專利名稱：一種改進(jìn)的電壓定標(biāo)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電路，尤其是指一種改進(jìn)的電壓定標(biāo)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，主要應(yīng)用于通用串行總線(USB)耳機(jī)、麥克及電話等音頻系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的簡(jiǎn)易電壓定標(biāo)數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)是通過(guò)利用2n個(gè)電阻組成的電阻串將Vref劃分成相等的2n段，如圖2所示，從而實(shí)現(xiàn)固有的單調(diào)性。每組二進(jìn)制開(kāi)關(guān)樹(shù)選擇對(duì)應(yīng)的于給定的輸入數(shù)據(jù)位。其另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是如果電阻串的頂端節(jié)點(diǎn)和底端節(jié)點(diǎn)所連接的電壓值Vh和Vl是個(gè)任意值的話，則DAC將在Vh和Vl之間用具有2n個(gè)量化臺(tái)階的分辨率進(jìn)行內(nèi)插。但最大電阻個(gè)數(shù)(2n)和開(kāi)關(guān)個(gè)數(shù)(2n+1-2)將實(shí)際的電位測(cè)定DAC限制在n≤8的范圍，主要受限于電阻的面積太大，電阻的相對(duì)精度不易控制以及電子開(kāi)關(guān)的有效性能達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求。從而影響了DAC的轉(zhuǎn)換精度。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于尋求一種改進(jìn)的電壓定標(biāo)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，通過(guò)減少電阻的數(shù)量，降低產(chǎn)品的成本，提高產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換精度。
按照本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案，在一個(gè)串并組合電阻網(wǎng)絡(luò)中，將電壓分為粗調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)和細(xì)調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分，并在粗調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出端與運(yùn)算放大器正相端連接，細(xì)調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出端與運(yùn)算放大器的負(fù)相端連接，在粗調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)和細(xì)調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)電阻上分別帶有量化切換開(kāi)關(guān)，在細(xì)調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)上并聯(lián)連接修正電阻；工作時(shí)，先輸入待轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)分成高位與低位，其中低位在譯碼后去控制細(xì)調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)的量化切換開(kāi)關(guān)；高位譯碼后去控制粗調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)的量化切換開(kāi)關(guān)，經(jīng)過(guò)量化后，從粗調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)取出一個(gè)電壓給運(yùn)算放大器的正相端，細(xì)調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)取出一個(gè)電壓給運(yùn)算放大器的負(fù)相端，經(jīng)過(guò)運(yùn)算，得出轉(zhuǎn)換后的電壓。
在運(yùn)算時(shí)利用運(yùn)算放大器進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算公式為UO＝2UM-UN，其中UM指量化后的粗調(diào)電壓，UN指量化后的細(xì)調(diào)電壓，Uo指轉(zhuǎn)換后的輸出電壓。細(xì)調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出端經(jīng)過(guò)一個(gè)跟隨器后與運(yùn)算放大器的負(fù)相端連接；細(xì)調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)取出一個(gè)電壓經(jīng)跟隨器后給運(yùn)算放大器的負(fù)相端。其中低位先取反后再譯碼。
