如何design dac?

averyer

各位前輩~
! `/ ?& L5 t* U& t/ x
2 d2 U& B( W5 q我現在正設計一個dac(3bit),雖然有看了一些data和書上的介紹~
9 y/ B8 B5 W* j# _& `
不過畢竟理論是理論,但真正要設計一個dac,到底是要如何進行呢?
3 G; D6 z" ^' s' n
譬如* 我的輸入要如何給?
   * 要如何知道輸出是我要的?(是要simulation書上提到的dnl,inl...還是...?)
   
實在是因為實驗室沒人在做這方面的研究,所以根本不清楚要如何開始啊?
1 r! q+ \6 t# P; I6 |5 j: n
請有經驗的前輩~能給我一些建議...

finster

這種問題還真難回答
DAC是把數位碼轉換成類比電壓的電路
所以輸入信號是數位的"0"和"1"信號,亦即0電壓和VDD電壓的數位信號
# W  ?1 \! {& b" @; d: I/ E而你是3-bit DAC,假若輸出的最高電壓準位是1V,1個LSB=1/(2^3)=0.125V,換算為
7 l1 r& W  k1 A% S+ R9 ]4 F+ \000  -->  0.000V
001  -->  0.125V
" i0 j* z3 r8 J% F" X3 u: [3 G010  -->  0.250V
1 `% s9 j# R# q# F+ l7 v.          .
# r$ G6 A) M1 z. U) ^.          .
111  -->  1.000V
1 I: d7 p% R) r4 W6 w$ j你先藉由INL和DNL來計算出DAC的特性和轉換準位是否正確,然後才去計算SNR,SFDR,THD等參數

averyer

感謝finster的回答~

- H" ^& ], j8 M' v: f( q關於這點我大概知道~

現在因為從學長那�得到一個電路,不過是很久以前的電路~
+ ?7 H- \9 l  D  `/ l
我有拿來跑過,不過對電路還是有些疑問

+ ]& F& N# @3 [* mcel1,mcel3,mcel5...mcel26是把他當成一個電阻嗎?
% S6 i  B% j: R. N  H3 \6 P" p* mcel2,mcel6,mcel8...mcel25則是switch吧?
2 [) b  q7 R' {* 我給da0b~da7b的輸入後,為什在00000000不是在0v呢?
& P" [5 X4 K8 i+ y# G( i+ {" ^) n* 這個電路應該是current scaling dac 吧?
* 在mcel16,mcel21,mcel23,mcel26應該是當成保護mcel15,mcel19和mcel24,mcel25的元件吧?

我總是對電路都不太確定,只知大概~請各位前輩在幫我解答一下~麻煩各位了~謝謝

finster

我稍微看了一下電路
1. mcel1,mcel3,mcel5...mcel26是把他當成一個電阻嗎?
: v3 V% r% t. S5 X2 }   嚴格來講,並不是,這是採用current scale的cascode架構的DAC,上面的那顆MOSFET是用來增加阻抗用的,你可以視它為一顆電阻並沒有錯,因為的它的作用類似是一顆電阻,不過,更正確的講法是這顆MOSFET是要提供一個由外部的bias voltage所產生出一個DAC所需的current

2 }4 G) u# c7 X2 F6 b2. mcel2,mcel6,mcel8...mcel25則是switch吧?
* j! |$ D$ ^7 I3 T% I   是的,你可以這個樣子看它並沒有錯,不過,建議把上面兩顆MOSFET看成是cascode架構會比較完整

6 E/ k1 X" m1 x; n3. 我給da0b~da7b的輸入後,為什在00000000不是在0v呢?
   建議你在DAC的output設initial電壓為0V,如此一來應該就會是了
6 r( J- A: h1 B  B1 K" g% x1 a
8 ?. p, R) U; H! U* B4. 這個電路應該是current scaling dac 吧?
1 e/ L' Y8 l+ f! e   我沒有看到它的size比例,不過,若從電路架構來看,是的
6 e% Y# h5 \! [& i! H# k
! b: ~8 Y3 `5 V* y5. 在mcel16,mcel21,mcel23,mcel26應該是當成保護mcel15,mcel19和mcel24,mcel25的元件吧?
: ?! C0 U  a) Y* m2 l   不是,誠如我在第一點所言,你要把它看成是cascode架構以及上面那顆MOSFET是在提供一個由外部的bias voltage所產生出一個DAC所需的current,當比例值已經大到有點離譜時,一般的作法是串接MOSFET來減少電流值(另外一種說法是增加電阻),不過,因為電路圖有些字並不清楚,所以無法很正確的判斷,若由我以從的電路來判斷,上面的MOSFET的Gate應該要接同一點電位會比較合適些

