半导体集成电路

半导体 集成电路学校：湖南城市学院院系：通信与电子工程学院专业：电子科学与技术时间：2012年上学期

1 0 输入与输出量均为二进制的数字，不是高电平，既是低电平，在数字电路中表现为“0”，“1”。输入与输出量为连续变化的模拟量，在电路中用连续的电压值或电流来标定知识要点复习数字集成电路模拟集成电路

现实生活中的电路系统 存储的数据是数字格式将模拟的信号转化成数字信号的过程表征像素值的量是模拟的值在照相的过程中，每一个像素点感受来自大自然的光，针对不同的光强及色度，呈现不同的色彩，完成成像过程将存储数字的信号转化成模拟信号再现图像

第12章 D/A与A/D转换器 后处理（数模转换(DAC)）数字处理（微处理器）预处理 (滤波、ADC）模拟模拟 DAC (Digital to Analog Converter)：数/模转换器 ADC (Analog to Digital Converter)：模/数转换器数字典型的信号处理系统框图

本章内容提要 • D/A变换器的基本原理 • D/A变换器的基本类型 • 电压定标 • 电荷定标 • 电流定标 • A/D变换器的基本原理 • A/D变换器的常用类型 • D/A变换器的设计原则 • 积分型ADC • 逐次逼近式ADC • Σ-ΔADC • 闪烁ADC(全并行ADC) • 流水线ADC • 折叠插值ADC

本次课内容 • D/A变换器的基本原理 • D/A变换器的基本类型 • 电压定标 • 电荷定标 • 电流定标 • 基本原理 • 分类 • 技术指标 • D/A变换器的设计原则 • 本次课小结

§12.1 D/A 转换器的基本原理 b0 b1 D/A 数字信号模拟信号 b2 … bN-1 电压或电流量（设为VOUT）基本D/A变换器二进制开关比例网络参考电压输出放大器一、基本原理如 (1101)2 K——比例因子 VREF——基准电压 D——数字代码 K DVREF VREF D K VOUT D/A变换器原理框图 … b0 b2 b3 bN-1

DAC的数学形式 VFS——满量程输出电压

1 1LSB 1/2 111 4.375 110 3. 750 101 3.125 100 2.500 011 1.875 010 1.250 001 0.625 000 0.000 111 4.375 以VFS归一化的模拟输出值 000 0V 000 001 010 011 100 101 110 111 0 数字输入码 VFS——满量程输出电压输入数据每增加1，理想DAC的输出将增加1LSB。 LSB MSB 以3位DAC为例（设满量程为5V） (1LSB)

串行数据输入 数据锁存输出采样与保持 D/A 数字信号输入（并行）模拟输出控制信号实际应用中的D/A变换器

二、DAC 的分类 1.按输出信号类型分： • 电流输出型：输出信号为电流（如THS5661A) • 电压输出型：输出信号为电压(如TLC5620) • 电流定标电路 • 电压定标电路 • 电荷定标电路 2.按能否作乘法运算： • 乘算型：基准电压可变的DAC(如AD7533) 3.按工作原理分：

三、DAC 的主要技术指标 1.分辨率: 即1LSB:DAC输入一个最低有效位(LSB)，在输出端模拟电压的变化量。取决于满量程和位数。一般：如满量程5V，8位则分辨率为 5/256=19.5mV(更多的时候直接用位数来表示分辨率） 2.建立时间: 一个数字量转换成稳定模拟量所需要的时间。一般电流输出型较短，电压输出型较长。 3.静态特性:是与时间无关的特性,反映静态工作时实际模拟输出接近理想特性的程度。用失调误差、增益误差、非线性误差和单调性等指标来描述。

000 001 010 011 100 101 110 111 （1）无限精度特性曲线无限精度特性当N∞时,LSB0 1LSB 以VFS归一化的模拟输出值 N位D/A转换器的传输特性由阶梯曲线变为直线数字输入码

失调误差 000 001 010 011 100 101 110 111 （2）失调误差失调误差也叫漂移误差，定义为输入为零时的输出模拟值 1LSB 以VFS归一化的模拟输出值由转换器中放大器失调产生理想输出特性数字输入码

增益误差 000 001 010 011 100 101 110 111 （3）增益误差增益误差又称比例误差，是指转换器实际的转换曲线和理想在满刻度时的差值(当失调误差为零时),以满刻度的百分比表示 1LSB 以VFS归一化的模拟输出值理想输出特性数字输入码

