一个高精度、低成本10位数字模拟转换器的设计与实现
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图 ２ 分 段 阶梯 结 构 的 Ｄ Ｃ Ａ
舵 ？
１ｉ ￣ｔ ｂ ９
Ｍ ＳＢ
１ ／ ８
１１ ２ ／０ ４ ｂｔ ｉ Ｏ
ＬＳＢ
数 增 长 ， 本 也 急剧 地 增 加 。 因此 ， 成 在选 择使 用 温度计 码结 构位 数和 版 图面积上存 在 一
该 结构 的特点 是速 度快 ，但对 电阻的 匹配与 温 度 特性 要求很 高 。假设 图 １ 是一个 １ 位 Ｄ Ｃ， 大 ０ Ａ 最 输 出 为 ２ｍＶ 当输 入 码字 是 ０ ｌ １１ １１１时 ， 。 ，１ ，１ ，１ 输 出电压是 ０９ ９ 。 ． ９ ｍＶ 当输入 码字 跳变 为 １００ ０ ０ ，０ ，０ ，
中。
关键 字 ： 字模 拟转换 器 ； 数 温度 计码 ； 电阻 匹配； 图 版
Ｄｅ ｉ ｎ ａ ｄ Ｓ ｍ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ Ｏ ｂ ｔＤｉ ｉ ｌ ｔ － ｓｇ ｎ ｉ ｌ ｔ ｆａ ｌ － ｉ ｏ ｇ ｔ － ｏ Ａｎ ｌ ｇ ａ ａｏ
Ｃｏ ｖ ｒ ｅ ｔ ｇ －Ｐｒ ｃ ｓｏ ｎｄ Ｌｏ ｎ ｅ ｔ ｒ ｗｉｈ Ｈｉ ｈ ｅ ｉｉ ｎ ａ ｗ－Ｃｏ ｔ ｓ
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所示Ｉ 。 ｌ
２ 分 段 阶梯 结构 Ｄ Ｃ Ａ
分段 阶梯 结 构 的 Ｄ Ｃ是 Ｒ ２ Ａ 一Ｒ
结构与 ２Ｒ结构的结合 ，是经常采 ｎ
用 的一 种 Ｄ Ｃ结 构 。分 段 阶梯 Ｄ Ｃ Ａ Ａ
的示 意 图如 图 ２所 示 。
分 段 阶梯 结 构 中 的关 键 是 决 定
ｎ
圈 １ 一 Ｒ 木 形 挚 构 Ｒ ２ ｉ 自
一
个高精度 ◆ 低成本 １ Ｏ位 数字模拟转换曩的设计与实现
马烨 ， 李斌
（ 南理工大学 电子与信 息学院 ， 东 广州 ５ ０４ ） 华 广 １６ ０
摘要： 随着集成技术的 日益发展 ， 高精度的数字模拟信号转换器模块 （ Ａ ） Ｄ Ｃ 已经是许多芯片中不可或
缺 的模块 。影 响数模 转换精度 关键 的 因素之 一是 电 阻的 匹配程度 。本 文详 细地描 述和 实现 了一个采 用 Ｕ Ｃ ０３ “ｍ工艺 的 高精度 、 Ｍ ．５ 低成 本 的 １ 位 ＤＣ的设 计 电路 ， 电路 对 电阻 匹配 系数要 求 与 ７ Ｄ Ｃ ０ Ａ 该 位 Ａ
２ Ｒ
哪 几 位 采 用 温 度 计 码 （ｈｒ ｍｅ ｒ ｔｅｍｏ ｔ ｅ
ｃｄ ） 最大程度地 降低脉冲尖 峰对 ｏｅ ，
Ｄ Ｃ的影 响刚。很 明显 ， 用温 度计 Ａ 使 码结 构 的位 数越 多 ，对 尖 峰脉 冲 的 抑 制效 果更 好 。但 是 采 用 的温 度 计 码结 构 位 数越 多 ，电阻个 数 会 以指
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Ｉ Ｈ巾 国集成 电 路 …
■ Ｃｈｎ ｔｇ ａｅ ｒｕｔ ｉａＩ ｅ ｒｔｄＣｉ ｉ ｎ ｃ
