數模轉換器結構設計綜述

佟曉娜, 陳祥發, 權海洋

(北京時代民芯科技有限公司 西安分部， 陜西 西安 710119)

數/模轉換器(digital-to-analog converter，DAC)作為片上系統(system on chip，SoC)中連接數字信號與模擬信號的“橋梁”，已經廣泛應用于圖像處理、無線通信、衛星、測控系統、音頻以及多媒體顯示等諸多領域[1-3]。但是，考慮到每種DAC結構所展現出來的特性不盡相同，例如,Sigma-Delta DAC的轉換精度可以達到很高，但其轉換速率卻較低。二進制電流舵DAC的轉換速率很高，且結構簡單、面積較小，但轉換精度卻較低,所以,對于片上系統中的DAC設計而言，結合特定的應用需求選擇合適的電路結構類型至關重要。

本文擬結合DAC在高速、高精度兩個重要領域的應用，分析當前兩個主要方向上的DAC主流結構，總結比較各種結構的優缺點，并闡述后續發展趨勢。

1 基本DAC結構

DAC最基本的3種結構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種基本結構的DAC比較簡單，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行縮放，再進行求和相加。下面就簡單介紹上述三種基本結構的原理。

1.1 電壓按比例縮放DAC

電壓按比例縮放DAC的結構[4]如圖1所示。其工作過程為電阻網絡對基準電壓Vref分壓，使得電阻網絡的節點得到分基準電壓，然后數字輸入信號通過控制每個開關的通與斷，得到與輸入數字信號相對應的模擬分量。

圖1 電壓按比例縮放DAC結構圖

1.2 電流按比例縮放DAC

電流按比例縮放DAC的結構如圖2所示，該結構是由二進制加權電阻網絡并聯組成的，也稱為權電阻網絡DAC。工作過程是加權電阻網絡將基準電壓Vref轉換為具有二進制權重的電流，進而按照二進制搜索的算法來控制這些二進制權重的電流。最后，由電流/電壓轉換電路產生電壓輸出值。

圖2 電流按比例縮放DAC結構圖

1.3 電荷按比例縮放DAC

電荷按比例縮放DAC的結構如圖3所示。該電路的設計思路是依據電荷守恒定律對電容網絡的總電荷儲存值進行二元劃分，使得電容陣列實現電荷的再分配。其工作過程是通過邏輯電路決定開關的通與斷，讓電容網絡的每個電容接地或接參考電壓，最后產生不同的輸出電壓[5][6]。

圖3 電荷按比例縮放DAC結構圖

2 高速DAC結構

高速DAC結構主要有兩種，一種是R-2R梯形電阻DAC，另一種是電流舵DAC。高速DAC結構主要應用于視頻信號處理、直接數字信號的合成、無線信號的發射等[2][4][7-9]。

2.1 R-2R梯形電阻DAC

R-2R梯形電阻DAC的結構示意圖如圖4所示，是在電流按比例縮放DAC的基礎上進行改進的，主要是針對電流按比例縮放DAC的阻值范圍大的缺點而進行創新的。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。工作過程是輸入的數字信號控制電流開關，選擇不同的導通通道，將不同的位電流輸送到放大器求和點。由于放大求和點的正端是接地的，導致流入梯形網絡的總電流不會受位電流的影響。因此，梯形網絡的電流值大體是恒定的，即使在開關的轉換速率很快時，也不會產生大幅度的瞬態壓值，適用于高速應用。另外，根據該電阻網絡的特點，從任一個縱向2R電阻的兩端往右看，二端網絡的電阻均為2R，因此，各支路電流間不存在傳輸延遲，有效地提高了轉換速度。但是，R-2R梯形電阻DAC的不足之處在于輸入的數字信號不同時放大器反向輸入的等效電阻會發生變化，這會影響DAC的精度。此外，當DAC的位數增大時，電阻數也會增大。目前，R-2R梯形電阻DAC能達到GS/s的轉換速率，但精度不超過8位，主要應用于傳感器和數字設備中[9]。

圖4 R-2R梯形電阻DAC示意圖

2.2 電流舵DAC

由于CMOS集成工藝的發展，使得MOS管用作電流源大規模集成得以實現，所以出現了新型的電流型DAC，即電流舵DAC(current-steering DAC)[7-8][10-13]。如圖5所示是電流舵DAC的基本結構示意圖，是由具有開關控制的電流源網絡構成的。工作過程是輸入的數字信號控制開關將不同的電流分量輸送到正的或負的輸出端。該結構的開關被設計為差分結構，就好像一只舵一樣的工作模式。根據控制開關的數字信號的編碼方式不同，電流舵DAC可以分為二進制編碼型電流舵DAC和溫度計編碼型電流舵DAC。

