（微电子学与固体电子学专业论文）8bit+1ghz电流驱动型模转换器设计.pdf

摘要 摘要 伴随着新型半导体技术和数字通信技术的发展，众多先进的电子产品在各行 各业中层出不穷。在这些新的技术和产品中，数据转换器( d a t ac o n v e r t e r ) 是 不可或缺的一个重要模块，它担负着在用数字码来反映编码信息的信号( 数字信 号) 和用幅度来表示编码信息的信号( 模拟信号) 之间相互转换的作用。本文所 要讨论的便是数模转换器( d a c ) 电路的原理和实现。 伴随着工作频率和数据量的增加以及系统可靠性和稳定性等问题，以及日趋 激烈的行业竞争，d a c 电路要求具有高速度、高分辨率、低功耗和面积小等特 点，这已经成为现代通信系统数模混合信号电路设计的瓶颈之一。 本文的工作是针对通信系统的特点，设计一个高速电流驱动型数模转换器 ( c u r r e n t s t e e r i n gd a c ) 。文章首先介绍了d a c 的基本概念和分类，对每种d a c 的优缺点进行了简要分析，并选取分段式电流驱动作为d a c 设计的主体架构： 然后，分析了电流驱动型d a c 的误差特性和产生原因，并且给出合理的解决办 法；最后，讨论了电流驱动型d a c 的电路图和版图设计，并给出仿真结果。整 个设计采用s m i co 1 3g m m i x e ds i g n a l 工艺。 关键字：数模转换器，深亚微米，数模混合信号，电流驱动型，分段式结构 中图分类号：t n 4 3 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e ws e m i c o n d u c t o ra n dd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , l a r g en u m b e r so fa d v a n c e de l e c t r o n i cp r o d u c t sa p p e a re n d l e s s l yi n i n d u s t r yo fa l lk i n d s a m o n gt h e s et e c h n i q u e sa n dp r o d u c t s ，d a t ac o n v e r t e ri s a l l i n d i s p e n s a b l ea n di m p o r t a n tb u i l d i n gb l o c k i tf u n c t i o n sa sp r o v i d i n gt h en e c e s s a r y c o n v e r s i o nb e t w e e ns i g n a l se n c o d i n gi n f o r m a t i o ni nb i t s ( d i g “a ls i g n a l s ) a n ds i g n a l s e n c o d i n gi n f o r m a t i o ni na m p l i t u d e ( a n a l o gs i g n a l s ) t k st h e s i si st od i s c u s st h e i m p l e m e n t a t i o no fd a c w i t ht h ep r o b l e m ss u c ha so p e r a t i o nf r e q u e n c y , d a t at h r o u g h p u ti n c r e a s i n g ， s y s t e mr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , a sw e l la st h ei n t e n s ec o m p e t i t i o na m o n gd i f f e r e n t i n d u s t r yh a v i n gb e e nm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t , d a c c i r c u i tm u s to w nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g hs p e e d 1 l i 曲r e s o l u t i o n ，l o wp o w e