目录 目录 摘要 前言… 2 第一章数模转换器简介 §1.1 DAC基本原理…3 §1.2 几种不同结构DAC的比较…5 §1.3研究这种新型结构的理由… …6 第二章具体实现原理 §2.1 基本结构… 8 §2.2改进方法… 9 第三章 设计与仿真结果 §3.1基本单元的设计与结果 … 12 §3.2 10位DAC的核心设计与结果… 17 第四章设计讨论 §4.1在实现高速过程中的问题 …21 §4.2 非理想效应对转换精度的影响 24 §4.3 对电容不匹配的改进 24 §4.4不足与计划 26 结束语… 27 参考文献 28 致谢… 29 开关电容型流水线数模转换器的设计
目录 目 录 摘要 前言…………………………………………………………… 2 第一章 数模转换器简介 §1.1 DAC 基本原理 ……………………………………… 3 §1.2 几种不同结构 DAC 的比较………………………… 5 §1.3 研究这种新型结构的理由………………………… 6 第二章 具体实现原理 §2.1 基本结构…………………………………………… 8 §2.2 改进方法…………………………………………… 9 第三章 设计与仿真结果 §3.1 基本单元的设计与结果 ………………………… 12 §3.2 10位DAC的核心设计与结果 ………………… 17 第四章 设计讨论 §4.1 在实现高速过程中的问题 ……………………… 21 §4.2 非理想效应对转换精度的影响 ………………… 24 §4.3 对电容不匹配的改进 …………………………… 24 §4.4 不足与计划 ……………………………………… 26 结束语 ……………………………………………………… 27 参考文献 …………………………………………………… 28 致谢 ………………………………………………………… 29 开关电容型流水线数模转换器的设计 1
前言 前 言 我选择的论文主题是关于数模转换方面的，之所以选择这个方向是由于在数字和模拟领 域的接口研究中，数模转换器DAC和模数转换器ADC的应用不仅局限于听觉通路的如麦克风 和扩音器，视觉通路的如照相机和其他一些显示设备，而且在有线或无线通道数据传输中也 有很重要的用途。典型的如数据信号依据某种机制被调制到载波上，和载波一起在有线或无 线的通道中传输，接收器接收到信号再进行解调，可根据应用和可行性的不同在数字或模拟 领域中解调，其应用之广泛可见一斑。 ADC Digita Analog DAC 随着近年来对高速通信的需求和对英特网、移动终端应用的飞速增长，许多相应的技术， 如DSL,GSM,EDGE,UMTS,WCDMA,GPRS等就需要大幅度的改进，线性度和低功耗是限制这些 技术发展的的两个大障碍，其中的一个瓶颈问题就是数据转换，以DAC为例，到目前为止， 对他有影响的因素还有很多，如噪声、失配、寄生、延迟等等，解决了这些问题也就大大推 进了技术和应用领域的发展。 我所研究的新型结构是向传统的电流型DAC在高速数模转换领域中所占的垄断地位发 起挑战，抖动是电流型结构在高频下的症结所在.而此结构却能在没有抖动，又无附加电路 和特殊工艺的条件下实现高速度、高精度和低功耗，所以今天来研究他也就显得格外有意义。 开关电容型流水线数模转换器的设计
前言 前 言 我选择的论文主题是关于数模转换方面的，之所以选择这个方向是由于在数字和模拟领 域的接口研究中，数模转换器 DAC 和模数转换器 ADC 的应用不仅局限于听觉通路的如麦克风 和扩音器，视觉通路的如照相机和其他一些显示设备，而且在有线或无线通道数据传输中也 有很重要的用途。典型的如数据信号依据某种机制被调制到载波上，和载波一起在有线或无 线的通道中传输，接收器接收到信号再进行解调，可根据应用和可行性的不同在数字或模拟 领域中解调，其应用之广泛可见一斑。 随着近年来对高速通信的需求和对英特网、移动终端应用的飞速增长,许多相应的技术， 如 DSL，GSM，EDGE，UMTS,WCDMA,GPRS 等就需要大幅度的改进，线性度和低功耗是限制这些 技术发展的的两个大障碍，其中的一个瓶颈问题就是数据转换,以 DAC 为例，到目前为止， 对他有影响的因素还有很多,如噪声、失配、寄生、延迟等等，解决了这些问题也就大大推 进了技术和应用领域的发展。 我所研究的新型结构是向传统的电流型 DAC 在高速数模转换领域中所占的垄断地位发 起挑战，抖动是电流型结构在高频下的症结所在.而此结构却能在没有抖动，又无附加电路 和特殊工艺的条件下实现高速度、高精度和低功耗,所以今天来研究他也就显得格外有意义。 开关电容型流水线数模转换器的设计 2
