【正文】 聲很大，且容易受干擾，甚至無法分辨出有用信號。在對信號進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況對信號進(jìn)行隔離，濾波，阻抗變換，放大等操作。最后再對信號進(jìn)行功率放大以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。圖 模擬電子系統(tǒng)的示意圖 對模擬信號進(jìn)行處理的電路稱為模擬電路，對數(shù)字信號進(jìn)行處理的電路稱為數(shù)字電路，因此圖 所示的系統(tǒng)為模擬數(shù)字混合系統(tǒng)，其中Ａ／Ｄ（AnalogtoDigital）和 D/A(DigitaltoAnalog)模塊為模擬和數(shù)字電路的接口電路，其中分段式電流舵 D/A(DigitaltoAnalog)轉(zhuǎn)換器的建模為本文的研究主題。分段式電流舵結(jié)構(gòu)是最佳選擇之一，因?yàn)楹凸δ芟嗤钠渌Y(jié)構(gòu)相比它表現(xiàn)出更好的性能[1]。出于這一原因，我們需要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)精確的能對系統(tǒng)性能有一個(gè)完整的展現(xiàn)的模型。對于 DAC的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，對非理想的行為模型的研究和行為級的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的仿真都對系統(tǒng)級到電路級設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義。首先是 DAC 的制造工藝技術(shù)的發(fā)展。其中雙極、CMOS, BiCMOS 這三種工藝是主流工藝技術(shù)。高速高位的D/A 產(chǎn)品通常采用特殊工藝，近幾年由于 CMOS 工藝和 D/A 設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展以及系統(tǒng)集成技術(shù)的需求，D/A 轉(zhuǎn)換器的 CMOS 化，IP 化成為主流趨勢。 當(dāng)前在美國和歐洲的一些大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室里有大量的工作人員從事于各種 DAC結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研發(fā)工作，其中很多工作頗具代表性。但所采用的 Floating MSB 電流源和跟蹤/衰減輸出級電路，在確保良好靜態(tài)線性度的同時(shí)得到高的動(dòng)態(tài)線性度，并提高了輸出驅(qū)動(dòng)電流。對于電流定標(biāo)的 DAC，由于輸出電流可以直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)電阻負(fù)載，而不需要電壓緩沖器，因此，這種定標(biāo)方式 DAC 的高速線性度很好。為獲得更好的靜態(tài)線性度，諸如修調(diào)、校準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)單元匹配 DEM ( Dynamic Element Matching)等技術(shù)，都應(yīng)用到了電流定第一章 緒論 3標(biāo)的 DAC 中，其器件和版圖也都有創(chuàng)新的設(shè)計(jì)。這個(gè)設(shè)計(jì)采用了分段式電流舵結(jié)構(gòu)。剩下的 6 位，控制二進(jìn)制加權(quán)電流源，以形成最小 6 位。目前，由于通訊器材，音頻，視頻等消費(fèi)電子產(chǎn)品市場和工業(yè)控制等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅軘?shù)模轉(zhuǎn)換器需求，許多國際知名公司如 ADI、TI、MAXIM 等都致力于新一代 D/A 轉(zhuǎn)換器的開發(fā)。AD 公司的 DA9748 是 8 位 165MHZ 的 DA 轉(zhuǎn)換器。表 提供了一些主要廠商目前典型 DAC 產(chǎn)品?；?MATLAB 的分段式電流舵 DAC 建模與仿真4 國內(nèi)由于在 DAC 領(lǐng)域發(fā)展起步比較晚，所以與國外還存在一定差距，目前已經(jīng)研制出 1116 位的 DAC 產(chǎn)品或樣品[4][5]。 本文的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)本文將以分段式電流舵作為研究對象，在 MATLAB 中 SIMULINK 下分別建立 4+8 和 6+6 的 12 位分段式電流舵的理想和非理想模型并對他們的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行分析和比較。第二章首先將對電流舵型 DAC 的各種基本結(jié)構(gòu)和原理作介紹。最后介紹 DAC 的主要性能參數(shù)，包括量化噪聲、INL、DNL、SNR、 SNDR、THD 、ENOB、SFDR等參數(shù)。然后介紹在 SIMULINK 下4+8 和 6+6 的 12 位分段式電流舵的理想模型的搭建方法及仿真結(jié)果的分析和比較。第四章結(jié)論。電流舵型 D/A 轉(zhuǎn)換器是目前高速 D/A 轉(zhuǎn)換器的理想結(jié)構(gòu)之一，本章將以分段式電流舵型 D/A 轉(zhuǎn)換器為重點(diǎn)介紹其結(jié)構(gòu)。1. 