专用集成电路设计(AD和DA转换器)演示教学
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若N=3, 且数字字(即数字输入代码)为“110”， RF=R, 那 么
Uo1 21 48 0Ure f 8 6Uref
12 2020/6/15
3) 开关电路
如下图，数字字b1～bN通过两级非门构成的分相电 路变成bi和bi，然后分别去控制两个传输门构成的开关。
当b1=“1”，b1=“0”时， 传输门Ⅱ导通， 将Si接到虚 地点Q。 反之，当b1=“0”, b1=“1”时， 传输门Ⅰ导通， Ⅱ截止， 将Si接到地。
1LSB
Ured 2N
当输入数字量最低位变化时， 对应的模拟量 跳一个台阶，输出为阶梯波信号。
7 2020/6/15
2. D/A转换器的主要技术指标
1) 代表精度的指标——位数(bit数)——分辨率
阶梯波台阶电压：U1LSBU2rNed
2) 代表速度的指标——转换时间——时钟频率
即从数字信号输入D/A转换器到输出电压达到稳态 值所需要时间， 该时间决定了D/A转换器的转换速度。 实际上，D/A转换要按时钟节拍工作。 通常用最高时 钟频率来表达D/A转换器的工作速度。 3) 静态误差
Uref
R
R
2R …
2R
2R
2R
Baidu Nhomakorabea
2R
I1
I2
I3
IN
S1
S2
S3
SN
Q
RF
… Io
Uo
…
－
2020/6/15
＋
11
流入运放总电流为：
Io iN 1Ii U R re b 2 d 1 2 b 2 2 2 b N N U R reiN 1 d b i2 i
模拟量输出为
UoIoRFR R FUreifN 1bi2i
b1 b1 b2 b2
bN bN
Si
…
分相电路
Ⅰ
Ⅱ
Q
…
b1 b2
bN
b1 2选1电路 b1
图 6 – 19 D/A转换器的开关电路
13 2020/6/15
2. 权电容D/A转换器
1) 电路
如下图所示，该电路由电容网络与一组开关组成，
并由两相不重叠时钟控制。
A
＋
Uo
＋ C ＋ C ＋ C ＋C
＋
－
2N－1
Uref
R
R
2R …
2R
2R
2R
2R
I1
I2
I3
IN
S1
S2
S3
SN
Q
RF
… Io
Uo
…
－
＋
图 6 - 18 倒置R-2R梯形D/A转换器 9 2020/6/15
2R 2R I0 2R I12R I22R I3
R
R
R
I0
I1 A I2 B I3 C I
VREF
从 A、B、C 节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2R。
应的电容下端被接到参考电压Uref。 ·若bi=“0”，bi=“1”, 则受φ2bi控制的开关闭合， 相
应的电容下端被接地。
15 2020/6/15
(3) 等效电路。 电容分压的等效电路如下图。
物理量
信号
模拟信号
生产控制对象
3 2020/6/15
6.3 D/A 转 换 器
• D/A转换器即数/模转换器(Digital to Analog Converter), 其任务是将数字量转 换为模拟量。
• D/A转换器广泛用于信号处理中， 如数字 存储示波器的示波管显示器、 增益控制、 精密衰减器， 精密数控电源， 直接数字频 率合成器等等。
专用集成电路设计(AD和DA转 换器)
为何要进行数模和模数转换？
2 2020/6/15
二、数模和模数转换器应用举例
…………
压 温 流 液力度量位传传传传二感感感感、器器器器 数四路模拟开关模和数A模D字C数转数字控制计算机 换器DDDDAAAA应CCCC 用模模模模举拟拟拟拟例控控控控制制制制器器器器
2N－1
2N－2
2
C
终端电
容
…
1
2·bN
2·bN－1
2·b2
2·b1
＋
2·bN
2·bN－1
2·b2
2·b1
Uref －
1
1
… 1
1
2)工作原理
(1) 当φ1=“1”时，终端电容被短路，其它电容下 端均接地，处于全放电状态，所有电容电荷为0。 称
此阶段为“复位期”。
14 2020/6/15
A
＋
Uo
＋ C ＋ C ＋ C ＋C ＋
所谓静态误差，是与时间无关，反映静态工作 时实际模拟输出接近理想模拟输出的程度。通常有 失调误差、 增益误差、 非线性误差等。
8 2020/6/15
6.3.2 D/A转换器电路
