（微电子学与固体电子学专业论文）cmos电流舵dac设计高层次研究.pdf

摘要 摘要 通讯和数字视频系统等运用宽带数据传输技术的应用近来迅速增长，需要高 速、高分辨率的数据转换器( 刖d 和d a ) ，以及带有高性能数据转换器构建模 块的s o c ( 片上系统) 。c m o s 电流舵d a c 以其固有的转换速度快、能有效利用硅 片面积和电源、易于兼容标准数字c m o s 工艺等特点，成为这些应用中模数转换 器结构的选择。 作为s o c 研究和设计方法的尝试，我们为c o m s 电流舵d a c 建立了高层次 模型，并运用数学工具m a t l a b 和高级硬件描述语言v e m o g a m s 来仿真和预测 d a c 的性能，进而指导d a c 的设计。本文首先对模拟电路单元和典型混合信号系 统的模型进行研究和仿真，然后重点描述了电流源匹配误差和电流源输出阻抗对 d a c 性能的影响。利用相应的高层次模型，详细分析并仿真了电流源匹配误差和 电流源输出阻抗对d a c 的非线性误差n l 、信号噪声失调比s n d r 、无杂波动态 范围s f d r 的影响。 本文最后描述了一个设计实例，基于t s m co 3 5 微米混合信号c m o s 工艺为 通讯应用设计了一种5 v 、1 4 位分辨率的分段电流舵d a c 。 关键词：片上系统 c m 0 s 电流舵数模转换器高层次模型 a b 虬r a c t! a b s t r a c t t h er e c e mg r o 、v t ho fa p p l i c a t i o n su s i n gw i d e _ b a n dd a t at r a n s m i s s i o n s u c ha s t e l e c o i n m 删c a t i o na n dd i g i t a lv i d e os y s t e m sr e q u i r e sh i g h s p e e dh i g h 。r e s o l u t i o nd a t a c o n v e r t e r s ( a da 1 1 dd a ) a n ds y s t e mo nc h i p ( s o c ) w i mh i 曲p e r f o m a n c ed a t a c o n v e n e r sa sp a no fb u i l d i n gb l o c k s c m o sc u h e n ts 忙e r i n gd a c sa r ei i 血e r e n t l yf a s t ， s i l i c o na r e aa 工l dp o w e re f r e c t i v e ，e a s yt oi m e 乒a l ei ns t a n d a r dd i g i t a lc m o s t e c l l i l o l o g i e sa dt h e r e f o r et h ea r c h i t e c t u r eo f c h o i c ef o rs u c h 印p l i c a t i o n s a san e wt r yo fs o cs t u d ya 1 1 dd e s i g nm e t h o d s ，w eh a v eb u i l th i 曲a b s t r a c t i o n l e v e lm o d e l sf o rc m o sc u r r e n ts t e e r i n gd a c s ，t os i m u i a t ea n dp r e d i c tt h ep e r f o r m a i l c e o fd a c埘mm a mt 0 0 1m a t l a ba j l da d v a l l c e dh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e v e r i l o g a m s i nt h i sp 印e r ，f i r s tt h em o d e l so fs e v e r a la n a l o gu 1 1 i t sa