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D/A Converters
Prof. Jader A. De Lima
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D/A Converters
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Deglitching
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monotonicity is guaranteed only in a thermometer-coded DAC
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offset error
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D/A Converter (Nyquist Rate)
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Thermometer Resistive-Divider D/A
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• reference elements are all equally large and their matching becomes simpler than for the binary case
• even if the matching is within a 50% margin, the converter is still monotonic (spread < DNL of 1 LSB)
• for N bits, 2N − 1 current sources are needed
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pros: • monotonic by construction: analog output always increases with digital input
• no problem at mid-code transition (ex: 0111 1111 → 1000 0000) as only ONE current source is switched. Glitches are reduced.
cons: • design complexity: 2N − 1 current sources. Large output capacitance (Ex: 12 bits, 4095 current sources and switches)
• large area • matching problems• larger timing uncertainty of the switches.
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• no guarantee of monotonicity!
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RV
RV
RVRVout 42
321
)bb2...b2b2(2Vref_Vout 012n
2n1n
1n1n
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digital word
Binary-weighted current-steering D/A
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cons:
• good matching required: MSB has to be matched within ½ LSB to the sum of all other bits (ex, difficult to guarantee for 12 bits)
• DAC monotonicity is not ensured. Ex mid-code transition (ex: 0111 1111 → 1000 0000) missing-code (DC) + glitch (transient)
• fully binary DACs commonly limited to 10 bits
• simple circuit: Ex. for 12-bit converter, only 12 current sources and equal number of switches
• no need for decoding logic: all switches controlled directly by input bits.
pros:
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clock skew during1000 → 0111(all switches change)
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R-2R Divider D/A • to decrease resistor spread
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Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2014
R-2R Divider D/A
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Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2014
R-2R Divider D/A
• resistor count reduced from 2n to 3n
EEL 410026 – Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais Mistos CMOS J. A. De Lima (EEL/UFSC)
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Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2014
R-2R Divider D/A
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R-2R Divider D/A
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• the layout of resistors consumes a relatively large area if the value of unityresistance is large and the used layer has a low specific resistance (like low-resistivepoly)• for medium accuracy it is possible to save silicon area by replacing the resistors with MOS transistors• all transistors have identical (W/L)
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thermometer
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• segmentation: combination of binary and thermometer coding
• thermometer code is used for MSBs, while binary code for LSBs
• 0% segmentation = fully binary converter
•100% segmentation = a full thermometer code converter
• low segmentation circuit simplicity (only a few current sources and
switches), but larger DNL
• large segmentation lower DNL, but increased problems due to output
conductance, capacitance and charge feedthrough, as well as larger area and
power consumption.
optimum segmentation has to be found by the designer!
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Segmented D/A• segmentation obtains a high-resolution DAC by combining the operation of two or more DACs together.
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Thermometer-code segmented D/A
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• Switches select one of the coarse intervals and use it in the fine divider RL1 − RL8
•Two unity-gain buffers decouple the coarse and the fine dividers. The offset of the buffers must match well ( < LSB), and must have an input common mode range VREF
• Moreover, the input impedance must be very high for sensing the coarse voltages in a volt-metric manner: the output resistance of the buffer must be much less than the total resistance of the LSB divider.
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• high-resolution, low consumption
Thermometer-code segmented D/A
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Capacitor-divider D/A
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Capacitor-divider D/A
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Reset phase
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Reset phase
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•A drawback of capacitive divider architecture: the number of capacitors increases exponentially with the number of bits.
• The capacitors’ count can be reduced by dividing the capacitive array into two parts separated by an attenuation capacitance, CA.
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Oversampling () DAC
• basically, a – ADC in reverse!
• principle of operation of oversampled DAC is very similar to oversampled ADC (resolution increases with sampling frequency)
• improves SNR using noise shaping
• processing is done in the digital domain to generate a digital string at one-bit DAC output. The average duty-cycle of the output string is proportional to the value of the binary input
• the analog signal is created by passing the pulse stringthrough an analog low-pass filter
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– DAC: fully digital
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• interpolator increases the data-rate used for storing or transmitting digital signals to a much higher level: 2fB · OSR (reduce quantization noise) – commonly 2fB close to Nyquist limit
• digital modulator reduces the number of bits for a possible thermometric representation
• the thermometric code is then used to control the low resolutionDAC which precedes the reconstruction filter.
oversampling
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Ex:
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ex: interpolation by a factor L = 4
• interpolation (upsampling)
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• the interpolation factor (L) is normally large because a ΣΔ DAC aims at a significant reduction of the number of bit (at the limit it should go down to 1-bit)
• oversampling is common in digital audio CD players, where the basic update rate of the data from the CD is 44.1 KSPS
• early CD players used traditional binary DACs and inserted "zeros" into the parallel data, thereby increasing the effective update rate to 4-times, 8-times, or 16-times the fundamental throughput rate
• the 4×, 8×, or 16× data stream is passed through a digital interpolation filter which generates the extra data points.
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• first step: to stuff (L-1) zero-valued samples between each valid input sample, expanding the sampling rate by L, and causing the original signal spectrum to be repeated L-1 times.
• to perform the actual interpolation, the zero-valuedinput samples must be converted to approximations of signal samples equivalent to preserving the original signal spectrum.
• effectively, the zero-stuffed input stream is filtered bya low-pass filter with a pass band at the original spectrum location. this filters out all of the repeated spectra.
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Latc hes Latc hes
D ivide ByK
Clock
+
MUX
ShiftRegister Latc hes
+
Latc hesC loc k/2
Input bits
Output bits
Interpolation filter block diagram
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http://www.ti.com/lit/an/slyt076/slyt076.pdf
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• Delta Adder calculates the difference between input and current 1-bit DAC output (represented as a binary number)
low-pass filter
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• each raw digital sample recorded on the CD audio system contains 16 bits and is sampled at the rate of 44.1 kHz.
• audio signal has a bandwidth of 22.05 kHz
• without upsampling and application of a digital interpolation filter reconstruction filter (also called a smooth filter or anti-image filter) to remove all image frequencies beyond the Nyquist frequency of 22.05 kHz. high-order filter required (complex)
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• after digital interpolation, the audio band is kept the same, while the sampling frequency is increased fourfold(L = 4), that is, 44.1 x 4 = 176.4 kHz
• Since the audio band of 22.05 kHz is now relatively low compared with the new folding frequency (176.4/2 = 88.2 kHz), the use of a simple first-order or second-order analog anti-image filter may be sufficient.
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