ra n ds m a l ld i es i z e ，c t c n i s r e q u i r e m e n th a sb e c o m eo n eo fm i x e d s i g n a lc i r c u i td e s i g nb o t t l e n e c k so fm o d e m c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ea i mo ft h i st h e s i si st od e s i g nah i 曲s p e e dc u r r e n t - s t e e r i n gd a c ( c s d a c ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h eb e g i n n i n g ，ab r i e f i n t r o d u c t i o no fb a s i cc o n c e p t sa n dc a t e g o r i z a t i o na sw e l la sm e r i t sa n dd e m e r i t so f e a c hk i n do fd a ci sg i v e n m e a n w h i l e ，t h es e g m e n t e dc u r r e n t - s t e e r i n ga r c h i t e c t u r ei s s e l e c t e df o rt h ed e s i g n a t e dd a c a f t e rt h a t ，t h ep r o p e r t i e sa n dc a u s e so ff o r m i n g e r r o r sa sw e l la sr e a s o n a b l es o l u t i o n sa l ea n a l y z e da n dd e l i v e r e d f i n a l l y , s c h e m a t i c a n dl a y o u td e s i g na r ed i s c u s s e da n dc i r c u i ts i m u l a t i o nr e s u l t sa l ep r o v i d e d t h i s d e s i g nu s e ss m i c 0 13g r nm i x e ds i g n a l1 3 vp r o c e s s k e y w o r d s ：d i g i t a l t o a n a l o g ，d e e ps u b m i c r o n , m i x e d - s i g n a l ，c u r r e n t - s t e e r i n g ， s e g m e n t e da r c h i t e c t u r e i i 符号表 符号表 d e s c r i p t i o n 电流驱动型d a c 分辨率 温度编码的d a c 分辨率 二进制编码的d a c 分辨率 分段式电流型d a c 的分段比 d a c 的二进制输入码字的第j 位 d a c 的第k 个二进制输入码字 电源电压 差分输出电压 参考电压 m o s 管栅源电压 m o s 管阈值电压 m o s 管饱和电压 参考电流 单位电流源电流大小 m o s 管电流因子 体效应系数 电流大小的标准差 p 的标准差 的标准差 由卢决定的电流源失配参数 由吃决定的电流源失配参数 d a c 负载电阻 单位电流源输出电阻 d a c 采样频率 输入码字为见时d a c 的模拟输出 输入码字全1 时d a c 的模拟输出 输入码字全0 时d a c 的模拟输出 最小d a c 模拟输出 d a c 在见处的i n l d a c 在见处的d n l i i i n 户： 旷 眦怛 眦眦耽眈 一 一 一 v v v v v v a aw俨a删v帅枞q q喊喊城城娜啪 蛳膨三a岛见kp厂听锄工4k她吣 第一章引言 1 1d a c 发展概述 第一章引言 半导体技术的发展对现今社会的通信领域产生巨大的影响，它的应用驱动着 数字通信的快速持续发展，包括着有线和无线方面。为了使得通信能够更简便、 迅速和低成本，这便产生对信息加工成本更低，功耗更小的要求。 