第一章数模转换器简介 第一章 数模转换器简介 1.DAC基本原理 DC是为了实现数字和模拟器件的连接在他们的接口上放置的把数字信号转换成模拟 信号的器件，其输出端的模拟信号就代表输入端的数字信号。 按其原理划分，DAC可分为Nyquist型和过采样型。Nyquist型转换器按其结构又可大 致分为：电阻分压型、R-2R称重型、电荷分配型和电流驱动型，一般根据不同的应用，从 速度、精度、功耗、主要限制因素、复杂度和芯片面积等多方面入手，综合考虑，选择一个 恰当的结构。 数字量的最低位所表示的模拟量称为LSB(1 east significant bit)eg.10bit,00000 00001的理想输出就是这个单位量，数字输入每加1模拟输出就会增加一个LSB,所以输入 输出曲线图如台阶状：（如图1.1） DNL+1 图1.1DAC输入输出曲线图及部分静态参数 但由于不理想状况的存在，使得输出并不能完完全全代表输入，总会有一些误差，包括 幅度上的和时间上的，每一个台阶的高度也不尽相同，有高有低，故而引入静态和动态误差 参数来衡量其性能的好坏。 静态参数和信号无关，低频时占主导：（如图1.1） DNL(differential nonlinearity)--相邻数值输入所得输出的最大差值与LSB的差。 INL(integral nonlinearity)--实际的D/A曲线与通过始末两点的直线的最大距离。 Offset--在D/A曲线上穿过始末两点的直线与垂直轴的截距。 Gain-error---始末两点连线的斜率与理想值之间的差距。 动态参数和信号有关，高频时占主导地位： 开关电容型流水线数模转换器的设计
第一章 数模转换器简介 第一章 数模转换器简介 1. DAC 基本原理 DAC 是为了实现数字和模拟器件的连接在他们的接口上放置的把数字信号转换成模拟 信号的器件，其输出端的模拟信号就代表输入端的数字信号。 按其原理划分，DAC 可分为 Nyquist 型和过采样型。Nyquist 型转换器按其结构又可大 致分为：电阻分压型、R-2R 称重型、电荷分配型和电流驱动型，一般根据不同的应用，从 速度、精度、功耗、主要限制因素、复杂度和芯片面积等多方面入手，综合考虑，选择一个 恰当的结构。 数字量的最低位所表示的模拟量称为 LSB(least significant bit)eg.10bit,00000 00001 的理想输出就是这个单位量，数字输入每加 1 模拟输出就会增加一个 LSB，所以输入 输出曲线图如台阶状：（如图 1.1） 图 1.1 DAC 输入输出曲线图及部分静态参数 但由于不理想状况的存在，使得输出并不能完完全全代表输入，总会有一些误差，包括 幅度上的和时间上的，每一个台阶的高度也不尽相同，有高有低，故而引入静态和动态误差 参数来衡量其性能的好坏。 静态参数和信号无关，低频时占主导：（如图 1.1） DNL(differential nonlinearity)---相邻数值输入所得输出的最大差值与 LSB 的差。 INL(integral nonlinearity)---实际的 D/A 曲线与通过始末两点的直线的最大距离。 Offset---在 D/A 曲线上穿过始末两点的直线与垂直轴的截距。 Gain-error---始末两点连线的斜率与理想值之间的差距。 动态参数和信号有关，高频时占主导地位： 开关电容型流水线数模转换器的设计 3
