 分辨率等 按轉(zhuǎn)換速度不同 d a c 可分為低速 建立時間大于l o o t ls 中 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 速 建立時間為1 1 0 0 ps 高速 建立時間為5 0 n s us 和超高速 建 立時間小于5 0 n s 四種 按分辨率分類 d a c 可分為4 位 6 位 8 位 1 0 位 2 位 1 4 位 2 4 位等等 3 按輸入和輸如的特點分類 根據(jù)輸入數(shù)字編碼的不同 d a c 可分為二進制輸入型 b c d 碼輸 入型和格雷碼輸入型等 按數(shù)字碼輸入方式 可分為并行輸入和串行輸入 其中 串行輸 入方式又可分為2 線式和3 線式 并行輸入的速度比串行輸入要快 按轉(zhuǎn)換器的輸出是電壓還是電流 d a c 可分為電壓輸出型和電流 輸出型 電流輸出型比電壓輸出型的轉(zhuǎn)換速度要快 4 按組成d a c 的器件和工藝分類 按工藝分類 集成d a c 可分為組件式 混合集成電路式和單片集 成電路式 其中單片集成電路式的d a c 按內(nèi)部有源器件類型來分 又 可分為全雙極型 全m o s 型和雙極 c m o s 相容型 b i c m o s 和 l c 2 m o s 以上d a c 的分類 是從不同側(cè)面考察d a c 得到的 因此 同一 個d a c 按不同的分類方法 可列入不同的類別中 1 4c m o s 基礎(chǔ) 在微電子領(lǐng)域 集成電路的制造有兩種主要的實現(xiàn)技術(shù) 雙極技 術(shù)和m o s 技術(shù) 雙極技術(shù)是以n p n 與p n p 晶體管為基本元件 融合 其他的集成元件構(gòu)造集成電路的技術(shù)方法 雙極器件以其速度高和驅(qū) 動能力大 低噪聲等優(yōu)良特性 在集成電路的設(shè)計制造領(lǐng)域 尤其是 模擬集成電路的設(shè)計制造領(lǐng)域占有一席之地 但是雙極器件的功耗大 在對功耗要求嚴(yán)格的電路中其應(yīng)用受到限制 本文所設(shè)計的d a c 電路 作為微處理器的接口電路 要求有較低的功耗 因此并未使用雙極器 件 m o s 技術(shù)是以n m o s 晶體管和p m o s 晶體管為基本元件 輔以其 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 他的集成元件構(gòu)造集成電路的方法 當(dāng)n m o s 晶體管和p m o s 晶體管 以互補配對的形式作為基本電路單元時 這種結(jié)構(gòu)即為c m o s 工藝 c m o s 工藝以其結(jié)構(gòu)簡單 集成度高 功耗小等優(yōu)點 成為當(dāng)今集成 電路制造的主流工藝 本課題設(shè)計的d a c 電路就采用典型的n 襯底p 阱c m o s 工藝 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r f i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r 簡稱m o s f e t 是大規(guī)模集成電路設(shè)計的主流 在m o s 工藝制造的集成電路中基本有源器件是m o s 晶體管 m o s 工 藝可以分為p m o s 工藝 n m o s 工藝 和c m o s 工藝三種 p m o s 器 件的電流由空穴傳導(dǎo) n m o s 器件的電流由電子傳導(dǎo) 在常溫條件下 硅襯底材料中的電子遷移率為1 3 5 0 c m 2 v s 空穴遷移率為5 0 0c m 2 v s 電子遷移率是空穴遷移率的2 7 倍 所以在相同的條件下 使用n m o s 工藝設(shè)計的集成電路比使用p m o s 工藝設(shè)計的集成電路具有更高的工 作速度 而c m o s c o m p l e m e n t a r y m o s t 藝則包含以上兩種工藝 一般情況下 c m o s 電路中 n m o s 管和p m o s 管是成對出現(xiàn)的 其 主要特點是功耗低 抗干擾能力強 輸出電壓邏輯擺幅大 隨著集成 電路的不斷發(fā)展 與其他工藝相比 c m o s 工藝的發(fā)展已經(jīng)非常成熟 占據(jù)了集成電路市場的絕大部分份額 