CN201138796Y - 一种改进的电压定标数模转换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电路，尤其是指一种改进的电压定标数模转换器，主要应用于通用串行总线(USB)耳机、麦克及电话等音频系统。按照本实用新型提供的技术方案，在一个串并组合电阻网络中，将电压分为粗调电阻网络和细调电阻网络两个部分，并在粗调电阻网络的输出端与运算放大器正相端连接，细调电阻网络的输出端与运算放大器的负相端连接，在粗调电阻网络和细调电阻网络上的每个电阻上分别带有量化切换开关，在细调电阻网络上并联连接修正电阻；工作时，先输入待转换的二进制数据，并将该数据分成高位与低位，其中低位在译码后去控制细调电阻网络的量化切换开关。本实用新型通过减少电阻的数量，降低产品的成本，提高产品的转换精度。

Description

一种改进的电压定标数模转换器

技术领域

本实用新型涉及一种电路，尤其是指一种改进的电压定标数模转换器，主要应用于通用串行总线(USB)耳机、麦克及电话等音频系统。

背景技术

传统的简易电压定标数模转换(DAC)是通过利用2ⁿ个电阻组成的电阻串将V_ref划分成相等的2ⁿ段，如图2所示，从而实现固有的单调性。每组二进制开关树选择对应的于给定的输入数据位。其另一个优点是如果电阻串的顶端节点和底端节点所连接的电压值V_h和V_l是个任意值的话，则DAC将在V_h和V_l之间用具有2ⁿ个量化台阶的分辨率进行内插。但最大电阻个数(2ⁿ)和开关个数(2ⁿ⁺¹-2)将实际的电位测定DAC限制在n≤8的范围，主要受限于电阻的面积太大，电阻的相对精度不易控制以及电子开关的有效性能达不到设计的要求。从而影响了DAC的转换精度。

发明内容

本实用新型的目的在于寻求一种改进的电压定标数模转换器，通过减少电阻的数量，降低产品的成本，提高产品的转换精度。

按照本实用新型提供的技术方案，在一个串并组合电阻网络中，将电压分为粗调电阻网络和细调电阻网络两个部分，并在粗调电阻网络的输出端与运算放大器正相端连接，细调电阻网络的输出端与运算放大器的负相端连接，在粗调电阻网络和细调电阻网络上的每个电阻上分别带有量化切换开关，在细调电阻网络上并联连接修正电阻；工作时，先输入待转换的二进制数据，并将该数据分成高位与低位，其中低位在译码后去控制细调电阻网络的量化切换开关；高位译码后去控制粗调电阻网络的量化切换开关，经过量化后，从粗调电阻网络取出一个电压给运算放大器的正相端，细调电阻网络取出一个电压给运算放大器的负相端，经过运算，得出转换后的电压。

在运算时利用运算放大器进行运算，运算公式为：U_O＝2U_M-U_N，其中U_M指量化后的粗调电压，U_N指量化后的细调电压，U_o指转换后的输出电压。细调电阻网络的输出端经过一个跟随器后与运算放大器的负相端连接；细调电阻网络取出一个电压经跟随器后给运算放大器的负相端。其中低位先取反后再译码。

将本实用新型应用于USB语音控制芯片后，可以更好的提高音频处理速度。与传统的电压定标DAC相比，所需要的电阻数目少、模拟开关少，因此具有精度高、速度快、单调性等优点。传统的电压定标16bit的DAC需要2¹⁶(约6.6万)个电阻。因为精度越高所需要的电阻越多芯片面积大，不便于相对精度控制，电子开关数量多，产品的成本价格太高。所以在性能与成本上很难做到16bit的高精度DAC。而本项目所采用的是改进型电压定标DAC，所采用的电阻数目及模拟开关大大减少。

