一种新颖的Π型双极性权电容D/A转换器的设计

2010-01-25焦俊生

通化师范学院学报 2010年4期

焦俊生

(铜陵学院电气工程系，安徽铜陵 244000)

由于数字电子技术的迅速发展，尤其是计算机在自动控制、自动检测以及许多其他领域的广泛应用，D/A和A/D转换器显得越来越重要，成为现代通讯不可缺少的部件.为了适应快速过程控制和检测需要，D/A和A/D转换器的精度和转换速度研究显得尤其必要，笔者在分析通用电容网络D/A转换器的基础上，给出了一种新颖的Π型双极性权电容D/A转换器的设计，克服了传统权电容网络电容数目较多且电容大小选取不方便等缺点，在MOS集成电路中，电容器不仅容易制作，而且可以通过精确控制电容器的尺寸，严格保持各电容器之间电容量的比例关系，在集成化的今天，采用MOS工艺制造D/A和A/D电容网络转换器，将得到大量的应用.

1 通用权电容网络D/A转换器

图1 通用权电容网络D/A转换器

转换开始前先令所有的开关S0、S1、S2、S3和SD接地，使全部电容器充分放电.然后断开SD，将输入信号并行地加到输入端d0、d1、d2和d3.假定输入信号d3d2d1d0=0100，则S2将C2接至VREF一边，而S3、S1、S0将C3、C1、C0接地，等效电路可以画成图2的形式.

图2 输入为0100时的等效电路

式中的C1表示全部电容器容量的总和.

根据同样的道理,可以得到解决输入数字信号为任何状态时输出模拟电压的一般表达式为：

上式表明，输出的模拟电压与输入的数字量成正比.该电路的优点是结构比较简单，所用的电容元件数量较少.其缺点是电容的数值相差较大，尤其在输入信号的位数为8位时，权电容网络的最大与最小值将相差27=128倍，这不仅会占用很大的硅片面积，影响集成度[2]，而且由于电容充、放电时间的增加也降低了电路的转换速度，给集成电路设计和制作带来不便.

2 4位新颖的Π型双极性权电容D/A单元

在分析了普通双极性权电容D/A输出单元后，本文提出了一种全新的Π型双极性权电容D/A网络单元，它是一种电路相对简单，又有较高精度，并且集成化较容易的双极性权电容网络，具有广泛的应用价值.

4位Π型权电容网络如图3所示，反相端“虚地”，S3和S2位的电容及S1和S0位的电容取值相差一倍，关键是如何确定串联电容CS的值，使其符合二进制的衰减规律.如假设CS=mCX，则当S3S2S1S0的位取值为0010时，S3、S2和S0位接地，S1位接参考电压.

图3 4位新颖Π型双极性权电容网络

由虚地的概念不难画出图3所示的等效电路图，如图4所示.

图4 4位Π型D/A权电容网络等效电路

等效电路的总电容为：

电路中的电荷量为：

CS两端的电压为：

流经CS电荷为：

此时输出电压为：

(1)

当d1=1时，要求

(2)

比较(1)和(2)两式可得:m=1.

显然上述假设不失一般性，由于上述电容网络像一个Π形状，所以称之为Π型D/A权电容网络.

二进制算术运算中通常把带符号的数值表示成补码的形式，所以希望D/A转换器能够把以补码形式输入的正、负数分别转换成正、负极性的模拟电压.根据权电容网络双极性输出D/A转换器的一般方法[3]：只要在求和放大器的输入端接入一个偏移电流，使输入最高位为1而其他各位输入为0时的输出V0=0，同时将输入的符号位反相后接到一般的D/A转换器输入，就得到了双极性输出的D/A转换器.

在上述新颖的电容网络单元基础上，加上偏移电容CB，在S3位加上反相器G，就得到双极性输出D/A电容转换器，在图4中，将d3的符号位经反相器G后才加到D/A转换器上，就得到了输入与输出关系了.