并且隨著工藝向深亞微米級別 的不斷發(fā)展和工藝的不斷改進 c m o s 工藝的產(chǎn)品在速度上也具有了 很大的優(yōu)勢 1 5 課題目標(biāo) 本文討論設(shè)計了一種基于倒梯形r 2 r 電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的8 位電流型 d a c 全文分為三部分 第一部分主要介紹并討論了d a c 的基本原理和 概念 第二部分通過不同結(jié)構(gòu)的比較 選擇恰當(dāng)?shù)碾娐吠負(fù)湟詫崿F(xiàn)電 路設(shè)計的要求 對各個單元電路進行設(shè)計從而設(shè)計出8 位d a c 的總體 拓?fù)鋱D 然后對所設(shè)計電路進行模擬仿真 進行電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的驗 證 第三部分是電路的版圖設(shè)計 要求設(shè)計出的8 位d a c 性能指針標(biāo)達(dá)到 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 滿量程建立時間 5 0 n s 2 分辨率 8 位 3 線性誤差 4 0 2 f s 1 2 l s b 4 功耗 1 0 m w 9 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基本原理和常用結(jié)構(gòu) 2 1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基本工作原理 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的功能就是把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量 通常這種轉(zhuǎn)換是 線性的 設(shè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量為n 位二進制碼 d d d t d 2 d d i 為最高位 m o s ts i g n i f i c a n tb i t 簡稱m s b d 為最低位 l e a s ts i g n i f i c a n tb i t 簡稱l s b 則輸出模擬量a 與輸 入數(shù)字量d 之間的函數(shù)關(guān)系可以用下式來表示 a 嵌d 足 d 1 2 肛1 d 22 卜2 d 2 丘 d r 2 卜 1 式中k 為模擬參考量 當(dāng)模擬參考量為電壓時 k u r 2 當(dāng)模 擬參考量是電流時 k l 2 其中 為參考電壓 厶為參考電流 q 為數(shù)字量d 的第i 位代碼 其值為0 或者i 由數(shù)字對應(yīng)位的邏輯電平 來決定 2 為第i 位的權(quán) 式 2 卜1 表明 輸出模擬量與輸入數(shù)字量成正比 輸出模擬量 由 系列二進制分量疊加而成的 每一個二進制分量為該位的權(quán)與模 擬參考量k 的積 d a c 的結(jié)構(gòu)原理如圖2 1 所示 電子開關(guān)網(wǎng)絡(luò) k d ld d n 圖2 d a c 結(jié)構(gòu)原理圖 1 0 a 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 由模擬參考量k 形成了各位權(quán)對應(yīng)的二進制分量 2 0 k 2 r 2 1 k 各分量送入電子開關(guān)網(wǎng)絡(luò)控制相應(yīng)的電子開關(guān) 電子開關(guān)網(wǎng)絡(luò)輸出的各分量經(jīng)求和電路相加 最后輸出模擬量a 在圖3 1 中 若模擬參考量為電壓 則2 0 k 2 1 k 2 1 k 表 示二進制各位的權(quán)電壓 求和電路完成的是數(shù)字量相應(yīng)位權(quán)電壓相加 輸出模擬量為電壓 數(shù)模轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了數(shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷毫康墓δ?