现代电路理论学习精讲课件

b1 b2 bN
vo
VREF N1 ( 2 b1 2b N 1 b N ) N 2
主要缺点：1. 电阻值差异较大，集成设计困难；2. 精度难于保证。
1.2.2 梯形电阻网络DAC
I'
VREF N1 v o R I N ( 2 b1 2b N1 b N ) 2
5、转换时间和转换速率 一般指一次模拟量完全转换为数码所需的时间。 6、馈通误差 信号通过开关或其它器件耦合而未被隔离，这样形成的误差。 7、满度误差 8、谐波畸变 9、交调畸变 10、线性误差 11、微分线性
12、信噪比
13、转换速率 14、量化误差
15、温度系数
增益温度系数线性温度系数 失调温度系数
A/D,D/A转换器
集成滤波器 射频前端电路
第一部分 现代A/D、D/A转换技术
A/D
数字电路的主要优点
■ 器件工作在饱和与截止区，工作状态稳定； ■ 二值信号，便于存储和再生； ■ 由标准门电路、触发器等组成，易于集成； ■ 广泛利用EDA工具；
D/A
趋势：模拟电路功能由数字电路去实现。
A/D与D/A转换器性能提高的主要方向: 1、高速度。由于需要数字化的信源带宽越来越宽，从音频、视频到射频，要 求转换器的工作速度越来越高。 2、高精度。由于需要数字化的信源的动态范围越来越大，人们对数据处理的 质量要求也越来越高，因此需要转换器的精度不断提高。 3、易于单片集成。目前，实现低成本、低功耗和高可靠性的单片集成系统即 片上系统(system on chip, SOC)已成为一种趋势。一个完整的电子系统往往是数 模混合集成系统，包括数字电路、模拟电路、模数与数模转换电路。
第二章 A/D的工作原理与组成
2.1 ADC的原理
vI
D
两种量化方式：
1、只舍不入
如果数字输出是一个n位的二进制数，则
其中[ ]表示取函数的整数部分，VREF是输入 满量程电压，△= VREF/2n为能在输出端引起 变化的最小输入变化量，称为量化单位，它 对应数字量的最低位有效值LSB。
2、有舍有入
C
C 2
C 2 N 1
A 1
' CN CN
工作过程分析： 1. S0闭合
Q总 c1 VREF b1 c 2 VREF b2 c N VREF bN 1 i 1 VREF c ( ) bi i 1 2
N
2. S0 断开, 且S1,…SN均接地
V
VI
T1
准
放
备
大
2. 失调抵消结构
H
T1，T3 导通
vc VREF VIO
T2 导通 H v A VI VC VIO
VI VREF
3. 时钟串扰抵消结构
引入时钟的反向变化抵 消干扰
T3---T5: 放大器处于放大阶段 T4---T5: 形成差值输出信号
2.4
电荷分配型ADC
C
C 2
C 4
C 8
C C 16 16
vA 0 vA 0
输出高电平 输出低电平
VREF 2V VI 1.2V
控制规则： 若Si—VREF，输出高，开关保持
ຫໍສະໝຸດ Baidu
若Si—VREF，输出低，开关接地
工作过程 （1）取样过程：S1闭合， S7 接VI，S2—S6接1端
q A 2C v I
按性能则可将A/D转换器划分为高速A/D转换器和高精度A/D转换器。
按结构可将A/D转换器划分为串行结构、并行结构和串并行结构A/D转换器。
2.4 ADC的组成
滤除>fs/2成分
2.4.1 量化器——量化、编码 （1）比较器 比较器特性
VI VREF
Voc
VM VL
比较器
VO
VIC VL VIC VL
6. 电源灵敏度
直流电源变化百分之一时，模拟满度输出变化的百分数。
7. 开关时间
DAC输出由一种状态变为另一种状态所需要的时间。包括延迟时
间、上升时间，但不包括调整时间。 8. 转换速率 输入数码满度变化时转换器输出电压变化的最大速率，用s/V表示。 9. 温度稳定性 用温度系数表示。
X X2 Tc 1 T1 T2
第一章 D/A的工作原理与组成
MSB LSB
b1 b2
D/A
vO
VO 2Ni bi 2N1 b1 bN
i 1
N
bN
1.1 DAC 的基本指标 1. 精度 ——绝对精度、相对精度 绝对精度：输入数字码时的模拟输出和期望输出之差，误差来自增益误 差、零点误差、线性误差和噪声等。 相对精度：满度校正后模拟值在任意数码时对理论值的偏差，用1LSB的 百分比表示。
补码
DAC
vo 0
1.
