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摘要：当前信息技术、计算机技术、通信技术开始发展，人们对高精度D/A转换器的要求提高，对于当前使用的D/A转换器而言，其使用中需要多个电阻进行匹配，不能保证匹配精度，转换器修调精度比较低，因此其实际工作精度很难达到人们的预期要求。针对这一情况，相关技术人员要对其进行改进设计。改进设计中应用了开关管导通电阻匹配技术，开关管分段匹配技术等，下面就对具体的改进设计过程精细分析，希望给有关人士一些借鉴。
关键词：高精度；D/A转换器；设计技术
当前集成电路得到了快速发展，传统设计中使用的模拟电路结构实现的芯片，当前都改用数字电路进行实现，但是对于D/A转换器而言，由于其是模拟电路和数字电路连接的关键点，当前还需要使用模拟电路结构，因此存在一定的弊端，为了对转换器工作质量进行提高，必须对其加以改进设计。
1分析电压型D/A转换器的整体结构
1.1 分析R-2R结构
下图是常用的 D/A转换器结构，但是在 D/A 转换器中其只是其中一种，还有很多种设计结构。在实践中应用这一结构之后，其内部的电阻个数有效减少，如果需要构建N位的数模转换器，通常情况下只需要3N个电阻即可，在此基础上，设计人员要清楚，转换器精度和电阻相对精度有一定的关系，和电阻的绝对值没有任何关系。结合R-2R 结构电压模式进行D/A转换器的深入研究，技术人员可以向其中输入不同的数字代码，进而通过R-2R电阻把参考电压VREF、VOUT信号等连接到一起，最终可以将VOUT输出到后面的输出缓冲器中，最终将其转换为输出电压。如果技术人员把地电位替换成另一个负的参考电压，通过这一方式的修改就可以将这一结构变为双极性输出。
1.2精度缺陷和改进思路
通过实践应用表明其电阻是非常稳定的，电阻值非常精准，可以进行校准，属于一种薄膜电阻。相关人员要清楚这种电阻的温度系数在20ppm/℃以下，除此之外，其失配度可以有效控制在0.005%范围内。但是现实也存在一定的问题，当前代工厂不能加工制造出这种电阻，但是如果选用多晶电阻进行替代，无论是精度和修调精确度都不能达到之前的效果，因此构成的转换器精度也不能保证。针对这一现实问题，相关技术人员引入了电路优化设计技术，通过这一措施验证是否可以提高R-2R结构D/A转换器的精度，最终让其符合理想的设计要求[2]。
2分析设计电路的基本方法
2.1分析电阻匹配技术的应用
对于以R-2R网络为基础的D/A转换器而言，具体的输出电压是 VOUT，结合公式进行理论分析，如果考虑开关的导通电阻，实际输出电压将会出现很大的误差，因此要对开关电阻进行一定的补偿，但是在设计时这方面的工作非常困难，例如当前还不能有效对工艺的变化进行控制，而且其电阻和开关之间相互都是独立存在的。针对这一情况，很多人员将电阻值减少，对开关电阻进行补偿，但是实际应用中发现又出现了新的问题，还是不能满足最初的要求。经过仔细分析和研究技术人员最终决定使用开关间的相互匹配来解决这一问题。为了有效控制开关电阻对电阻网络精度、匹配的影响，研究人员把开关电阻按照1/2的比例进行缩小，R-2R电阻网络电阻值和开关电阻值没有关系，基于这一点不需要对开关的导通电阻大小进行要求。为了达到理想效果，技术人员要按照一定的比例将导通电阻进行缩小，确保MOS管过驱动电压不变，根据一定的比例对开关管的长度和宽度进行增加，当选用电压V DD作为高参考电压VREFH端开关栅电压时，这一开关的过驱动电压就是VDD-VREFH-VTH，为了让VREFL开关电压和这一电压值相等，达到按照一定比例将电压值缩小的目的，必须使用一个特定的栅电压，最终就符合整体的要求。特定栅电压V M可以通过以下方式获得。从图3中就可以看出，P1、P2、P3是PMOS管宽长比相同，而且都在饱和区工作，通过电路结构可以得知，VM= VREFL+ VGS3+I1R1，I1 = I2、VGS1= VGS2= VGS3，令R1=R2后，可以得到VM= VREFL+VDD-VREFH，最终可以得到低参考电压端VREFL开关的过驱动电压也是VDD-VREFH-VTH，这样就符合过驱动电压相同的要求。