附图说明

图1是将本实用新型应用于USB音频控制芯片的系统图。

图2是传统的电压定标数模转换图。

图3是本实用新型的电压定标数模转换图。

图4是16位DAC电阻网络示意图。

图5是取出电压的运算电路。

具体实施方式

本实用新型的设计思路为：利用CMOS工艺中，器件的相对精度可以进行精确控制的优点，设计了一个串并组合电阻网络，将电压分为粗调电阻网路和细调电阻网络两个部分，最后配合1个运算放大器实现高精度的16位数模转换器。所使用的电阻数目仅为2⁹+2⁷个，另外再加上37个修正电阻网络(如图4所示)。采用0.35um CMOS 3.3V/5V工艺，多晶硅做电阻，电阻阵列布局结构经过巧妙设计，有效的缩小了面积，这样相对精度容易控制，便于集成。

在10k ohm的负载下，THD+N(-3dB)为-74.29dB，处理信号带宽是20kHz，SNR为93.6dB，silent SNR可达到98.2dB.1LSB可达到34uV，Dynamic Range可达93.8dB.Output Vltage(rms)为1.25Vrms，Output Vltage Swing为0.5v到4v，转换速度快，精度高，具有单调性等优点。而信号的建立和采样配合快速响应和高灵敏度运算放大器得以快速转换。运放的基准电压采用的是具有温度补偿的高精度带隙基准。V_ref为2.25V.保证基准电压不受电源和温度的影响，从而保证DAC的精度。转换电压公式

$U_o=\mathrm{Uc}+4*\frac{V_{\mathrm{ref}}-\mathrm{Uc}}{2^9+1+2}+\frac{V_{\mathrm{ref}}-\mathrm{Uc}}{2^9+1+2}*2*\frac{1}{2^7}(D_{15}{D}_{14}......D_0+1)$

$\mathrm{Uc}=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{2^{9}R+2R+R+R_b}*R_b$

式中D₁₅D₁₄......D₀为DA的16位数据输入，Uc为DA偏置电压，R_b是根据Uc的取值而定的偏置电阻。

Uc的作用：由于要从电阻网络里抽出不同的电压，并且最小电压又非常的小，电压的传输是采用开关型的NMOS来完成的，因为传输电压有阈值损失，因此必须为采得的电压提供一个直流偏置电压来抵消电压损失，确保采样电压的精度。且为后面的运放提供偏置。同时其与输出的电压摆幅有关联，所以设计折衷取值为NMOS的Vt+Vo值。

工作原理如下

从图4可以得到： $R_{\mathrm{bc}}=[2R+(2R//\frac{1}{31}R)]//128R=2R......1$

所以整个电路的电流为：I_d＝V_ref/[(2⁹+1+2)R+R_b]......2

                     U_c＝I_d*R_b

由1和2得到U_bc＝I_d*R_bc＝I_d*2R＝2*U_m......3

R_bc指图4中b点到c点的电阻，

U_m指粗调电阻网络上的一个电阻的压降，2⁹电阻网络中一个电阻上的分压大小为          I_d*R            ......4

U_n为2⁷电阻网络中一个电阻上的分压大小，由1和3得：

U_n＝U_bc/2⁷＝2U_m/2⁷＝2U_m/2⁶  ......5

即：U_m＝2⁶U_n

图5是取出电压的运算电路。

DAC的输出电压由2⁹电阻网络和2⁷电阻网络各取一个电压经过运算得到：

U_M＝U_m*(D₁₅～D₇+1)+U_bc+U_C

U_N＝U_n*(D₆～D₀)+U_C

通过运算电路我们可以得到U_O＝2U_M-U_N

U_O＝2[U_m(D₁₅～D₇+1)+U_bc+U_C]-U_n(D₆～D₀)+U_C

解得 $U_O=2*U_m(D_{15}~D_7+1)+2*U_{\mathrm{bc}}-U_n({\stackrel{\‾}{D}}_6~{\stackrel{\‾}{D}}_0)+U_C$

