DAC设计.doc

要:本文设计实现了一个8通道12位逐次逼近型ADC。转换器内部集成了多路复用器、并/串转换寄存器和复合型DAC,实现了数字位的串行输出。整体电路采用HSPICE进行仿真,转换速率为133ksps,。通过低功耗设计,。,×。关键词:逐次逼近ADC;复合结构DAC;低功耗;BiCMOS引言ADC是模拟系统与数字系统接口的关键部件,长期以来一直被广泛应用于通信、军事及消费电子等领域。随着计算机和通信产业的迅猛发展,ADC在便携式设备上的应用发展迅速,正逐步向高速、高精度和低功耗的方向发展。目前市场上占统治地位的ADC的类型主要包括:逐次逼近型(SAR)、S-菩汀⒘魉咝汀-菩涂梢允迪趾芨叩姆直媛剩魉咝涂梢员Vず芨叩牟裳俾剩饬街痔逑到峁苟际俏寺隳持痔囟ㄐ枨蟮淖菹蚴谐《杓频摹ARADC是采样速率低于5MSPS的中高分辨率应用的常见结构,由于其实质上采用的是二进制搜索算法,内部电路可以运行在几MHz,采样速率主要由逐次逼近算法确定。,转换核心电路采用逐次逼近型结构,并在总结改进传统结构的基础上,采用了电压定标和电荷定标的复合式DAC结构。这种“543”的分段式复合结构不但避免了大电容引入的匹配性问题,而且由于引入了电阻,减小了电路本身的线性误差。比较器的实现采用多级级联的放大器结构,降低了设计复杂度。。系统结构SARADC电路结构主要包含五个部分:采样保持电路、比较器、DAC、逐次逼近寄存器和逻辑控制单元。转换中的逐次逼近是按对分原理,由控制逻辑电路完成的。其工作过程如下:启动后,控制逻辑电路首先把逐次逼近寄存器的最高位置1,其它位置0,将其存储到逐次逼近寄存器,然后经数模转换后得到一个电压值(大小约为满量程输出的一半)。这个电压值在比较器中与输入信号进行比较,比较器的输出反馈到DAC,并在下一次比较前对其进行修正。即输入信号的抽样值与DAC的初始输出值相减,余差被比较器量化,量化值再来指导控制逻辑是增加还是减少DAC的输出;然后,再次从输入抽样值中减去这个新的DAC输出值。不断重复这个过程,直至完成最后一位数字的实现。由此可见,这种数据的转变始终处于逻辑控制电路的时钟驱动之下,逐次逼近寄存器不断进行比较和移位操作,直到完成最低有效位(LSB)的转换。这时逐次逼近寄存器的各位值均已确定,转换操作完成。由于本设计针对的是串行多路通道转换技术,所以本文在SARADC基本结构的基础上,在模拟输入前端加入多路复用模块,并在输出后端加入并/串转换电路。图1整体结构简图和输入等效电路为实现信号的快速精确转换,SARADC中重要部件是采样保持电路、比较器和DAC,等效输入电路如图1所示。在获取数据期间,被选信道作为输入给电容CHOLD充电,获取时间结束后,T/H开关打开,电荷维持在CHOLD上作为信号样本,与DAC中产生的模拟信号进行比较,将比较结果输入并/串输出寄存器,在三态总线控制下输出数字位。电路设计与实现采样/保持电路的性能高低限定了整个ADC的速度和精度,在设计中采用双差分底板采样技术,双差分结构以获得优良的AC性能,另外底板采样技术的应用也极大地减小了电荷注入、时钟馈通以及有限带宽所造成的误差,优化了整体性能。其中比较器的实现采用3个放大器级联结构,这样不仅极大提高了增益,而且减小了比较器的设计难度,提高了电路性能。下面重点讲述DAC的设计与实现。SARADC的速度和分辨率主要受反馈电路中DAC的速度、分辨率和线性的限制,精确设计DAC是本次设计的重点和关键。传统的SARADC多采用简单的电阻分压式或电容电荷型结构来实现。电阻分压式转换器的优点是只需要用到一种电阻,容易保证制造精度,即使电阻出现较大的误差,也不会出现非单调性。但n位二进制输入的电阻分压式数模转换器需要2n个分压电阻以及同样数量的模拟开关,所以随着位数的增加,其所需元器件的数量会呈几何级数增加,这是它的缺点。单独用这种结构来做一个DAC的情况比较少见,但是它却在8位以下的SARADC中常用到。电容电荷型DAC的优点是精度较高,但缺点是面积大,对寄生电容敏感,而且还需要两相时钟,增加了设计制造的复杂度。。由于本芯片是一个12位精度的ADC,要求DAC也要达到12位精度,而且对于位数较高的转换器,从芯片面积和性能方面综合考虑,组合结构较单一结构优势显著。因而本文采用534复合结构实现,即高5位MSB采用电容网络实现,中间3位采用电阻网络,而低4