2.2分析开关分段技术的实践应用
为了达到整体要求，进行改进设计中开关导通电阻使用中，对R-2R的性能不能产生影响，因此就要求开关管可以在较大范围内实现匹配。如果分析12位的D/A转换器，其最高位和最低位的面积比值是12位，比值就是212。由此可见二者存在较大的差别，技术人员只改变 MOS开关管宽度并不能达到理想效果，为了解决这一问题，最终发现MOS管并联和串联结合的方法比较好。对于高位开关导通电阻而言，可以将MOS管宽度进行改变，对于低位电阻而言，可以改变MOS管的长度。如果其在高压工作，使用上述两点措施同样存在问题，例如最低位开关管导通电阻过大，最高位导通电阻较小，导致整体的失配较大，对其精度产生很大影响。如果总体开关管的面积过大，线路布局出现困难，为了解决这类问题，可以引入分段匹配技术，结合下图进行分析。通过这一设计可以看出，技术人员将电阻网络分为了两个部分，因此实际的输出不会受到任何影响。对于前半部分的电阻而言，会在5bits范围内进行匹配，对于其后半部分，将会在7bits范围内进行匹配。为了确保RX =2 5-1/25r≈r，要求开关管电压、宽度、长度比和单位开关相等。对于过驱动电压偏置而言，可以使用一节产生的VM驱动电压类似的电路，直接把VREFL连接位置转换成开关公式，其公共连接点是RB，对于桥接开关而言，其单个MOS管宽长比是NMOS管的两倍[5]。
3分析分段阶梯结构转换器
对于使用传统的转换器而言，其有两种结构，分别是2NR结构和R-2R阶梯结构，对于R-2R阶梯结构而言，其具有以下优势，工作速度快，但是和电阻匹配时对其温度有较高的要求，对于2NR结构而言其，其相对比较简单，电阻匹配要求不高，但是在科学的发展中，人們对 D/A转换器位数要求开始增加，因此其实际的芯片面积也增加，致使整个转换器的加工成本升高，除此之外，这种 D/A转换器的响应速度开始变慢，例如对于一个12位的D/A转换器而言，实际工作中需要212个电阻。由此可见，采用这种结构设计的转换器在低位数的 DAC中适合使用，其他方面就不适合使用，使用范围有一定的限制。对于R-2R电阻网络而言，使用中输入代码，会出现输入的数据011111…转变为100000…，在这一情况下，梯形网络顶端2R电流是1024LSB，当这一转换器最大误差是1LSB时，对于12位转换器而言，要求其电阻匹配精度可以达到1/2048，也就是0.488%。为了降低电阻匹配度的要求，不会占用过大的芯片面积，设计人员使用分段阶梯结构转换器。同时其使用温度计码译码的电阻并联结构，最大程度地降低电阻匹配精度的要求，同时减小脉冲尖峰对D/A转换器的影响。
总结
通过以上对高精度D/A转换器设计技术分析，发现其自身存在一定的问题，技术人员引入分段阶梯结构电阻网络技术、开关管分段匹配技术技术对缺点进行了弥补，达到了理想的工作要求。
参考文献：
[1]刘昌.高速、高精度CMOS D/A转换器匹配误差校准技术研究[D].西安电子科技大学，2010.114-115.
[2]王鹏.高精度D/A转换器设计技术研究[J].微处理机，2016，37（1）：1-4.
[3]毛立龙.一种基于0.18μm CMOS工艺的电流舵D/A转换器的设计[D].重庆大学，2010.26（7）：25-27.