伴随着通信，网络技术，数字信号处理和数字计算机等的快速发展，处于模 拟域和数字域之间的接口速度成为了先进技术发展的瓶颈之一，数字技术应用在 增长的同时扩大了用于控制和接口的模拟技术的需求，因此把数字信号转变为人 所能接受的模拟信号是数字产品必需具备的功能，这一功能在集成电路家族中即 是由专用的d a c 芯片来完成的。 可以说，d a c 对处理系统起到了关键作用，影响到系统的可行性、可靠性 和稳定性，并且直接影响到人们对整体产品好坏的评判标准。 早期，d a c 采用双极型晶体管( b i p o l a r ) 工艺制作，集成度低，占用面积 大，功耗和成本高，应用面不宽，市场上主要使用分立元件构造的d a c 。随着 用户对更低成本和小型化系统设备的永恒追求，设计工程师们开始寻找系统级芯 片( s o c 或s l i ) 的解决方案，芯片的复杂度越来越高，这使得多数系统级芯片 把d a c 作为系统的基本组成嵌入了芯片，嵌入式d a c 逐渐取代了单芯片d a c ， 以降低成本和带来系统整体性能的提高。 同时，d a c 本身在其功能性能、制造工艺、电路技术等方面也向着多样性、 兼容性方向发展，以适应系统集成的趋势。在功能方面，出现了多功能( 如增加 平滑滤波器) 、多通道集成和接口电平兼容高速协议( 如l v d s 、d d r 等技术) 的趋势；在制造工艺方面，从最初的b i p o l a r 发展到现在成熟的c m o s 以及将两 者结合应用在特殊领域的b i c m o s 和采用新材料的硅锗( s i g e ) 、砷化镓( g a a s ) 工艺等；在电路技术方面，有二进制编码、温度编码、线性编码、格雷码、流水 线式、一等结构，以及动态元件匹配( d y n a m i ce l e m e n tm a t c h i n g ) 、自校准 及微调( s e l f - c a l i b r a t i o na n dt r i m m i n g ) 、q 2 随机游动式元件布局等具体技术。 1 2 论文结构 本篇论文由七个部分组成。 第一章为论文的引言部分，概述了d a c 在现今快速发展的数字化产品中的 第一章引言 地位； 第二章主要介绍了d a c 基本概念，主要分类和每种类型的结构、原理、优 缺点，以及用来衡量d a c 性能的指标等，并针对通信系统的特点，结合当前国 际、国内d a c 的设计水平，制定出电流驱动型d a c 的设计指标； 在第三章中，主要具体介绍电流驱动型d a c 的结构；然后对三种主要架构 的电流驱动型d a c 静态误差的理论计算和分析进而确定设计主体框架； 第四章分析了在信号转变过程中d a c 出现的误差的根源，并针对这些原因 给出提高d a c 性能的方案； 在第二、三、四章分析的基础上，第五章进行了详细的电路设计来达到所要 求的d a c 性能指标并给出了电路设计的仿真结果； 第六章阐述了d a c 版图设计，明确了每个模块在d a c 中的位置，同时给 出了时钟树的设计原理和一种改进的电流源矩阵布局方式，用来消除系统误差： 最后一部分是对整篇论文的总结，提出了需要改进的地方和存在的不足之 处，并指明了今后的努力方向。 2 第二章d a c 概述 第二章d a c 概述 2 1i ) a c 功能定义 通常将d a c 简单描述为数字数据到模拟信号的转变，严格来说，这一描述 没有包含转换过程中信号的电气特性，而只是给出了其存在形式数字的或模 拟的。一个较为完善的定义是：线性的d a c 是这样一种电子电路，当输入端接 收一组代表数字数据码的电气信号时，其输出端产生以某个参考电气量为基准 的，与输入码字变化成比例的模拟信号 1 】。 2 2d a c 性能指标 图2 1i ) a c 功能定义图 了解和熟悉d a c 的设计指标并将其与d a c 的性能联系在一起，是设计d a c 的首要前提。本节将对衡量d a c 性能的常用指标进行描述和定义，详细的指标 可以参考文献 2 ，3 】。 2 2 1 理想传输曲线 真正理想的d a c ( 分辨率专o o ) 传输特性曲线是一条直线，如图2 2 中 虚线所示，由于分辨率不可能为无穷大，因此，作为理论分析，d a c 的理想传 输特性曲线应该是一个连接一些列离散点的阶梯波，图2 2 中给出了一个分辨率 为3b i t 的d a c 传输曲线。 3 第二章d a c 概述 m t i t ai n l m t 图2 2d a c 理想传输曲线 从上图中可以看出，一个l s b 是相邻两个二进制码对应的模拟输出的台阶 大小，它是d a c 所能分辨的最小模拟量，其值可以表示为： = 锊 ( 2 0 1 ) 其中，4 。i 。和气瓤对应二进制码字全0 和全1 时的模拟输出。 