原码输入：01101
S1、S4接地 S2、S3、S5接VREF SO 闭合 电容存储的总电荷为：
(
C C C ) VREF 2 4 16
S1、 S2、S3、 S4 、S5 接地 S6 闭合 So 断开
C C C v A 2C ( ) VREF 2 4 16
13 vo v A VREF 32
2. 补码输入：10011
v A 2C C VREF
C C ( ) VREF 8 16
vo v A
13 VREF 32
1.5 高速D/A转换器举例
分为： a. 电压输出型DAC：8-20位，0.8-40s b. 电流输出型DAC：8-20位，0.005-2.0s c. 视频型DAC：4-12位，转换速率>35MHz
2.3 A/D转换器的分类
按采样率fs与信号频率的关系，可以将A/D转换器划分为: 1、Nyquist频率A/D转换器 遵从采样定理，要求采样频率大于或等于输入信号最高频率的二倍。因为抗混叠滤波器不 可能具有理想低通特性，必然有过渡频带，所以采样频率需要比模拟信号带宽的两倍稍高一 些。 2、带通采样A/D转换器 在带通采样A/D转换器中，由于带通信号在频率轴上仅占据很小的部分，有可能用比信号 最高频率低的采样频率采样而保证采样后的频谱不产生重叠。 3、过采样A/D转换器 在过采样A/D转换器中，则需要信号的采样频率比Nyquist频率高得多。后部的数字滤波电 路用来去掉信号带宽以外的噪声。采用过采样技术可以降低量化噪声电平，从而实现高精度 的A/D转换器。
放大（线性）特性 非线性特性
要求：精度、灵敏度、速度、实现简单。
VL
VM
VIc VI VREF
VI
差值
VI VREF
放大
锁存
Vo
VREF
（2）差值电路
S1闭合，S2断开
Vo1
c VREF c cp c VI c cp
S1断开，S2闭合
Vo 2
输出电压增量
V Vo 2 Vo1
（2）保持过程：S1断开， S7 接VREF，S2—S6接2端 VA=-VI
（3）重新分配过程：对各开关进行测试，决定Si接VREF或地。
a. 测试S2(接地或接VREF) S2接地 S2接VREF
S2
S2
q A 2C v I 2.4C
VA=-VI=-1.2V
S2接VREF前，C2——C6上存储电荷
X——随温度变化的变量
T——温度
包括：增益温度系数、线性温度系数、偏置温度系数、单极性零点温 度系数等。 10. 抖动 数码输入发生变化和通过开关的延迟时间不相等，在输出端产生冲击。
发生抖动严重情况：011…1到100…0。
1.2 1.2.1 电阻权网络DAC
R
并联型D/A转换器
2N1 R
2R
q'
(q ' q" ) vA 0.2V C
1 q A 1.2C 2 1 C VREF C 2
最后A点电压
S2接VREF后，C2——C6上存储电荷
q"
根据控制规则，所以Si保持在VREF端。
各开关S1~S6a依次动作，A点电位VA满足以下公式：
1v 0 .5
0.75 0.375
0.688
t
vo
0 .5
0.75 0.375
0.688
t
串联DAC转换器实现
T1、T2、T4——S1、S2、S3
T3、T5——抵消时钟信号经T1、T2、T4栅极间电容引起的对C1和C2的干扰。
1.4 适应正负极性工作的D/A转换器
正数 原码
DAC
vo 0
负数
c ( VI VREF ) c cp
（3）对放大器电路要求
特点：高增益：一般均在80dB以上。
开环工作：输入与输出间不加反馈。
低失调电压： 放大器中的特殊电路结构： 1. 自偏置结构：保证工作点位于线性区。
缺点：输入信号通过R直通到输出 端，造成干扰。 改进型
VDD
T2
T3