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１ 引 言
加 导致 了成 本上 升 ，并 且这 种 Ｄ Ｃ响 应速 度很 慢 。 Ａ
ｔｃ ｎ ｌ ｇ ｄ ｔ ｅｐ ｅ ｉｉｎ ｏ ｅｌｙ ｕ ｓｄ ｃ ｅ ｓ ｄ ｂ ｍｅ ， ｅ ｕ ｔ ｇ ｉ ｏ ｃ ｓ． ｉ ａｌ ， ｅｔ ｍｐ ｒ ｔ ｅｅ ｅ ｔ ｅ ｈ ｏｏ ａ ｒ ｃｓｏ ｆｔ ａ ｏ ｔｉ ｅ ｒ ａ ｅ ｙ８ ｔ ｓ ｒ ｓ ｌｉ ｌｗ ｏ ｔ Ｆ ｎ ｌｙ ｔ ｅ ｅ ａｕｒ ｆｃ ｙ ｎ ｈ ｈ ｉ ｎ ｎ ｈ
００ 时 ， 输 出 电 压 是 １ｍ ０ Ｖ， 此 时 ＭＳ （ ｓ Ｂ ｍｏｔ
个折 中。 从仿真的结果得出， 在该 １ 位 Ｄ Ｃ中采用 ０ Ａ
３位 的温度 计码 能 有效 地抑 制脉 冲 尖峰 对性 能 的影
响 （ 图 ３ ，图中曲线族是不 同工艺角的仿真结 如 ） 果。 图中可以看出分割位数取 ３ 从 的时候 ， 尖峰脉冲
ｏ ｅｌｙ ｕ ｒｈ ｒ ｅ ｒ ａ ｅ ｙ ｔ ｅｐ ｏ ｅ ｙ ｕ ｆ ｈ ＡＣ Ｔ ｅｔ ｓ ｎ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔ ａ ｅｓ ｏ ｅｏ ｅ Ｄ ｎｔ ｏ ｔｓ ｕ ｔｅ ｃｅ ｓｄｂ ｒｐ ｒａ ｏ ｔ ｅＤ ｈ ａ ｉｆ ｄ ｈ ｌ ｏｔ ． ｈ ｔ ｇｒ ｕ ｔ ｓ ｏ ｔ ｈ ｃ ｐ ｆ ｈ ＮＬ ｅ ｉ ｅ ｓ ｈ ｔ ｔ ｉ ０ ２ ＋ ． ｎ ｈ ｔｏ ｅ Ｉ ｓ一 ． － ０ ６Ｔ ｅ ｐ ｏ ｏ ｅ ｓ一 ． ～ ０ ２ ａ ｄ ｔ ａ ｆ ｈ ＮＬ ｉ ０ ６ ＋ ． ．ｈ ｒ ｐ ｓ ｄ ＤＡＣ ｈ ｓ ｂ ｅ ｕ ｃ ｓｆ ｌ ｐ ｌ ｄ ｉ ｅ ｃ ｍｍｅ ｃａ ｔ ａ ｅ ｎ ｓ ｃ ｅ ｓ ｌ ａ ｐｉ ｔ ｏ ｕ ｙ ｅ ｎｈ ｒ ｉｌ
低 。但是 随着 Ｄ Ｃ位数 的增 加 ， 片 面积也 急剧 增 Ａ 芯
看出， 右边 的 Ｒ ２ 一 Ｒ结构产生 １８ ２ 级的模拟输出 ， 左
边的分割结构控制着八个 １８ ２ 级模拟输出。左边的
三位分割结构 由一个 ３ ８ — 解码器控制 （ 如图 ４ ， ） 其
设 计
巾 国 集 成 电 路
Ｍ Ａ Ｙｅ ，ＬＩＢｉ ｎ
（ｃ ｏｌ ｆ ｌ ｔ ｎｃａ ｄＩｆｒ ｔ ｎＥ ｇ ｅｒ ｇ Ｓ ｕｈＣ ｉａＵ ｉｅｓｙ Ｓ ｈ ｏ ｏ ｅ ｒ ｉ ｎ ｏｍａ ｏ ｎｉ ｅ ｎ ， ｏ ｔ ｈｎ ｎｖｒｉ Ｅ ｃｏ ｎ ｉ ｎ ｉ ｔ
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的要求相 同， 对工艺、 图精度 的要求降低 了 ８ ， 版 倍 在相 同精度要 求下有效减 小了版 图面积 ， 降低 了设
计难度和生产成本。 最后在版 图上采用新颖的排列方式， 进一步降低 了温度等 因素的影响。 本文设计的 ＤＣ的精度为 ＤＬ范围在 一 ． ～ ０ ２ＩＬ Ａ Ｎ ０２ ＋ ． ，Ｎ 范围在 一 ． ～ ０ ６ ０６ ＋ ． 。该模块 已经成功应用在某些驱动芯片
对于 ｌ 位的 Ｄ Ｃ需要 ２０ ０ Ａ １ 个电阻，因此该结构 的
