佟曉娜, 陳祥發(fā), 權(quán)海洋

(北京時(shí)代民芯科技有限公司 西安分部， 陜西 西安 710119)

數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(digital-to-analog converter，DAC)作為片上系統(tǒng)(system on chip，SoC)中連接數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的“橋梁”，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于圖像處理、無(wú)線通信、衛(wèi)星、測(cè)控系統(tǒng)、音頻以及多媒體顯示等諸多領(lǐng)域[1-3]。但是，考慮到每種DAC結(jié)構(gòu)所展現(xiàn)出來(lái)的特性不盡相同，例如,Sigma-Delta DAC的轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到很高，但其轉(zhuǎn)換速率卻較低。二進(jìn)制電流舵DAC的轉(zhuǎn)換速率很高，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、面積較小，但轉(zhuǎn)換精度卻較低,所以,對(duì)于片上系統(tǒng)中的DAC設(shè)計(jì)而言，結(jié)合特定的應(yīng)用需求選擇合適的電路結(jié)構(gòu)類(lèi)型至關(guān)重要。

本文擬結(jié)合DAC在高速、高精度兩個(gè)重要領(lǐng)域的應(yīng)用，分析當(dāng)前兩個(gè)主要方向上的DAC主流結(jié)構(gòu)，總結(jié)比較各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，并闡述后續(xù)發(fā)展趨勢(shì)。

1 基本DAC結(jié)構(gòu)

DAC最基本的3種結(jié)構(gòu)分別是電壓按比例縮放型(voltage scaling)DAC、電流按比例縮放型(current scaling)DAC、電荷按比例縮放型(charge scaling)DAC等。上述3種基本結(jié)構(gòu)的DAC比較簡(jiǎn)單，其基本工作原理是分別將電壓、電流或者電荷按一定比例進(jìn)行縮放，再進(jìn)行求和相加。下面就簡(jiǎn)單介紹上述三種基本結(jié)構(gòu)的原理。

1.1 電壓按比例縮放DAC

電壓按比例縮放DAC的結(jié)構(gòu)[4]如圖1所示。其工作過(guò)程為電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)基準(zhǔn)電壓Vref分壓，使得電阻網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)得到分基準(zhǔn)電壓，然后數(shù)字輸入信號(hào)通過(guò)控制每個(gè)開(kāi)關(guān)的通與斷，得到與輸入數(shù)字信號(hào)相對(duì)應(yīng)的模擬分量。

圖1 電壓按比例縮放DAC結(jié)構(gòu)圖

1.2 電流按比例縮放DAC

電流按比例縮放DAC的結(jié)構(gòu)如圖2所示，該結(jié)構(gòu)是由二進(jìn)制加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)組成的，也稱(chēng)為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC。工作過(guò)程是加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)將基準(zhǔn)電壓Vref轉(zhuǎn)換為具有二進(jìn)制權(quán)重的電流，進(jìn)而按照二進(jìn)制搜索的算法來(lái)控制這些二進(jìn)制權(quán)重的電流。最后，由電流/電壓轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生電壓輸出值。

圖2 電流按比例縮放DAC結(jié)構(gòu)圖

1.3 電荷按比例縮放DAC

電荷按比例縮放DAC的結(jié)構(gòu)如圖3所示。該電路的設(shè)計(jì)思路是依據(jù)電荷守恒定律對(duì)電容網(wǎng)絡(luò)的總電荷儲(chǔ)存值進(jìn)行二元?jiǎng)澐郑沟秒娙蓐嚵袑?shí)現(xiàn)電荷的再分配。其工作過(guò)程是通過(guò)邏輯電路決定開(kāi)關(guān)的通與斷，讓電容網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)電容接地或接參考電壓，最后產(chǎn)生不同的輸出電壓[5][6]。

圖3 電荷按比例縮放DAC結(jié)構(gòu)圖

2 高速DAC結(jié)構(gòu)

高速DAC結(jié)構(gòu)主要有兩種，一種是R-2R梯形電阻DAC，另一種是電流舵DAC。高速DAC結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于視頻信號(hào)處理、直接數(shù)字信號(hào)的合成、無(wú)線信號(hào)的發(fā)射等[2][4][7-9]。

