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日志

模拟集成电路入门30问之25

已有 235 次阅读2021-5-7 21:02 |系统分类:芯片设计| 模拟集成电路, 数模转换器

25. 如何理解模拟集成电路模块系列之九:数模转换器?

大家好!今天我来讲讲在模拟集成电路中对数字信号和模拟信号进行对接的一个重要模块:数模转换器。顾名思义,数模转换器是将数字电路输出的数字信号转换为模拟电路需要的模拟信号的电路。可以说,由于现在数字集成电路在整个集成电路中占有重要位置,而且在美国提出建立数字世界后,未来对核心信息的处理都将是数字信号,所以模拟世界的信号如何和数字信号进行对接,数模转换器将是一个重要的桥梁。

为了能更好的对数模转换器进行讲解,我从电路结构和性能参数两个方面对其进行分析;从电路结构方面看,数模转换器分为偏置电路、参考源、数字控制单元、分压/分流网络、基于运放的电压跟随器、补偿电路六个部分;其中偏置电路是为参考源、分压/分流网络、电压跟随器提供工作点,它主要决定数模转换器工作直流点;参考源是给电压跟随器的提供基准源,其参考源可以是基准电压或者是基准电流,一般它表现为一个比特对应的电压或者电流;数字控制单元是将数模转换器的数字输入信号编译为对分压/分流网络进行控制的信号;基于运放的电压跟随器是将分压/分流网络的输出转换的电压信号进行一比一放到输出,从而可以更好的驱动后面模拟电路的负载。补充电路主要是对前面整个电路系统环路的相位进行补偿,从而使得整个负反馈环路稳定。

数模转换器的性能参数也和其他功能模块一样,有四个类型:输入特性、输出特性、交流特性、极限特性;第一类型,输入特性是工作电压、工作电流,工作电压一般表现出数模转换器电路对工作环境的适应程度,如果工作电压范围广,则适应性强;如果工作电压范围窄,则工作条件比较苛刻;工作电流决定了数模转换器电路在各种不同工作电压下的功耗,一般来说,工作电压升高时,工作电流也会上升,所以功耗也会提高,这时数模转换器电路在不同工作电流下输出特性也不能有较大的裂化。

第二个类型,输出特性是分辨率、建立时间、量化误差、偏移误差、满刻度误差、转换精度、温度系数、线性度;分辨率是数模转换器的核心指标,它是数模转换器的最小输出电压和最大输出电压的比值,一般采用转换器的数字位数来进行标识;建立时间是数模转换器的输出瞬态特性,它是在输入由全0”变为全“1”时,输出信号稳定在满幅电压加减一个比特电压时的时间,它同时决定了转换速度;量化误差是数模转换器的实际转移特性曲线和理想转移特性曲线之间的最大差值,一般小于胜负二分之一个比特;偏移误差是数模转换器在输入数字信号全为“0”时,输出的信号大小;满刻度误差是数模转换器时,对应的实际输入数字信号和全“1”之间的差值;转换精度实际就是分辨率,只是说法不一样;温度系数是在数模转换器在输入数字信号全为“1”时,每升高1℃时输出变化的百分比;线性度是数模转换器的实际转换函数和理想直线之间的最大差值。

第三个类型,交流特性是高/低频截止频率、开环增益和相位裕度。高/低频截止频率反映的是数模转换器中的电压跟随器的线性放大器高频截止频率和低频截止频率,特别是高频截止频率和控制监控输出稳定时间是有关联的,低频截止频率一般来说不能高于主信号通道的低频截止频率,不然控制信号也会进入到主信号通道中,从而被主信号通道模块处理,这样其实是引入了一个低频噪声,降低整个主信号通道的性能;开环增益和相位裕度指的是数模转换器的第四、五和六部分电路,分压/分流网络、基于运放的电压跟随器和补充电路的开环增益和相位裕度,一般来说,开环增益为50dB以上,相位裕度大于60º即可。

最后一个类型,极限特性是:最大工作电压、工作温度范围。这个最大工作电压和输入电压范围的区别在于,在最大工作电压下可能数模转换器电路工作不正常了,但在输入电压范围的最大值时,数模转换器电路必须是正常工作的。工作温度范围是指PN结温下的范围,它和数模转换器的温度范围有些许区别,一般来说,极限特性下工作温度范围会比数模转换器的温度范围宽。

好,总结一下,这一讲我从六个电路部分,偏置电路、参考源、数字控制单元、分压/分流网络、基于运放的电压跟随器、补偿电路和十四个性能参数,工作电压、工作电流、分辨率、建立时间、量化误差、偏移误差、满刻度误差、转换精度、温度系数、线性度、高/低频截止频率、开环增益和相位裕度、最大工作电压、工作温度范围,对数模转换器电路进行了分析,希望对大家有所帮助!

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