2 2 2 积分非线性 积分非线性( i n t e g r a ln o n - l i n e a r i t y ，i n l ) 是指d a c 实际模拟输出值与理 想传输曲线的偏差，如图2 3 ( a ) 所示。对于任意二进制码字d 。( 肛o ，1 ，2 一1 ) ， 其i n l 为： i n l ：生二鱼一(2,k0 2 ) a 晒b 则定义d a c 的i n l 为： i n l = m a x i n l k ( 2 0 3 ) 在实际d a c 的系统仿真或是测试时，通常采用以下两条直线中的一条作为 理想传输曲线：( 1 ) 最佳拟合线( b e s t - f i tl i n e ，b f l ) ，即通过回归( r e g r e s s i o n ) 算法计算出来的使各个模拟输出点与其偏差的平方和最小的直线；( 2 ) 端点连线 ( e n d p o i n tl i n e ，e p l ) ，即连接传输特性曲线上模拟输出两个端点的直线。 2 2 3 微分非线性 微分非线性( d i f f e r e n t i a ln o n - l i n e a r i t y ，d n l ) 是指d a c 实际模拟输出的 台阶大小与理想传输特性台阶大小( 1l s b ) 的偏差，如图2 3 ( b ) 所示。对于 任意二进制码字p 。( k = - o ，l ，2 一1 ) ，其d n l 为： d n l k ：a k - a k - i 一1 ( 2 0 4 ) a l s b 则定义d a c 的d n l 为： 4 第二章d a c 概述 d n l = m a x d n l k ) ( 2 0 5 ) 如果模拟输出的台阶恰好为ll s b ，则该处的d n l 即为0 ，若超过1l s b ， 那么d a c 就会表现出非单调特性( n o n m o n o t o n i c ) ，也就是说，当输入二进制 码增加时，输出模拟量反而减小。显然，在一个单调的d a c 中，其转换特性曲 线的斜率总为正，即i d 况i i l s b 。 d i g i t a li n p u t d i g i t a li n p u t 暑 a = o 呻 三 一 = 0l234 5 6 7 d i g i t a li n p u t a ( b ) j a j o 叫 旦 曩 盘 d i g i t a ti n p u t 图2 3 电流型d a c 静态特性 ( a ) 积分非线性；( b ) 微分非线性：( c ) 失调误差；( d ) 增益误差 2 2 4 失调误差 失调误差( o f f s e te r r o r ) 是指输入码字为全0 时，输出模拟量不为0 ，如图 2 3 ( c ) 所示。失调误差对所有输入码字都产生具有相同偏移量的模拟输出，通 常可以通过微调技术来消除。 2 2 5 增益误差 增益误差( g a i ne r r o r ) 是指在失调被补偿了以后，输入码字全1 时的实际 5 第二章d a c 概述 模拟输出与理想传输特性的差值，如图2 3 ( d ) 所示。增益误差代表的是实际传 输曲线的斜率与理想斜率的偏差，并且这种偏差在不同码字处是成比例的。 2 2 6 输出毛刺 毛刺( g l i t c h ) 是当输入码字发生半量程转换( m a j o rc a r r yc o d et r a n s i t i o n ) 时在d a c 模拟输出端产生的尖峰脉冲，如图2 4 ( a ) 所示。半量程转换是指最 高位( m s b ) 由0 - ) 1 ，其余位由1 - ) 0 跳变，比如，0 1 1 1 - ) 1 0 0 0 的转换就是 一个半量程转换。毛刺的大小用尖峰脉冲的面积来衡量，单位为n v 墨。 2 2 7 建立时间 主 ； o 譬 目 d i g i t s ll n p o t ( )( b ) 图2 4d a c 的输出毛刺和建立时间 ( a ) 输出毛刺；( b ) 建立时间 建立时间( s e t t l i n gt i m e ) 是指当输入码字从全0 变为全l 或从全1 变为全 0 时，d a c 的模拟输出能够达到最终值并稳定在某一给定误差范围内的时间，如 图2 4 ( b ) 所示。 2 2 8 无杂散动态范围 无杂散动态范围( s p u r i o u s - f r e ed y n a m i cr a n g e ，s f d r ) 是指用分贝表示的 信号中基频分量的均方根( r m s ) 值与最大谐波分量的均方根值之比，如图2 5 所示。 