averyer

hi~
( M7 b, j# I! w
. e- e3 g( j9 g7 W8 ^* }謝謝finster的回答~

1. 從mcel3,mcel5...mcel13的比分別為32,16,8...1,但怎麼感覺和current scale不太一樣啊?
   因為mcel1,mcel2組成了類似inv(有什作用呢?)
4 p1 \% H0 t6 I
2. mcel21,mcel19,mcel15,mcel16,mcel26,mcel25,mcel24,mcel23,mcel22,mcel20,mcel17,mcel18又有什用途呢?
; \+ i# G. t0 v   (因為我覺得current scale應該不是只包括mcel3~mcel13這部分嗎?)
: U. d" c( R8 G: ^4 q4 S, y8 c2 L
3. 假如mcel1,mcel3...mcel26是提供一個所需的current的話,納這些mos不就都需要工作在sat.嗎?

p.s 除了幾個mos的gate是接dac7b~dac0b,其餘mos的gate都是接到同一個reference voltage上...
( z. x2 Y& O* U% N0 I
# I+ G* s- u8 v9 `對電路概念不是很清楚,所以又要麻煩各位大大的幫忙了,非常感謝~

finster

附圖是我以前作10-bit DAC的簡圖
/ U8 N# W$ z' E  N+ K5 a" c在LSB部份採用6-bit binary code的current switching架構
這種架構是很常見的方式,你可以在很多IEEE Journal或者conference paper中找到,下面是2個PMOS作為code switching,上面則是作為bias current, channel length則是採用2進制的比例變化
7 `, Y! O6 Z! a8 O請留意它的length size的變化

averyer

finster版主你好~

5 l5 [, m8 e# F% k4 P我最近試了一下,也對你提的範例研究了一番...

你舉的例子我也在一些paper裡看過,也大概知道一二...
/ S9 ~) Q) c3 o
不過因為我的重點依舊是我所發問的範例(我老闆希望我用這個電路來做dac)...

- m5 D/ M) x& A; _+ N! a. K目前run的結果...

如上述的圖..

*. mcel1,mcel2的功能是做什用的呢?
# t4 L, \( j2 {5 P6 W% k( B*. 在dac7b(128)~dac0b(mcel20)給11111111(因為是pmos)cout應該是0v...但模擬結果卻大概在1.7v左右,而在00000000卻大於  
    vdd.試什原因呢?
* a; P6 r* B6 ]# z: w請各位前輩看看,給點意見...
, l2 V, i5 K2 `! W
非常感謝~

finster

*. mcel1,mcel2的功能是做什用的呢?
   這個要看你的輸入信號和DAC的關係為何
' B9 X+ X( V0 K* m) N  h你的圖太小,有些字無法看清楚
另外mcell1和mcell2的輸入信號和其他cell的輸入信號有相關嗎??
若有,那關係為何??
若沒有,那控制mcell1和mcell2的信號腳何時動作,對DAC的影響為何??它會干擾到DAC的輸出信號嗎??它的波形又為何呢??
3 r5 o) r  Z% P9 D1 J
+ n; L9 I9 T8 p# N, \. \
*. 在dac7b(128)~dac0b(mcel20)給11111111(因為是pmos)cout應該是0v...但模擬結果卻大概在1.7v左右,而在00000000卻大於  
7 r" L5 ~5 W* C. K1 ~    vdd.試什原因呢?
* @6 e' a1 D6 n你在輸入11111111時,有其他路徑的電流流到電阻嗎??
你在給11111111這組CODE時,有沒有在輸出電阻端先設initial value,另外,你在跑11111111這組code時,總共經過多少cycle??
2 Z* e$ x" ~" A  F, t: c/ y上面這些情況都會影響你的輸出電壓值,要先確定才能夠回答現象
而你給00000000這組code卻會超過vdd,那你的1LSB的電流為何??輸出電阻又為何??是在一開始出現呢??還是在多少個cycle後出現??
- T! ~+ h8 _0 ^  D( b另外,你的vdd是幾伏電壓

averyer

感謝FINSTER版主~
1 l+ a, N  m' ?, o
我在另外付一個檔案...應該比較清楚了~
  y0 m0 Y) D$ a3 L
1 [  r! e% @) k3 g! L我的VDD=3.3V

) `9 j) h( _3 a6 E. ^; {- v! |我認為是MCEL1和MCEL2在輸入11111111時,會再提供一個電流給輸出,所以輸出才不會為0V,只不過我不知道為什要再另外加這一組MCEL1和MCEL2?
; N# ^' y6 K' U2 y( v; {
& D9 B, e  Z+ z% f8 d: z& g麻煩FINSTER版主在繼續幫我解答一下,非常感謝~

finster

原帖由 averyer 於 2008-8-12 06:14 PM 發表
感謝FINSTER版主~
) B# w; @* G7 a0 A) h$ R% n& k
+ l* M% L2 d& Q* q' x- o我在另外付一個檔案...應該比較清楚了~
4 f: F3 I  C. q
1 A% z! L. ?: x/ t2 e8 _  G我的VDD=3.3V

我認為是MCEL1和MCEL2在輸入11111111時,會再提供一個電流給輸出,所以輸出才不會為0V,只不過我不知道為什要再另外加這一組MCEL1和MCEL ...

