数模转换器简介 其中Binary和Thermometer更为常用，且能用较简单的方法进行转换。 Binary编码是一种比较直观的编码方式。Binarys编码的数模转换器实际上就是由输 入的N位数字信号直接控制相对应的模拟量，然后相加输出。而Thermometer编码的数 模转换器则是先将输入N位转换成2~-1位数据，然后由这2-1位数字信号来控制模拟 量到输出，使输出的模拟信号等量地线性增加。 由于Binary和Thermometer?编码对glitch、面积等指标有不同的影响，综合考虑这几 个指标后，现在对很多分辨率在8位以上的DAC来说，采用的都是分段编码，也就是说 高几位采用Thermometer编码，低几位采用Binary编码。具体原因将在下面阐述。 2.5DAC的各种拓扑结构 电阻型： 结构如图2.5所示。图2.5所示的是一个R-2R阶梯网络型的转换器。其优点在于能实 现很好的线性度，由于所有的电流源都是等值的，我们可以用特殊的附加技术使它们间 误差较小，与电阻分压相比其结构简单得多。缺点是电阻总是非线性的，还包含着和信 号有关的寄生电容，要做到完全匹配较难。同时速度受到输出缓冲器的限制，速度做不 到很高。 电容型： 结构如图2.6所示。最高位的电容Cx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。电荷分配型DAC的一个主要缺点是CMOS工 艺中的电容实现起来要占很大的芯片面积。最后由于CMOS工艺中的电容本质是非线性 的，总的DAC的线性度将受到抑制。适用于中宽带高精度。 A() 图2.5电阻型DAC的结构图 图2.6电容型DAC的结构图 高速数模转换器的设计 6
数模转换器简介 高速数模转换器的设计 6 其中Binary 和Thermometer更为常用,且能用较简单的方法进行转换。 Binary编码是一种比较直观的编码方式。Binary编码的数模转换器实际上就是由输 入的N位数字信号直接控制相对应的模拟量，然后相加输出。而Thermometer编码的数 模转换器则是先将输入N位转换成2 1 N − 位数据，然后由这2 1 N − 位数字信号来控制模拟 量到输出，使输出的模拟信号等量地线性增加。 由于Binary和Thermometer编码对glitch、面积等指标有不同的影响，综合考虑这几 个指标后，现在对很多分辨率在8位以上的DAC来说，采用的都是分段编码，也就是说 高几位采用Thermometer编码，低几位采用Binary编码。具体原因将在下面阐述。 2.5 DAC 的各种拓扑结构 电阻型： 结构如图2.5所示。图2.5所示的是一个R-2R阶梯网络型的转换器。其优点在于能实 现很好的线性度,由于所有的电流源都是等值的，我们可以用特殊的附加技术使它们间 误差较小,与电阻分压相比其结构简单得多。缺点是电阻总是非线性的，还包含着和信 号有关的寄生电容,要做到完全匹配较难。同时速度受到输出缓冲器的限制，速度做不 到很高。 电容型： 结构如图2.6所示。最高位的电容CN 是最低位电容C1的 1 2N− 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。电荷分配型DAC的一个主要缺点是CMOS工 艺中的电容实现起来要占很大的芯片面积。最后由于CMOS工艺中的电容本质是非线性 的，总的DAC的线性度将受到抑制。适用于中宽带高精度。 图2.5 电阻型DAC的结构图 图2.6 电容型DAC的结构图
数模转换器简介 电流型： 结构如图2.7所示。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。 输出时也可以不采用运算放大器，直接利用负载电阻将电流转换成电压输出，如图 2.8所示。这种形式使得DAC的速率可以不受运放带宽的限制。 2.6DAC的电流型拓扑结构 上面简单的给出了电阻型、电容型和电流型DAC的拓扑结构，并简单的分析了它 们的优缺点。考虑到本文的要求是设计一个高速的DAC,所以设计时采用的是电流型 的结构。在此对电流型的结构进行较详细的介绍。 电流型的结构可以细分为电流分配型和电流驱动型。 电流分配型DAC通过将一个给定的参考电流源分配在几个晶体管中，然后再选中 其中一些作为输出来实现转换。结构如图2.9所示。 Vout A(T 图2.7电流型DAC的结构图 图2.8输出直接利用负载电阻进行转换 loUT MSB 2 O LSB IRE 图2.9电流分配型DAC的结构图 高速数模转换器的设计