6 第二章d a c 概述 旧i 图2 5 无杂散动态范围 2 2 9 本论文设计指标 本论文设计指标如表2 1 所示。 表2 1d a c 设计指标 f 。 指标名称设计目标单位 分辨率( ) 8 b i t s 积分非线性( 刀忱) 1 0 0 0 0 的时候，即m s b 由0 变为l ( 具有最大加权值的电流源由关闭到打开) ，其他位均由1 变到0 。由 此可以得到： 毗= ( 将( 3 0 1 ) 代入( 嘲= ( l 、 戥 2 = 2 l - 1 ) 饼 d n l b = 历， ( 3 0 5 ) ( 3 0 6 ) t d a c 系统结构 图3 2 ( a ) 给出了一个m 位的t d a c ，它同样是由电流单元矩阵和开关网络 组成，另外数字部分多了一个二进制码转为温度编码的电路，其真值表如图3 2 ( b ) 。与b d a c 不同的是，电流单元矩阵是由2 肘一1 个相同大小的l s b 单位电流 源构成的，每一个电流源都由编码电路输出的数字信号瓦( k = 0 ，1 2 朋一1 ) 去控制。 r 0 v 佃。j r 】 _ t il 7 f 7 f sw i t c ha r r a， 甲守守 (u r ：r a y l o1 1i 工，m 1 桥 柞 t h e r m o m e t e rd e c o d e r t 佃恤t a b l e d 2 d ld o t 6 t 5 t 41 r 3t 2 t 1t o o00oooo0 oo 001ooooool 010oooooll 0110 0 0011l 1 00 ooollll 101 ooiilll l10ollilll 111lliitll ( 量) 图3 2 温度编码的d a c ( a ) 基本结构；( b ) 温度编码真值表 ( b ) 刊封 第三章电流驱动型d a c t d a c 的这种结构缓解了b d a c 中对m s b 和l s b 电流单元之间匹配要求很 高的缺点，并且输入信号的改变不会使得这些电流单元出现0 专1 和1 - - ) 0 两种转 变同时存在的情况，大大减小了输出端毛刺，保证了d a c 的单调性，。但是t d a c 需要一个比较复杂的编码电路以及一堆编码输出与开关阵列之间的互连线，并且 编码电路的复杂性和互连线的数量随着d a c 分辨率的增加而迅速上升。 b t d a c 的i n l 肘位温度编码的t d a c 由2 m 一1 个相同大小的单位电流源构成，这些电 流的相对偏差都是随机的。根据前文中对d a ci n l 参数的定义，并把2 一1 个 电流源的大小看成是相互独立的随机变量，则t d a c 总的相对偏差的方差，即 n 霹可表示为每个单位电流源方差之和： r s e r = ( 2 朋_ 1 ) ( 毪j 或 i n l ：! 压巧垒(3r 0 8 ) 2 j r 可以看出，式( 3 0 8 ) 和( 3 0 3 ) 有相同的表达形式，据此我们得出结论：无论 是二进制编码还是温度编码的d a c ，以及下面将要分析的分段式d a c ，只要 l s b 电流单元的个数相同，或者说分辨率相同，那么d a c 的i n l 就相同，而与 d a c 的架构无关。 c t d a c 的d n l 由于t d a c 采用温度编码，该编码方式的特点是，当输入码字增加或减小 一个l s b 时，只有一个单位电流源的电流被添加到总的输出电流中，或者从总 的输出电流中减去，因此，t d a c 的d n l 就等于单位电流源电流的相对偏差， 即： d n l r = i y l r ( 3 0 9 ) 尽管上面指出了在分辨率相同的情况下，二进制编码和温度编码两种架构的 d a c 有相同的i n l ，但( 3 0 9 ) 式告诉我们后者有着比前者小得多的d n l 。 a s d a c 系统结构 为了能够对b d a c 和t d a c 的优缺点进行折中，在分辨率高于8b i t 时通常 采用分段式的d a c 结构。图3 3 给出了b i ts d a c 的系统框图。s d a c 由m b i t 1 6 第三章电流驱动型d a c 粗子( c o a r s e ) d a c 和三b i t 细子( f i n e ) d a c 两大部分组成( n = 膨+ 三) ，粗 子d a c 采用温度编码结构，细子d a c 采用二进制编码结构。由于细子d a c 无 需额外的编码电路，为了保证时序上的基本一致，需要a n 上时序匹配模块( t i m i n g m a t c h i n gb l o c k ) 来和温度编码电路的延时相匹配。