一种12位D_A转换器的技术研究

一种12位D/A转换器的技术研究

杨卫东,李儒章,刘　勇,杨永辉,俞　宙,孟华群

(模拟集成电路国家级重点实验室;中国电子科技集团公司第二十四研究所,重庆　400060)　

摘　要:　介绍了一种12位带内基准的电压输出型D/A转换器的电路实现原理、线路设计及其制作工艺特点。通过采用优化设计的R22R电阻开关网络、温度补偿齐纳基准源和带J FET输入级的输出运算放大器等模拟电路单元,基于一种P阱5μm L C2MOS工艺,研制出该12位D/A转换器。它具有转换精度高、线性及微分误差小、功耗低、转换速度快、使用方便等优点。

关键词:　D/A转换器;齐纳基准电压源;输出运算放大器;L C2MOS标准工艺

中图分类号:　TN79+2　　　　　　　文献标识码:　A　　　　　　　文章编号:100423365(2008)01200204　

Investigation into T echnology for a122Bit D/A Converter

YAN G Wei2dong,L I Ru2zhang,L IU Y ong,YAN G Y ong2hui,YU Zhou,M EN G Hua2qun (N ational L aboratory of A nalog I C’s,S ichuan I nstit ute of S oli d2S tate Ci rcuits,C E T C,Chongqing400060,P.R.China)　

Abstract:　A122bit voltage output D/A converter with a built2in reference source was presented.The operational principle,circuit design and characteristics of process technology were described.By using analog unit circuits,such as optimized R22R resistor switching network,temperature compensation Zener reference source,and output opera2 tional amplifier with J FET input,a122bit D/A converter was developed based on a p2well5μm L C2MOS process technology.The converter features high conversion resolution,small linear and differential error,low power con2 sumption,fast conversion speed,and convenience for use.

K ey w ords:　D/A converter;Zener reference voltage source;Output operational amplifier;L C2MOS process EEACC:　1290B

1　引　言

自20世纪以来,随着计算机技术、通信技术和微电子技术的迅速发展,信息技术已渗透到军事、民用领域的各个角落。在系统先进的电子设备或电子系统中,高速高分辨率A/D和D/A转换器已成为决定诸如雷达、声纳、高分辨视频和图像显示,以及包括无线电和基站接收机在内的数字通信系统等现代电子设备或系统之性能水平的重要器件,尤其是数据通讯系统和数据采集系统的建立,使得对高速、高分辨率A/D、D/A转换器的需求不断增加,更加显示出其重要地位。

2　电路工作原理

本文介绍的12位电压输出型D/A转换器可以采用+15V电源或±15V双电源两种工作模式,内建+5V基准电压源产生电路。其数据输入采用(8+4)位总线,输出电压范围可以通过输出偏置电阻端不同的连接方式和不同的电源模式改变,有0～+5V、0～+10V和25～+5V三种输出电压范围。电路原理框图如图1所示。它主要由以下几部分组成:两级数据锁存器、R22R开关电阻网络、输出运算放大器和一个+5V基准电压源,另外还有一些输入电平转换和输入端ESD保护电路。其工作原理为:采用与T TL电平兼容的双缓冲器作为数字信号传送通路,12位数字输入信号经过两次分开的写信号操作,通过8位数据总线写入DAC锁存器,然后经过DAC电路的R22R电阻开关网络,采用CMOS模拟开关和控制逻辑实现低功耗,形成相应的量化电流值;最后,该电流经输出运算放大器,形成对应于输入数字信号的输出电压,完成相应的D/A转换。

第38卷第1期2008年2月

微电子学

Microelect ronics

Vol138,No.1

Feb12008

收稿日期:2007207211;　定稿日期:2007209212

图1　12位D/A转换器的电路原理框图

Fig.1　Block diagram of the122bit D/A converter

3　关键单元电路设计

3.1　R22R电阻开关网络

该D/A转换器的R22R电阻开关网络由CrSi 薄膜电阻和MOS模拟开关组成,其中每一位有两个开关管,由前级电路产生的每位两个互补信号连接到这两个开关管的栅端,通过这些开关管的导通和开断,可实现数字信号的模拟量化。其具体实现电路原理如图2所示。