若圖中模擬參考量為電流 則2 0 眉 2 1 置 2 1 足表示二進制各 位的權(quán)電流 求和電路完成的是數(shù)字量相應(yīng)位權(quán)電流相加 輸出模擬 量為電沆 數(shù)模轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了數(shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髁康墓δ?若想把輸 出電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?則再加一級電流變電壓的電路 綜上所述 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基本工作原理是基于權(quán)的控制 即權(quán)電 壓相加或權(quán)電流相加 2 2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的常見結(jié)構(gòu) 通常d a c 中含有三個基本部分 參考電壓源 可以外接 加權(quán) 網(wǎng)絡(luò)和電子開關(guān)網(wǎng)絡(luò) 比較完備的d a c 還含有電流一電壓轉(zhuǎn)換器及數(shù) 字量輸入接口 輸入鎖存器 等環(huán)節(jié) 大多數(shù)d a c 的基本結(jié)構(gòu)框圖如 圖2 2 所示 數(shù)字輸入 圖2 2d a c 的基本結(jié)構(gòu)框圖 出 根據(jù)加權(quán)網(wǎng)絡(luò)等部分實現(xiàn)方法的不同 常見的d a c 結(jié)構(gòu)可以分為 電流型 電壓型 電荷型等 每一類又可以分為很多小類 接下去將 分別加以簡單介紹 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 1 電流型的d a c 一 權(quán)電阻型d a c 圖2 3 為權(quán)電阻型d a c 的電路圖 r f 圖2 3權(quán)電阻型d a c 圖中包含n 個并列支路 每個支路由一個電阻和一個模擬開關(guān)串 連而成 各個支路電阻的阻值按二進制權(quán)系數(shù)關(guān)系遞增排列 而其中 的模擬開關(guān)分別受各位輸入數(shù)碼的控制 最高位數(shù)碼控制阻值最小的 支路開關(guān) 最低位數(shù)碼控制阻值最大的支路開關(guān) 當(dāng)某位數(shù)碼為1 時 它所控制的那位開關(guān)接通參考電壓源 在運算放大器反相端總線上出 現(xiàn)與該位電阻值成反比的權(quán)電流分量 當(dāng)某位數(shù)碼為 時 它所控制 的那位開關(guān)關(guān)閉 在總線上就沒有這一位的權(quán)電流分量 對于任意一 個二進制輸入數(shù)字 網(wǎng)絡(luò)輸出的總電流i 為各位輸出權(quán)電流的分量之 和 即 l 喜 d i 警 d 2 爭 鴨熹 憊 d 2 2 見2 0 2 2 1 1 輸出電壓為 一l 毋 2 2 卜2 權(quán)電阻d a c 是實現(xiàn)二進制數(shù)字一電壓轉(zhuǎn)換的最簡單的一種網(wǎng)絡(luò) 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 結(jié)構(gòu) 其缺點是當(dāng)位數(shù)明顯增多時 電阻的取值范圍過大 如要實現(xiàn)8 位數(shù)模轉(zhuǎn)換 電阻比值將高達(dá)1 2 8 l 這一比值在工藝制造上幾乎難以 實現(xiàn) 另外 對最高位電阻精度要求過于苛刻也是不易做到的 因此 這種結(jié)構(gòu)的d a c 很少見到產(chǎn)品 僅在某些特殊電路中以分立元件的形 式出現(xiàn) 二 分組衰減的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) 為了克服上述缺點 在構(gòu)成多位d a c 時 采用分組衰減的權(quán)電阻 網(wǎng)絡(luò) 把n 位電阻網(wǎng)絡(luò)分成若干組 圖2 4 為分組衰減的權(quán)電阻d a c 8 位 的一個實例 d t 琬m 砒孤d d rd 雷 圖2 4 分組衰減的權(quán)電阻d a c 該d