將本實(shí)用新型應(yīng)用于USB語(yǔ)音控制芯片后，可以更好的提高音頻處理速度。與傳統(tǒng)的電壓定標(biāo)DAC相比，所需要的電阻數(shù)目少、模擬開(kāi)關(guān)少，因此具有精度高、速度快、單調(diào)性等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的電壓定標(biāo)16bit的DAC需要216(約6.6萬(wàn))個(gè)電阻。因?yàn)榫仍礁咚枰碾娮柙蕉嘈酒娣e大，不便于相對(duì)精度控制，電子開(kāi)關(guān)數(shù)量多，產(chǎn)品的成本價(jià)格太高。所以在性能與成本上很難做到16bit的高精度DAC。而本項(xiàng)目所采用的是改進(jìn)型電壓定標(biāo)DAC，所采用的電阻數(shù)目及模擬開(kāi)關(guān)大大減少。

圖1是將本實(shí)用新型應(yīng)用于USB音頻控制芯片的系統(tǒng)圖。
圖2是傳統(tǒng)的電壓定標(biāo)數(shù)模轉(zhuǎn)換圖。
圖3是本實(shí)用新型的電壓定標(biāo)數(shù)模轉(zhuǎn)換圖。
圖4是16位DAC電阻網(wǎng)絡(luò)示意圖。
圖5是取出電壓的運(yùn)算電路。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)思路為利用CMOS工藝中，器件的相對(duì)精度可以進(jìn)行精確控制的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)串并組合電阻網(wǎng)絡(luò)，將電壓分為粗調(diào)電阻網(wǎng)路和細(xì)調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分，最后配合1個(gè)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)高精度的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。所使用的電阻數(shù)目?jī)H為29+27個(gè)，另外再加上37個(gè)修正電阻網(wǎng)絡(luò)(如圖4所示)。采用0.35um CMOS 3.3V/5V工藝，多晶硅做電阻，電阻陣列布局結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)巧妙設(shè)計(jì)，有效的縮小了面積，這樣相對(duì)精度容易控制，便于集成。
在10k ohm的負(fù)載下，THD+N(-3dB)為-74.29dB，處理信號(hào)帶寬是20kHz，SNR為93.6dB，silent SNR可達(dá)到98.2dB.1LSB可達(dá)到34uV，Dynamic Range可達(dá)93.8dB.Output Vltage(rms)為1.25Vrms，Output Vltage Swing為0.5v到4v，轉(zhuǎn)換速度快，精度高，具有單調(diào)性等優(yōu)點(diǎn)。而信號(hào)的建立和采樣配合快速響應(yīng)和高靈敏度運(yùn)算放大器得以快速轉(zhuǎn)換。運(yùn)放的基準(zhǔn)電壓采用的是具有溫度補(bǔ)償?shù)母呔葞痘鶞?zhǔn)。Vref為2.25V.保證基準(zhǔn)電壓不受電源和溫度的影響，從而保證DAC的精度。轉(zhuǎn)換電壓公式 式中D15D14......D0為DA的16位數(shù)據(jù)輸入，Uc為DA偏置電壓，Rb是根據(jù)Uc的取值而定的偏置電阻。
Uc的作用由于要從電阻網(wǎng)絡(luò)里抽出不同的電壓，并且最小電壓又非常的小，電壓的傳輸是采用開(kāi)關(guān)型的NMOS來(lái)完成的，因?yàn)閭鬏旊妷河虚撝祿p失，因此必須為采得的電壓提供一個(gè)直流偏置電壓來(lái)抵消電壓損失，確保采樣電壓的精度。且為后面的運(yùn)放提供偏置。同時(shí)其與輸出的電壓擺幅有關(guān)聯(lián)，所以設(shè)計(jì)折衷取值為NMOS的Vt+Vo值。
工作原理如下 從圖4可以得到 所以整個(gè)電路的電流為Id＝Vref/[(29+1+2)R+Rb]......2Uc＝Id*Rb 由1和2得到Ubc＝Id*Rbc＝Id*2R＝2*Um......3 Rbc指圖4中b點(diǎn)到c點(diǎn)的電阻， Um指粗調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)電阻的壓降，29電阻網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)電阻上的分壓大小為 Id*R......4 Un為27電阻網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)電阻上的分壓大小，由1和3得 Un＝Ubc/27＝2Um/27＝2Um/26 ......5 即Um＝26Un 圖5是取出電壓的運(yùn)算電路。
DAC的輸出電壓由29電阻網(wǎng)絡(luò)和27電阻網(wǎng)絡(luò)各取一個(gè)電壓經(jīng)過(guò)運(yùn)算得到 UM＝Um*(D15～D7+1)+Ubc+UC UN＝Un*(D6～D0)+UC 通過(guò)運(yùn)算電路我們可以得到UO＝2UM-UN UO＝2[Um(D15～D7+1)+Ubc+UC]-Un(D6～D0)+UC 解得 設(shè) 是常系數(shù)。
即UO＝LSB*[27(D15～D7+1)-(D6～D0)]+UT 因?yàn)?D6～D0)＝(27-1)-(D6～D0) 所以UO＝LSB*[27(D15～D7+1)-(27-1)-(D6～D0)]+UT ＝LSB*[27(D15～D7)+(D6～D0)+1]+UT 因?yàn)?7(D15～D7)相當(dāng)于把(D15～D7)向左移動(dòng)了7位，在和(D6～D0)相加就得到 UO＝LSB*(D15～D0+1)+UT 轉(zhuǎn)換電壓公式 或 所以輸出電壓的范圍為[UT+LSB～UT+216*LSB]。