开关控制信号的同步由锁存 器电路来完成。 r 0 。j r l j! ；w i t c h ar r 士y 0 0 i - _00 0 ? 1 77 7 。 1 f i ll il 宁守 审 小 2 。j 聋2 。尊 占2 弯寺寺 i1 1 1 r r 乒扪i t f d la r r d v 奉 奉 奉奉 奉奉 b i n a r y - t o - t h e r m o m e t e rd e c o d e rlt i m i n gm a t c h i n gb l o c k 图3 3 分段式电流型d a c 的系统框图 b s d a c 的i n l 和d n l 根据前两节对b d a c 和t d a c 的分析，我们可以计算出s d a c 的i n l 和 d n l 。对于i n l 有下面的方程： x i v l 2 s = x n z ；+ w l ： ( 3 1 0 ) 将( 3 0 3 ) 和( 3 1 8 ) 代入( 3 1 0 ) ，并注意到= 2 工厶，得： 删= 。( 2 肘一，) 陪) 2 + ( 2 三一t ) b 詈) = ( ) 2 c 3 m ， 又m + l = n ，所以， i n l 2 s = 竽嘲 或 i n l s = 争历。引 ( 3 关于d n l 有类似的方程： d n l 2 s = d n l 2 r + d n l 2 ( 3 1 4 ) 将( 3 0 6 ) 、( 3 0 9 ) 代入( 3 1 4 ) 并注意同样的条件= 2 工厶，得： 1 7 第三章电流驱动型d a c 删= ( 2 + ( 2 工一) f t 垒i ：j 2 = ( 2 川一) 詈) 2 c 3 埘， 或 ：历垒：而面i 盟(322)dnl,14 21 2 2 ：2 工“一：量：1 + ( 卜a ) 一= 生( 3 。 i bi | 其中，口= m n 称作分段比，且口o ，1 1 。从( 3 2 2 ) 看出，分段式d a c 在a = 0 时转变为二进制加权结构，而在口= 1 时转变为温度编码结构，这两种情况下分 别称分段式d a c 为0 分段和1 0 0 分段。为了方便起见，我们用，代替l 来 表示s d a c 中l s b 电流大小，则( 3 1 9 ) 和( 3 2 2 ) 变为： i n l s1 1 历 ( 3 2 3 ) ：历生：压而万j 一o i(324dnl, 112 4 )：2 “1 一生：2 1 + ( 1 吨p ( 3 根据以上对1 n l 、d n l 的分析，我们给出分辨率为8b i t 时三种c s d a c 的 i n l 、d n l 比较表3 1 ，并总结出以下几点结论： 表3 1i n l & d n l 比较( n ：1 2 ) t d a cb d a cs d a c i n l 3 2 ( 孚) 3 2 ( 乎)3 2 ( 孚) d n l ( 睾) 6 4 ( 孚) 两( 孚) 1 在分辨率和三嫱电流源的相对偏差仃，相同的情况下，三种c s d a c 有相同的i n l 指标； 2 就d n l 来说，t d a c 最小，b d a c 最大，s d a c 居于两者之间，取决于口； 3 t d a c 和s d a c 的随机误差主要受i n l 制约，而b d a c 的随机误差则取 决于d n l 。 3 2 电流源开关和电流源 一个电流开关和一个电流源共同组成了一个开关电流源。开关电流源在很大 程度上影响着d a c 的性能，并且开关电流源占据着整个d a c 面积的很大部分。 开关电流源传统的一种拓扑结构是由一个共源共栅电流源和一对差分电流 开关组成，如图3 1 。输入是一组中小幅度的差分信号，而输出则是差分电流。 通常，d a c 中所有的开关电流源的偏置电压是相同的。电流根据开关信号的值 1 8 第三章电流驱动型d a c 来确定是从差分开关的哪一个开关中流过。这使得开关速度非常快，因为伴随着 电流源的电容大部分时间处于充电状态。与这相关的一些问题在后面的内容中将 会详细的进行描述。 当一个开关被打开，它便有一个固定阻值，并且与输出节点相连。当它被关 闭，它的阻值就变得非常大。输出节点的阻值是所有打开的开关的阻值的并联值。 所以，开关的输入信号会对输出阻值产生调制作用，造成静态误差( i n l ) 【2 0 】 和动态误差( 如谐波失真【2 1 】) 。在m o s 管实现的开关中，有一个比较典型的问 题是，m o s 管会有一个连接开关控制端和输出端的寄生容性通路( 栅漏电容) 。 当开