数模转换器简介 高速数模转换器的设计 7 电流型： 结构如图2.7所示。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。 输出时也可以不采用运算放大器，直接利用负载电阻将电流转换成电压输出，如图 2.8所示。这种形式使得DAC的速率可以不受运放带宽的限制。 2.6 DAC 的电流型拓扑结构 上面简单的给出了电阻型、电容型和电流型DAC的拓扑结构，并简单的分析了它 们的优缺点。考虑到本文的要求是设计一个高速的DAC，所以设计时采用的是电流型 的结构。在此对电流型的结构进行较详细的介绍。 电流型的结构可以细分为电流分配型和电流驱动型。 电流分配型DAC通过将一个给定的参考电流源分配在几个晶体管中，然后再选中 其中一些作为输出来实现转换。结构如图2.9所示。 图2.7 电流型DAC的结构图 图2.8 输出直接利用负载电阻进行转换 图2.9 电流分配型DAC的结构图
数模转换器简介 这种结构有两个主要的缺点。首先在I和电源之间的电流分配晶体管的存在使输 出电压的动态范围下降，这在低工作电压情况下实现起来会很困难。其次，由于IF是 所有电流分配晶体管中流过的电流的总和，所以实现I的管子的尺寸会很大。由于以 上这些缺点，这种结构现在也较少地采用。 电流驱动型DAC是目前高速DAC中的主流结构。它与电流分配型DAC结构的区别 在于前者是拷贝参考电流源得到输出而后者是分配参考电流源得到输出。电流驱动型 DAC中最常用的有三种结构：二进制编码型DAC,温度计编码型DAC和分段编码型 DAC。三种结构各有其优缺点。 这里以一个3位的DAC为例，给出其电流驱动型的三种结构： a.二进制编码电流驱动型结构—如图2.10所示。 b.温度计编码电流驱动型结构一如图2.11所示。 c.分段编码的电流驱动型结构一如图2.12所示。 三种电流驱动型结构的比较： 下面本文将就这三种结构的优缺点进行探讨，比较的方面主要集中在两点：芯片面 积和线性度。为了比较三种结构的线性度，我们首先介绍一个DAC中广泛引用的概念： 毛刺(glitch)。 VDD VDD E 4 R R b2 t5 0 t6 Vout Vout t7 bo E R Binary Weighted-Code Thermometer-Code 图2.10二进制编码电流型DAC结构图 图2.12分段编码电流型DAC结构图 VDD t1 bo E t2 R b1 t3 0 t4 Vout b2 0 t5 t6 t7 图2.11温度计编码电流型DAC结构图 高速数模转换器的设计 8
数模转换器简介 高速数模转换器的设计 8 这种结构有两个主要的缺点。首先在 REF I 和电源之间的电流分配晶体管的存在使输 出电压的动态范围下降，这在低工作电压情况下实现起来会很困难。其次，由于 REF I 是 所有电流分配晶体管中流过的电流的总和，所以实现 REF I 的管子的尺寸会很大。由于以 上这些缺点，这种结构现在也较少地采用。 电流驱动型DAC是目前高速DAC中的主流结构。它与电流分配型DAC结构的区别 在于前者是拷贝参考电流源得到输出而后者是分配参考电流源得到输出。电流驱动型 DAC中最常用的有三种结构：二进制编码型DAC，温度计编码型DAC和分段编码型 DAC。三种结构各有其优缺点。 这里以一个3位的DAC为例，给出其电流驱动型的三种结构： a. 二进制编码电流驱动型结构——如图2.10所示。 b. 温度计编码电流驱动型结构——如图2.11所示。 c. 分段编码的电流驱动型结构——如图2.12所示。 三种电流驱动型结构的比较： 下面本文将就这三种结构的优缺点进行探讨，比较的方面主要集中在两点：芯片面 积和线性度。为了比较三种结构的线性度，我们首先介绍一个DAC中广泛引用的概念： 毛刺（glitch）。 图2.10 二进制编码电流型DAC结构图 图2.12 分段编码电流型DAC结构图 图2.11 温度计编码电流型DAC结构图