2.1 R-2R梯形電阻DAC

R-2R梯形電阻DAC的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，是在電流按比例縮放DAC的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，主要是針對(duì)電流按比例縮放DAC的阻值范圍大的缺點(diǎn)而進(jìn)行創(chuàng)新的。R-2R梯形電阻DAC只用到了R和2R兩種阻值的電阻，便于集成。工作過(guò)程是輸入的數(shù)字信號(hào)控制電流開(kāi)關(guān)，選擇不同的導(dǎo)通通道，將不同的位電流輸送到放大器求和點(diǎn)。由于放大求和點(diǎn)的正端是接地的，導(dǎo)致流入梯形網(wǎng)絡(luò)的總電流不會(huì)受位電流的影響。因此，梯形網(wǎng)絡(luò)的電流值大體是恒定的，即使在開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換速率很快時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生大幅度的瞬態(tài)壓值，適用于高速應(yīng)用。另外，根據(jù)該電阻網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，從任一個(gè)縱向2R電阻的兩端往右看，二端網(wǎng)絡(luò)的電阻均為2R，因此，各支路電流間不存在傳輸延遲，有效地提高了轉(zhuǎn)換速度。但是，R-2R梯形電阻DAC的不足之處在于輸入的數(shù)字信號(hào)不同時(shí)放大器反向輸入的等效電阻會(huì)發(fā)生變化，這會(huì)影響DAC的精度。此外，當(dāng)DAC的位數(shù)增大時(shí)，電阻數(shù)也會(huì)增大。目前，R-2R梯形電阻DAC能達(dá)到GS/s的轉(zhuǎn)換速率，但精度不超過(guò)8位，主要應(yīng)用于傳感器和數(shù)字設(shè)備中[9]。

圖4 R-2R梯形電阻DAC示意圖

2.2 電流舵DAC

由于CMOS集成工藝的發(fā)展，使得MOS管用作電流源大規(guī)模集成得以實(shí)現(xiàn)，所以出現(xiàn)了新型的電流型DAC，即電流舵DAC(current-steering DAC)[7-8][10-13]。如圖5所示是電流舵DAC的基本結(jié)構(gòu)示意圖，是由具有開(kāi)關(guān)控制的電流源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。工作過(guò)程是輸入的數(shù)字信號(hào)控制開(kāi)關(guān)將不同的電流分量輸送到正的或負(fù)的輸出端。該結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)被設(shè)計(jì)為差分結(jié)構(gòu)，就好像一只舵一樣的工作模式。根據(jù)控制開(kāi)關(guān)的數(shù)字信號(hào)的編碼方式不同，電流舵DAC可以分為二進(jìn)制編碼型電流舵DAC和溫度計(jì)編碼型電流舵DAC。

圖5 電流舵DAC原理示意圖

2.2.1 二進(jìn)制編碼型電流舵DAC

二進(jìn)制編碼型電流舵DAC是由若干電流源組成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。工作過(guò)程是運(yùn)用有源器件組成電流源網(wǎng)絡(luò)，利用輸入的數(shù)字碼控制相應(yīng)的開(kāi)關(guān)選通對(duì)應(yīng)的電流源支路輸出不同的結(jié)果，所有導(dǎo)通的電流源支路輸出的電流和經(jīng)過(guò)I/V轉(zhuǎn)換后就是該數(shù)字輸入碼對(duì)應(yīng)的模擬電壓值，由此，可以將不同的數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬輸出電壓。該電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換速率快，此外，由于沒(méi)有復(fù)雜的譯碼電路，相對(duì)應(yīng)的電流源數(shù)目較少，電路面積較小，所以，在高速DAC領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)很大。但是，二進(jìn)制電流舵DAC的高位碼元和低位碼元的權(quán)重相差較大。當(dāng)輸入的數(shù)字碼元(以8位為例)從01111111轉(zhuǎn)換到10000000時(shí)，電流源的開(kāi)關(guān)切換動(dòng)作并非理想狀況下的絕對(duì)一致，所以，會(huì)出現(xiàn)在極短的時(shí)間內(nèi)，碼元會(huì)從01111111先跳轉(zhuǎn)到11111111然后再跳轉(zhuǎn)到10000000，這個(gè)過(guò)程所有開(kāi)關(guān)都參與切換，會(huì)引起很大的尖峰毛刺，造成嚴(yán)重的失真現(xiàn)象。目前，二進(jìn)制編碼電流舵DAC的速率可達(dá)數(shù)GS/s，主要在高速儀表，衛(wèi)星通信，基站發(fā)射等領(lǐng)域被使用[7-8]。