通過(guò)推導(dǎo)計(jì)算，我們可以得到DAC的滿刻度(FS)＝UT+216*LSB，并且實(shí)現(xiàn)了16位的精度。把滿刻度，分成了216份，并且通過(guò)改變輸入數(shù)據(jù)，216個(gè)刻度都能達(dá)到。
其中，Id指總電流，Vref指提供的基準(zhǔn)電壓，Uc指c點(diǎn)的電壓，Ubc指b點(diǎn)到c點(diǎn)間的電壓，Rb指c點(diǎn)對(duì)地電阻，UM指量化后的粗調(diào)電壓，UN指量化后的細(xì)調(diào)電壓，Uo指轉(zhuǎn)換后的輸出電壓，D指輸入的準(zhǔn)備轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，LSB指最小的量化單位，UT指常量，D指D取反。
權(quán)利要求1、一種改進(jìn)的電壓定標(biāo)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其特征是在一個(gè)串并組合電阻網(wǎng)絡(luò)中，將電壓分為粗調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)和細(xì)調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分，并在粗調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出端與運(yùn)算放大器正相端連接，細(xì)調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出端與運(yùn)算放大器的負(fù)相端連接，在粗調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)和細(xì)調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)電阻上分別帶有量化切換開(kāi)關(guān)，在細(xì)調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)上并聯(lián)連接修正電阻。
2、如權(quán)利要求1所述改進(jìn)的電壓定標(biāo)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其特征是細(xì)調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出端經(jīng)過(guò)一個(gè)跟隨器后與運(yùn)算放大器的負(fù)相端連接；細(xì)調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)取出一個(gè)電壓經(jīng)跟隨器后給運(yùn)算放大器的負(fù)相端。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種電路，尤其是指一種改進(jìn)的電壓定標(biāo)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，主要應(yīng)用于通用串行總線(USB)耳機(jī)、麥克及電話等音頻系統(tǒng)。按照本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案，在一個(gè)串并組合電阻網(wǎng)絡(luò)中，將電壓分為粗調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)和細(xì)調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分，并在粗調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出端與運(yùn)算放大器正相端連接，細(xì)調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出端與運(yùn)算放大器的負(fù)相端連接，在粗調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)和細(xì)調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)電阻上分別帶有量化切換開(kāi)關(guān)，在細(xì)調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)上并聯(lián)連接修正電阻；工作時(shí)，先輸入待轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)分成高位與低位，其中低位在譯碼后去控制細(xì)調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)的量化切換開(kāi)關(guān)。本實(shí)用新型通過(guò)減少電阻的數(shù)量，降低產(chǎn)品的成本，提高產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換精度。
文檔編號(hào)H03M1/66GK201138796SQ200720043410
公開(kāi)日2008年10月22日 申請(qǐng)日期2007年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月31日
發(fā)明者沈洪義, 振 徐, 龍 陳, 晉大師 申請(qǐng)人:無(wú)錫友芯集成電路設(shè)計(jì)有限公司