二進(jìn)制權(quán)重 D/A 轉(zhuǎn)換器 二進(jìn)制權(quán)重 D/A 轉(zhuǎn)換器是通過一系列的開關(guān)控制二進(jìn)制權(quán)重單元（包括電流源、電阻或電容）來實(shí)現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換的。T 為 D/Aos N?轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘周期，圖 為二進(jìn)制權(quán)重 D/A 轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖 。二進(jìn)制權(quán)重 D/A 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)數(shù)目少，數(shù)字編碼電路的規(guī)模小。輸入是由二進(jìn)制轉(zhuǎn)換得到的溫度計(jì)碼，表 為 3 位二進(jìn)制碼到溫度計(jì)碼的對應(yīng)關(guān)系。對于溫度計(jì)編碼 D/A 轉(zhuǎn)換器 nT 時(shí)刻的模擬量輸21N?出值為 （）01()()MaosiXnTAT???其中各位的權(quán)值相等，為 ， 是溫度計(jì)碼的第 i 位數(shù)。由于各位的權(quán)重相等，溫度計(jì)碼 D/A 轉(zhuǎn)換器各位的權(quán)值的匹配比二進(jìn)制權(quán)重 D/A 轉(zhuǎn)換器要簡單。高分辨率 D/A 轉(zhuǎn)換器使用溫度計(jì)編碼會(huì)使連線和版圖變得復(fù)雜，因?yàn)檩^多位的二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成溫度計(jì)碼會(huì)使數(shù)字電路的規(guī)模大大增加。 圖 直接編碼 D/A 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)在這一結(jié)構(gòu)中，各單元的權(quán)重線性增加，對于 N 位的轉(zhuǎn)換器需要 個(gè)單元。編碼器將二進(jìn)制輸入碼轉(zhuǎn)換成一位有()id{0,1}?效碼，即只有一位輸出為 1，而其他輸出為 0。 D/A 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)基于 MATLAB 的分段式電流舵 DAC 建模與仿真8正如之前我們闡述的，各種結(jié)構(gòu)類型的 D/A 轉(zhuǎn)換器都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，于是我們不難想到將不同類型的結(jié)構(gòu)結(jié)合起來得到具有較好性能的 D/A 轉(zhuǎn)換器。 圖 混合 D/A 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖 圖中的每個(gè)子 DAC 可以是不同類型的 D/A 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。目前廣泛應(yīng)用的混合 D/A 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)為分iM?段式電流舵結(jié)構(gòu)，如圖 所示。這里需要一個(gè)將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為溫度計(jì)碼的譯碼器將 M 位的二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為 位的溫度計(jì)碼，當(dāng)增大 M 的值時(shí)，電路所21M?需要的開關(guān)和互聯(lián)將成指數(shù)增加。其中一個(gè)關(guān)鍵的問題是 M 取何值最合理，通常 M 的取值為 48，這要取決于總的位數(shù) N。 電流舵 D/A 轉(zhuǎn)換器的非理想因素電流舵 D/A 轉(zhuǎn)換器的理想模型結(jié)構(gòu)如圖 所示[5]，為了改善不同權(quán)重之間的匹配性，對于轉(zhuǎn)換器的第 i 位，我們用 個(gè)單位電流源 并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，而不2i unitI是用比最低位的晶體管寬 倍的晶體管。K 的最小值是 0，最大值是 。然而，對于非理想的電流舵 DAC，限制性能的非理想因素還包括以下方面： 圖 考慮到失配誤差的電流源模型 基于 MATLAB 的分段式電流舵 DAC 建模與仿真10一個(gè)電流源的失配誤差模型，可以用一個(gè)與標(biāo)稱電流源并聯(lián)的電流源來代表。理想的輸出電流信號由（）式給出。失真的輸出電流傳送到負(fù)載， 可以寫成額定輸出電流()loadIk和誤差電流 的和()outIk()Ik?= + （）ladout其中k是由（）式給出的數(shù)字碼。在靜態(tài)情況下，對于不同的輸入k，)(i?我們假設(shè) = 。氧化層厚度的線性變化以及電源線的電壓降產(chǎn)生了梯度匹配誤差，梯度誤差可以通過版圖的合理布局大大降低[9]。用 表示輸入信號k的平均值，{}E? （）10lim()pIkT??????首先，我們假設(shè)不同電流源的匹配誤差是無關(guān)的。對于單位電流源 ，()munitI，使相對誤差0,21Nm???第二章 分段式電流舵 DAC 的基本原理 11 （）()munitit?? 它的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為 ()(){}0munitunititE???（） ()2()[]munitunitit??