圖6 二進(jìn)制編碼電流舵DAC示意圖

2.2.2 溫度計(jì)編碼型電流舵DAC

溫度計(jì)編碼型電流舵DAC原理結(jié)構(gòu)如圖7所示。工作過(guò)程是：輸入的數(shù)字信號(hào)通過(guò)譯碼器將二進(jìn)制編碼轉(zhuǎn)換為溫度計(jì)編碼，再由溫度計(jì)碼的數(shù)字信號(hào)來(lái)控制電流源的導(dǎo)通開(kāi)關(guān)，輸出不同的模擬電壓值。這種結(jié)構(gòu)的電流舵DAC其電流源的加權(quán)是完全相同的，輸出結(jié)果由導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)個(gè)數(shù)決定。溫度計(jì)編碼型電流舵DAC優(yōu)點(diǎn)是輸入的溫度計(jì)碼元每次只變換一位，所以，輸出信號(hào)也只變換一位，即使到轉(zhuǎn)換的中間位(01111111到10000000)時(shí)，也只有一個(gè)開(kāi)關(guān)發(fā)生切換，這樣與二進(jìn)制編碼相比較輸出結(jié)果就少了很多毛刺，并且DAC的輸出結(jié)果隨輸入信號(hào)的遞增而單調(diào)增加，展現(xiàn)出很好的單調(diào)性。此外，因?yàn)槊總€(gè)支路的電流源都是相同的，所以匹配性大大增強(qiáng)。但是溫度計(jì)編碼電流舵DAC需要很復(fù)雜的譯碼電路，使得電路模塊數(shù)增多，面積增大，而且當(dāng)DAC分辨率增加時(shí)，所需開(kāi)關(guān)的數(shù)目和單元電流源數(shù)目以指數(shù)形式迅速增大，使得整個(gè)譯碼電路進(jìn)一步變得復(fù)雜。當(dāng)該DAC的分辨率高于8位時(shí)，版圖的分布規(guī)劃和信號(hào)走線變得異常繁雜，所以，其一般也不超過(guò)8位。溫度計(jì)編碼型電流舵DAC主要應(yīng)用在多媒體、音頻系統(tǒng)中[2]。

圖7 溫度計(jì)編碼型電流舵DAC示意圖

3 高精度DAC結(jié)構(gòu)

在高精度的領(lǐng)域主要有分段式電流舵DAC、電流舵與R-2R電阻混合型DAC、Sigma-Delta DAC等幾種主流DAC，主要應(yīng)用于高精度儀表，精密測(cè)試儀器，衛(wèi)星等[2-3][11-13]。

3.1 分段式電流舵DAC

分段式電流舵DAC，將二進(jìn)制編碼型電流舵DAC和溫度計(jì)編碼型電流舵DAC的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，并將缺點(diǎn)降到最低。分段式電流舵DAC繼承了二者的高速和高精度兩種特性，成為現(xiàn)在主流的一種DAC。圖8是一個(gè)說(shuō)明分段式電流舵基本結(jié)構(gòu)的例子。圖中采用8+4分段結(jié)構(gòu)，高位數(shù)字信號(hào)通過(guò)行譯碼器、列譯碼器轉(zhuǎn)換為溫度計(jì)碼，分別控制255個(gè)單位電流源構(gòu)成的16×16電流源陣列，多余的一個(gè)電流源作為備用單元。低4位二進(jìn)制加權(quán)電流源的電流之和等于陣列中單位電流源的電流。在二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為溫度計(jì)碼的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)溫度計(jì)譯碼器的輸出信號(hào)會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，所以，在譯碼器后加入時(shí)鐘控制的鎖存器使得信號(hào)同步，減少信號(hào)延時(shí)在輸出端產(chǎn)生的毛刺。對(duì)于分段式電流舵而言，釆用何種分段策略是根據(jù)不同應(yīng)用的特點(diǎn)，由性能、面積、功耗等折中考慮的，而整個(gè)DAC的性能通常由高位溫度計(jì)譯碼結(jié)構(gòu)的特性所主導(dǎo)。目前，這種結(jié)構(gòu)的DAC可達(dá)到14到16位的精度，速度高達(dá)數(shù)GS/s，主要應(yīng)用在現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)、多媒體等領(lǐng)域[11-13]。