n dt y p i c a lm i x e d s i g n a ls y s t e m sa r es t u m e da i l ds i m u l a t e d ，t h e nt h ea 疗、e c t so fm a t c h i n ge r r o r so f c u r r c n t s o 、】r c et op e r f o r m a n c eo fd a ca n dt h e 世毛c t so fo u t p u tr e s i s t a n c eo fc u r f e n ts o u r c et 0 p e r f 0 h 】1 a n c eo fd a ca r ed e s c r i b e de m p h a t i c a l l y w i t hc o r r e s p o n d i n gm o d e l sh o wt h e m a t c h i n ge r r o r sa n do u t p u tr e s i s t a n c eo fc u r r e ms o u r c ea 扫f e c tm en l ，s n d r a i l ds f d r o fd a ci sa n a l y z e da i l ds i m u l a t e di nd e t a i l a tl a s t ，a sap r a c t i c a ld e s i g ne x 咖p k ，a5 v 1 4 - b i th i 出s p e e ds e g m e n t e dc u r r e n t s t e e r i n gd a cb a s e do n t h et s m co 3 5 “mm i x e d - s i 口a 1c m o st e c 上l i l o l o g yf o r t e l e c o m m u 面c a t i o n 印p l i c a t i o n si sa l s od e s c r i b e d k e ，r w o r d ：s o c c m o sc u n e n t - s t e e r i n gd a c h i g ha b s t r a c t i o nl e v e lm o d e l s 第一章绪论 第一章绪论 近年来，有线和无线通讯技术以及数字视频系统发展迅速，对信号的数字化 处理和实现要求越来越高，对集成电路和元器件的要求也越来越苛刻，采用多片 i c 和大量分立器件设计的系统无论在性能上还是在体积、成本等方面，已经难以 满足实际使用要求，在产品中使用s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 己成为业界发展的主流。 充分利用日益发展的集成电路工艺，研究s o c 及其构建模块的设计方法是集成电 路设计的一个热门课题，具有重要的现实意义。 1 。1 论文的背景、现状与意义 随着集成电路技术的不断发展，片上系统( s o c ) 设计正在成为集成电路设计 的发展方向。s o c 芯片集成了大量的i p 核，如微处理器、数字信号处理器( d s p ) 、 模数转换器( a d 转换器) 、数模转换器( d a 转换器) 、模拟滤波器( f i l t e r ) 、 存储器( m e m o r y ) 及射频( r f ) 单元等，使得芯片的设计规模远远超过了以往的 设计，其片内通讯及i p 核接口的复杂程度也大大提高，从而使其设计的难度和复 杂度都达到了前所未有的程度，而s o c 系统验证就成为了设计的难点。 s o c 系统验证就是对基于i p 核实现的s o c 系统迸行功能验证、静态时序分析、 功耗分析等，以保证正确的系统功能和良好的产品性能。以前的s 0 c 验证方法是 基于混合信号集成电路仿真方法，其中模拟i p 核的仿真则采用s p i c e 仿真方法实 现。虽然这种仿真方法具有较高的仿真精度，但是仿真速度无法满足产品开发的 时间要求，也对仿真收敛性提出了新的要求。如果对所有的模拟i p 核建立精确高 层次模型，不仅可以很好的解决s o c 的系统验证，也可以解决a d ( d a ) 转换器等 混合信号集成电路的参数测试问题。 