半導體集成電路-17DA與AD轉換器

半導體集成電路知識要點復習數(shù)字集成電路輸入與輸出量均為二進制的數(shù)字，不是高電平，既是低電平，在數(shù)字電路中表現(xiàn)為“0”，“1”。01輸入與輸出量為連續(xù)變化的模擬量，在電路中用連續(xù)的電壓值或電流來標定模擬集成電路現(xiàn)實生活中的電路系統(tǒng)在照相的過程中，每一個像素點感受來自大自然的光，針對不同的光強及色度，呈現(xiàn)不同的色彩，完成成像過程表征像素值的量是模擬的值存儲的數(shù)據(jù)是數(shù)字格式將模擬的信號轉化成數(shù)字信號的過程將存儲數(shù)字的信號轉化成模擬信號再現(xiàn)圖像數(shù)字處理（微處理器）預處理(濾波、ADC）數(shù)字典型的信號處理系統(tǒng)框圖后處理（數(shù)模轉換(DAC)）DAC(DigitaltoAnalogConverter)：數(shù)/模轉換器

ADC(AnalogtoDigitalConverter)：模/數(shù)轉換器第12章D/A與A/D轉換器模擬模擬本章內容提要D/A變換器的基本原理D/A變換器的基本類型電壓定標電荷定標電流定標A/D變換器的基本原理A/D變換器的常用類型積分型ADC逐次逼近式ADCΣ-ΔADC閃爍ADC(全并行ADC)流水線ADC折疊插值ADCD/A變換器的設計原則本次課內容D/A變換器的基本原理D/A變換器的基本類型電壓定標電荷定標電流定標基本原理分類技術指標D/A變換器的設計原則本次課小結§12.1D/A轉換器的基本原理D/A數(shù)字信號模擬信號基本D/A變換器電壓或電流量（設為VOUT）…b0b1b2bN-1K——比例因子VREF——基準電壓D——數(shù)字代碼如(1101)2參考電壓二進制開關比例網(wǎng)絡輸出放大器b0b2b3bN-1…VREFDDVREFKVOUTD/A變換器原理框圖K一、基本原理VFS——滿量程輸出電壓DAC的數(shù)學形式VFS——滿量程輸出電壓LSBMSB1110004.3750V111