图2　R22R电阻网络

Fig.2　R22R resistor switching network

该R22R电阻开关网络设计为双高压电压方式控制MOS模拟开关的导通,即控制接通V REF的模拟开关导通时的高电平为V DD,而控制接通GND的模拟开关导通时的高电平为V S(V S小于V DD),利用模拟开关导通时V G S的差异来补偿开关电阻随流过电流不同所造成的差异。通过调整V S的大小,可获得极高精度的R22R电阻网络代码输出电压。同时,由于R22R电阻网络直接与输出运放的输入端连接,因此,设计的R22R电阻网络的结构从V in+端和V in-端看进去的电阻均为R,而V in+端与V in-端直接与输出运放的同相端和反相端相连,这样就能消除输出运放偏置电流带来的误差。

3.2　齐纳基准参考电压源

D/A转换器内部产生的电压基准将用于建立数据转换系统满度的精确电压,D/A转换器根据当前DAC输入端的数字输入信号,从该直流电压基准产生一个相应的模拟电压输出。因此,D/A转换器的精度较大程度上由内部基准电压的精度决定。基准电压随工作的电源电压的波动及随工作的环境温度的漂移,都将对D/A转换器的线性度和动态范围产生不利影响。

考虑到该D/A转换器的工作电压范围宽,选择齐纳击穿基准电压源作为该D/A转换器内部电压基准源电路:首先,利用其反向击穿电压相对比较稳定,设计齐纳二极管工作在反偏击穿区域,并通过一定的反向工作电流驱动产生稳定的基准源,使齐纳二极管处于最佳工作状态;其次,利用与电源电压无关的齐纳二极管D Z反向击穿电压V Z和PN P管T1的正向B E结电压V B E这两种标准电压,并根据其温度系数较大且比较接近,以及集成元器件间匹配和温度跟踪性能好的特点,将这两种标准电压加以一定的组合,构成具有温度补偿的电压基准源。该D/A转换器内部的基准电压产生电路如图3所示。齐纳基准参考电压为电阻R1上的电压,它由流过电阻R2、R3上的电流I R2和I R3决定,而I R2和I R3随温度变化的方向是相反的。因此,设计的齐纳基准参考电压源的精度及温数系数均可通过激光修调CrSi薄膜电阻R1、R2、R3来实现。图4为所设计的齐纳基准输出随温度及电源电压变化的仿真曲线。从图4可以看到,该齐纳基准电压源的性能非常好。

图3　齐纳基准参考电压源

Fig.

3　Zener reference voltage source

图4　齐纳基准输出随温度和电源电压变化曲线

　Fig.4　Zener reference output as a f unction of tempera2 ture and supply voltage

值得一提的是,由于硅芯片表面与芯片内部相比有较多的杂质、机械应力和晶格错位,而这些都将产生齐纳二极管噪声和长期不稳定性,因此,在图3中,特别设计采用掩埋式齐纳二极管,它埋在集成电路芯片的表层下面,用以保护扩散层覆盖,以免在表面下击穿。

3.3　输出运算放大器

输出运算放大器是整个D/A 转换器中设计难

度较大的一个功能单元电路,它总体要求高增益、高精度、高稳定。设计的输出运算放大器大致由三大部分组成,如图5所示

。

图5　输出运算放大器电原理图

Fig.5　Schematic diagram of output operational amplifier

首先,采用NJ FET 对管作差分输入级。之所

以采用NJ FET 对管输入是因为:1)J FET 晶体管的白噪声比MOSFET 管小;2)在单+15V 电源下工作时,其共模输入电压可以低至0V ;3)J FET 晶体管的输入偏置电流和输入失调电流均很小,可以直接与R 22R 开关电阻网络级联。

J FET 对管采用恒流源作有源负载,其恒流源电流的大小由D/A 转换器的偏置电路部分控制,M1、M2、M3及R 3构成自举电路,以提高整个运放的CMRR ;J FET 对管之间的电阻R 1、R 2则设计为可修调的CrSi 薄膜,以弥补J FET 对管输入失调电压较大的缺点。另外,单+15V 电源工作时,运放输出电压范围要求为0～+5V 或0～+10V 。众所周知,运算放大器输出电压接近0V 时,由于有源负载或输出放大管退出饱和区而工作在线性区,此时不仅放大器的增益明显降低,且整个运放的下降时间很大,因此,该输出运放的前级利用电流深度负反馈构造一个工作在线性区的电流,以克服因输出电压过低使有源负载退出饱和区而造成的运放增益和速度下降问题,保证了最大建立时间小于2μs 的设计要求。