a c 為8 位 分為兩組 每組4 位 組內(nèi)權(quán)電阻為r 2 r 4 r 8 r 組間分流電阻為r a r b 因為每組為4 位 故組間對應(yīng)位權(quán)電流 衰減系數(shù)為1 6 所以第二組注入到p 2 節(jié)點的電流應(yīng)該為注入到p 1 節(jié) 點電流的1 1 6 取r a 為每組中的最大權(quán)電阻值一一8 r 計算可得r b 為7 5 r 在該d a c 中用到的電阻阻值有r 2 r 4 r 7 5 r 8 r 相 對前一種網(wǎng)絡(luò)使用的電阻少得多 所以 采用分組加衰減電阻的方法 可以使多位d a c 電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻阻值范圍大大縮小 如果采用更少的 位數(shù) 3 位 2 位 為一組的分組方法時 用到的阻值種類更少 當(dāng)一位一組時 只用到了兩種阻值的電阻 這就是下面將要介紹的結(jié) 構(gòu)一一r 2 r 梯形電阻網(wǎng)絡(luò)d a c 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 三 r 2 r 梯形電阻網(wǎng)絡(luò)d a c 圖2 5 是r 一2 r 梯形電阻網(wǎng)絡(luò)d a c 結(jié)構(gòu)原理框圖 略 圖2 5r 2 r 梯形電阻網(wǎng)絡(luò)d a c 從圖中n n7 端口向右看入的電阻值是r 從2 27 1 一l 端口向 右看入的總電阻值也是r 但是從a a7 端口處向右看入的總阻值是 2 r 同理 從每個2 r 電阻向右看入的電阻值均是2 r 因此 電流每 流經(jīng)一個2 r 支路就被衰減一半 所以從左到右 各2 r 電阻中的電流 比例關(guān)系為 l 2 2 2 2 也就是說 流經(jīng)各2 r 電阻中的 電流是二進制的權(quán)電流 當(dāng)輸入數(shù)字信號為0 時 開關(guān)k 接到1 的位置 當(dāng)輸入數(shù)字信號 為1 時 開關(guān)k 接到2 的位置 這樣就實現(xiàn)了按照數(shù)字輸入而變化的 權(quán)電流加權(quán) 實現(xiàn)了數(shù)字一模擬的轉(zhuǎn)換 n 位權(quán)電流發(fā)生電路需要n 1 個值為2 r 的電阻和n 個值為r 的 電阻 隨著分辨率的提高 電阻的個數(shù)增加 但電阻始終是r 和2 r 兩種 而且2 r 電阻可以設(shè)計成為兩個r 電阻的串聯(lián) 因此r 一2 r 梯形 電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器克服了權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻值種類繁多的缺點 無 論從改善電阻的匹配精度和減小總值的角度說 r 2 r 梯形電阻網(wǎng)絡(luò)都 更為有利 集成的并行位電流控制的數(shù)模轉(zhuǎn)換器中 多采用r 2 r 梯形 電阻網(wǎng)絡(luò) 但是r 2 r 梯形電阻網(wǎng)絡(luò)d a c 結(jié)構(gòu)本身也存在不足 梯形電阻網(wǎng) 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 絡(luò)相當(dāng)于傳輸線 從模擬開關(guān)到梯形電阻網(wǎng)絡(luò)建立穩(wěn)定的輸出要一定 的傳輸時間 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多 所需要的傳輸時間就越長 因此在 位數(shù)較多時將直接影響d a c 的轉(zhuǎn)換速度 另外 當(dāng)輸入數(shù)字信號有n 位同時發(fā)生變化時 由于各級信號傳輸?shù)捷敵龆说臅r間不同 因而在 輸出端可能產(chǎn)生瞬時尖峰 四 電流源型d a c 電流源加權(quán)型d a c 是用有源器件 一般是m o s 管 構(gòu)成的電流 源來提供加權(quán)電流 與電阻加權(quán)型相比 電流源加權(quán)型d a c 速度快 對開關(guān)的寄生參數(shù)不敏感 而且精度增加 