1. 例置R-2R梯形D/A转换器
1) 电路
倒置R-2R梯形D/A转换器电路如图 6 - 18 所示。 该 电路的优点是电阻类型少，只有R和2R两种，易实现。
4 2020/6/15
D/A转换器的类型(分类）：4 类
D/ A转 换 器
电阻网络 型
电容网络 型
晶体管网 络型
电阻串 (Resist or String)
串行电荷 再分 配
并
行电 配
荷
再
分开
关
电
容
电流镜
电阻电容 混合型
5 2020/6/15
6.3.1 D/A转换器原理
D/A转换器的原理框图如下图6-15 所示。 其中，
－
2N－1
2N－1
2N－2
2
C
终端电
容
…
1
2·bN
2·bN－1
2·b2
2·b1
＋
2·bN
2·bN－1
2·b2
2·b1
Uref －
1
1
… 1
1
(2) 当φ1=“0”时， 电路进入工作期， 有两种情况： ① φ2=“0”，所有受φ2控制的开关打开，电容下端悬
空， Uo=0。 ② φ2=“1”，则: ·若bi=“1”，bi=“0”, 则受φ2bi控制的开关闭合， 相
10 2020/6/15
2) 工作原理
由图可见，输出电压Uo为：Uo=-RF× Io 而Io视开关S1～SN的状态而定。S表示数字量控制 开关，当数字量为“0”时，开关接地，电流不流入运 放; 只有当数字量为“1”时，开关接到运算放大器的 虚地点，其电流才流入运放而产生输出。
各电流关系为： I1=2I2=22I3=…=2N-1IN
b1 b2 b3 bN
6
2020/6/15
图 6 - 16 D/A转换器输入输出理想特性
FS
7 FS 8
6 8 FS
1L S B
模拟 输出
5 FS 8 4
值 8 FS
理想 模拟 输出
3 FS 8
2 8 FS
1 FS
8
0
000 001 010 011 100 101 110 111
数字 输入 代码
D /A 输 出
b1～bN为N位数字量输入， Uref为参考电压。 输出模拟
量为： Uo=KDUref，K为比例因子，D为：
Db 212 b2 22 bN NiN 1bi2i
故，U0
KUref
N i1
bi 2i
Uref 参 考电 压
DUref 比 例网 络
输 出 放 大 器 Uo＝KDUref
…
二 进制 开关
…
Uo1 21 48 0Ure f 8 6Uref
12 2020/6/15
3) 开关电路
如下图，数字字b1～bN通过两级非门构成的分相电 路变成bi和bi，然后分别去控制两个传输门构成的开关。
当b1=“1”，b1=“0”时， 传输门Ⅱ导通， 将Si接到虚 地点Q。 反之，当b1=“0”, b1=“1”时， 传输门Ⅰ导通， Ⅱ截止， 将Si接到地。
1LSB
Ured 2N
当输入数字量最低位变化时， 对应的模拟量 跳一个台阶，输出为阶梯波信号。
7 2020/6/15
2. D/A转换器的主要技术指标
1) 代表精度的指标——位数(bit数)——分辨率
阶梯波台阶电压：U1LSBU2rNed
2) 代表速度的指标——转换时间——时钟频率
即从数字信号输入D/A转换器到输出电压达到稳态 值所需要时间， 该时间决定了D/A转换器的转换速度。 实际上，D/A转换要按时钟节拍工作。 通常用最高时 钟频率来表达D/A转换器的工作速度。 3) 静态误差
Uref
R
R
2R …
2R
2R
2R
Baidu Nhomakorabea
2R
I1
I2
I3
IN
S1
S2
S3
SN
Q
RF
… Io
Uo
…
－
2020/6/15
＋
11
流入运放总电流为：
Io iN 1Ii U R re b 2 d 1 2 b 2 2 2 b N N U R reiN 1 d b i2 i
模拟量输出为
UoIoRFR R FUreifN 1bi2i
b1 b1 b2 b2
bN bN
Si
…
分相电路
Ⅰ
Ⅱ
Q
…
b1 b2
bN
b1 2选1电路 b1
图 6 – 19 D/A转换器的开关电路
13 2020/6/15
2. 权电容D/A转换器
1) 电路
如下图所示，该电路由电容网络与一组开关组成，
并由两相不重叠时钟控制。
A
＋
Uo
＋ C ＋ C ＋ C ＋C
＋
－
2N－1
Uref
R
R
2R …
2R
2R
2R
2R
I1
I2
I3
IN
S1
S2
S3
SN
Q
RF
… Io
Uo
…
－
＋
图 6 - 18 倒置R-2R梯形D/A转换器 9 2020/6/15
