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1、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 A/D,D/A转换器 集成滤波器 射频前端电路,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；,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、 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。,1.1 DAC 的基本指标,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
3、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,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
4、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：0111到1000。,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 并联型D/A转换器,1.2.1 电阻权网络DAC,1.2.2 梯形电阻网络DAC,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。,工作过程分析：,S0闭合,2. S0 断开, 且S1,SN均接地,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。,1.2.3 电容加权网
5、络DAC,电容型D/ A转换器通常基于“电荷再分配”原理。,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。,1 1 0 1,串联DAC转换器实现,T1、T2、T4S1、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,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：,S1、 S2、S3、 S4 、S5 接地 S6 闭合 So 断开,2. 补码输入：10011,1.5 高速D/A转换器举例,分为： 电压输出型DAC：8-20位，0.8-40s 电流输
6、出型DAC：8-20位，0.005-2.0s 视频型DAC：4-12位，转换速率35MHz 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。,2.1 ADC的原理,两种量化方式：,1、只舍不入,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
7、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。,如果数字输出是一个n位的二进制数，则,2、有舍有入,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q的均方值:,q具有随机性，为白噪声性质。,用分贝表示时,2.2 ADC的基本指标,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
8、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。,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。,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,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
9、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。,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
10、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。,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。,2.3 A/D转换器的分类,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,要求：精度、灵敏度、速度、实现简单。,（2）差值电路,S1闭合，S2断开,S1断开，S2闭合,输出电压增量,（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：,自偏置结
11、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,2. 失调抵消结构,T1，T3 导通,T2 导通,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 高精度ADC,2.4.1 逐次逼近型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
12、、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。,工作过程,（1）取样过程：S1闭合， S7 接VI，S2S6接1端,（2）保持过程：S1断开， S7 接VREF，S2S6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),VA=-VI=-1.2V,S2接VREF前，C2C6上存储电荷,S2接VREF后，C2C6上存储电荷,最后A点电压,根据控制规则，所以Si保持在VREF端。,各开关S1S6a依次动作，A点电位VA满足以下公式：,其中，VA(0)为保持阶段，即S2S6接
13、地时的A点电位。,最后结果为10011，-0.0125V为A/D转化器的误差。,b. 测试S3,c. 测试S4,S3接VREF后，vA=0.3V 故S3重新接地。,S4接VREF后，vA=0.05V 故S4重新接地。,d. 测试S5：,S5接VREF后，vA=-0.075V 故S5保持接VREF。,e. 测试S6a：,S6a接VREF后，vA=-0.0125V 故S6a保持接VREF。,最后结果波形,德州仪器公司：TLC 548 开关电容逐次逼近A/D,2. 4. 2 双斜率积分型A/D转换器 电路的模拟部分包括一个高输入阻抗的缓冲级A1，精密积分器和一个电压比较器。,工作过程如下: 1、首先
14、将计数器清零，开关S1接地，S2闭合。这样，如果各运算放大器及比较器环路中存在失调电压，则会通过电容CZ放电，使得CZ上产生电压。当开关S2打开时，CZ上由于失调而产生的电压被存储并保持下来，这个电压刚好可以使环路的失调为零。因此，CZ实现了对所有三个放大器输入失调电压的自动补偿。 2、0-t1：固定时间（2nT）积分，计数器从零开始计数计满溢出时，开关S1切换到参考电压一VREF，积分方向改变。,3、反向积分到0，计数器的当前值即为A/D转换器的最终数字输出。,双斜率积分型A/D转换器的优点: (1)由于V REF和n为常数，输出N与输入vI成正比，而与R和C无关。 (2)对交流噪声的抑制能
15、力强。 缺点：转换速度慢。 因此适宜于高精度而低速度的应用。,2.4.3 过取样模数转换 ADC,近年来过采样A/D转换器以其结构简单、对器件性能要求低、工艺兼容性好、易于与数字电路集成等特点在大规模集成电路中得到广泛应用，这种A/D转换器在音频及视频等领域开始逐渐取代传统结构的高精度A/D转换器。,它采用过采样技术与艺调制器的噪声整形技术对量化噪声进行双重抑制，使基带内信噪比明显提高，从而获得较高精度。同时，采用过采样艺调制技术，大大缓解了对前置抗混叠滤波器的性能要求，使A/D转换器中数字电路的比例增加，模拟电路的比例减少，对模拟电路精度的要求降低，从而降低成本，更适宜于与数字电路的大规模集
16、成。,逐次逼近、双斜率积分等传统结构的高精度A/D转换器是以器件的高精度和电路的 复杂性为代价的。而且，为了防止混叠噪声的影响，需要高性能的前端抗混叠滤波器，增加了对设计和工艺的要求。另外，V LSI技术的发展使芯片电源电压进一步下降，模拟电路的信噪比恶化，因此传统的A/D转换器难以与数字电路进行单片集成。,1.过采样技术 过采样是指以远远高于Nyquist采样频率的频率对模拟信号进行采样。由信号采样量化理论可知，若输入信号的最小幅度大于量化器的量化阶梯，并且输入信号的幅度随机分布，则量化噪声的总功率是一个常数，与采样频率fs无关，量化噪声的功率谱均匀分布在0fs/2的频带范围内。因此，随着采样频率的提高，噪声功率谱密度下降。由于有用信号带宽是固定的，所以提高采样频率可以降低有用信号带宽内的噪声能量，使信噪比提高。,2. 调制技术 过采样
