低功耗CMOS逐次逼近型模数转换器(朱樟明,杨银堂著)思维导图

逐次逼 近 Ａ ＤＣ 无 源 器 件 的 匹配 性 与 高层 次模 型
佟 星 元 杨 银 堂２ 朱 樟 明 ， 刘 帘 曦 ， ，
（ ．西安邮电学院 电子工程 学院， １ 陕西 西安 ７ ０ ６ ： １０ １ ２ ．西安 电子科技 大学 宽禁带半导体材料与 器件教 育部 重点实验室 ， 陕西 西安 ７ ０ ７ ） １０ １
关键词 ：模数 转换 器； 逐次逼近 ； 无源器件 ； 匹配性； 高层次模 型 中图分类号 ： Ｎ ３ ． Ｔ ４ １２ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：０ １ ４０ ２ １ ）６０２ －７ １０ － ０ （０ １ ０ －１３０ ２
Ｍ ｉｍ ａ ｃ ａ ａ ｙ ｉ ｎｄ ｈｉｈ－ｅ ｅ ｏ ｅｉ ｆｐ ｓｉ ｅ ｃ ｍ ｐｏ ｎ ｓ ｓ ｔｈ ｎ ｌ ｓｓａ ｇ ｌｖ ｌｍ ｄ ｌｎｇ ｏ ａ ｓｖ ｏ ｎｅ ｔ ｉ ｕｃ ｅ ｓｖ ｐｐｒ ｘ ｍ ａ ｉｎ ｎ ｓ ｃ ｓｉｅａ ｏ ｉ ｔｏ Ａ／Ｄ ｏ ｖ ｒ ｅ ｓ ｃ ｎ ｅ ｔｒ
２１ ０ １年 １ ２月 第３ ８卷 第 ６期
西安 电子 科技大学学 报（ 自然科学版 ）
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ⅺ Ｄ Ｉ ＡＮ Ｉ Ⅵ 强ｃ ］ 旺Ｙ ｓ
Ｄｅ ． ０１ ｃ２ ｌ来自Ｖ０ ． ８ Ｎｏ ６ １３ ．
ｄ ｉ１ ．９ ９ ｊｉ ｎ １０ － ０ ．０ ．６ ０ ０ ｏ： ０ ３ ６ ／ ． ｓ ．０ １２ ０ ２ １ ０ ．２ ｓ ４ １
行 了验证． 在此基础上提 出了一种基于单位 电容缩放 的新 型电荷再分 配结构 ， 在不提高无源器 件 匹配性 要求 的前提 下， 利用单位 电容取代原 有缩放 电容并增加一定 的时序控制 ， 有效地解决 了传统 电容 缩放结 构 中缩放 电容工艺实现 困难 以及对寄 生电容敏感 的问题， 适合 片上 系统 的嵌入 式应用．