圖8 12位分段電流舵DAC示意圖

3.2 電流舵與R-2R電阻混合型DAC

許多無(wú)線應(yīng)用對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的要求是功耗低、面積小、高分辨率、中等轉(zhuǎn)換速率，設(shè)計(jì)低直流功耗的DAC涉及到速度、面積之間的折中。電流舵與R-2R電阻混合型DAC結(jié)合了電流舵DAC具有良好的差分非線性誤差性能的優(yōu)點(diǎn)和R-2R具有面積緊湊性的好處，使得在不把電流源MOS管偏置在亞閾值區(qū)的情況下，可以達(dá)到亞微安的最低有效位電流。不像所有位都采用R-2R結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器，這種結(jié)構(gòu)即使把電流源偏置在低電流時(shí)依然有較好的信噪比，而且能達(dá)到比傳統(tǒng)的分段式電流舵DAC更小的版圖面積。

如圖9所示是一個(gè)12bit的電流舵與R-2R電阻混合型DAC[14]，由輸入數(shù)據(jù)鎖存、溫度計(jì)編碼電路、同步鎖存與開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、電流源陣列、電阻網(wǎng)絡(luò)以及帶隙基準(zhǔn)組成。采用5+3+4的分段結(jié)構(gòu)，最高五位采用溫度計(jì)編碼電流舵結(jié)構(gòu)，中間三位采用二進(jìn)制編碼電流舵結(jié)構(gòu)，最低四位采用R-2R梯形電阻結(jié)構(gòu)。5位最高位通過(guò)溫度計(jì)譯碼后控制31個(gè)8倍于單位電流源的電流，3位中間位直接控制3個(gè)權(quán)重不同的電流源，高8位控制的255個(gè)單位電流源注入到R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)電阻產(chǎn)生輸出電壓；4位最低位各控制一個(gè)單位電流源，4個(gè)單位電流分別注入到R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)上的4個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)電阻分流在輸出端產(chǎn)生不同權(quán)重的電壓。

圖9 電流舵與R-2R電阻混合型DAC結(jié)構(gòu)圖

3.3 Sigma-Delta DAC

如果按采樣速率來(lái)劃分，DAC可以分為奈奎斯特(Nyquist)采樣DAC和過(guò)采樣DAC兩大類(lèi)。上面所介紹的DAC都屬于Nyquist采樣DAC。對(duì)于過(guò)采樣的Sigma-Delta DAC,其工作頻率等于Nyquist采樣頻率乘以過(guò)采樣率(OSR)倍，因此精度可以達(dá)到很高。目前比較流行的Sigma-Delta DAC實(shí)現(xiàn)方式有全數(shù)字實(shí)現(xiàn)方式、“almost”數(shù)字實(shí)現(xiàn)方式和RFDAC等。從1962年第一個(gè)Sigma-Delta調(diào)制器誕生到現(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)展成高精度轉(zhuǎn)換器的主流結(jié)構(gòu)之一。圖10是Sigma-Delta DAC的經(jīng)典系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，Sigma-Delta DAC由數(shù)字插值濾波器、數(shù)字Sigma-Delta調(diào)制器、低精度D/A、模擬低通濾波器組成。

圖10 Sigma-Delta DAC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

Sigma-Delta DAC系統(tǒng)的信號(hào)傳輸過(guò)程如下。首先輸入的數(shù)字信號(hào)通過(guò)數(shù)字插值濾波器將采樣頻率從fN提升到OSR*fN，以便于調(diào)制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理；其次，在不影響信號(hào)功率的情況下，數(shù)字 Sigma-Delta調(diào)制器，將噪聲功率譜密度進(jìn)行整形；然后，低精度D/A 將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成具體的模擬電平值；最后，信號(hào)進(jìn)入模擬低通濾波器的輸入端，模擬低通濾波器濾除信號(hào)頻率以外的噪聲，將信號(hào)無(wú)損地輸出。數(shù)字Sigma-Delta調(diào)制器是整個(gè)Sigma-Delta DAC系統(tǒng)的核心部分，通過(guò)對(duì)其傳遞函數(shù)的設(shè)計(jì)及采用不同結(jié)構(gòu)，可以得到各種各樣的噪聲整形曲線。目前Sigma-Delta DAC的精度可高達(dá)24位，主要應(yīng)用在高品質(zhì)音頻設(shè)備、工業(yè)精密控制等領(lǐng)域[3][15]。