第一章数模转换器简介 Settingtime-在最终值的一个特定的误差范围内，输出经历满幅转换所需要的时间。 Glitch impulse area---输入信号变化以后在输出端出现的抖动下的最大面积，也被称为抖 动能量。（如图1.2) 图L.2DAC部分动态参数 Latency-从输入变化到输出在一个特定的误差范围内建立所需要的总时间。 SNR(signal--to-noise ratio)--当输入为正选信号时，输出端的信号功率与噪声功率的比 值。 SNDR(signal-to-noise--and-distortion ratio)--输入为正选信号时，输出端的信号功 率与总的噪声和失真功率的比值。 输入端的数字信号可以用不同的编码方式，常用的有Decimal,Binary,Thermometer和 1-of-n,(如表*)其中Binary和1-of-n更为常用，且能用较简单的方法进行转换。 表* Decimal 0 1 2 3 Binary 00 01 10 11 0 0 0 0 Themometer 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1-of-n 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 开关电容型流水线数模转换器的设计
第一章 数模转换器简介 Settingtime---在最终值的一个特定的误差范围内，输出经历满幅转换所需要的时间。 Glitch impulse area---输入信号变化以后在输出端出现的抖动下的最大面积，也被称为抖 动能量。（如图 1.2） 图 1.2 DAC 部分动态参数 Latency---从输入变化到输出在一个特定的误差范围内建立所需要的总时间。 SNR(signal-to-noise ratio)---当输入为正选信号时， 输出端的信号功率与噪声功率的比 值。 SNDR(signal-to-noise-and-distortion ratio)----输入为正选信号时, 输出端的信号功 率与总的噪声和失真功率的比值。 输入端的数字信号可以用不同的编码方式,常用的有 Decimal,Binary，Thermometer 和 1-of-n,（如表*）其中 Binary 和 1-of-n 更为常用,且能用较简单的方法进行转换。 表 * Decimal 0 1 2 3 Binary 00 01 10 11 Themometer 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1-of-n 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 开关电容型流水线数模转换器的设计 4
第一章数模转换器简介 2.几种不同结构DAC的比较 三种不同类型的DAC分别以下述的结构实现，注意此处只是给出了一大致的示意，具 体的应用还要进行一些细节的改进。 电流型：（二进制权重，如图1.3） A(0 图1.3电流型DAC 其优点是当精度小于10位时能将面积做得很小，速度不受放大器带宽和较大RC延迟的限制， 可达到很高的速度，由于所有的电流都直接流向输出端，所以能量的使用效率很高，且容易 实现。缺点是对器件不匹配性的敏感和有限的电流源输出阻抗。适合高速宽带的要求。 电容型：（此处指的是传统的二进制电容网络，和本文重点论述的电容型结构不同，如图1.4） 2 LSB R A( 图1.4电容型DAC 最高位的电容C是最低位电容C的2倍。优点是功耗较小，匹配精度比电阻高。主要的限 制因素是电容的不匹配，开关的导通电阻，较大RC延迟以及放大器有限带宽对DAC速度的 影响。适用于中宽带高精度。 开关电容型流水线数模转换器的设计
第一章 数模转换器简介 2. 几种不同结构 DAC 的比较 三种不同类型的 DAC 分别以下述的结构实现，注意此处只是给出了一大致的示意，具 体的应用还要进行一些细节的改进。 电流型：(二进制权重，如图 1.3) 图 1.3 电流型 DAC 其优点是当精度小于10位时能将面积做得很小，速度不受放大器带宽和较大RC延迟的限制， 可达到很高的速度，由于所有的电流都直接流向输出端，所以能量的使用效率很高,且容易 实现。缺点是对器件不匹配性的敏感和有限的电流源输出阻抗。适合高速宽带的要求。 电容型：(此处指的是传统的二进制电容网络，和本文重点论述的电容型结构不同，如图 1.4) 图 1.4 电容型 DAC 最高位的电容 CN是最低位电容 C1的 2 N-1倍。优点是功耗较小，匹配精度比电阻高。主要的限 制因素是电容的不匹配，开关的导通电阻，较大 RC 延迟以及放大器有限带宽对 DAC 速度的 影响。适用于中宽带高精度。 开关电容型流水线数模转换器的设计 5