$=2*2^6*U_n(D_{15}~D_7+1)+2*2*U_m-U_n({\stackrel{\‾}{D}}_6~{\stackrel{\‾}{D}}_0)+U_C$

$=U_n[2^7*(D_{15}~D_7+1)-({\stackrel{\‾}{D}}_6~{\stackrel{\‾}{D}}_0)]+U_C+4U_m$

$=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{[(2^9+1+2)+\frac{R_b}{R}]*2^6}*[2^7*(D_{15}~D_7+1)-({\stackrel{\‾}{D}}_6~{\stackrel{\‾}{D}}_0)]+U_C+4*2^6*\frac{V_{\mathrm{ref}}}{[(2^9+1+2)+\frac{R_b}{R}]*2^6}$

设 $\mathrm{LSB}=U_n=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{[(2^9+1+2)+\frac{R_b}{R}]*2^6}=\frac{V_{\mathrm{ref}}-\mathrm{Uc}}{2^9+1+2}*\frac{1}{2^6}$

$U_T=U_C+4*\frac{V_{\mathrm{ref}}}{[(2^6+1+2)+\frac{R_b}{R}]}=U_C+4*\frac{V_{\mathrm{ref}}-\mathrm{Uc}}{2^9+1+2}$ 是常系数。

即：U_O＝LSB*[2⁷(D₁₅～D₇+1)-(D₆～D₀)]+U_T

因为(D₆～D₀)＝(2⁷-1)-(D₆～D₀)

所以U_O＝LSB*[2⁷(D₁₅～D₇+1)-(2⁷-1)-(D₆～D₀)]+U_T

＝LSB*[2⁷(D₁₅～D₇)+(D₆～D₀)+1]+U_T

因为2⁷(D₁₅～D₇)相当于把(D₁₅～D₇)向左移动了7位，在和(D₆～D₀)相加就得到：

U_O＝LSB*(D₁₅～D₀+1)+U_T

转换电压公式：

$U_o=\mathrm{Uc}+4*\frac{V_{\mathrm{ref}}-\mathrm{Uc}}{2^9+1+2}+\frac{V_{\mathrm{ref}}-\mathrm{Uc}}{2^9+1+2}*\frac{1}{2^6}(D_{15}~D_0+1)$ 或

$U_O=U_C+4*\frac{V_{\mathrm{ref}}}{[(2^9+1+2)+\frac{R_b}{R}]}+\frac{V_{\mathrm{ref}}}{[(2^9+1+2)+\frac{R_b}{R}]}*\frac{1}{2^6}(D_{15}~D_0+1)$

所以输出电压的范围为[U_T+LSB～U_T+2¹⁶*LSB]。

通过推导计算，我们可以得到DAC的满刻度(FS)＝U_T+2¹⁶*LSB，并且实现了16位的精度。把满刻度，分成了2¹⁶份，并且通过改变输入数据，2¹⁶个刻度都能达到。

其中，I_d指总电流，V_ref指提供的基准电压，U_c指c点的电压，U_bc指b点到c点间的电压，R_b指c点对地电阻，U_M指量化后的粗调电压，U_N指量化后的细调电压，U_o指转换后的输出电压，D指输入的准备转换的二进制数据，LSB指最小的量化单位，U_T指常量，D指D取反。

Claims (2)

1、一种改进的电压定标数模转换器，其特征是：在一个串并组合电阻网络中，将电压分为粗调电阻网络和细调电阻网络两个部分，并在粗调电阻网络的输出端与运算放大器正相端连接，细调电阻网络的输出端与运算放大器的负相端连接，在粗调电阻网络和细调电阻网络上的每个电阻上分别带有量化切换开关，在细调电阻网络上并联连接修正电阻。

2、如权利要求1所述改进的电压定标数模转换器，其特征是：细调电阻网络的输出端经过一个跟随器后与运算放大器的负相端连接；细调电阻网络取出一个电压经跟随器后给运算放大器的负相端。

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