半導(dǎo)體集成電路-17DA與AD轉(zhuǎn)換器

半導(dǎo)體集成電路知識(shí)要點(diǎn)復(fù)習(xí)數(shù)字集成電路輸入與輸出量均為二進(jìn)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(lái)標(biāo)定模擬集成電路現(xiàn)實(shí)生活中的電路系統(tǒng)在照相的過(guò)程中，每一個(gè)像素點(diǎn)感受來(lái)自大自然的光，針對(duì)不同的光強(qiáng)及色度，呈現(xiàn)不同的色彩，完成成像過(guò)程表征像素值的量是模擬的值存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是數(shù)字格式將模擬的信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)的過(guò)程將存儲(chǔ)數(shù)字的信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)再現(xiàn)圖像數(shù)字處理（微處理器）預(yù)處理(濾波、ADC）數(shù)字典型的信號(hào)處理系統(tǒng)框圖后處理（數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)）DAC(DigitaltoAnalogConverter)：數(shù)/模轉(zhuǎn)換器

ADC(AnalogtoDigitalConverter)：模/數(shù)轉(zhuǎn)換器第12章D/A與A/D轉(zhuǎn)換器模擬模擬本章內(nèi)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(biāo)電荷定標(biāo)電流定標(biāo)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A(chǔ)DCD/A變換器的設(shè)計(jì)原則本次課內(nèi)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(biāo)電荷定標(biāo)電流定標(biāo)基本原理分類技術(shù)指標(biāo)D/A變換器的設(shè)計(jì)原則本次課小結(jié)§12.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理D/A數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)基本D/A變換器電壓或電流量（設(shè)為VOUT）…b0b1b2bN-1K——比例因子VREF——基準(zhǔn)電壓D——數(shù)字代碼如(1101)2參考電壓二進(jìn)制開關(guān)比例網(wǎng)絡(luò)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(xué)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(shè)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(hào)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(shí)際應(yīng)用中的D/A變換器控制信號(hào)電流定標(biāo)電路電壓定標(biāo)電路電荷定標(biāo)電路二、DAC的分類3.按工作原理分：電流輸出型：輸出信號(hào)為電流（如THS5661A)電壓輸出型：輸出信號(hào)為電壓(如TLC5620)1.按輸出信號(hào)類型分：2.按能否作乘法運(yùn)算：乘算型：基準(zhǔn)電壓可變的DAC(如AD7533)三、DAC的主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率:即1LSB:DAC輸入一個(gè)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(shí)候直接用位數(shù)來(lái)表示分辨率）2.建立時(shí)間:一個(gè)數(shù)字量轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定模擬量所需要的時(shí)間。一般電流輸出型較短，電壓輸出型較長(zhǎng)。3.靜態(tài)特性:是與時(shí)間無(wú)關(guān)的特性,反映靜態(tài)工作時(shí)實(shí)際模擬輸出接近理想特性的程度。用失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差和單調(diào)性等指標(biāo)來(lái)描述。當(dāng)N∞時(shí),LSB0N位D/A轉(zhuǎn)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(wú)限精度特性（1）無(wú)限精度特性曲線（2）失調(diào)誤差失調(diào)誤差也叫漂移誤差，定義為輸入為零時(shí)的輸出模擬值由轉(zhuǎn)換器中放大器失調(diào)產(chǎn)生失調(diào)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(zhuǎn)換器實(shí)際的轉(zhuǎn)換曲線和理想在滿刻度時(shí)的差值(當(dāng)失調(diào)誤差為零時(shí)),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(shí)際轉(zhuǎn)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(biāo)VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUT數(shù)字輸入碼以VFS歸一化的模擬輸出值0§12.2D/A轉(zhuǎn)換器的基本類型000一、電壓定標(biāo)數(shù)字輸入碼以VFS歸一化的模擬輸出值0§12.2D/A轉(zhuǎn)換器的基本類型000VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUT001一、電壓定標(biāo)VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUT§12.2D/A轉(zhuǎn)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(biāo)VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUT§12.2D/A轉(zhuǎn