表1給出了幾種主流DAC在轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速率、面積及主要應(yīng)用領(lǐng)域等方面的對(duì)比情況。

表1 幾種主流DAC的比較

4 DAC的發(fā)展趨勢(shì)

隨著IC技術(shù)和CMOS工藝的不斷發(fā)展和完善，D/A轉(zhuǎn)換器已經(jīng)不再是一個(gè)分立的模塊，而是以片上、嵌入式的集成DAC的形式被應(yīng)用到更多其他的系統(tǒng)中去。盡管不同應(yīng)用對(duì)DAC有不同的特性需求，但高速、高精度將仍是DAC發(fā)展的重要方向。隨著集成電路制作工藝的進(jìn)步以及SOC集成度的不斷提高，衡量DAC的性能指標(biāo)也趨于多元化，在實(shí)現(xiàn)高速、高精度的同時(shí)，降低功耗和面積是DAC設(shè)計(jì)是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

4.1 高速DAC

在高速信號(hào)處理和無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)阮I(lǐng)域，對(duì)DAC的速度要求一直在不斷提高。在集成電路工藝特征尺寸不斷減小的趨勢(shì)下，器件的本征速率也在不斷提升，R-2R梯形電阻DAC、二進(jìn)制編碼型電流舵DAC等主流高速DAC在轉(zhuǎn)換速率方面將會(huì)有新的突破。但是，隨著集成電路制作工藝的進(jìn)步以及SOC集成度的不斷提高，使得對(duì)面積和功耗的要求也大大提高。二進(jìn)制編碼型電流舵DAC電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有復(fù)雜的譯碼電路，相對(duì)應(yīng)的電流源數(shù)目較少，面積較小。所以，在高速DAC領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)很大，將成為主要的研究目標(biāo)。

4.2 高精度DAC

對(duì)于高精度儀表、精密測(cè)試儀器、衛(wèi)星、高品質(zhì)音頻系統(tǒng)等，都要求DAC具有高精度的分辨能力和對(duì)低能量信號(hào)的高敏感性，因此，這些領(lǐng)域特別關(guān)注轉(zhuǎn)換器的精度。溫度計(jì)編碼型電流舵DAC通過(guò)改變編碼方式可以使電流舵DAC的精度達(dá)到很高，但是，其占用面積太大、版圖布線復(fù)雜、而且功耗很大使得其應(yīng)用范圍受到很大的限制。Sigma-Delta DAC通過(guò)過(guò)采樣技術(shù)可以將轉(zhuǎn)換精度做到高達(dá)24位，未來(lái)仍是超高速應(yīng)用中的主流結(jié)構(gòu)。

4.3 高速高精度DAC

分段式電流舵DAC通過(guò)將二進(jìn)制編碼型電流舵DAC和溫度計(jì)編碼型電流舵DAC相結(jié)合，可以使DAC的速度和精度都得到相對(duì)優(yōu)化，其性能在高速和高精度方面的發(fā)展?jié)摿Χ际志薮?。目前，分段式電流舵DAC逐漸取代了單一編碼方式的電流舵DAC，是現(xiàn)在主流的DAC結(jié)構(gòu)之一。未來(lái)的DAC結(jié)構(gòu)有很大可能向著混合結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展，如在某些對(duì)功耗、面積、分辨率等都有相對(duì)較高要求的無(wú)線應(yīng)用場(chǎng)合，電流舵與R-2R電阻混合型DAC將會(huì)發(fā)揮其特殊作用[14]。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)當(dāng)前的重要DAC結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究，分別在高速、高精度這兩個(gè)主要方向上對(duì)當(dāng)前主流DAC的電路結(jié)構(gòu)、工作原理及各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了探討，并在轉(zhuǎn)換速率、轉(zhuǎn)換精度、功耗、面積以及應(yīng)用領(lǐng)域等方面進(jìn)行了比較，最后，對(duì)DAC在高速和高精度這兩個(gè)主要方向上的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。