s o c 作为将数字电路与模拟电路集成在一起的相对复杂的混合集成电路系统， 通常依功能划分成几个相对独立的构建模块来分别设计和研究。在应用于通讯和 数字视频等高速数字处理系统的s o c 的设计中，d a c 的设计是最重要最有挑战性的 模块之。一方面，对器件的性能要求越来越高，另一方面，传统设计中，分辨 率高于1 4 位，采样速率大于1 0 0 m h z 的d a c 只能采用b i p o l a r 或b i c m 0 s 工艺实现。 随着c 磷o s 集成电路技术的不断发展和d a e 结构的不断创新，为采用亚微米或深亚 微米c m o s 工艺实现高速、高分辨率适合于高性能s o c 应用的d a c 提供了可能。 本文基于高层次模拟硬件描述语言v e r i1 0 9 a m s 和m a t l a b ，研究混合信号集 成电路的行为模型及仿真技术，建立了高速电流舵d a 转换器的高层次模型和运 放、带隙基准源等模拟单元i p 核的非理想模型，对电流源匹配误差和输出阻抗进 行了系统分析，并对相应的高层次模型进行了仿真验证，最后给出了应用实例， 进一步说明了研究方法的可行性。作者在本文中以高速电流舵d a 转换器为研究 对象，但采用的方法和思路在很多方面克服了纯专业数模混合设计工具发展的相 对滞后和不足，希望对其它模块乃至整个s o c 系统的研究和设计能有所启示。 c m o s 电流舵d a c 设计高屡次研究 1 2 论文内容安排及主要研究成果 本文立足于面向s o c 的研究设计方法采用高级语言和数学工具对c f 0 s 电流 舵d a e 建立了高层次模型，进行了分析和仿真，并将研究成果应用到实际设计中。 全文共分为六章，除第章绪论外，第二章介绍了相关基本知识，包括混合信号 集成电路商层次设计基础和d a c 的基本知识，介绍了高层次模拟硬件描述语耋 v e r i l o g a m s 和数学工具m a t l a b 以及d a c 的基本结构、典型衡量参数等；第三章 基于v e r “o g a 硬件描述语言，对模拟电路单元和典型混合信号系统的行为级模 型进行研究，并采用e a d e n c es p e c t r e 和s p e c t r ev e r i l o g 对行为模型进行仿真 验证；第四章电流舵d a c 电流源匹配误差及高层次模型研究，系统讨论了器件匹 配误差，建立了d a 转换器高层次模型，基于d a 转换器的行为级模型，提出了 一系列简化公式，用于快速评估所设计的d a 转换器系统性能，并利用m a t l a b 软 件指导d a 转换器的最优化设计；第五章首先分析无缓冲电流舵d a 转换器的输 出阻抗，然后研究分析了输出阻抗对非线性误差( n l ) 、信号噪声失调比( s n d r ) 和无杂波动态范围( s f d r ) 的影响，得到一系列简化经验公式，并建立了相应的 m a t l a b 行为模型，能直接指导高速d a 转换器的电流开关电路及单位电流源的设 计；第六章绘出了一个利用前面研究成果的设计实例，基于o ，3 5 p ms 阿m 嘶o s 工艺设计了1 4 位1 2 5 m s p s 的d a c ，并给出了仿真结果。 本文主要的研究成果有： 立足于面向s o c 的设计和研究，采用建立高层次模型的方法，利用高级 硬件描述语言和数学工具进行系统级和行为级仿真和研究； 基于v e r i l o g a 硬件描述语言，研究了模拟电路单元和典型混合信号系 统的行为级模型； 建立和分析了电流舵d a c 电流源匹配误差高层次模型，并羊用t l a b 软件进行仿真验证，指导d a 转换器的最优化设计； 建立和分析了无缓冲电流舵d a c 高层次模型，并利用m a t l a b 软件进行 仿真验证，直接指导高速d a 转换器的电流开关电路及单位电流源的设计； 给出高端应用设计实例，基于0 3 5 岫s p t mc m o s 工艺设计了1 4 位 1 2 5 m s p s 的d a c 。 第一二章基本知识 第二章基本知识 2 1 混合信号集成电路高层次设计基础 能实现混合信号集成电路高层次设计的语言有三种：v e r i l o g a m s 、 v h d l a m s 和m a t l a b ，其中v h d l a m s 则因为语法复杂而失去了优势，另外两 种则由于语法简单、功能强大等优势成为混合信号电路高层次设计研究的热点。 