專用集成電路設計(AD和DA轉換器)

6.3D/A轉換器6.4A/D轉換器專用集成電路設計1/12/20231一、數模和模數轉換的概念和作用數模轉換即將數字量轉換為模擬電量(電壓或電流)，使輸出的模擬電量與輸入的數字量成正比。實現數模轉換的電路稱數模轉換器

Digital-AnalogConverter，簡稱

D/A轉換器或DAC。

模數轉換即將模擬電量轉換為數字量，使輸出的數字量與輸入的模擬電量成正比。

實現模數轉換的電路稱模數轉換器

Analog-DigitalConverter，簡稱A/D轉換器或ADC。

1/12/20232為何要進行數模和模數轉換？1/12/20233二、數模和模數轉換器應用舉例數字信號物理量模擬信號壓力傳感器溫度傳感器流量傳感器四路模擬開關數字控制計算機DAC模擬控制器模擬控制器液位傳感器DACDAC…………模擬控制器模擬控制器生產控制對象

DACADC二、數模和模數轉換器應用舉例1/12/20234

D/A轉換器即數/模轉換器(DigitaltoAnalogConverter),其任務是將數字量轉換為模擬量。

D/A轉換器廣泛用于信號處理中，如數字存儲示波器的示波管顯示器、增益控制、精密衰減器，精密數控電源，直接數字頻率合成器等等。6.3D/A轉換器

1/12/20235D/A轉換器的類型(分類）：4類1/12/20236

6.3.1D/A轉換器原理

D/A轉換器的原理框圖如下圖6-15所示。其中，b1～bN為N位數字量輸入，Uref為參考電壓。輸出模擬量為：Uo=KDUref，K為比例因子，D為：

故，

1/12/20237圖6-16D/A轉換器輸入輸出理想特性當輸入數字量最低位變化時，對應的模擬量跳一個臺階，輸出為階梯波信號。1/12/20238

2.D/A轉換器的主要技術指標

1)代表精度的指標——位數(bit數)——分辨率

階梯波臺階電壓：2)代表速度的指標——轉換時間——時鐘頻率即從數字信號輸入D/A轉換器到輸出電壓達到穩(wěn)態(tài)值所需要時間，該時間決定了D/A轉換器的轉換速度。實際上，D/A轉換要按時鐘節(jié)拍工作。通常用最高時鐘頻率來表達D/A轉換器的工作速度。3)靜態(tài)誤差所謂靜態(tài)誤差，是與時間無關，反映靜態(tài)工作時實際模擬輸出接近理想模擬輸出的程度。通常有失調誤差、增益誤差、非線性誤差等。1/12/20239

1.例置R-2R梯形D/A轉換器

1)電路倒置R-2R梯形D/A轉換器電路如圖6-18所示。該電路的優(yōu)點是電阻類型少，只有R和2R兩種，易實現。6.3.2D/A轉換器電路圖6-18倒置R-2R梯形D/A轉換器1/12/202310II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC從A、B、C節(jié)點向左看去，各節(jié)點對地的等效電阻均為2R。1/12/202311

由圖可見，輸出電壓Uo為：Uo=-RF×Io

而Io視開關S1～SN的狀態(tài)而定。S表示數字量控制開關，當數字量為“0”時，開關接地，電流不流入運放;

只有當數字量為“1”時，開關接到運算放大器的虛地點，其電流才流入運放而產生輸出。各電流關系為：I1=2I2=22I3=…=2N-1IN2)工作原理1/12/202312模擬量輸出為

若N=3,且數字字(即數字輸入代碼)為“110”，RF=R,那么流入運放總電流為：1/12/202313

如下圖，數字字b1～bN通過兩級非門構成的分相電路變成bi和bi，然后分別去控制兩個傳輸門構成的開關。當b1=“1”，b1=“0”時，傳輸門Ⅱ導通，將Si接到虛地點Q。反之，當b1=“0”,b1=“1”時，傳輸門Ⅰ導通，Ⅱ截止，將Si接到地。圖6–19D/A轉換器的開關電路3)開關電路2選1電路1/12/202314