6 }4 ~2 |! k1 v% Z5 E
( |; k* `! x7 h, E
你的解釋是可以成立
不過,這樣一來你就要特別留意從11111111變成11111110時,analog voltage是不是為(1LSB+電壓基準準位)
3 {. F! K' C: o; M- d0 _; YDAC是把digital code從00000000從11111111的碼變成analog voltage,如果11111111時不是在0V,那它應該在某一個自我所設的類比電壓準位,然後所有的analog voltage會從這個電壓準位隨著digital code的增加而增加

- ~. d: o/ j- m5 E7 b. G, }+ \6 s不過,從你前面的描述來看,11111111時模擬結果卻大概在1.7v左右,而你的VDD=3.3V,我不知道你1LSB是多少mV,不過8-bit共256階,這個樣子就很危險,你的code在接近00000000時會很嚴重失真,可是你又說00000000卻大於vdd,這個樣子的現象很奇怪(因為那表示你的輸出電壓會往vdd回灌電流),很不合電路原理,除非你MCEL1和MCEL2只有在輸入11111111時才有動作,不過,這樣子一來,就完全不符合DAC的電路原理和精神,而且,也沒有人會這個樣子設計DAC,尤其當你在測INL/DNL/SFDR/SNR/THD...等參數時,DAC的performance會很差

averyer

hi~
6 v% b8 M8 A! W) I% ~
謝謝finster版主的回答~
# r$ S. y+ I& F0 q6 Y
我照這個電路來看,我不確定說我的對它的理解對不對,但我在給11111111時,
5 \5 `: k  h, C# A
5 s; g! l' _& d他輸出不是0也不是mcel1和mcel2所產生的那個電壓準位,反而是為vdd(最高電壓)...

且在00000000時,它的輸出是所有da7b~da0b上最小電壓....

+ {( P* V! }# P0 n/ x7 e((例如 da7b產生1.7v,da6b產生2v....da0b產生3.3v,輸出卻為1.7v))
( z1 Y" V& M, c
給11111111時的輸出也是如此....
7 s6 l* K6 M! _3 @  t: @$ O8 o! N
我是猜原本學長給我的這個電路的下一級是不是需要推動某一cell,需要位準在某一個壓降上,

所以才要mcel1,mcel2來在11111111時產生一個電壓....
- J2 Z0 `8 u) Z6 j* _& Z( r; H, f
麻煩版主在費心幫我想看看了~非常感謝...

finster

從你的描述來看
你應該先弄清楚你學長當初用DAC這個電路的用意,又或者先把DAC的前後電路特性和規格弄清楚
! e2 B- i: {& F7 [因為從你的說明來看,其實這個電路特性很不像DAC,而你學長大概又為了取一個比較體近這個電路又好叫的名字,所以把這個電路叫作DAC
我在前面所言,DAC是把數位信號轉成類比電壓或者電流,每一個數位碼都要相對映到相對映的類比電壓或者電流,而且它的增加和減少都是以2進制的變化而增加和減少
1 N: b% S# r" F" v  B, i故而,11111111應是最小(從你的描述來看),然後往上以2進制的碼來增加,但你的電路特性卻沒有照這個特性來走,很顯然己經脫離了DAC應為的電路特性
, x2 B: x5 b# {4 {* y所以,我個人覺得你這個電路應是近似於DAC特性的電路,但實際上並不完全是DAC,但為了方便跟老板解說,所以就直接取名為DAC,也因為如此,所以一直無法以DAC的原理來解說為何在11111111以及在00000000的情況會如此奇怪而不合DAC的動作原理
我個人比較建議你把這個電路和下一級電路合在一起看,並弄清楚下一級電路需要怎麼子的類比信號來作處理,又或者在你負責的系統中,這個電路功用為何?先弄清楚,不然,我真的覺得你會因為要把這個電路用DAC的原理和運作特性來解釋而卡住

averyer

HI~FINSTER版主謝謝你
9 B) F# a! `" y: I+ e' N, ]
( S; f: e( H9 B( B) T( M我學長要找看看這個完整的電路,他也不確定...所以我基本上經過這些問答,我大概知道整個DAC要如何運作及如何去模擬它了...
' {2 C, V2 ]9 G6 u: I% d
我也試這其他比較基本的架構來實驗,也大致都OK了...非常謝謝你的指教~