6）输出逻辑电平 ）
多数A/D 转换器的输出逻辑电平与 转换器的输出逻辑电平与TTL 电平兼容。在考虑 电平兼容。 多数 数字量输出与微处理的数据总线接口时， 数字量输出与微处理的数据总线接口时，应注意是否要三态逻 辑输出，是否要对数据进行锁存等。 辑输出，是否要对数据进行锁存等。
7）工作温度范围 ）
由于温度会对比较器、运算放大器、电阻网络等产生影响， 由于温度会对比较器、运算放大器、电阻网络等产生影响， 故只在一定的温度范围内才能保证额定精度指标。一般 故只在一定的温度范围内才能保证额定精度指标。一般A/D 转 换器的工作温度范围为（ ），军用品的工作温度范围为 换器的工作温度范围为（0~70C），军用品的工作温度范围为 ）， （-55~+125C）。 ）。
2）逐次逼近型的A/D 转换器 ）逐次逼近型的
逐次逼近式的A/D 转换器的主要特点是： 逐次逼近式的 转换器的主要特点是：
转换速度较快， 以内，分辨率可以达18 转换速度较快，在1—100/µs 以内，分辨率可以达 位，特 别适用于工业控制系统。转换时间固定， 别适用于工业控制系统。转换时间固定，不随输入信号的变化 而变化。抗干扰能力相对积分型的差。例如，对模拟输入信号 而变化。抗干扰能力相对积分型的差。例如， 采样过程中，若在采样时刻有一个干扰脉冲迭加在模拟信号上， 采样过程中，若在采样时刻有一个干扰脉冲迭加在模拟信号上， 则采样时，包括干扰信号在内，都被采样和转换为数字量， 则采样时，包括干扰信号在内，都被采样和转换为数字量，这 就会造成较大的误差，所以有必要采取适当的滤波措施。 就会造成较大的误差，所以有必要采取适当的滤波措施。
1）双积分型的A/D 转换器 ）双积分型的
由于双积分型A/D 转换是测量输入电压 在T。 转换是测量输入电压Vi 由于双积分型 。 时间内的平均值，所以对常态干扰(串模干扰 串模干扰)有很强 时间内的平均值，所以对常态干扰 串模干扰 有很强 的抑制作用，尤其对正负波形对称的干扰信号， 的抑制作用，尤其对正负波形对称的干扰信号，抑 制效果更好。 制效果更好。 双积分型的A/D 转换器电路简单，抗干扰能力强， 转换器电路简单，抗干扰能力强， 双积分型的 精度高，这是突出的优点。但转换速度比较慢， 精度高，这是突出的优点。但转换速度比较慢，常 用的A/D 转换芯片的转换时间为毫秒级。因此适用于 转换芯片的转换时间为毫秒级。 用的 模拟信号变化缓慢，采样速率要求较低， 模拟信号变化缓慢，采样速率要求较低，而对精度 要求较高，或现场干扰较严重的场合。 要求较高，或现场干扰较严重的场合。例如在数字 电压表中常被采用。 电压表中常被采用。

第6章 数模与模数转换器
6.1 D/A转换器
第6章 数模与模数转换器
6.1 D/A转换器
2. 工作原理
在图6.1.1所示电路中， 4位权电阻23R、22R、21R、20R的大 小是分别按4位二进制数的位权大小取定的，分别表示4位二进制 数中各位二进制数值对应的权电阻阻值。D3D2D1D0表示输入数字 量N的4位二进制数，模拟电子开关Si受输入第i位数字量Di的控制。 权电阻网络中最低位LSB（对应D0）的阻值最大，为23R，然后依 次减半，最高位MSB（对应D3）的阻值最小，为20R。4个电子开 关S3、S2、S1、S0的状态，分别受输入数字量D3、D2、D1、D0的 取值控制。当输入数字量Di=1时，开关Si合向1端与基准电压VREF 连接，有电流Ii流向∑点；当输入数字量Di=0时，开关Si合向0端与 地连接，没有电流Ii流向∑点。
第6章 数模与模数转换器
6.1 D/A转换器
2. 转换精度
转换精度指的是D/A转换器的模拟电压的实际输出值与理想 输出值间的最大误差。转换精度是一个综合指标，不仅与D/A转 换器中元件参数的精度有关，而且还与环境温度、求和运算放大 器的温度漂移以及转换器的位数有关。所以要获得高精度的D/A 转换结果，除了要正确选用D/A转换器的位数，还要选用低漂移 的求和运算放大器。通常要求D/A转换器的误差小于最低有效位 （LSB）电压的一半，即小于VLSB/2。
第6章 数模与模数转换器
学习目标及重点与难点
重点与难点
D/A转换器的基本概念；
权电阻网络D/A转换器的基本原理； 倒T型电阻网络转换器的基本原理；
D/A转换器的主要技术指标；
并联比较型A/D转换器的基本原理； A/D转换器的主要技术指标。