4.375110

3.750101

3.125100

2.500011

1.875010

1.250001

0.625000

0.000以3位DAC為例（設滿量程為5V）(1LSB)輸入數(shù)據(jù)每增加1，理想DAC的輸出將增加1LSB。數(shù)字輸入碼以VFS歸一化的模擬輸出值1LSB00000111101010010111001101/21D/A數(shù)字信號輸入（并行）模擬輸出數(shù)據(jù)鎖存輸出采樣與保持串行數(shù)據(jù)輸入實際應用中的D/A變換器控制信號電流定標電路電壓定標電路電荷定標電路二、DAC的分類3.按工作原理分：電流輸出型：輸出信號為電流（如THS5661A)電壓輸出型：輸出信號為電壓(如TLC5620)1.按輸出信號類型分：2.按能否作乘法運算：乘算型：基準電壓可變的DAC(如AD7533)三、DAC的主要技術指標1.分辨率:即1LSB:DAC輸入一個最低有效位(LSB)，在輸出端模擬電壓的變化量。取決于滿量程和位數(shù)。一般：如滿量程5V，8位則分辨率為5/256=19.5mV(更多的時候直接用位數(shù)來表示分辨率）2.建立時間:一個數(shù)字量轉換成穩(wěn)定模擬量所需要的時間。一般電流輸出型較短，電壓輸出型較長。3.靜態(tài)特性:是與時間無關的特性,反映靜態(tài)工作時實際模擬輸出接近理想特性的程度。用失調誤差、增益誤差、非線性誤差和單調性等指標來描述。當N∞時,LSB0N位D/A轉換器的傳輸特性由階梯曲線變?yōu)橹本€數(shù)字輸入碼以VFS歸一化的模擬輸出值1LSB000001111010100101110011無限精度特性（1）無限精度特性曲線（2）失調誤差失調誤差也叫漂移誤差，定義為輸入為零時的輸出模擬值由轉換器中放大器失調產(chǎn)生失調誤差數(shù)字輸入碼以VFS歸一化的模擬輸出值1LSB000001111010100101110011理想輸出特性（3）增益誤差增益誤差又稱比例誤差，是指轉換器實際的轉換曲線和理想在滿刻度時的差值(當失調誤差為零時),以滿刻度的百分比表示數(shù)字輸入碼以VFS歸一化的模擬輸出值1LSB000001111010100101110011理想輸出特性增益誤差（4）非線性誤差非線性誤差表示實際轉換曲線和理想曲線的最大偏差.數(shù)字輸入碼以VFS歸一化的模擬輸出值1LSB理想輸出特性000001111010100101110011非線性誤差一、電壓定標VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUT數(shù)字輸入碼以VFS歸一化的模擬輸出值0§12.2D/A轉換器的基本類型000一、電壓定標數(shù)字輸入碼以VFS歸一化的模擬輸出值0§12.2D/A轉換器的基本類型000VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUT001一、電壓定標VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUT§12.2D/A轉換器的基本類型數(shù)字輸入碼以VFS歸一化的模擬輸出值0000001010一、電壓定標VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUT§12.2D/A轉換器的基本類型數(shù)字輸入碼以VFS歸一化的模擬輸出值0000001010011數(shù)字輸入碼以VFS歸一化的模擬輸出值0一、電壓定標VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUT§12.2D/A轉換器的基本類型000001010011100一、電壓定標數(shù)字輸入碼以VFS歸一化的模擬輸出值1LSB無限精度特性0000011110101001011100110§12.2D/A轉換器的基本類型VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUT實際的簡單電壓定標DAC電路圖VREFRRRRRRRRb1b2b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b1b1b1b0b0b0b0A-+VOUT缺點:對于位數(shù)多的DAC，所需元件太多，面積大，功耗大優(yōu)點：通常具有良好的精度二、電荷定標＋－VxCACBVREFS0S1復位階段：S0、S1接地CA、CB放電，VX=0＋－VxCACB采樣階段：S0打開，S1接至VREF＋－VxCACBVREF二、電荷定標＋－VxCACBVREFS0S1優(yōu)點：電容網(wǎng)絡沒有直流功耗，因此電路具有功耗低的特點缺點:對于位數(shù)多的DAC，電容比大連接到VREF的電容總電容＋－VOVREFS0CC/2C/4C/2N-1C/2N-1端接電容b0b1b2bN-1三、電流定標設R0=R/2IR1A-+R1R2V1VO在電路內部產(chǎn)生二進制加權電流，有選擇地取和輸出VrefA-+R0VOR2R4R2N-1RI0b0b1b2bN-1010101011.基本電路A-+R0VOUTR2R4R2N-1RVrefI0b0b1b2bN-1缺點：電阻值范圍太寬如：8位分辨率的DAC電阻值范圍從R到128RA-+-+VO2R2R2R2RRR2R端接電阻RVREFI0I1I2IN-1IOR-2R梯形網(wǎng)絡電流定標DAC任何節(jié)點向右看去的電阻等于兩個2R電阻并聯(lián)RRR2.R-2R梯形網(wǎng)絡電路b0b1b2bN-1優(yōu)點:電阻阻值范圍小存在問題：開關的導通電阻會導致誤差任何節(jié)點向右看去的電阻等于兩個2R電阻并聯(lián)A-+-+VO2R2R2R2RRR2R端接電阻RVREFI0I1I2IN-1IOR-2R梯形網(wǎng)絡電流定標DAC……b0b1b2bN-1解決方法加偽開關偽開關（常通）A-+-+VO2R2R2RR2R端接電阻RVREFIOR-2R梯形網(wǎng)絡電流定標DAC△R△R△R△R△R/23.電流驅動型優(yōu)點:不需接輸出緩沖器可直接驅動電阻負載存在問題：采用二進制編碼輸入，開關切換瞬間可能引起很大的電流或電壓尖峰。如：輸入0111111－>10000000Iout..….I2I4I2N-2I2N-1IbN-1bN-2bN-3b1b0MOS-2MOS二進制權重電流源VbiasIout-Iout+b0b0b1b3b2b1b2b3IsumABCD電流在A、B、C、D點被等分,類似R-2R網(wǎng)絡優(yōu)點:版圖比R-2R型要緊湊的多I0I1I2I3Iout..….IIIIIb1b2b3b2N-2b2N-1共需2N-1個開關，采用溫度計碼形式輸入采用單位電流源優(yōu)點:不需接輸出緩沖器可直接驅動電阻負載，每次變化的位數(shù)少，電流或電壓尖峰小缺點：需要復雜的譯碼單元如3位二進制碼對應的溫度計碼二進制碼溫度計碼00000000000010000001010000001101100001111000001111101001111111001111111111111111電流驅動型的特點高電流驅動，不需要輸出緩沖器驅動電阻負載，速度快其精度依賴于電流源的匹配程度，對于單位電流源，需要的電流源數(shù)目多，如N位的DAC需要2N-1個電流源；而對于二進制權重電流源則最大和最小電流源之比很大。根據(jù)實際應用場合從以下幾方面權衡：§12.3D/A轉換器的設計原則精度：速度：功耗:面積:如高精度儀表如圖像處理如便攜式儀器如要求低成本的設備小結DAC的基本原理DAC的基本類型電壓定標電荷定標電流定標基本電路R-2R型電流驅動型DAC的設計原則§12.4A/D轉換器的基本原理A/D數(shù)字信號模擬信號輸入多路選擇器采樣保持A/D變換輸出選通狀態(tài)控制邏輯數(shù)字輸出模擬輸入b1b2bnA/D變換器框圖一、基本原理積分型ADC逐次逼近式ADCΣ-ΔADC閃爍ADC(全并行ADC)流水線ADC折疊ADC二、常用的ADC結構類型三、ADC的主要技術指標1.分辨率:數(shù)字量變化一個最低有效位(LSB)所需的輸入模擬電壓的變化量。取決于滿量程和位數(shù)。一般：如滿量程5V，8位則分辨率為5/256=19.5mV(更多的時候直接用位數(shù)來表示分辨率）2.轉換時間（速率）:完成一次從模擬量到數(shù)字量所需要的時間。積分型屬ms級，慢速；逐次比較型，微秒級，中速；全并行，納秒級，快速。3.量化誤差:ADC的有限分辨率階梯狀傳輸特性曲線與無限精度傳輸特性曲線之間的最大偏差。通常為1LSB或1/2LSB。數(shù)字輸出碼1LSB無限精度特性0000011110101001011100110模擬輸入