[4]胡湘江，肖怀铁，付强，等.一种多通道、高精度A/D、D/A转换电路的设计与实现[J].电子设计应用，2013（11）：78-80.
[5]乔娟，邵丙铣.高精度电流模式D/A转换器自校准电流单元的研究[J].微电子学，2011，31（5）：329-332.
关键词：高精度；D/A转换器；设计技术
当前集成电路得到了快速发展，传统设计中使用的模拟电路结构实现的芯片，当前都改用数字电路进行实现，但是对于D/A转换器而言，由于其是模拟电路和数字电路连接的关键点，当前还需要使用模拟电路结构，因此存在一定的弊端，为了对转换器工作质量进行提高，必须对其加以改进设计。
1分析电压型D/A转换器的整体结构
1.1 分析R-2R结构
下图是常用的 D/A转换器结构，但是在 D/A 转换器中其只是其中一种，还有很多种设计结构。在实践中应用这一结构之后，其内部的电阻个数有效减少，如果需要构建N位的数模转换器，通常情况下只需要3N个电阻即可，在此基础上，设计人员要清楚，转换器精度和电阻相对精度有一定的关系，和电阻的绝对值没有任何关系。结合R-2R 结构电压模式进行D/A转换器的深入研究，技术人员可以向其中输入不同的数字代码，进而通过R-2R电阻把参考电压VREF、VOUT信号等连接到一起，最终可以将VOUT输出到后面的输出缓冲器中，最终将其转换为输出电压。如果技术人员把地电位替换成另一个负的参考电压，通过这一方式的修改就可以将这一结构变为双极性输出。
1.2精度缺陷和改进思路
通过实践应用表明其电阻是非常稳定的，电阻值非常精准，可以进行校准，属于一种薄膜电阻。相关人员要清楚这种电阻的温度系数在20ppm/℃以下，除此之外，其失配度可以有效控制在0.005%范围内。但是现实也存在一定的问题，当前代工厂不能加工制造出这种电阻，但是如果选用多晶电阻进行替代，无论是精度和修调精确度都不能达到之前的效果，因此构成的转换器精度也不能保证。针对这一现实问题，相关技术人员引入了电路优化设计技术，通过这一措施验证是否可以提高R-2R结构D/A转换器的精度，最终让其符合理想的设计要求[2]。
2分析设计电路的基本方法
2.1分析电阻匹配技术的应用
对于以R-2R网络为基础的D/A转换器而言，具体的输出电压是 VOUT，结合公式进行理论分析，如果考虑开关的导通电阻，实际输出电压将会出现很大的误差，因此要对开关电阻进行一定的补偿，但是在设计时这方面的工作非常困难，例如当前还不能有效对工艺的变化进行控制，而且其电阻和开关之间相互都是独立存在的。针对这一情况，很多人员将电阻值减少，对开关电阻进行补偿，但是实际应用中发现又出现了新的问题，还是不能满足最初的要求。经过仔细分析和研究技术人员最终决定使用开关间的相互匹配来解决这一问题。为了有效控制开关电阻对电阻网络精度、匹配的影响，研究人员把开关电阻按照1/2的比例进行缩小，R-2R电阻网络电阻值和开关电阻值没有关系，基于这一点不需要对开关的导通电阻大小进行要求。为了达到理想效果，技术人员要按照一定的比例将导通电阻进行缩小，确保MOS管过驱动电压不变，根据一定的比例对开关管的长度和宽度进行增加，当选用电压V DD作为高参考电压VREFH端开关栅电压时，这一开关的过驱动电压就是VDD-VREFH-VTH，为了让VREFL开关电压和这一电压值相等，达到按照一定比例将电压值缩小的目的，必须使用一个特定的栅电压，最终就符合整体的要求。特定栅电压V M可以通过以下方式获得。从图3中就可以看出，P1、P2、P3是PMOS管宽长比相同，而且都在饱和区工作，通过电路结构可以得知，VM= VREFL+ VGS3+I1R1，I1 = I2、VGS1= VGS2= VGS3，令R1=R2后，可以得到VM= VREFL+VDD-VREFH，最终可以得到低参考电压端VREFL开关的过驱动电压也是VDD-VREFH-VTH，这样就符合过驱动电压相同的要求。