1)電路如下圖所示，該電路由電容網絡與一組開關組成，并由兩相不重疊時鐘控制。2.權電容D/A轉換器

2)工作原理

(1)當φ1=“1”時，終端電容被短路，其它電容下端均接地，處于全放電狀態(tài)，所有電容電荷為0。稱此階段為“復位期”。1/12/202315(2)當φ1=“0”時，電路進入工作期，有兩種情況：①φ2=“0”，所有受φ2控制的開關打開，電容下端懸空，Uo=0。②φ2=“1”，則:·若bi=“1”，bi=“0”,則受φ2bi控制的開關閉合，相應的電容下端被接到參考電壓Uref。

·若bi=“0”，bi=“1”,則受φ2bi控制的開關閉合，相應的電容下端被接地。1/12/202316

(3)等效電路。電容分壓的等效電路如下圖。圖中Ceq代表對應bi=“1”被接到參考電壓Uref的電容之和，2C代表電路中所有電容之和，那么(2C-Ceq)代表對應bi=“0”即接地電容之和。根據串聯電容上電荷相等的原理，有：UA(2C-Ceq)=(Uref-UA)Ceq則：圖6-22電容分壓等效電路

1/12/202317

3)開關電路受φ2控制的開關電路如圖6-23所示。

圖6-23權電容D/A轉換器中的開關biΦ2=1，時傳輸門I導通biΦ2=0，時傳輸門II導通1/12/202318

3.開關樹D/A轉換器

1)電路

用2N個電阻串和開關樹組成。該電路電阻數為2N個，其中N為位數。這種電路中所有的電阻均相同，開關也相同，實現起來比較容易,但電阻多，開關也多，所占硅片面積比較大，而且轉換器對寄生電容敏感，導致信號延遲。1/12/202319

2)原理

(1)分壓定標。該電路共有2N個電阻，且所有電阻相等，電阻串對參考電壓Uref分壓。對第i個電阻分割點的電壓Ui為到底是哪個電阻分割點的電壓輸出，則由開關樹決定。1/12/202320圖6-26開關電路3)開關電路1/12/202321常用的集成DAC有AD7520、DAC0832、DAC0808、DAC1230、MC1408、AD7524等，這里僅對DAC0832作簡要介紹。

1.D/A轉換器DAC0832

DAC0832是CMOS工藝，8位D/A轉換器芯片，20腳雙列直插封裝。邏輯電平輸入與TTL兼容。有三種工作方式：直通方式、單緩沖方式、雙緩沖方式?？膳c單片機或微處理器直接接口，也可單獨使用。集成D/A轉換器及其應用1/12/2023221/12/2023231/12/2023241/12/202325DAC0832D/A轉換器輸出與輸入的關系（設VREF=10V）1/12/2023262.8位CMOS集成D/A轉換器CDA7520簡介數據鎖存器20k20k20k20k20kΩ……10k10k10k10k…VDDVREF151213CSWR45611D7

(MSB)D6D5D0

(LSB)S0S1S2S7OUT112316iΣRFBOUT2GND基準電壓輸入端

VREF

可正可負

片選控制端

電源電壓范圍+5V~+15V

8位數據輸入端，其電平與TTL電平兼容。MSB表示最高位，LSB表示最低位。接地端

內部反饋電阻RF

的引出端

兩個輸出端，一般將OUT2

接地，OUT1

接運放反向端。

寫信號控制端

1/12/202327解：當

D7D6D5D4D3D2D1D0=

11111111

時，輸出為滿度值。uO=-

UFSR

-9.961V。

[例]右圖為CDA7524的單極性輸出應用電路。圖中電位器R1

用于調整運放增益，電容

C

用以消除運放的自激。已知ULSB=VREF/256，試求滿度輸出電壓及滿度輸出時所需的輸入信號。CDA752045789106111213D7D6D4D3D2D1D5D0CS314VDD151612VREF=

10V++-△∞OUT1OUT2uOC2kR2R11k15pFWR1/12/2023288位的D/A轉換器常用的有DAC0832、DAC0808，都屬于R—2RT型電阻網絡型。剛才所介紹的AD7520為AD公司的產品。1/12/202329