000 001 010 011 100 101 110 111 非线性误差（4）非线性误差非线性误差表示实际转换曲线和理想曲线的最大偏差. 1LSB 以VFS归一化的模拟输出值理想输出特性数字输入码

§12.2 D/A 转换器的基本类型 VREF b2 R b1 R 以VFS归一化的模拟输出值 b0 R b2 R VOUT + R b2 b1 A - R 0 R b2 数字输入码 R b1 b2 b1 b2 b0 b2 b2 一、电压定标 000

§12.2 D/A 转换器的基本类型 VREF b2 R 以VFS归一化的模拟输出值 b1 R b0 R b2 R VOUT + R b2 b1 A 0 - R 数字输入码 R b2 R b0 b2 b1 b2 b2 b2 b1 一、电压定标 000 001

§12.2 D/A 转换器的基本类型 以VFS归一化的模拟输出值 0 数字输入码 b2 b2 b1 b2 b0 b2 b1 一、电压定标 VREF b2 R b1 R b0 R b2 R VOUT + R b2 b1 A - 000 010 001 R R b2 R

§12.2 D/A 转换器的基本类型 以VFS归一化的模拟输出值 0 数字输入码 b2 b2 b1 b2 b0 b2 b1 一、电压定标 VREF b2 R b1 R b0 R b2 R VOUT + R b2 b1 A - 000 010 001 011 R R b2 R

§12.2 D/A 转换器的基本类型 以VFS归一化的模拟输出值 0 数字输入码 b2 b2 b2 b2 b1 b0 b1 一、电压定标 VREF b2 R b1 R b0 R b2 R VOUT + R b2 b1 A - 000 010 001 100 011 R R b2 R

§12.2 D/A 转换器的基本类型 无限精度特性 VREF b2 1LSB R b1 以VFS归一化的模拟输出值 R b0 R b2 R VOUT + R b2 b1 A 0 - R 数字输入码 R b2 R 000 001 010 011 100 101 110 111 b2 b2 b2 b1 b1 b0 b2 一、电压定标

VREF R b0 b1 b1 b2 R R R b2 b2 b2 b2 VOUT b1 R + A - R R R b0 b2 b1 b2 b1 b2 b2 b1 b0 b1 b0 b1 实际的简单电压定标DAC电路图缺点:对于位数多的DAC，所需元件太多，面积大，功耗大优点：通常具有良好的精度

二、电荷定标 ＋＋ Vx － CA CB － S0 S1 VREF ＋ Vx CA CB Vx － CA CB VREF 复位阶段： S0、S1接地 CA、CB放电，VX=0 采样阶段： S0打开，S1接至VREF

二、电荷定标 ＋ Vx CA CB － S0 S1 VREF b0 b1 b2 bN-1 ＋ VO － C/2 S0 C C/2N-1 C/4 C/2N-1 端接电容 VREF 连接到VREF的电容总电容优点：电容网络没有直流功耗，因此电路具有功耗低的特点缺点:对于位数多的DAC，电容比大

R2 R1 - V1 A VO + R0 Vref - 0 1 0 0 0 A 1 1 VO 1 I0 b0 b2 b1 + bN-1 R 4R 2N-1R 2R 三、电流定标在电路内部产生二进制加权电流，有选择地取和输出 1.基本电路 IR1 设R0=R/2

R0 Vref - A VOUT b2 bN-1 b0 b1 I0 + R 4R 2N-1R 2R 缺点：电阻值范围太宽如：8位分辨率的DAC电阻值范围从R到128R

端接电阻 R R 2R VREF I2 IN-1 I1 I0 2R 2R 2R 2R R - A + IO + VO - R-2R梯形网络电流定标DAC R R R 2. R-2R梯形网络电路 b0 b1 bN-1 b2 任何节点向右看去的电阻等于两个2R电阻并联

端接电阻 R R 2R VREF I2 IN-1 I1 I0 2R 2R 2R 2R R - A + IO + VO - R-2R梯形网络电流定标DAC b0 b1 bN-1 b2 任何节点向右看去的电阻等于两个2R电阻并联 …… 优点:电阻阻值范围小存在问题：开关的导通电阻会导致误差

2R 2R 端接电阻 R 2R VREF △R 2R R △R △R △R/2 △R - A + IO + VO - R-2R梯形网络电流定标DAC 解决方法伪开关（常通） • 加伪开关

