高精度D／A轉換器設計技術研究

王　鵬

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

·大規模集成電路設計、制造與應用·

高精度D／A轉換器設計技術研究

王鵬

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

針對采用多晶電阻實現的基于R－2R網絡的高精度電壓輸出型D／A轉換器由于多晶電阻匹配精度和修調精確度低導致轉換器精度很難保證的缺點，探討了采用開關管導通電阻匹配技術，開關管分段匹配技術，分段階梯結構電阻網絡等幾種設計技術來提高轉換器精度的方法，采用以上技術再結合電阻修調及精細的版圖設計方法，可以實現超過12bits精度的D／A轉換器。

R－2R電阻網絡；D／A轉換器；MOS開關；導通電阻；匹配；分段階梯結構

1　引　言

隨著計算機技術、數字信號處理技術、通信技術、多媒體技術的發展，高精度、高壓D／A轉換器被廣泛應用在進程監測和工業自動控制等各個場合，D／A轉換器日益顯出更加重要的地位。精度達到12位、轉換速率超過100KHz的電壓輸出型D／A轉換器已經得到了廣泛應用，更高精度和速度的D／A轉換器也在逐步為應用系統所采用。近二十年來，集成電路的工藝與技術得到了快速發展，數字電路發展更加迅速，部分原來需要采用模擬電路結構來實現的芯片，都可以用數字電路來實現了，但是D／A轉換器電路作為連接數字電路和模擬電路的重要接口仍然需采用模擬電路結構。基于R－2R電阻網絡架構的D／A轉換器因其功耗、面積和精度之間具有良好的折中等優點為大多數電壓輸出型D／A轉換器所采用。

2　電壓型D／A轉換器架構分析

電壓輸出型D／A轉換器的主體結構經常采用如圖1所示的R－2R梯形電阻網絡結合運算放大器作為輸出緩沖器的架構。基于R－2R結構的D／A轉換器是D／A轉換器大家族中一個龐大的分支，這個結構使用的電阻個數少，要構成N位的數模轉換器只需要3N個電阻，并且轉換器的精度只與電阻的相對精度有關系，而與電阻的絕對精度無關。

基于R－2R結構電壓模式的D／A轉換器［1－2］通過將不同的數字代碼輸入控制開關管，把VOUT信號與參考電壓VREF和地電位通過R－2R電阻網絡連接起來，VOUT輸出到后面的輸出緩沖器中，這個輸出緩沖器把輸入的VOUT信號轉換成最終的輸出電壓。如果將地電位替換成另一個負的參考電壓，那么通過這種修改將可以使該結構實現雙極性輸出。

圖1　電壓模式R－2R梯形電阻網絡DAC

通常構成R－2R電阻網絡的電阻是穩定且十分精確并能進行校準的薄膜電阻，這種薄膜電阻的溫度系數小于20ppm／℃，失配度能控制在0.005%以內。但現在通用的代工廠都無法提供這種高精度薄膜電阻加工技術，而采用多晶電阻替代方案的R－2R電阻網絡由于多晶電阻匹配精度和修調精確度都遠遠低于薄膜電阻，轉換器精度往往很難保證。因此，在現有工藝水平條件下需要采用一些電路優化設計技術來盡可能提高R－2R結構電壓型D／A轉換器的精度，滿足設計目標。

3　D／A轉換器電路設計技術

3.1開關管導通電阻匹配技術

D／A轉換器電路主體為一個如圖1所示的R－2R開關電阻網絡。對于一個基于R－2R網絡的電壓模式D／A轉換器［3］，其輸出電壓VOUT可以表示為式（1）：

當考慮開關的導通電阻時，電阻網絡的輸出電壓則會偏離以上的計算值，所以應當在開關電阻上予以補償。但是在設計時精確計算和預計開關的導通電阻是困難的，因為沒法控制工藝的變化，特別是開關和電阻相互獨立，所以，用減小電阻值的方法補償開關電阻是不可行的。通常可以采用開關間的相互匹配來解決這一問題。

如圖2所示，圖中R1=R2=R3=2R，R4=R，開關導通電阻為rn且第一條支路開關始終接VREFL。對左邊的兩條支路作諾頓等效有：

圖2　簡化的包含開關電阻的D／A等效電路

對于理想的R－2R網絡，希望：

求解式（2）和式（3）得r1=r2令r1=r2=r

同理，求解Vn2的輸出電壓公式為：

同樣對于理想的R－2R網絡：

對式（4）、（5）及式（6）求解，得：

通過以上分析可知，為了抵消開關電阻對電阻網絡精度和匹配的影響，可以將開關電阻按1／2比例縮小，而且開關電阻的電阻值和R－2R電阻網絡的電阻值大小無關，所以對開關的導通電阻大小沒有要求。對于MOS管，其導通電阻［4］為：

所以，要按比例縮小開關的導通電阻，可以在保持MOS管過驅動電壓相同的情況下，按比例增加開關管的寬長比來實現。若選擇電源電壓VDD作為高參考電壓VREFH端開關的柵電壓，則此開關的過驅動電壓為VDD－VREFH－VTH，為了使低參考電壓端VREFL開關的過驅動電壓與此相等而滿足開關電阻按比例縮小的要求，需要一個特定的柵電壓滿足開關電阻按比例縮小的要求，這一個特定的柵電壓VM可以用如下電路產生。