根據(jù)加權(quán)方式的不同 可 以分為二進制加權(quán)型和一進制加權(quán)型 溫度計式 二進制電流源加權(quán)型d a c 的結(jié)構(gòu)如圖2 6 所示 d im風(fēng) 圖2 6 二迸制電流源加權(quán)型d a c 二進制電流源加權(quán)型d a c 和電阻加權(quán)型d a c 基本結(jié)構(gòu)相似 只 是用加權(quán)的電流源代替加權(quán)的電阻來提供加權(quán)電流 這可以用兩種方 法實現(xiàn) 一是改變組成電流源的m o s 管的寬長比 w l 來提供加權(quán) 的電流值 如提供給最低位d 的電流源的m o s 管的寬長比為w l 則高一位d 一1 電流源的m o s 管的寬長比為2 w l 以此類推 二是改 變相同尺寸m o s 管組成的電流源的個數(shù) 如提供給最低位d 的電流 源的m o s 管 寬長比為w l 的個數(shù)為i 則高一位d 一j 電流源的 m o s 管 寬長比為w l 的個數(shù)為2 以此類推 直到最高位d l 的 m o s 管的個數(shù)為2 1 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 從圖2 6 中容易得到d a c 輸出的總電流和電壓分別為 l q 礦 y d 2 2 2 9 2 0 1 i 1 舊2 1 0 2 2 2 包2 0 d 輸出電壓為 u o d r 一進制電流源加權(quán)型d a c 的結(jié)構(gòu)如圖2 7 所示 r f d l0 z 氏 圖2 7 一進制電流源加權(quán)型d a c 一進制 溫度計式 電流源加權(quán)型d a c 先將二進制編碼的數(shù)字輸 入轉(zhuǎn)變?yōu)橐贿M制編碼 也就是溫度計式編碼 然后一進制編碼的每 位輸出分別控制一個電流源的導(dǎo)通與截止 一進制編碼與二進制編碼 的對應(yīng)關(guān)系如表2 1 所示 與n 位二進制編碼對應(yīng)的一進制編碼有2 n 1 位 當(dāng)二進制編碼為 d 時 則對應(yīng)的一進制編碼的低d 位都為1 其余位為0 也就是隨著 二進制編碼的增大 相應(yīng)的一進制編碼的各位 從最低位開始 依次 從0 變?yōu)? 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 表2 1一進制編碼與二迸制編碼的對應(yīng)關(guān)系 二進制編碼一進制編碼 0 00 0 0 0 l0 0 1 1 00 1 1 1 1 1 1 2 2 2 電壓型的d a c 電壓型d a c 的原理如圖2 8 所示 d tm 一 d a 圖2 8 電壓型d a c 的原理圖 r v 乒1 r v 2 2 k r v o 電壓型d a c 采用的是電阻式分壓 對n 位的d a c 基準(zhǔn)c a 壓u r 被2 個阻值相同的c a 阻分壓 各分壓點的電壓值分別為 哪 爭 o 2 2 等 2 2 瞰q 歹v r 2 1 2 2 2 1 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 每一個分壓點與一個對應(yīng)的模擬開關(guān)相連 模擬開關(guān)的狀態(tài)由輸 入數(shù)字信號d d ld 2 d 經(jīng)譯碼后控制 當(dāng)輸入信號d i 對 譯碼輸出使開關(guān)s 例閉合 其他開關(guān)斷開 此時轉(zhuǎn)換器的輸出為 y 驢導(dǎo) f 電阻分壓式的d a c 只需要用到一種電阻值 容易保證制造精度 即使阻值有較大的誤差 也不會出現(xiàn)非單調(diào)性 這是它的優(yōu)點 但是 對n 位二進制輸入的這種結(jié)構(gòu)的d a c 來說 需要2 個分壓電阻 以 及2 個模擬開關(guān) 因此隨著位數(shù)增加 所需元器件的數(shù)量呈幾何級數(shù) 急劇增加 這是它的缺點 2 2 3 電荷型的d a c 電荷型結(jié)構(gòu)的d a c 是通過在電容陣列中重新分配總電荷來工作 的 它的結(jié)構(gòu)原理如圖2 9 所示 d lmn n 圖2 9電荷型d a c 結(jié)構(gòu)原理圖 如圖中所示 電荷型d a c 正常工作需要一不交疊的兩相時鐘 在 m 2 時刻 