2.2分析开关分段技术的实践应用
为了达到整体要求，进行改进设计中开关导通电阻使用中，对R-2R的性能不能产生影响，因此就要求开关管可以在较大范围内实现匹配。如果分析12位的D/A转换器，其最高位和最低位的面积比值是12位，比值就是212。由此可见二者存在较大的差别，技术人员只改变 MOS开关管宽度并不能达到理想效果，为了解决这一问题，最终发现MOS管并联和串联结合的方法比较好。对于高位开关导通电阻而言，可以将MOS管宽度进行改变，对于低位电阻而言，可以改变MOS管的长度。如果其在高压工作，使用上述两点措施同样存在问题，例如最低位开关管导通电阻过大，最高位导通电阻较小，导致整体的失配较大，对其精度产生很大影响。如果总体开关管的面积过大，线路布局出现困难，为了解决这类问题，可以引入分段匹配技术，结合下图进行分析。通过这一设计可以看出，技术人员将电阻网络分为了两个部分，因此实际的输出不会受到任何影响。对于前半部分的电阻而言，会在5bits范围内进行匹配，对于其后半部分，将会在7bits范围内进行匹配。为了确保RX =2 5-1/25r≈r，要求开关管电压、宽度、长度比和单位开关相等。对于过驱动电压偏置而言，可以使用一节产生的VM驱动电压类似的电路，直接把VREFL连接位置转换成开关公式，其公共连接点是RB，对于桥接开关而言，其单个MOS管宽长比是NMOS管的两倍[5]。
3分析分段阶梯结构转换器
对于使用传统的转换器而言，其有两种结构，分别是2NR结构和R-2R阶梯结构，对于R-2R阶梯结构而言，其具有以下优势，工作速度快，但是和电阻匹配时对其温度有较高的要求，对于2NR结构而言其，其相对比较简单，电阻匹配要求不高，但是在科学的发展中，人們对 D/A转换器位数要求开始增加，因此其实际的芯片面积也增加，致使整个转换器的加工成本升高，除此之外，这种 D/A转换器的响应速度开始变慢，例如对于一个12位的D/A转换器而言，实际工作中需要212个电阻。由此可见，采用这种结构设计的转换器在低位数的 DAC中适合使用，其他方面就不适合使用，使用范围有一定的限制。对于R-2R电阻网络而言，使用中输入代码，会出现输入的数据011111…转变为100000…，在这一情况下，梯形网络顶端2R电流是1024LSB，当这一转换器最大误差是1LSB时，对于12位转换器而言，要求其电阻匹配精度可以达到1/2048，也就是0.488%。为了降低电阻匹配度的要求，不会占用过大的芯片面积，设计人员使用分段阶梯结构转换器。同时其使用温度计码译码的电阻并联结构，最大程度地降低电阻匹配精度的要求，同时减小脉冲尖峰对D/A转换器的影响。
总结
通过以上对高精度D/A转换器设计技术分析，发现其自身存在一定的问题，技术人员引入分段阶梯结构电阻网络技术、开关管分段匹配技术技术对缺点进行了弥补，达到了理想的工作要求。
参考文献：
[1]刘昌.高速、高精度CMOS D/A转换器匹配误差校准技术研究[D].西安电子科技大学，2010.114-115.
[2]王鹏.高精度D/A转换器设计技术研究[J].微处理机，2016，37（1）：1-4.
[3]毛立龙.一种基于0.18μm CMOS工艺的电流舵D/A转换器的设计[D].重庆大学，2010.26（7）：25-27.
[4]胡湘江，肖怀铁，付强，等.一种多通道、高精度A/D、D/A转换电路的设计与实现[J].电子设计应用，2013（11）：78-80.
[5]乔娟，邵丙铣.高精度电流模式D/A转换器自校准电流单元的研究[J].微电子学，2011，31（5）：329-332.