数模转换器简介 glitch是DAC高速工作时精度的主要制约因素，它是由于控制电流源的开关的工作 延时不同而引起的，如图2.13所示，电流源1和I2开关时刻的不同步，导致了输出出 现短时波形变化(glitch)。 通常采用温度计编码会大大减小glitch。 在温度计编码型DAC中，所有的电流源都相同，这样总共需要2-1个电流源。当 温度计编码输出每变化1LSB时，电流源阵列中就有一个电流源打开或者关断，故它的 单调性是自然得到保证的。在数字码处在整个输入范围的中间变化时，电流源阵列中变 化的电流源依然只有一个。而对于二进制编码DAC来说，情况就完全不一样了：当数 字码在整个输入范围的中间变化时，MSB和其它位的变化方向相反（例如二进制011到 100转换，对应十进制值3到4的转换)，这时输出变化的幅度最大，往往会超过1LSB, 这样会带来很大的短时波形变化(glitch),所以在单调性要求很高的场合，温度计编码的 优越性远远大于二进制编码。 温度计编码DAC较二进制编码DAC的另一个优越性体现在对器件的匹配要求上。 对温度计编码DAC而言，如果DAC的电流源单元不匹配程度在50%以内，则整个系统 的DNL从理论上还是可以控制在O.5LSB以内的，而对于二进制编码DAC而言，DNL随 输入码值而变化，在中间码值情况最坏。 温度计编码的第三个优越之处体现在glitch对整个DAC的线性度性能并无影响。每 次转换发生时，总的glitch的大小与转换的开关个数成正比。当输出变化幅度较小时（例 如1LSB),glitch很小；当输出变化幅度较大时（例如4LSB),glitch大一些。如图2.14所示。 然而由于转换的开关的个数与信号的变化幅度成正比，总的glitch的大小就正比于 输出信号变化的幅度。所以对于温度计编码DAC而言，glitch与输出的模拟信号的线性 度无关。 4 Isb 1 switch 4 switches 图2.13开关工作延时不同引起glitch 图2.14输出变化1LSB和4LSB时glitch的比较 高速数模转换器的设计 9
数模转换器简介 高速数模转换器的设计 9 glitch是DAC高速工作时精度的主要制约因素，它是由于控制电流源的开关的工作 延时不同而引起的，如图2.13所示，电流源 I1和 I 2 开关时刻的不同步，导致了输出出 现短时波形变化(glitch)。 通常采用温度计编码会大大减小glitch。 在温度计编码型DAC中，所有的电流源都相同，这样总共需要2 1 N − 个电流源。当 温度计编码输出每变化1LSB时，电流源阵列中就有一个电流源打开或者关断，故它的 单调性是自然得到保证的。在数字码处在整个输入范围的中间变化时，电流源阵列中变 化的电流源依然只有一个。而对于二进制编码DAC来说，情况就完全不一样了：当数 字码在整个输入范围的中间变化时，MSB和其它位的变化方向相反(例如二进制011到 100转换，对应十进制值3到4的转换)，这时输出变化的幅度最大，往往会超过1LSB， 这样会带来很大的短时波形变化(glitch)，所以在单调性要求很高的场合，温度计编码的 优越性远远大于二进制编码。 温度计编码DAC较二进制编码DAC的另一个优越性体现在对器件的匹配要求上。 对温度计编码DAC而言，如果DAC的电流源单元不匹配程度在50%以内，则整个系统 的DNL从理论上还是可以控制在0.5LSB以内的，而对于二进制编码DAC而言，DNL随 输入码值而变化，在中间码值情况最坏。 温度计编码的第三个优越之处体现在glitch对整个DAC的线性度性能并无影响。每 次转换发生时，总的glitch的大小与转换的开关个数成正比。当输出变化幅度较小时(例 如1LSB)，glitch很小；当输出变化幅度较大时(例如4LSB)，glitch大一些。如图2.14所示。 然而由于转换的开关的个数与信号的变化幅度成正比，总的glitch的大小就正比于 输出信号变化的幅度。所以对于温度计编码DAC而言，glitch与输出的模拟信号的线性 度无关。 图2.13 开关工作延时不同引起glitch 图2.14 输出变化1LSB和4LSB时glitch的比较