所有電容的上 下極板都連到了地 進行放電 接下去 在 西1 時刻 所有輸入為 1 的位所控制的開關(guān)連接到基準(zhǔn)電壓u r 而 所有輸入為 0 的位所控制的開關(guān)連接到地 此時 連接到u r 上的總電容為 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 d c d 2 詈 研 日2 1 d 2 2 乜2 2 c 2 2 3 一1 連到地上的總電容為 2 c 一 l 一 d 1 2 1 0 2 2 4 峨2 1 2 c 2 2 3 2 其中 d d 1 2 1 d 2 2 2 珥2 為輸入的數(shù)字信號a 此時 輸出電壓為 d 1 2 d 2 2 2 q 2 u r 實現(xiàn)了數(shù)模 轉(zhuǎn)換的功能 電荷型d a c 的優(yōu)點是精度較高 但是有著面積大 對寄生電容敏 感等缺點 而且需要兩相時鐘 復(fù)雜度增加 2 3 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù) 同其它集成電路器件一樣 數(shù)模轉(zhuǎn)換器有著許多性能參數(shù) 是選 用器件的主要依據(jù) 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的參數(shù)可以分為兩類 靜態(tài)性能參數(shù) 和動態(tài)性能參數(shù) 2 3 1 靜態(tài)性能參數(shù) 一 分辨率 分辨率是表征輸出模擬量分辨程度的參數(shù) 分辨率是一項設(shè)計參 數(shù) 故僅有標(biāo)稱值 分辨率有三種表示方法 數(shù)字分辨率 模擬分辨 率和相對分辨率 d a c 的位數(shù)決定了最低有效位對應(yīng)的模擬量值 故用位數(shù)表示 d a c 的數(shù)字分辨率 通常所說的分辨率就是指數(shù)字分辨率 模擬分辨率是指d a c 能分辨的最小輸出模擬量值 即l s b l e a s t s i g n i f i c a n tb i t 大小的電流或電壓 該值通常作為參考單位或基準(zhǔn)單 位 相對分辨率是用模擬分辨率與額定滿度輸出量程f s r f u l ls c a l e r a n g e 的比值表示 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 二 精度 精度是指對給定的數(shù)字輸入 其模擬量輸出的實際值和理想值之 間的最大偏差 它反映了數(shù)模轉(zhuǎn)換器實際的轉(zhuǎn)換曲線和理想曲線之間 的最大偏差 它是失調(diào)誤差 增益誤差 線性誤差和噪聲等累加的結(jié) 果 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度可分為絕對精度和相對精度兩種 通常所說的 精度是指相對精度 精度有兩種表示方法 一種是用滿量程范圍的百 分比表示 f s r 另一種是以最低位 l s b 對應(yīng)的模擬輸出值為 單位表示 三 誤差參數(shù) 數(shù)模轉(zhuǎn)換器在靜態(tài)時的四種基本誤差是失調(diào)誤差 增益誤差 積 分線性誤差和微分線性誤差 前兩項誤差是可以通過外圍電路調(diào)整的 而對后兩種誤差 用戶是無法調(diào)整的 1 失調(diào)誤差 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的失調(diào)誤差是指模擬輸出的實際起始值與理想起始值 之差 對單極性的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 理想起始值為零 對雙極性的數(shù)模轉(zhuǎn) 換器 理想起始值為負(fù)滿刻度值 如圖2 1 0 所示 失調(diào)誤差通常用滿量程的百分比 f s r 或l s b 為單位來表示 圖2 10 失調(diào)誤差 2 0 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 增益誤差 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的特性曲線的實際斜率和理想斜率的偏差稱為增益誤 差 如圖2 1 1 所示 