)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(biāo)VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUT§12.2D/A轉(zhuǎn)換器的基本類型000001010011100一、電壓定標(biāo)數(shù)字輸入碼以VFS歸一化的模擬輸出值1LSB無(wú)限精度特性0000011110101001011100110§12.2D/A轉(zhuǎn)換器的基本類型VREFRRRRRRRRA-+b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b0b0VOUT實(shí)際的簡(jiǎn)單電壓定標(biāo)DAC電路圖VREFRRRRRRRRb1b2b2b2b2b2b2b2b2b2b1b1b1b1b1b1b1b0b0b0b0A-+VOUT缺點(diǎn):對(duì)于位數(shù)多的DAC，所需元件太多，面積大，功耗大優(yōu)點(diǎn)：通常具有良好的精度二、電荷定標(biāo)＋－VxCACBVREFS0S1復(fù)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(biāo)＋－VxCACBVREFS0S1優(yōu)點(diǎn)：電容網(wǎng)絡(luò)沒有直流功耗，因此電路具有功耗低的特點(diǎn)缺點(diǎn):對(duì)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(biāo)設(shè)R0=R/2IR1A-+R1R2V1VO在電路內(nèi)部產(chǎn)生二進(jìn)制加權(quán)電流，有選擇地取和輸出VrefA-+R0VOR2R4R2N-1RI0b0b1b2bN-1010101011.基本電路A-+R0VOUTR2R4R2N-1RVrefI0b0b1b2bN-1缺點(diǎn)：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(luò)電流定標(biāo)DAC任何節(jié)點(diǎn)向右看去的電阻等于兩個(gè)2R電阻并聯(lián)RRR2.R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)電路b0b1b2bN-1優(yōu)點(diǎn):電阻阻值范圍小存在問題：開關(guān)的導(dǎo)通電阻會(huì)導(dǎo)致誤差任何節(jié)點(diǎn)向右看去的電阻等于兩個(gè)2R電阻并聯(lián)A-+-+VO2R2R2R2RRR2R端接電阻RVREFI0I1I2IN-1IOR-2R梯形網(wǎng)絡(luò)電流定標(biāo)DAC……b0b1b2bN-1解決方法加偽開關(guān)偽開關(guān)（常通）A-+-+VO2R2R2RR2R端接電阻RVREFIOR-2R梯形網(wǎng)絡(luò)電流定標(biāo)DAC△R△R△R△R△R/23.電流驅(qū)動(dòng)型優(yōu)點(diǎn):不需接輸出緩沖器可直接驅(qū)動(dòng)電阻負(fù)載存在問題：采用二進(jìn)制編碼輸入，開關(guān)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(jìn)制權(quán)重電流源VbiasIout-Iout+b0b0b1b3b2b1b2b3IsumABCD電流在A、B、C、D點(diǎn)被等分,類似R-2R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn):版圖比R-2R型要緊湊的多I0I1I2I3Iout..….IIIIIb1b2b3b2N-2b2N-1共需2N-1個(gè)開關(guān)，采用溫度計(jì)碼形式輸入采用單位電流源優(yōu)點(diǎn):不需接輸出緩沖器可直接驅(qū)動(dòng)電阻負(fù)載，每次變化的位數(shù)少，電流或電壓尖峰小缺點(diǎn)：需要復(fù)雜的譯碼單元如3位二進(jìn)制碼對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)碼二進(jìn)制碼溫度計(jì)碼00000000000010000001010000001101100001111000001111101001111111001111111111111111電流驅(qū)動(dòng)型的特點(diǎn)高電流驅(qū)動(dòng)，不需要輸出緩沖器驅(qū)動(dòng)電阻負(fù)載，速度快其精度依賴于電流源的匹配程度，對(duì)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(gè)電流源；而對(duì)于二進(jìn)制權(quán)重電流源則最大和最小電流源之比很大。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合從以下幾方面權(quán)衡：§12.3D/A轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)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(shè)備小結(jié)DAC的基本原理DAC的基本類型電壓定標(biāo)電荷定標(biāo)電流定標(biāo)基本電路R-2R型電流驅(qū)動(dòng)型DAC的設(shè)計(jì)原則§12.4A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理A/D數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)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(jié)構(gòu)類型三、ADC的主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率:數(shù)字量變化一個(gè)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(shí)候直接用位數(shù)來(lái)表示分辨率）2.轉(zhuǎn)換時(shí)間（速率）:完成一次從模擬量到數(shù)字量所需要的時(shí)間。積分型屬ms級(jí)，慢速；逐次比較型，微秒級(jí)，中速；全并行，納秒級(jí)，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(wú)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(wú)限精度特性0000011110101001011100110模擬輸入