舍入式：1/2LSB舍尾式：1LSB1LSB無限精度特性0模擬輸入§12.5A/D轉換器的常用類型1.積分型A/D變換器（介紹目前較常用的雙斜率積分型A/D變換器）初始狀態(tài):S2閉合,S1接至-VA起止信號VREF控制邏輯二進制計數(shù)器-VAS1S2VX比較器門控時鐘信號R1數(shù)字輸出C1控制邏輯二進制計數(shù)器-VAVX比較器門控時鐘信號R1數(shù)字輸出初始狀態(tài):VX=0VREF控制邏輯二進制計數(shù)器-VAS1S2VX比較器門控時鐘信號R1數(shù)字輸出變換過程:第一階段S2打開，S1繼續(xù)接至-VA控制邏輯二進制計數(shù)器-VAVX比較器門控時鐘信號R1數(shù)字輸出變換過程:第一階段輸入信號進行2N個時鐘周期的積分VX從0開始上升。C1tVXVREF控制邏輯二進制計數(shù)器-VAS1S2VX比較器門控時鐘信號R1數(shù)字輸出變換過程:第二階段S1接至VREF，S2保持打開VREF控制邏輯二進制計數(shù)器VX比較器門控時鐘信號R1數(shù)字輸出第二階段：計數(shù)器清零后開始計數(shù)，VX下降：當VX下降至0時，計數(shù)器停止計數(shù)tVX計數(shù)雙斜率積分器輸出波形可變上升斜率VA1VA2固定下降斜率tVXn1n2雙斜率積分型ADC的特點:1.結構簡單，精度較高(可高達22位分辨率)，但是速度很慢。2.與普通積分型ADC相比,由于積分利用兩個時間的比值，所以能消除大部分線性誤差的影響。應用于低速、精確測量等領域，如數(shù)字電壓表、數(shù)字萬用表、智能化儀表及熱電偶輸出的量化。