2R 2R I0 2R I12R I22R I3
R
R
R
I0
I1 A I2 B I3 C I
VREF
从 A、B、C 节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2R。
应的电容下端被接到参考电压Uref。 ·若bi=“0”，bi=“1”, 则受φ2bi控制的开关闭合， 相
应的电容下端被接地。
15 2020/6/15
(3) 等效电路。 电容分压的等效电路如下图。
物理量
信号
模拟信号
生产控制对象
3 2020/6/15
6.3 D/A 转 换 器
• D/A转换器即数/模转换器(Digital to Analog Converter), 其任务是将数字量转 换为模拟量。
• D/A转换器广泛用于信号处理中， 如数字 存储示波器的示波管显示器、 增益控制、 精密衰减器， 精密数控电源， 直接数字频 率合成器等等。
专用集成电路设计(AD和DA转 换器)
为何要进行数模和模数转换？
2 2020/6/15
二、数模和模数转换器应用举例
…………
压 温 流 液力度量位传传传传二感感感感、器器器器 数四路模拟开关模和数A模D字C数转数字控制计算机 换器DDDDAAAA应CCCC 用模模模模举拟拟拟拟例控控控控制制制制器器器器
2N－1
2N－2
2
C
终端电
容
…
1
2·bN
2·bN－1
2·b2
2·b1
＋
2·bN
2·bN－1
2·b2
2·b1
Uref －
1
1
… 1
1
2)工作原理
(1) 当φ1=“1”时，终端电容被短路，其它电容下 端均接地，处于全放电状态，所有电容电荷为0。 称
此阶段为“复位期”。
14 2020/6/15
A
＋
Uo
＋ C ＋ C ＋ C ＋C ＋
所谓静态误差，是与时间无关，反映静态工作 时实际模拟输出接近理想模拟输出的程度。通常有 失调误差、 增益误差、 非线性误差等。
8 2020/6/15
6.3.2 D/A转换器电路
1. 例置R-2R梯形D/A转换器
1) 电路
倒置R-2R梯形D/A转换器电路如图 6 - 18 所示。 该 电路的优点是电阻类型少，只有R和2R两种，易实现。
4 2020/6/15
D/A转换器的类型(分类）：4 类
D/ A转 换 器
电阻网络 型
电容网络 型
晶体管网 络型
电阻串 (Resist or String)
串行电荷 再分 配
并
行电 配
荷
再
分开
关
电
容
电流镜
电阻电容 混合型
5 2020/6/15
6.3.1 D/A转换器原理
D/A转换器的原理框图如下图6-15 所示。 其中，
－
2N－1
2N－1
2N－2
2
C
终端电
容
…
1
2·bN
2·bN－1
2·b2
2·b1
＋
2·bN
2·bN－1
2·b2
2·b1
Uref －
1
1
… 1
1
(2) 当φ1=“0”时， 电路进入工作期， 有两种情况： ① φ2=“0”，所有受φ2控制的开关打开，电容下端悬
空， Uo=0。 ② φ2=“1”，则: ·若bi=“1”，bi=“0”, 则受φ2bi控制的开关闭合， 相
10 2020/6/15
2) 工作原理
由图可见，输出电压Uo为：Uo=-RF× Io 而Io视开关S1～SN的状态而定。S表示数字量控制 开关，当数字量为“0”时，开关接地，电流不流入运 放; 只有当数字量为“1”时，开关接到运算放大器的 虚地点，其电流才流入运放而产生输出。
各电流关系为： I1=2I2=22I3=…=2N-1IN
b1 b2 b3 bN
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2020/6/15
图 6 - 16 D/A转换器输入输出理想特性
FS
7 FS 8
6 8 FS
1L S B
模拟 输出
5 FS 8 4
值 8 FS
理想 模拟 输出
3 FS 8
2 8 FS
1 FS
8
0
000 001 010 011 100 101 110 111
数字 输入 代码
D /A 输 出
b1～bN为N位数字量输入， Uref为参考电压。 输出模拟
量为： Uo=KDUref，K为比例因子，D为：
Db 212 b2 22 bN NiN 1bi2i
故，U0
KUref
N i1
bi 2i
Uref 参 考电 压
DUref 比 例网 络
输 出 放 大 器 Uo＝KDUref
…
二 进制 开关
…