舍入式：1/2LSB舍尾式：1LSB1LSB無(wú)限精度特性0模擬輸入§12.5A/D轉(zhuǎn)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(hào)VREF控制邏輯二進(jìn)制計(jì)數(shù)器-VAS1S2VX比較器門控時(shí)鐘信號(hào)R1數(shù)字輸出C1控制邏輯二進(jìn)制計(jì)數(shù)器-VAVX比較器門控時(shí)鐘信號(hào)R1數(shù)字輸出初始狀態(tài):VX=0VREF控制邏輯二進(jìn)制計(jì)數(shù)器-VAS1S2VX比較器門控時(shí)鐘信號(hào)R1數(shù)字輸出變換過(guò)程:第一階段S2打開，S1繼續(xù)接至-VA控制邏輯二進(jìn)制計(jì)數(shù)器-VAVX比較器門控時(shí)鐘信號(hào)R1數(shù)字輸出變換過(guò)程:第一階段輸入信號(hào)進(jìn)行2N個(gè)時(shí)鐘周期的積分VX從0開始上升。C1tVXVREF控制邏輯二進(jìn)制計(jì)數(shù)器-VAS1S2VX比較器門控時(shí)鐘信號(hào)R1數(shù)字輸出變換過(guò)程:第二階段S1接至VREF，S2保持打開VREF控制邏輯二進(jìn)制計(jì)數(shù)器VX比較器門控時(shí)鐘信號(hào)R1數(shù)字輸出第二階段：計(jì)數(shù)器清零后開始計(jì)數(shù)，VX下降：當(dāng)VX下降至0時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)tVX計(jì)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(diǎn):1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度較高(可高達(dá)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(gè)時(shí)間的比值，所以能消除大部分線性誤差的影響。應(yīng)用于低速、精確測(cè)量等領(lǐng)域，如數(shù)字電壓表、數(shù)字萬(wàn)用表、智能化儀表及熱電偶輸出的量化。

計(jì)數(shù)器的計(jì)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(hào)時(shí)鐘b1b2b3bNMSB逐次逼近寄存器數(shù)字輸出一種以相應(yīng)數(shù)字代碼按試探誤差技術(shù)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)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(gè)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(shí)鐘周期時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期逐次逼近ADC特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，面積小，功耗低，精度高(最高達(dá)到18bit,如AD7641

)。但是由于算法原因，需要N個(gè)時(shí)鐘周期才能完成轉(zhuǎn)換，速度較慢。被廣泛地應(yīng)用于便攜/電池供電儀表，工業(yè)控制和數(shù)據(jù)/信號(hào)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(jìn)行量化編碼的ADC

Σ-Δ調(diào)制器以遠(yuǎn)大于奈奎斯特頻率的采樣率對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)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(diào)制器整形后的量化噪聲，并對(duì)一位的數(shù)據(jù)位流進(jìn)行減取樣，得到最終的量化結(jié)果。閉環(huán)反饋環(huán)路使輸出數(shù)字序列對(duì)應(yīng)的模擬平均值等于輸入信號(hào)的采樣平均值

Σ-ΔADC特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合特點(diǎn)：1.具有較高的轉(zhuǎn)換精度和性價(jià)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(zhuǎn)換速率低（一般不超過(guò)5000sps）應(yīng)用場(chǎng)合：用于高精度的低頻或直流信號(hào)測(cè)量的應(yīng)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(cè)量，頻率合成等領(lǐng)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(dāng)比較電壓低于Vin時(shí)，所有的輸出都是高電平；而當(dāng)比較電壓高于Vin時(shí)，所有的輸出都是低電平。FlashADC的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合特點(diǎn)：是已知結(jié)構(gòu)中速度