Iout bN-1 ..…. b1 b0 bN-3 bN-2 I 2I 4I 2N-2I 2N-1I 3. 电流驱动型优点:不需接输出缓冲器可直接驱动电阻负载存在问题：采用二进制编码输入，开关切换瞬间可能引起很大的电流或电压尖峰。如：输入 0111111－>10000000

MOS-2MOS二进制权重电流源 b2 b1 b0 b3 b2 b1 b0 b3 Iout- Iout+ A C B D Vbias Isum I2 I3 I1 I0 电流在A、B、C、D点被等分,类似R-2R网络优点:版图比R-2R型要紧凑的多

采用单位电流源 Iout ..…. b2N-2 b3 b1 b2 b2N-1 I I I I I 共需2N-1个开关，采用温度计码形式输入优点:不需接输出缓冲器可直接驱动电阻负载，每次变化的位数少，电流或电压尖峰小缺点：需要复杂的译码单元

如3位二进制码对应的温度计码

电流驱动型的特点 • 高电流驱动，不需要输出缓冲器驱动电阻负载，速度快 • 其精度依赖于电流源的匹配程度，对于单位电流源，需要的电流源数目多，如N位的DAC需要2N-1个电流源；而对于二进制权重电流源则最大和最小电流源之比很大。

§12.3 D/A 转换器的设计原则 • 精度： • 速度： • 功耗: • 面积: 如高精度仪表根据实际应用场合从以下几方面权衡：如图像处理如便携式仪器如要求低成本的设备

小结 • DAC的基本原理 • DAC的基本类型电压定标电荷定标电流定标基本电路 R-2R型电流驱动型 • DAC的设计原则

A / D 模拟信号数字信号 b1 模拟输入 A/D变换输出选通数字输出输入多路选择器 b2 采样保持 bn 状态控制逻辑 §12.4 A/D 转换器的基本原理一、基本原理 A/D变换器框图

二、常用的ADC结构类型 • 积分型ADC • 逐次逼近式ADC • Σ-ΔADC • 闪烁ADC(全并行ADC) • 流水线ADC • 折叠ADC

三、ADC 的主要技术指标 1.分辨率: 数字量变化一个最低有效位(LSB)所需的输入模拟电压的变化量。取决于满量程和位数。一般：如满量程5V，8位则分辨率为 5/256=19.5mV(更多的时候直接用位数来表示分辨率） 2.转换时间（速率）: 完成一次从模拟量到数字量所需要的时间。积分型属ms级，慢速；逐次比较型，微秒级，中速；全并行，纳秒级，快速。 3.量化误差:ADC的有限分辨率阶梯状传输特性曲线与无限精度传输特性曲线之间的最大偏差。通常为1LSB或1/2LSB。

111 无限精度特性无限精度特性 110 数字输出码 101 1LSB 1LSB 100 011 010 001 000 0 0 模拟输入模拟输入舍入式：1/2LSB 舍尾式：1LSB

§12.5 A/D 转换器的常用类型 S2 -VA C1 S1 R1 比较器 VX VREF 二进制计数器数字输出控制逻辑门控时钟信号起止信号 1. 积分型A/D变换器（介绍目前较常用的双斜率积分型A/D变换器）初始状态: S2闭合, S1接至-VA

R1 -VA 比较器 VX 二进制计数器数字输出控制逻辑门控时钟信号初始状态: VX=0

S2 -VA S1 R1 比较器 VX VREF 二进制计数器数字输出控制逻辑门控时钟信号变换过程: 第一阶段 S2打开， S1继续接至-VA

C1 R1 -VA 比较器 VX 二进制计数器数字输出控制逻辑门控时钟信号变换过程: 第一阶段输入信号进行2N个时钟周期的积分 VX从0开始上升。

S2 -VA S1 R1 比较器 VX VREF 二进制计数器数字输出控制逻辑门控时钟信号变换过程: 第二阶段 S1接至VREF， S2保持打开

R1 比较器 VX VREF 二进制计数器数字输出控制逻辑门控时钟信号第二阶段：计数器清零后开始计数， VX下降：当VX下降至0时，计数器停止计数

VX t 计数

VX 可变上升斜率固定下降斜率 VA1 VA2 n1 t n2 应用于低速、精确测量等领域，如数字电压表、数字万用表、智能化仪表及热电偶输出的量化。计数器的计数值反映输入电压的大小双斜率积分器输出波形双斜率积分型 ADC 的特点: 1. 结构简单，精度较高(可高达22位分辨率 )，但是速度很慢。　2.与普通积分型ADC相比,由于积分利用两个时间的比值，所以能消除大部分线性误差的影响。

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