圖5 電流舵DAC原理示意圖

2.2.1 二進制編碼型電流舵DAC

二進制編碼型電流舵DAC是由若干電流源組成，其結構如圖6所示。工作過程是運用有源器件組成電流源網絡，利用輸入的數字碼控制相應的開關選通對應的電流源支路輸出不同的結果，所有導通的電流源支路輸出的電流和經過I/V轉換后就是該數字輸入碼對應的模擬電壓值，由此，可以將不同的數字輸入轉換成對應的模擬輸出電壓。該電路的優點是結構簡單，轉換速率快，此外，由于沒有復雜的譯碼電路，相對應的電流源數目較少，電路面積較小，所以，在高速DAC領域的優勢很大。但是，二進制電流舵DAC的高位碼元和低位碼元的權重相差較大。當輸入的數字碼元(以8位為例)從01111111轉換到10000000時，電流源的開關切換動作并非理想狀況下的絕對一致，所以，會出現在極短的時間內，碼元會從01111111先跳轉到11111111然后再跳轉到10000000，這個過程所有開關都參與切換，會引起很大的尖峰毛刺，造成嚴重的失真現象。目前，二進制編碼電流舵DAC的速率可達數GS/s，主要在高速儀表，衛星通信，基站發射等領域被使用[7-8]。

圖6 二進制編碼電流舵DAC示意圖

2.2.2 溫度計編碼型電流舵DAC

溫度計編碼型電流舵DAC原理結構如圖7所示。工作過程是：輸入的數字信號通過譯碼器將二進制編碼轉換為溫度計編碼，再由溫度計碼的數字信號來控制電流源的導通開關，輸出不同的模擬電壓值。這種結構的電流舵DAC其電流源的加權是完全相同的，輸出結果由導通的開關個數決定。溫度計編碼型電流舵DAC優點是輸入的溫度計碼元每次只變換一位，所以，輸出信號也只變換一位，即使到轉換的中間位(01111111到10000000)時，也只有一個開關發生切換，這樣與二進制編碼相比較輸出結果就少了很多毛刺，并且DAC的輸出結果隨輸入信號的遞增而單調增加，展現出很好的單調性。此外，因為每個支路的電流源都是相同的，所以匹配性大大增強。但是溫度計編碼電流舵DAC需要很復雜的譯碼電路，使得電路模塊數增多，面積增大，而且當DAC分辨率增加時，所需開關的數目和單元電流源數目以指數形式迅速增大，使得整個譯碼電路進一步變得復雜。當該DAC的分辨率高于8位時，版圖的分布規劃和信號走線變得異常繁雜，所以，其一般也不超過8位。溫度計編碼型電流舵DAC主要應用在多媒體、音頻系統中[2]。

圖7 溫度計編碼型電流舵DAC示意圖

3 高精度DAC結構

在高精度的領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，主要應用于高精度儀表，精密測試儀器，衛星等[2-3][11-13]。

3.1 分段式電流舵DAC

分段式電流舵DAC，將二進制編碼型電流舵DAC和溫度計編碼型電流舵DAC的優點結合，并將缺點降到最低。分段式電流舵DAC繼承了二者的高速和高精度兩種特性，成為現在主流的一種DAC。圖8是一個說明分段式電流舵基本結構的例子。圖中采用8+4分段結構，高位數字信號通過行譯碼器、列譯碼器轉換為溫度計碼，分別控制255個單位電流源構成的16×16電流源陣列，多余的一個電流源作為備用單元。低4位二進制加權電流源的電流之和等于陣列中單位電流源的電流。在二進制碼轉換為溫度計碼的過程中，經過溫度計譯碼器的輸出信號會產生延時，所以，在譯碼器后加入時鐘控制的鎖存器使得信號同步，減少信號延時在輸出端產生的毛刺。對于分段式電流舵而言，釆用何種分段策略是根據不同應用的特點，由性能、面積、功耗等折中考慮的，而整個DAC的性能通常由高位溫度計譯碼結構的特性所主導。目前，這種結構的DAC可達到14到16位的精度，速度高達數GS/s，主要應用在現代無線通信系統、多媒體等領域[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

許多無線應用對數模轉換器的要求是功耗低、面積小、高分辨率、中等轉換速率，設計低直流功耗的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結合了電流舵DAC具有良好的差分非線性誤差性能的優點和R-2R具有面積緊湊性的好處，使得在不把電流源MOS管偏置在亞閾值區的情況下，可以達到亞微安的最低有效位電流。不像所有位都采用R-2R結構的轉換器，這種結構即使把電流源偏置在低電流時依然有較好的信噪比，而且能達到比傳統的分段式電流舵DAC更小的版圖面積。

如圖9所示是一個12bit的電流舵與R-2R電阻混合型DAC[14]，由輸入數據鎖存、溫度計編碼電路、同步鎖存與開關驅動電路、電流源陣列、電阻網絡以及帶隙基準組成。采用5+3+4的分段結構，最高五位采用溫度計編碼電流舵結構，中間三位采用二進制編碼電流舵結構，最低四位采用R-2R梯形電阻結構。5位最高位通過溫度計譯碼后控制31個8倍于單位電流源的電流，3位中間位直接控制3個權重不同的電流源，高8位控制的255個單位電流源注入到R-2R電阻網絡上的一個節點，通過電阻產生輸出電壓；4位最低位各控制一個單位電流源，4個單位電流分別注入到R-2R電阻網絡上的4個節點，通過電阻分流在輸出端產生不同權重的電壓。