本节基于作者的研究结果，对基于v e r i 】o g 一触s 和m a t l a b 实现的混合信号集成电 路高层次设计进行分析和总结。 2 1 1 基于v e r i l o g a m s 的混合信号集成电路高层次设计 v e r 订o g a m s 由v e r i l o gh d l 和v e r i l o g _ a 组成，其中v e r i l o gh d l 是目前实 现超大规模数字集成电路设计的最佳硬件描述语言，而v e r il o g a 是描述模拟电 路系统和模拟电路单元的结构、行为及特性参数的模块化硬件描述语言，也可以 用于描述传统的信号系统，如固体力学、流体力学、热力学等系统。与s p i c e 子 电路的仿真编译相同，v e r 儿o g a 行为级模型能映射成网表，网表模型包括行为模 型的模型名、参数等，其端口对应于行为模型的端口。表2 1 为v e r i l o g a 行为 模型结构。 表2 1v e r i l o g a 行为模型结构 m 。d u i e 模型名( ( 信号列表 ) ： 接口描述 信号定义) a n a l o gb e g i n 行为描述 e n d m o d u l e 为了便于实现模拟电路系统性能与物理实现之间的优化设计，v e r 订o g a 提供 了多层次的行为及结构模型和多种行为模块描述方法，包括有限指数产生器 】i m e x p ( ) 、积分产生器i d t ( ) 、微分产生器d d t ( ) 与延迟产生器d e l a “) 等许多用以描 述模拟电路行为模块的函数。通过对不同函数的设定及组合，可以定义出模拟电 路模块，如各种运算放大器、带隙基准电压源、模拟锁相环( a p l l ) 、压控振荡 器( v c o ) 、m o s 电容、开关电容滤波器、数模转换器( d a 转换器) 与模数转 换器( a d c ) 等，进而设计用于s o c 设计的模拟电路i p 核行为模型。再将模拟 电路i p 核的v e m o g a 行为模型整合到s p e c 骶等混合信号仿真环境中，就可以快 速实现s o c 设计，并保证i p 核之间的无缝联接。 c m o s 电流舵d a c 发计高层次研究 2 1 2 基于m a t l a b 的混合信号集成电路高层次设计 m a t l a b 作为科学与： 程计算的数值计算软件，除了能计算复杂的矩阵运算外， 还可以作为电路高层次描述语言。近年来，s 妇u l i n k 作为m a t l a b 的一部分，在动 态系统的建模和仿真方面取得了很好的成绩，而基于m a t l a b 及其s i m u l i n k 进行混 合信号集成电路建模和仿真还完全处于起步阶段。 基于m a t l a b 进行混合信号集成电路的建模工作比较复杂，作者经研究发现， 如果集成电路需要测试其频域特性，则最好采用m a t l a b 语言能建立数值模型，并 适当引入实际的栅氧化层厚度、阐值电压等工艺误差，通过快速傅立叶( f f t ) 变 换等频域仿真，选择最佳的电路系统结构或版图布局。本文设计的高速电流舵d a 转换器就是采用m a t l a b 语言进行电流源阵列版图布局的优化设计，以减小积分非 线性误差( i n l ) 。 s i m u l i n k 是一个用于对动态系统进行建模型、仿真和分析的软件包，支持线性 和非线性系统，连续和离散时间模型，并可以实现多采样系统。由于s i m l l l i n k 包 括接收器、信号源、线性及非线性组件、连接器等组成的模块库，并支持模型的 分级处理，所以基于s i m u l i i l k 进行混合信号集成电路高层次设计则更加方便。作 者采用s i i r m l i n k 对过采样一调制器建立了高层次模型如图2 。l 所示，其中包括 k t c 热噪声、时钟抖动、运放噪声及饱和度等非理想模型。 图2 1 过采样一调制器高层次模型 2 2 电流舵d a c 基础 集成电路中有三种基本类型的d a c ：电阻网络d a c 、电荷再分配d a c 和电 流舵d a c 。