接着,在输出运算放大器的第二级,采用由

M4、M5、M6、M7构成的共源共栅放大级、射极跟随

级以及电平位移电路等,主要原因是:1)提供第二

级更高的输出阻抗;2)减小放大器输入端的密勒电容效应。

最后,设计运算放大器的输出驱动放大级时,主要考虑具有较强的驱动能力、低的输出阻抗、大的输出幅度和较好的频率特性。同时,根据该D/A 转换器的输出电压范围,可以通过输出偏置电阻端不同的连接方式和不同的电源模式进行改变,可以有单极和双极两种输出电压模式的特点。因此,输出驱动放大级特别要求有单双电源的变换特性。为了减小输出电阻,输出级采用N PN 晶体管Q1射随输出,通过设置射随晶体管Q1的下拉MOS 管M8在不同的工作电源及输出电压模式下的不同静态工作电流,保证在单双电源的工作模式下,D/A 转换器的单极失调误差、双极零点误差在设计范围内。

4　结果与讨论

该D/A 转换器的工作电压高,工艺兼容性强,涉及的有源器件包括场效应NMOS/PMOS 晶体管、双极型N PN/PN P 晶体管、结型场效应N 沟管NJ FET 、齐纳击穿二极管、普通二极管;无源器件包

括结电容、MOS 电容、掺杂电阻和CrSi 薄膜电阻等多种类型的器件。采用专门用于数/模混合电路加工的SISC 标准5μm 线性兼容CMOS (L C 2MOS )工艺进行设计和制作。图6是采用L C 2MOS 工艺制作的典型双极晶体管和MOS 晶体管的剖面图

。

图6　采用LC 2MOS 工艺的双极晶体管和MOS 晶体管剖面图　Fig.6　Cross 2section of bipolar and MOS transistors

using L C 2MOS process

图7是采用L C 2MOS 工艺设计的12位D/A 转换器的芯片版图,芯片面积为4.34mm ×3.93mm 。芯片设计时,采用可修调的CrSi 薄膜电阻,以

弥补工艺加工带来的偏差。D/A 转换器的基准电

压源的精度及温度系数,D/A 转换器的微分误差和满度误差,以及输出运算放大器的失调电压,均可以通过对圆片进行边修调边测试的方式,得到一个比较理想的值。表1给出采用主进位码测试的方法,经过边修调边测试,其合格管芯的主要电参数测试结果。可以看出,该12位D/A 转换器的转换精度高、温度漂移小、转换速率快、功耗低、性能优越

。

图7　12位D/A 转换器芯片版图

Fig.7　Photograph of the 122bit D/A converter chip

表1　12位D/A 转换器主要电参数

　T able 1　Major parameters of the 122bit D/A converter 参数名称

符号测试值单位

分辨率Res

12bit

线性误差E L ±0.5L SB 微分误差E DL ±0.9L SB 单极失调误差E OU ±4L SB 双极零点误差E OB ±6L SB 满度误差E G ±6

L SB 基准输出

V REF (OU T )

4.99～

5.01

V

基准输出温度系数αV REF

±25ppm/℃

电压输出建立时间t S 2

μs 模拟电压输出V OU T 0～5,0～10,-5～+5

V

数字输入高电平V I H ≥2.4

V 数字输入低电平V IL ≤0.8V

数字输入电流

I IN ±2μA 控制输入高电平电流I IN C H ±2μA 控制输入低电平电流I IN CL ±80μA

正电源电流I DD 12

mA 负电源电流

I SS

5

mA

5　结　论

本文介绍了三个D/A 转换器核心单元电路的

优化设计:双高压电压方式控制MOS 模拟开关导通的R 22R 电阻开关网络;可修调精度及温度系数的齐纳基准源;工作在单/双电源工作模式,有0～+5V 、0～+10V 和-5～+5V 三种输出电压范

围,带NJ FET 输入级的输出运算放大器。通过采用高压L C 2MOS 工艺技术和在线芯片修调技术,成功地研制出12位带内基准的电压输出型D/A 转换器。该D/A 转换器具有线性误差小、微分误差小、功耗低、速度快、使用方便等特点,可广泛应用于通信、雷达等领域的数据采集及反馈控制系统。参考文献:

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作者简介:杨卫东(1968-),女(汉族),重

庆人,高级工程师,1990年毕业于电子科技大学,目前从事单片集成电路的设计,主要研究方向为高精度D/A 转换器、高速运算放大器、模拟乘法器等。