圖9 電流舵與R-2R電阻混合型DAC結構圖

3.3 Sigma-Delta DAC

如果按采樣速率來劃分，DAC可以分為奈奎斯特(Nyquist)采樣DAC和過采樣DAC兩大類。上面所介紹的DAC都屬于Nyquist采樣DAC。對于過采樣的Sigma-Delta DAC,其工作頻率等于Nyquist采樣頻率乘以過采樣率(OSR)倍，因此精度可以達到很高。目前比較流行的Sigma-Delta DAC實現方式有全數字實現方式、“almost”數字實現方式和RFDAC等。從1962年第一個Sigma-Delta調制器誕生到現在，已經發展成高精度轉換器的主流結構之一。圖10是Sigma-Delta DAC的經典系統結構。從圖中可以看出，Sigma-Delta DAC由數字插值濾波器、數字Sigma-Delta調制器、低精度D/A、模擬低通濾波器組成。

圖10 Sigma-Delta DAC 系統結構示意圖

Sigma-Delta DAC系統的信號傳輸過程如下。首先輸入的數字信號通過數字插值濾波器將采樣頻率從fN提升到OSR*fN，以便于調制器對信號進行處理；其次，在不影響信號功率的情況下，數字 Sigma-Delta調制器，將噪聲功率譜密度進行整形；然后，低精度D/A 將數字信號轉換成具體的模擬電平值；最后，信號進入模擬低通濾波器的輸入端，模擬低通濾波器濾除信號頻率以外的噪聲，將信號無損地輸出。數字Sigma-Delta調制器是整個Sigma-Delta DAC系統的核心部分，通過對其傳遞函數的設計及采用不同結構，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24位，主要應用在高品質音頻設備、工業精密控制等領域[3][15]。

表1給出了幾種主流DAC在轉換精度、轉換速率、面積及主要應用領域等方面的對比情況。

表1 幾種主流DAC的比較

4 DAC的發展趨勢

隨著IC技術和CMOS工藝的不斷發展和完善，D/A轉換器已經不再是一個分立的模塊，而是以片上、嵌入式的集成DAC的形式被應用到更多其他的系統中去。盡管不同應用對DAC有不同的特性需求，但高速、高精度將仍是DAC發展的重要方向。隨著集成電路制作工藝的進步以及SOC集成度的不斷提高，衡量DAC的性能指標也趨于多元化，在實現高速、高精度的同時，降低功耗和面積是DAC設計是研究的熱點問題。

4.1 高速DAC

在高速信號處理和無線信號傳輸等領域，對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下，器件的本征速率也在不斷提升，R-2R梯形電阻DAC、二進制編碼型電流舵DAC等主流高速DAC在轉換速率方面將會有新的突破。但是，隨著集成電路制作工藝的進步以及SOC集成度的不斷提高，使得對面積和功耗的要求也大大提高。二進制編碼型電流舵DAC電路結構簡單，沒有復雜的譯碼電路，相對應的電流源數目較少，面積較小。所以，在高速DAC領域的優勢很大，將成為主要的研究目標。

4.2 高精度DAC

對于高精度儀表、精密測試儀器、衛星、高品質音頻系統等，都要求DAC具有高精度的分辨能力和對低能量信號的高敏感性，因此，這些領域特別關注轉換器的精度。溫度計編碼型電流舵DAC通過改變編碼方式可以使電流舵DAC的精度達到很高，但是，其占用面積太大、版圖布線復雜、而且功耗很大使得其應用范圍受到很大的限制。Sigma-Delta DAC通過過采樣技術可以將轉換精度做到高達24位，未來仍是超高速應用中的主流結構。

4.3 高速高精度DAC

分段式電流舵DAC通過將二進制編碼型電流舵DAC和溫度計編碼型電流舵DAC相結合，可以使DAC的速度和精度都得到相對優化，其性能在高速和高精度方面的發展潛力都十分巨大。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，是現在主流的DAC結構之一。未來的DAC結構有很大可能向著混合結構的方向發展，如在某些對功耗、面積、分辨率等都有相對較高要求的無線應用場合，電流舵與R-2R電阻混合型DAC將會發揮其特殊作用[14]。

5 結語

對當前的重要DAC結構進行了分析研究，分別在高速、高精度這兩個主要方向上對當前主流DAC的電路結構、工作原理及各自的優缺點進行了探討，并在轉換速率、轉換精度、功耗、面積以及應用領域等方面進行了比較，最后，對DAC在高速和高精度這兩個主要方向上的發展趨勢進行了展望。