数模转换器简介 下面本文对电流驱动型DAC的三种实现方式的芯片面积和精度的关系做一下分 析，这里本文引用文献3]的分析结果，如表2.2所示。从表中我们可以看出，对于两种 拓扑结构NL均相同，而对于DNL则有区别，二进制编码DAC明显要差于温度 编码DAC。我们还可以看出，两种结构达到同样的NL需要相同的芯片面积（为简单 起见，我们仅计算模拟部分面积而忽略数字译码部分面积)：而为了达到相同的DNL, 二进制编码DAC需要的模拟部分面积为温度计编码DAC的模拟部分面积的1024倍I!。 关于DNL,对三种编码进行比较[7刀： 设每个单一电流源的标准差是σ(I),台阶差是σ（△I),o(△I）是对DNL的一个很好 的近似。 ●二进制编码DAC 二进制编码DAC具有较大的glitch能量和较大的DNL。在这种结构中，最坏情形发 生在半满量程码值输入时，此时MSB(相当于2-个单位电流源)打开而其它的电流源（相 当于2-1-1个单位电流源)关断，于是输出变化的方差为： σ2(4W0=σ2[2-1-(2-1-1)1 =2-g2(0+(2-1-10o2(0 =(2-1)o2() 得到： G(a)）=V2-iG0=√2-i四(LS8) 上式就说明二进制编码结构最大的DNL误差与单一电流源标准差所成的比例关 系。 ●温度计编码DAC 这种结构有较小的DNL误差和较小的动态开关误差，因为这种编码每次只有一位 从0变化为1，采用类似的方法得到： a(AD)-(D(LSB) 上式看出温度计编码结构的DNL误差要明显小于二进制编码结构。 表2.2.电流型DAC二进制和温度计编码的比较 要求 二进制编码 温度编码 INL 16g 16g DNL 326 g 面积(INL=0.5LSB) 256*A mnit 256*Aunit 面积(INL=1LSB) 64 Aumit 64 Aunit 面积(DNL=0.5LSB) 1024*Aum Amnit 高速数模转换器的设计 10
数模转换器简介 高速数模转换器的设计 10 下面本文对电流驱动型DAC的三种实现方式的芯片面积和精度的关系做一下分 析，这里本文引用文献[3]的分析结果，如表2.2所示。从表中我们可以看出，对于两种 拓扑结构INL均相同，而对于DNL则有区别，二进制编码DAC明显要差于温度 编码DAC。我们还可以看出，两种结构达到同样的INL需要相同的芯片面积(为简单 起见，我们仅计算模拟部分面积而忽略数字译码部分面积)；而为了达到相同的DNL， 二进制编码DAC需要的模拟部分面积为温度计编码DAC的模拟部分面积的1024倍!!!。 关于DNL，对三种编码进行比较[7]： 设每个单一电流源的标准差是σ (I ) ,台阶差是σ (∆I ) ,σ (∆I ) 是对DNL的一个很好 的近似。 z 二进制编码DAC 二进制编码DAC具有较大的glitch能量和较大的DNL。在这种结构中，最坏情形发 生在半满量程码值输入时，此时MSB(相当于 1 2N− 个单位电流源)打开而其它的电流源(相 当于 1 2 1 N− − 个单位电流源)关断，于是输出变化的方差为: ( ) 2 21 1 12 1 2 2 () 2 2 1 2 ( ) (2 1) ( ) (2 1) ( ) N N N N N III I I I σ σ σ σ σ − − − − ∆= − − ⎡ ⎤ ⎣ ⎦ = +− = − 得到： ( ) ( ) 2 1 () 2 1 ( ) N N I I I LSB I σ σ σ ∆= − = − 上式就说明二进制编码结构最大的DNL误差与单一电流源标准差所成的比例关 系。 z 温度计编码DAC 这种结构有较小的DNL误差和较小的动态开关误差，因为这种编码每次只有一位 从0变化为1，采用类似的方法得到： ( ) () ( ) I I LSB I σ σ ∆ = 上式看出温度计编码结构的DNL误差要明显小于二进制编码结构。 表2.2. 电流型DAC二进制和温度计编码的比较