简述A/D(D/A)转换器的相关理论与应用设计

2013-08-15蔡啸刘洋

河南科技 2013年10期

关键词：电荷分布模拟信号模拟量

蔡啸刘洋

(沈阳三洋建筑机械有限公司，辽宁沈阳 110122)

1 A/D(D/A)转换器的相关理论

1.1 A/D(D/A)转换器的概念

A/D(D/A)转换器是用于实现模拟量与数字量之间相互转化的终端，A/D转换器也被称作ADC，是用来将模拟量转化为数字量的器件，D/A转换器也被称作DAC，是用来将数字量转化为模拟量的器件。

1.2 A/D(D/A)转换器的技术指标

它的几个重要技术指标分别有分辨率、建立时间和精度这三点。接下来我们就对这些指标依次进行介绍。

(1)A/D(D/A)转换器的分辨率。就DAC来说，分辨率一般是指输入到DAC中的单位数字量的变化而引起的模拟量输出的变化，它是输出的满刻度值与2n的比值，二进制位数越多，其分辨率就越高。通常情况下，我们是依据对DAC的分辨率的需要，依据一定的计算方法来选定其DAC的位数的。这就是说，当满量程为电压20V时，其分辨率则应为20V/2n，如果这个DAC为6位的转换器，那么其分辨率就是20V/26=0.313V=3.13mV，分辨率就占满量程的 3.13%，用 1LSB 来表示，且有 6 位的 D/A，1LSB=3.13mV=3.13%满量程。[1]

(2)A/D(D/A)转换器的建立时间。建立时间是用来描述DAC转换速度的参数，它是指由输入数字量开始直到输出量能够达到终值误差最低有效位时所消耗的时间。一般情况下，电流输出时间越短，建立时间就越长，实践可知一些快速的DAC，其建立时间可低于1μs。

(3)A/D(D/A)转换器的精度。精度在理想状态是，其数值是与分辨率基本一致的，其精度的高低随位数的增加而增加。但由于电源电压、参考电压和电阻等元器件均存在着误差，这就导致其值与分辨率会略有变化。一般情况下，位数相同，则分辨率相同，然需对于不同的转换器个体，其精度会有所差别。即相同位数的DAC其精度可能不同。

1.3 A/D(D/A)转换器的分类

A/D转换器可分为逐次逼近型、快闪型和流水线型等。其转换速度主要由算法、DAC建立时间、比较器端数据输出时间和逻辑电路的工作时间共同影响。接下来，我们就依次对这几种转换器的作以简述。

(1)逐次逼近型A/D转换器。逐次逼近型A/D转换器是一种精度在9～16Bit的模数转换器。它功率的损耗是随着采样速率的改变而改变的，这使其可以适用于非连续数据采集的电路中或要求低功耗的电路之中。逐次逼近型A/D转换器是通过将输入的模拟信号进行采样，并将采用的值经比较器与多个经过数模转换器的参考电压分别进行比较，使得转换得到的数字量在数值上与模拟量逐次逼近，以得到所要求的数据值。

(2)快闪型A/D转换器。快闪型A/D转换器有着传输速度快的优点，其最快可以达到G赫兹量级，但随之而来的问题是要加大电路之中比较器的数量，但在电路中比较器的数量能常是在一定数量范围内的，因此其比较器的数量要小于所需要的数量，这就无形间减小了其精度。除此之外，它还有着成本较高、功耗较大的缺点。

(3)流水线型A/D转换器。流水线型A/D转换器是模数转换器转换方案中，比较好的方案之一，它综合性能较好，在达到一定速度的前提下，还可以保证一定的精度。

2 A/D(D/A)转换器的应用设计

A/D转换器的设计方案与D/A转换器的设计方案略有不同，接下来我们以D/A转换器的设计结构和非线性优化设计为例对其设计做以简要叙述。

2.1 D/A转换器的设计结构

通常情况下，D/A转换器的INL和DNL主要是由其内部的非线性度来决定的，所以要想实现其高精度设计，就必须从此入手进行分析。DAC的精度的提高，会导致其面积以2次幂的速度增加，其最高与最低位的比值也会变得很大，从面导致其匹配度下降，对其非线性规律产生影响。所以为了得到较好的精度与匹配度，我们常使用5位电荷分布的DAC与5位电压分布的DAC级联以构成DAC转换器。

电荷分布的DAC可以通过利用电容来实现其电荷的分布，在其模块阵列中，我们会以每一个子电容作为一个单位电容，进行其2n排列组合，以构成二进制权重因子，实现模拟信号向数字信号的转换。而电荷分布的DAC则是由一组电阻加解码器来组成，以配合电荷分布的DAC对模拟信号的转换。对这两种DAC的级联的总DAC[2]，其输出公式如下:

VOUT=[b12-1+b22-2+… +bn2-n]VREF

2.2 D/A转换器的非线性优化设计

一般情况下，5位有效的电容子DAC的非线性度是决定整个DAC非线性度的主要因素，同时它还会对ADC的非线性度产生一定的影响。由于现实的制造工艺使得电容板使用的多晶硅层的厚度及介电常数存在着一定的梯度误差，这使得其理论数值与实际数值存在着较大的差异，其误差积累会造成INL的强烈变化。

为此，我们可以使用版图对称设计，以此来对其进行一定的控制来减小其随机误差。然而工艺中的随机误差通常是通过增加电容面各来加以控制的，这就导致在进行非线性控制的同时，其芯片面积会随之增加。为了解决这个问题，我们可以通过分析误差分布图，用一定的方法使每个电容的导通次序可以与梯度误差的积累相互抵消这会大大提高D/A转换器的非线性度。