計數(shù)器的計數(shù)值反映輸入電壓的大小2.逐次逼近式（SAR

）A/D變換器控制邏輯N位D/A變換器N位保持寄存器N位移位寄存器比較器模擬輸入VA起止信號時鐘b1b2b3bNMSB逐次逼近寄存器數(shù)字輸出一種以相應數(shù)字代碼按試探誤差技術對輸入信號進行逼近的方式工作的反饋系統(tǒng).

初始狀態(tài)：逐次逼近寄存器清零

MSB->1,若D/A輸出小于VA則MSB不變,否則,用0取代1.照此方式,從高位到低位逐次試探,直到N個周期完成全部位的試探.逐次逼近式A/D變換器判斷圖000VA100110010101111011001100001010011101110111小于1/2VFS大于1/2VFS小于3/4VFS大于3/4VFS大于7/8VFS時鐘周期時鐘周期時鐘周期逐次逼近ADC特點:結構簡單，面積小，功耗低，精度高(最高達到18bit,如AD7641

)。但是由于算法原因，需要N個時鐘周期才能完成轉換，速度較慢。被廣泛地應用于便攜/電池供電儀表，工業(yè)控制和數(shù)據(jù)/信號采集器等

3.Σ-ΔA/D變換器根據(jù)前一采樣值與后一采樣值之差（即所謂的增量）進行量化編碼的ADC

Σ-Δ調制器以遠大于奈奎斯特頻率的采樣率對模擬信號進行采樣和量化，輸出一位的數(shù)字位流;數(shù)字濾波器濾除大部分經(jīng)Σ-Δ調制器整形后的量化噪聲，并對一位的數(shù)據(jù)位流進行減取樣，得到最終的量化結果。閉環(huán)反饋環(huán)路使輸出數(shù)字序列對應的模擬平均值等于輸入信號的采樣平均值

Σ-ΔADC特點及應用場合特點：1.具有較高的轉換精度和性價比，且使用方便。如ADI的AD7760（20位分辨率）、TI的ADS1232（24位）。2.串行接口輸出、外圍器件少,低功耗3.轉換速率低（一般不超過5000sps）應用場合：用于高精度的低頻或直流信號測量的應用中。特別是數(shù)字音響系統(tǒng)，多媒體地震勘探儀器，聲納、電子測量，頻率合成等領域。4.全并行（Flash)A/D變換器VREFRRRVin寄存器編碼及輸出CO7CO6CO1D2D1D0電壓比較器Q7Q1Q6模擬輸入電壓Vin直接與各參考電壓比較，當比較電壓低于Vin時，所有的輸出都是高電平；而當比較電壓高于Vin時，所有的輸出都是低電平。FlashADC的特點及應用場合特點：是已知結構中速度