6.4A/D轉換器

1.A/D轉換器的原理及特性

A/D轉換器的功能是將模擬量轉換為數字量，是數字化過程的第一步，也是數字化的必經之路。數字化過程一般包括以下三個步驟：

·取樣保持(S/H)：要是獲取模擬信號某一時刻的樣品，并在一定時間內保持這個樣品值不變。

·量化：將取得樣品值量化為用“0”、“1”表示的數字量。

·編碼：將量化后的數字量按一定規(guī)則編碼成數據流，以便進一步存儲與處理。1/12/202330A/D轉換的一般步驟1/12/202331圖中，量化器就是一系列加不同參考電平的電壓比較器，當輸入電壓高于該比較器的參考電平Uref時，比較器輸出的數字量為“1”；低于參考電平Uref時，輸出為“0”。圖6-36A/D轉換器的原理框圖1/12/202332

2.A/D轉換器的主要指標

(1)分辨率，即“位數”(bit數——A/D數字化的字長)。這是一個表達精度的指標。如果A/D轉換器的滿刻度輸入為UFSR，位數為N，則量化電平量化誤差量化噪聲方差

(6-48a)(6-48b)

(6-48c)1/12/202333圖6-373位A/D轉換器的轉換特性1/12/202334

(2)采樣率，即最高時鐘頻率，這是一個表達A/D轉換器轉換速度的指標。

(3)其它靜態(tài)特性指標還有失調誤差、增益誤差、非線性誤差等，其意義與D/A轉換器的靜態(tài)誤差相同。1/12/202335

6.4.2A/D轉換器的分類及應用

A/D轉換器的類型很多，如下圖所示：有高速并行FlashA/D，有速度與精度折中較好的流水線A/D，有適用于數字電壓表的雙斜率積分式A/D，也有適用范圍很廣的逐次比較式A/D等。

圖6-38A/D轉換器類型1/12/202336

6.4.3A/D轉換器電路舉例

1.逐次比較型A/D轉換器（逼近型）

逐次比較型A/D轉換器是一種低成本，分辨率和速度都比較好的A/D轉換器，因此應用十分廣泛。該A/D轉換器的原理框圖如圖6-40所示。1/12/202337

工作過程：電路收到轉換命令后，首先將逐次逼近寄存器置“0”(清零)。當第一個時鐘脈沖到來時，邏輯控制電路先將逐次逼近寄存器最高位(Dn-1)置“1”，其它位置“0”，經過D/A轉換器重新轉換為模擬電壓Uo(相當于UFSR/2)，然后將此電壓回送到比較器，與輸入信號Ui比較。若

Uo<Ui

數字輸出最高位保留“1”

Uo>Ui

數字輸出最高位改為“0”1/12/202338

第二個時鐘脈沖到來時，邏輯控制電路將寄存器次高位置“1”，并與最高位一起送到D/A轉換器，將其輸出電壓U′o

與Ui再次比較。若

U′o<Ui數字輸出次高位保留“1”U′o>Ui

數字輸出次高位改為“0”

這個過程一直進行下去直至最后一位完成。1/12/202339例如：輸入模擬信號Ui=163mV，轉換器的滿刻度電壓256mV，采用逐次比較量化過程如下：

最高位置“1”，Uo=128mV,Ui>Uo，最高位輸出為“1”；

次高位置“1”，Uo=128+64=192mV,Ui<Uo，次高位輸出為“0”；

次次高位置“1”，Uo=128+0+32=160mV,Ui>Uo，次次高位輸出為“1”；

……

如此下去，得到1010001，Uo=162mV?？梢奤o越來越逼近Ui，令最低位置“1”，則

Uo=128+0+32+0+0+0+2+1=163mV=Ui

完成轉換，163mV對應的數據為10100011。1/12/202340

2.算法A/D

1)算法原理

算法A/D轉換器工作流程如圖。首先將輸入信號Ui放大2倍，得2Ui，然后將2Ui與參考電壓Uref比較。

若2Ui>Uref,則最高位數字輸出為“1”，并以2Ui與Uref之差作為次高位的模擬輸入電壓。

若2Ui<Uref,

則最高位數字輸出為“0”，并以2Ui作為次高位的模擬輸入電壓。以此類推，可以產生相應的N位數字字。圖6-44算法A/D的工作流程

1/12/202341

2)電流模算法A/D轉換器電路及其工作原理電流模算法A/D特點：輸入輸出量全是電流，具有面積小，電壓低，功