（）對于第i位的輸出電流，期望值為 ??2() ()1ii moutuntunitmEII????????????????= （）??2()12ii iunittunitunitIEI?????方差為 22()() ()1iii moutout untitEIII???????????????????????? 22() 21imiuntunituntunitII????? ???（）由以上兩式可得第i位的匹配誤差的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為 0i??22iuntunititiiI???（） 轉(zhuǎn)換器中互聯(lián)和開關(guān)的輸出阻抗與寄生阻抗將很大程度上決定其性能。當(dāng)不同的電流源切換到輸出端，總的輸出阻抗就改變了。在最初的討論中，我們忽略了。如果輸出電導(dǎo)與輸入信號有關(guān)，將會(huì)導(dǎo)致增益與信號有關(guān)，也就是失真。load輸出電導(dǎo)G （k），并且與當(dāng)前切換到輸出端out的并聯(lián)的單元電流源數(shù)目有關(guān)（由數(shù)字輸入決定）。轉(zhuǎn)換器總的輸出unitunt ???12iiunit電導(dǎo)由下式給出G （k）= G 2 +…+ G =G 我們將把單位輸出電導(dǎo)和負(fù)載電阻的乘積稱為電導(dǎo)率，并表示為第二章 分段式電流舵 DAC 的基本原理 13 G 通常情況下，通過靜態(tài)特性參數(shù)、動(dòng)態(tài)特性參數(shù)及頻域特性參數(shù)來綜合評估數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能，并進(jìn)行性能優(yōu)化。 D/A 轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)特性參數(shù)（resolution）分辨率即輸入數(shù)字發(fā)生單位數(shù)碼變化時(shí)，所對應(yīng)輸出模擬量(電壓或電流)的變化量。分辨率2N不是轉(zhuǎn)換器準(zhǔn)確性的必要特征，通常指數(shù)字碼輸入的位數(shù)。為了便于解釋，我們將低分辨率的 D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出值視為離散值。于是量化誤差的功率為()idealxt （）??22,01()()TnermsaidealPxxtt???其中 為量化誤差，在時(shí)間間隔 ，量化誤差為()()aidealxtt??0,T?? = （）()idealxt誤差功率可以計(jì)算為 （）2220 01 1TTnt ttPt d? ???????????????????????????????圖 D/A 轉(zhuǎn)換器的傳輸函數(shù)(DNL)和積分非線性(INL)誤差在實(shí)際的 DA 轉(zhuǎn)換器中，由于非理想的電路元件，其傳輸函數(shù)上的理想值與實(shí)際值會(huì)發(fā)生偏移，如圖 所示。如果將理想的 D/A 轉(zhuǎn)換器相鄰兩輸出值之差定義,dkX,ak?為理想步長 ，則實(shí)際步長和理想步長的差值即為微分非線性誤差（DNL） 。可以表示為 （）,akkXINL????微分非線性(DNL)和積分非線性(INL)誤差之間有關(guān)系式= （）kI1llD??非線性誤差通常是由低頻輸入信號測量得到，這樣可以將高頻信號的動(dòng)態(tài)誤差排除在外。基于 MATLAB 的分段式電流舵 DAC 建模與仿真16（offset error）令 的總平方和對 的偏導(dǎo)等于 0，就可以得到 D/A 轉(zhuǎn)換器的,akofsetX?? ofsetX失調(diào)誤差，即 （）12 2,0()Nakofsetkofset?????? 12,0()0NakofsetkX???（）所以 = ()ofset21,0()NakKX???我們不難看出 D/A 轉(zhuǎn)換器的失調(diào)電壓即為所有的誤差的平均值。與理想的直線相比，實(shí)際的輸出存在線性誤差（如圖 a）和非線性誤差（如圖 b） 。當(dāng)對于所有的輸入數(shù)字信號滿足以下兩式時(shí)， （）1||2kINLSB? （）||D就可以保證單調(diào)性。 圖 非單調(diào)行為 DAC 的傳輸特性 D/A 轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)在 D/A 轉(zhuǎn)換器中，除了由器件的失配產(chǎn)生的誤差外，在輸入信號變化較快時(shí)還存在其他的誤差來源。在之前的章節(jié)我們只是認(rèn)為 D/A 轉(zhuǎn)換器工作在一些離散的時(shí)間點(diǎn)，然而，現(xiàn)在我們開始考慮兩次采樣點(diǎn)之間的動(dòng)態(tài)效應(yīng)。（setup time）當(dāng) D/A 轉(zhuǎn)換器的輸入信號變化時(shí)，理想的輸出信號應(yīng)該立即從起始值，變化到下一個(gè)值 如圖基于 MATLAB 的分段式電流舵 DAC 建模與仿真18 D/A 轉(zhuǎn)換器的建立行為的比較由于電路的非理想因素，輸入數(shù)據(jù)變化時(shí)，D/A 轉(zhuǎn)換器的實(shí)際的起始和終值分別為 和 。它決定了電路的最高工作速度。非線性的快速轉(zhuǎn)換階段應(yīng)該盡可能的小，因?yàn)樗鼤?huì)增加建立時(shí)間并在模擬信號中引入失真。,ak?T?所以 kT 與 kT+T 之間形成的建立誤差為 （）,amX????,()1TakmakXe??????????,amX?2. 毛刺(glitch) 當(dāng) D/A