Vo
v
RL
输出数字码的跳变发生在△/2的奇数 倍的地方，量化误差有正有负，最大 值为△/2。 假设量化误差: (1)在-△/2和△/2之间随机变化，且 均匀分布; (2)独立于模拟输入信号。这种假设 在一般情况下并不是严格成立，通 常在分辨率为4位以上时具有合理的 近似。 这样，量化噪声功率可以表示为εq的均方值:
P(f )
r0
q具有随机性，为白噪声性质。
0
fs 2
fs
f
用分贝表示时
2.2 ADC的基本指标
1、分辨率 为能使输出发生一位数字变化的最小输入量，通常以输出二进制码的位数n表 示。从理论上讲，对于一个n位A/D转换器，所能分辨的最小输入电压为VREF/2n相 当于一个量化单位表示的输入电压。 2、绝对精度： ADC的误差是指在给定输出码时产生此数码的真实模拟输入和理论模拟输 入间之差。 3、 相对精度 满度校正之后输入模拟值对其理论值的偏差。 4、窗口时间 保持命令加到ADC前面的采样保持放大器到开关真正打开之间的时间间 隔，由两部分组成：延迟和不确定性。
现代电路理论初步
BASIS OF MODERN CIRCUITS THEORY
集成电路工艺技术发展
以数字信号处理和数字电路为 系统核心
片上系统
数字电路优势 外部世界接口——模拟量
模拟电路与数字电路有相同制 造工艺； MOS器件成为主流
课程主要内容： CMOS模拟集成电路基础 电流模电路 抽样数据电路
d. 对数型DAC: 一、电压输出型DAC 输入总线接口有并行和串行，参考电源有内接和外接，分辨率有4，8， 10，12，14，16，18，20位。
AD公司：DAC1138
二、电流输出型DAC
特点：调整时间短，高速器件。 AD公司：AD9768 100MHZ，20mA
作业
1、D/A转换器的主要性能指标和含义是什么? 2、查资料，叙述电流型D/A转换器的原理，并作计算。
2.4.1 逐次逼近型ADC
高精度ADC
逐次逼近(successive approximation)型A/D转换器采用了“二进制搜索”算法， 将输入模拟电压与逐次逼近的基准电压进行比较，逐位产生数字代码，使数字输出 所表示的模拟量逐次逼近输入信号。
逐次逼近型A/D转换器具有以下几个优点:
1、比较器的失调电压不影响整个转换器的线性度。 2、不需要显式减法器，这是在高精度应用中的一个非常重要的优点。 3、电路的复杂性和功耗一般低于其他结构。
2C v A VREF
1 i 1 C ( ) bi i 1 2
N
1 v 0 VREF ( )i bi i 1 2
N
1.3 串联D/A转换器
数字信号逐位顺序(低位在前) 进入转换。
vo
1
1
0
1
t

S1闭合

t1 t2
S2闭合
t3
t4
t5
t6
t7
t8
t9
t
v c1
'
R、2R结构D/A转换器中各支路的电流直接叠加，而且由于运放工作在深度负 反馈状态，两输入端的电压基本相等，使各支路电流在转换过程中保持不变。 因此不存在传输时间差和电流建立时间，可以具有较高的速度。
1.2.3 电容加权网络DAC
电容型D/ A转换器通常基于“电荷再分配”原理。 特点：电容阵列精度高， 温度系数、电压系数等 方面优于电阻网络。
2. 线性误差（积分非线性） 所测到的转换关系图中的模拟值对直线的偏差，用满度的百分比表示。 3. 分辨率 模拟输出的最小变化对应满度输出的（1/2N），也可用位数表示。 4. 调整时间 输入数据改变时，DAC输出达到并保持在对应稳定值附近（一般为±1/2
LSB对应的电压）所需要的时间。
电流输出型DAC的调整时间约为几个ns. 5. 信噪比 S/N=6.02N+1.76dB N=12 S/N=74dB