其中电流舵d a c 具有明显的优势特征，如：易于兼容标准数字c m o s 工艺，转换数率高，非常有效地利用电源，占用硅片面积小等，这些极具吸引力 的特征使其成为采用先进的c m o s 工艺实现高端数据转换器的首选结构。 2 2 1c m o s 电流舵d a c 的基本结构 c m o s 电流舵d a c 通常由六部分组成：电流源阵列，电流源开关，数据锁存 器，伪译码器，温度计编码器，带隙基准与控制放大器。 第二章基本知识 优化的具有高输出阻抗的p m o s 电流源被安排在尽可能彼此接近的位置形成阵 列。电流源最重要的特征是匹配和输出阻抗，而寄生电容对其动态指标影响很大。 数据锁存器将外部数字信号锁存到内部寄存器中，编码器输出的位线和驱动 电流源的开关信号也被锁存以减小时间误差，减小输出频谱的失调。 数字编码器将数字输入转换成位线驱动电流源开关来控制电流源，这些位线 由同一时钟驱动锁存。d a c 的结构决定编码形式，通常高速、高分辨率的d a c 采用 分段编码的方式，既高位采用数字温度计编码器控制大电流源，低位用直接输入 控制二进制加权电流源，中间采用伪译码方式控制中间电流源，这样有利于减少 寄生效应，提高转换器动态性能。 带隙基准与控制放大器为转换器提供高精度基准电压和可校准量程的基准电 流。 2 2 。2d a c 的基本参数 衡量d a c 性能的参数很多，一般分为静态参数、动态参数和频域参数，限于 篇幅，此处仅介绍本文研究所涉及的一些参数。 差分非线性误差( d n l ) ：d a c 中，d n l 指两个相临模拟输出之差减去理想步长， 与理想步长的相对比值，可表示为： d 舭，：鱼塑二鱼堡二! ( 2 1 ) 一l 阳 积分非线性误差( i n l ) ：d a c 中，i n l 指实际模拟输出与理想模拟输出偏离的 相对值，一般表示为： f 44 舭p = d 舰f = 垒垒业一l j ( 2 2 ) f ；1“m 信号噪声失调比( s n d r ) ：d a c 中信号噪声失调比指输出信号基波功率和噪声 与谐波功率总和的比值，一般表示为( d b c ) ： p 蚴= 1 0 l o g l o 。二 一 ( 2 3 ) 只+ 丘 无杂波动态范围( s f d r ) ：d a c 中，无杂波动态范围指输出基波信号功率与一 定频率带宽内最大杂波功率的比值，一般表示为( d b c ) ： 一叫毒 。， c m o s 电流舵d a c 设计高层次研究 第三章基于v e r iio g a 的模拟电路行为模型及仿真 本章基于v e r i1 0 9 a 硬件描述语言，对模拟电路单元和典型混合信号系统的 行为级模型进行研究，并采用c a d e n c es p e c t r e 和s p e c t r ev e r i l o g 对行为模型 进行仿真验证。 3 1 基于v e r 订o g a 的模拟电路行为模型 3 1 1 模拟开关行为模型 在模拟集成电路设计中，模拟开关是最重要的模拟器件，其在c m o s 开关电容、 采样保持等电路中具有广泛的应用。所以，模拟开关行为模型是研究c m o s 开关电 容滤波器、高速数模转换器等混合信号i p 核行为模型的基础。 模拟开关行为模型研究必须考虑三方面的实际因素：沟道电阻、控制信号馈 通、信号相关性的开启与闭合。与以前的理想开关模型相比，基于v e r il o g a 的 模拟开关行为模型的沟道电阻值是连续变化的，而不是突变的。采用v e r il o g a 实现模拟开关连续变化特性时，考虑仿真行为的收敛性，采用“t r a n s j t i o n ”操 作可以实现，但是会明显减慢系统仿真的速度。利用低通r c 滤波器的特性，可以 很好的实现模拟开关行为模型，并能保证系统的高速仿真。 c a d e n c es p e c t r e 仿真器与所有的模拟电路仿真工具相同，直流工作点分析是 瞬态、交流等仿真分析的基础，所以必须考虑模拟开关模型的直流收敛性。根据 直流分析的特点，模拟开关模型必须具有明确的初始值，如输出电压等于输入电 压。在v e r i l o g a 的模型表征中，可以明确输出电压和输入电压的初始差值为零， 即 y ( d 甜，f n ) + o o ( 3 1 ) 3 1 2 带隙电压基准源电路行为模型及仿真 图3 1 是c m o s 带隙基准电压源电路，图中的运算放大器的作用使电路处于深度 负反馈状态，q 1 、q 2 、q 3 是由n 阱和p 衬底形成的寄生纵向双极结形场效应晶体管 ( b j t ) 。