當(dāng)失調(diào)誤差調(diào)整后 增益誤差也就可以表示為滿 量程輸出的實際值與理想值之間的偏差 增益誤差通常用滿量程的百 分比 f s r 或l s b 為單位來表示 數(shù)撇 圖2 1 1 增益誤差 3 積分線性誤差 積分線性誤差 i n t e g r a t e d n o n l i n e a r i t y 簡稱i n l 指實際輸出的 模擬量值與理論值之差 即 i n l 測量值一理論值 4 微分線性誤差 微分線性誤差 d i f f e r e n t i a ln o n l i n e a r i t y 簡稱d n l 指的是兩個 相鄰數(shù)碼的模擬量輸出的跳變值與理論增量1 l s b 的差值 即 d n l 實際測量跳變值一1l s b 微分線性誤差是數(shù)模轉(zhuǎn)換器的一個重要參數(shù) 一般要求該參數(shù)在 i 2 l s b 范圍內(nèi) 若大于1 l s b 數(shù)模轉(zhuǎn)換器將出現(xiàn)非單調(diào)性 即輸 囂罄 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 出不再是輸入數(shù)字碼的單調(diào)函數(shù) 如圖2 1 2 所示 圖中 輸入數(shù)字從 0 1 1 增至1 0 0 輸出的模擬值反而減少 這在實際應(yīng)用中是不希望出現(xiàn) 的 微分線性誤差和積分線性誤差分別描述了數(shù)模轉(zhuǎn)換器的微觀和宏 觀的參數(shù) 前者描述的是相鄰數(shù)字變化時引起的模擬量的變化 若每 次變化都等于其步長 1 l s b 則微分線性誤差為0 如果模擬值的變 化不嚴(yán)格等于l l s b 就存在微分線性誤差 因此它反映了臨近數(shù)字碼 間的輸出模擬步長的均勻性 它是一種 微觀 參數(shù) 而積分線性誤 差考慮的是模擬輸出值的線性程度 即轉(zhuǎn)換特性曲線上某點對理想直 線的偏離情況 它是一種 宏觀 參數(shù) 粘 1 j 8 取翦0 0 1 0 1 08 l ll t 0 1l i o1 l l 數(shù)字輸入 2 3 2 動態(tài)性能參數(shù) 圖2 1 2 微分線性誤差 一 建立時間 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的建立時間 s e t t l i n gt i m e 定義為在輸入有一階躍變 化后 對應(yīng)模擬輸出達(dá)到規(guī)定誤差帶范圍內(nèi)所需要的時間 如圖2 13 所示 誤差帶通常規(guī)定為圭1 2 l s b 晰啪 枷抽納 卿 模擬輸出 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 j 字 入 t i 辮 7 毛 t 1 t 帶 圖2 1 3 建立時間 把數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入從全 0 階躍到全 i 的建立時間稱為滿 量程建立時間 而把輸入發(fā)生單位數(shù)碼躍變的建立時間稱為1 l s b 建 立時間 通常說的建立時間主要指的是滿量程建立時間 建立時間是數(shù)模轉(zhuǎn)換器的一個重要參數(shù) 特別是在高速應(yīng)用的場 合 二 尖峰 尖峰是數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)碼發(fā)生變化時刻產(chǎn)生的瞬時誤差 尖峰 的持續(xù)時間雖然很短 但幅值可能很大 這個參數(shù)會影響數(shù)模轉(zhuǎn)換器 動態(tài)工作時的精度 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章d a c 電路設(shè)計及模擬仿真 3 1d a c 的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 通過上述介紹的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的一些常見結(jié)構(gòu) 我們深刻了解了它 們各自的優(yōu)點和不足之處 本課題設(shè)計要求d a c 有較高的精度 較低 的功耗以及較短的建立時間 也就是要有高的綜合性能 因此我