Ａ 随着信息时代的飞速发展 ，日 益精确的信息处 设 计 只适 用 于低位 数 的 Ｄ Ｃ。 本 文采用 一种 分段 阶梯 的 电阻 网络 架构 设计 一 理 芯 片对 数模 ， 数转 化 器 （ Ａ ／Ｄ 精 度 提 出 模 Ｄ ＣＡ Ｃ） ０位 Ｄ Ｃ， 效 地避 免 了两 者 的短 处 ， Ａ 有 同 越来越高的要求 ， 高精度 、 低成本 的数模 ／ 模数转换 个 高精 度 １ 器的设计 面临着严峻的挑战 。本文 研究一种提高 时在版图设计上采用新颖的排列 ，从而使电阻匹配 Ａ 降低 了芯 片 的设 Ｄ Ｃ转换精度 的方法 ， Ａ 并通过新颖 的电路和版图结 系 数要求 与 ７位 Ｄ Ｃ的要 求相 同 ， 计难度与生产成本 。 构 ， 计 了一个 高精度 、 设 严格 单调 的数模 转换 器 。 传 统 Ｄ Ｃ有两 种 典 型 的架 构 ： 一Ｒ 阶梯 式 结 Ａ Ｒ２ 构 和 ２ Ｒ结 构 。传统 的 Ｒ ２ Ａ Ｄ Ｒ结 构如 图 １ ｎ 一 ＲＬ Ｄ Ｅ
与版 图面积 达 到一个 最理想 的折 中。
ｓ ｎｆａｔ ｉ） ｌ 偏 置 电源 ， 它位 开 关都 接 地 。 ｉ ｉｃｎｂｔ ｂ０接 ｇｉ 其 如果 ｂ ０ 有 ００ １ ｌ位 ． ０ ｍＶ的误 差将 导致 Ｄ ＡＣ输 出 曲 线 的 非 线 性 ， 即 ＭＳ 位 电 阻 偏 差 必 须 保 证 在 Ｂ ００ １１ ．％以 内 ，才 能 保证 Ｄ Ｃ的单 调性 。这 ． ／ ：０１ ０ Ａ 样 ， 于高位 数 的 Ｄ Ｃ将 给版 图 以及 工 艺制程 提 出 对 Ａ
因此， 本文设计的 Ｄ Ｃ高三位采用温度计码结 Ａ
构 ， ７位 采用 Ｒ ２ 阶梯 结 构 。该 Ｄ Ｃ总共 包 括 低 一Ｒ Ａ １２ 模 拟输 出级 ， 用 三位温 度 计码 的分割 结 构 ０４个 采 将其 分割 成 了八 个 １８ 的模 拟输 出 。从 图 ２可 以 ２级
非常高的要求 。 ２Ｒ阶梯结构非常简单 ，对电阻匹配要求也很 ｎ
Ｃ ｈｉ ｎａ ｎ ｅ ｇｒ ｅ ｄ Ｃ ｉｃｕｉ Ｉｔ ａｔ ｒ ｔ
表 １温 度 计 码 解 码 器 真 值 表
鬻搬
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基金项 目： 国家 自然科 学基金 ２ １ ００年面上项 目 （ 目批准号： ０７ ０６ 项 ６９６２ ）
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２ 分 段 阶梯 结构 Ｄ Ｃ Ａ
分段 阶梯 结 构 的 Ｄ Ｃ是 Ｒ ２ Ａ 一Ｒ
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哪 几 位 采 用 温 度 计 码 （ｈｒ ｍｅ ｒ ｔｅｍｏ ｔ ｅ
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基金项 目： 国家 自然科 学基金 ２ １ ００年面上项 目 （ 目批准号： ０７ ０６ 项 ６９６２ ）
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