PN 结外加正向电压
正向偏置
单向导电性
PN结
PN结加反向电压
反向偏置
因少子浓度主要与温度有关，所以反向 电流与反向电压几乎无关。
死区U=0.5;UBE=0.7 死区U=0.1;UBE=0.2
硅二极管 锗二极管
按半导体 材料分
接触型 按PN结 面接触型 结构分
类型
半导体器件
二极管
稳压管 主要参数
稳定电压UZ
概念
绝缘体 半导体
物质分类
课前理解
导电性能随 温度变化大
特点
本征半导体
特性曲线
输出特性
集电极回路：
基极回路：
输入特性
掺入少量5价杂质 元素形成的。
产生大量电子 和正离子。
本征半导体掺入 某种特定杂质形 成的。
概念
N型半导体
电子是多数载流子， 空穴是少数载流子。 （电多空少）
特点
类似
概念 种类
杂质半导体
掺入3价~~
空穴和 负离子
概念
P型半导体
与N型相反 （电少空多）
特点
复合消失
多子运动
扩散运动
动态平衡
载流子 的运动
半导体特性
三极管
NPN型
类型
PNP型
工作原理
条件
内部
反射区高掺杂 基区很薄，掺杂较少 集电极面积很大
外部（外加 电源极性）
发射结正向偏置 集电结反向偏置
产生较大的正向电流
少子运动 漂移运动
a.流过PN结的净电流为0。 b.PN结厚度一定 . c.内电场一定。
T=0K,不存在导电载流子；
若T升至室温 ➜ 产生带负电的 自由电子和带正点的空穴（少 数），其两者可成对产生，且 成对消失，即电子 - 空穴对。

当1101输入后，输出电压：u o
U REF 24
(1 20
1 21
0 22
1 23)
11 UREF 16
二、 权电阻D/A变换器
1、电路组成
23R 22R
2R
R
I0
I1
I2
I3
S0
S1
S2
S3
UREF
R/2
－
A
uO
+
u o
U REF 2n
n 1
di 2i
i0
d0
d1
d2
d3
2、工作原理 3、说明
和权电阻网络相比，T形解码网络中电阻的类型少，
只有R、2R两种，电路构成比较方便。
2、工作原理
（1）T型电阻网络的简化
三、T型电阻网络D/A转换器
1、电路组成
3R －
R R R 2R
A
uO
2R 2R 2R 2R 2R I/16 +
S0
S1
S2
S3
UREF
2、工作原理
d0
d1
（1）T型电阻网络的简化
n 1
di
i0
2i
输出的模拟电压正比于输入的数字量，因而实现了从数字 量到模拟量的变换。
二、 权电阻D/A变换器
1、电路组成
23R 22R
2R
R
I0
I1
I2
I3
S0
S1
S2
S3
UREF
R/2
－
A
uO
+
u o
U REF 2n
n 1
di 2i
i0
d0
d1

vLSB
VREF 210
NB
10V 1024
1
0.0098V
24
2） 单极性电压输出应用
阶梯波产生器
-10V +5V
1
1
R
C
多谐振荡器
> CPB > CPA
R0(1)
QB
74LS290
QC
QD
R R R QA
0(2)
9(1) 9(2)
5进制计数器
D0 VREF V+
DDDDDDDDD132459786
Rf AD7533
IOUT1
IOUT2
－ A
+
vo
GND
vO /VLSB
4
3 2 1 0
000 001 010 011 100 000 001
D/A转换器
D
25
3） 三角波、抛物波产生器
vO1
vO1
VREF 210
NB
vO2
vO2
- (-
VREF
210 210
NB ) NB
VREF (
NB 210
• 转换精度是指对给定的数字量，D/A转换器实际值 与理论值之间的最大偏差。
• 产生原因：由于D/A转换器中各元件参数值存在 误差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂 等各种因素的影响。
• 几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和 非线性误差等
19
比例系数误差：指实际转换特性曲线的斜率与理想转换特性曲线斜率的偏 差。
II
I
I
2 22 23 24
Rf
D0
D1
D2
D3
I