圖中P1，P2，P3三個PMOS管寬長比相同且都工作在飽和區，由電路結構可得：

由式（9）－（12）可得：

圖3　負參考源VREF－開關過驅動電壓產生電路

由式（14）可得低參考電壓端VREFL開關的過驅動電壓也為VDD－VREFH－VTH，達到滿足保持開關過驅動電壓相同的要求。

3.2開關管分段技術

由3.1節分析可知，為了達到使開關導通電阻不影響R－2R電阻網絡的性能，需要開關管在大范圍內實現匹配。對于12位的D／A轉換器，其最高位與最低位面積值比也是12位，即比值為212。如此大的差別，僅依靠改變MOS開關管寬度W的做法是不可取的，通常采用MOS管串聯和并聯相結合的方法。高位開關管的導通電阻靠改變MOS開關管的寬度W來實現，而低位則采用改變MOS開關管有效長度L的方法。但對于應用于高壓工作（例如±15V電壓），MOS開關管的最小長度L通常遠大于特征尺寸，因此采用上述方法依然會有以下弊端：①最低位的開關管導通電阻過大，最高位導通電阻較小，因此失配較大，影響D／A轉換器精度；②總體開關管的版圖面積過大，增加了布局布線的難度，尤其是對于高壓MOS開關管。為了解決上述問題，可以采用開關管導通電阻分段匹配技術［5－6］，如圖4所示。

圖4　采用開關管分段的R－2R電阻網絡

假設R－2R電阻網絡按低5位和高7位進行分段，低5位的等效電阻為：

假設補償開關的導通電阻為RX，且Bit6的開關導通電阻為r，則前六位的等效電壓為：

對于理想不包含開關電阻的電阻網絡前六位的等效電壓為：

解式（15）－式（18）得到式（19）：

3.3分段階梯結構電阻網絡

通常傳統D／A轉換器有R－2R階梯結構和2NR結構兩種典型架構，R－2R階梯結構特點是速度快，但對電阻的匹配與溫度特性要求很高，2NR階梯結構非常簡單，對電阻匹配要求也很低。但是，隨著D／A轉換器位數的增加，芯片面積也急劇增大，導致成本上升，并且，這種D／A轉換器響應速度很慢，12位D／A轉換器需要212個電阻，因此，該結構的設計只適用于低位數的DAC。

考慮如圖1所示的標準R－2R電阻網絡，會發現當輸入碼從011111…變為100000…（電壓中值）的時候，梯形網絡頂端2R的電流為1024LSB（等效電流），如果D／A轉換器允許最大誤差是1LSB（保證D／A轉換器單調輸出），對于12位的D／A轉換器，則要求最高位的電阻匹配精度達到1／2048，即0.488%，對于采用多晶電阻實現的R－2R電阻網絡達到如此高的匹配精度在版圖及工藝上實現都是非常困難的。因此，為了降低電阻匹配要求同時又不占用太多的芯片面積，可以考慮采用R－2R結構與2NR結構相結合的分段階梯結構D／A轉換器［7－8］，如圖5所示。

圖5　分段階梯結構R－2R電阻網絡

假設R－2R電阻網絡的高4位采用基于溫度計碼譯碼的2NR電阻并聯結構，則這4位有16種分段輸入，每個分段控制128LSB的輸出電流，這種分段能在器件精度要求較低的情況下獲得很好的DNL值，對于采用4－8位分段的12位D／A轉換器可以由8位的匹配精確設定一個12位轉換器1／2LSB的DNL，同時這種分段技術可以有效減輕因D／A轉換器輸出變化而產生的瞬態脈沖面積。

分段階梯結構中的關鍵是決定哪幾位采用溫度計碼譯碼的電阻并聯結構，最大程度地降低電阻匹配精度的要求，同時減小脈沖尖峰對D／A轉換器的影響。很明顯，使用電阻并聯結構位數越多，對電阻匹配精度的要求越低，對尖峰脈沖的抑制效果越好，但電阻個數會呈2N指數增長，成本也急劇增加。因此，在選擇電阻并聯結構位數和版圖面積上存在一個折中。同時應該注意這種分段結構雖然可以減小DNL誤差，但是對D／A轉換器INL的指標并沒有什么改善。

4　結束語

針對采用多晶電阻實現的R－2R網絡的高精度電壓輸出型D／A轉換器由于多晶電阻匹配精度和修調精確度低而導致轉換器精度難以保證的缺點，探討了采用開關管導通電阻匹配技術，開關管分段匹配技術，分段階梯結構電阻網絡等幾種設計技術來提高轉換器精度的方法。通過采用以上技術并在版圖設計中考慮加入冗余電阻單元，單元電阻串并聯及電阻擺放位置中心對稱等版圖匹配方法和電阻網絡修調算法，可有效降低電路對電阻匹配精度的要求，實現在一定的工藝條件下設計出精度更高、性能更好的D／A轉換器。

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High Accuracy D／A Converter Design Technique

Wang Peng
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

As match accuracy and calibration resolution of poly resistor is poor，the accuracy of voltage type D／A converter based on poly resister R－2R network is limited.By researching some design techniques such as switch conduct resistor match，segmented switch match and segmented－ladder resistor network technique，the accuracy of D／A converter can be improved.Combining with resistor calibration and fine layout design method，the techniques above mentioned can realize D／A converter with accuracy exceeding 12 bits.

R－2R Resistor Network；D／A Converter；MOS Switch；Conduct Resistor；Match；Segmented－Ladder

10.3969／j.issn.1002－2279.2016.01.001

TN4

A

1002－2279（2016）01－0001－04

王鵬（1974－），男，遼寧省沈陽市人，高級工程師，碩士研究生，主研方向：集成電路設計。

2015－05－20