在基准电路稳定输出时 ，i 马+ 矿蔬= b 2 ( 3 2 ) v 口= y t m i | ls 、 由式( 3 2 ) ( 3 3 ) ，得 厶= 气= 铷龇：， ( 3 3 ) ( 3 4 ) 第三章基于v e r 订o g a 的模拟电路行为模型及仿真 芑 一 ，= 睾_ 1 n ( b 几：) + 图3 1c m o s 带隙基准电压源 ( 3 5 ) 口1 dz口d口田o u u 札，v d d ( a ) 温度特性( b ) 电源特性 图3 2 带隙基准电压源的行为模型仿真 根据带隙基准电压源电路的特点，所建立的v e r i l o g a 行为模型如下： 、i n c l u d e “s t d v a i n c l u d e “c o n s t v a ， m o d u l eb a i l d g a p ( v d d ，g n d ，v b 舀t e m p ) ； i n o u tv d d ，g n d ，v b g ，t b n l p ； e l e c t r i c a lv d d ，g n d ，t e m p ； p a 砌n e t c rr e a lv b g = 1 2 ； 删o gb e g i n t e m p c 2 a b s ( t c i i p 2 7 ) ； v b g + ( v b g + 0 0 0 1 l 幸( v d d 一1 5 ) 一o o 0 0 0 1 + t c m p c ) ； e n d e n d n l o d u i e 在v c r i l o g - a 模型中，除了定义1 2 v 的输出电压外，还包括了1 0 p p m 依的温 度系数和1 1 m v v 的电源抑制比。采用c a d e n c es p e c t r c 仿真工具，图3 2 ( a ) 为 行为模型的温度特性，图3 2 ( b ) 为行为模型的电源特性。 一 一 j ， c m o s 电流舵d a c 设计高层次研究 3 1 3 全著分运算放大器行为模型及仿真 图3 1 3 全差分运算放大器电路 图3 3 为高速全差分运算放大器电路。要建立图3 3 电路的行为模型，必须选 取合适的运放行为参数，以便保证仿真精度和仿真速度。基于运放模型，本文所 选择的行为参数为：直流开环增益、相位裕度( p m ) 、单位增益频率、输入失调 电压( v 。s ) 、负载电容( c l ) 和负载电阻( r l ) 。这些参数在运放的交流( a c ) 小信号分析能得到完整的体现，所以运放行为模型的核心是a c 模型。全差分运放 的理想模型如下： 、i n c l u d e ”d i s c i p l i n e h ” 、i n c l u d e ”c o n s t a n t s h ” m o d u l ed v 姗p ( v i r l _ p ，v i n _ r l ，v o u t _ p ，v o u t _ n ) ； i r l p u tv i r l p ，v i n _ _ n ； o u t p u tv o u t j ，v o u t _ n ； e l e c 砸c a lv i i l p ，v 打l _ n ， v o u l p v o u l n ； p a r 锄e t c rr c a lg a i n = 1 2 0 0 0 0 0 0 0 ； p a r a i n e t e rr e a lo 侬e t = o o ； r e a lo u t 、r ： a n a l o gb e g i n o u t v = g a i n + ( v ( v i n _ p ，v i n - n ) - o m 斌) ； v ( v o u t _ p ，v o u t _ n ) 1 ( 4 4 3 ) 虐矗 口一1 口一1 对误差平方求和，得 善 爿2 瑙等( 等 2 = p ， 兰州e ( 删：三2 = i 叶 即 哳 e ( ”) = 峨f 所得到的噪声失调( n d ) 3 2 + 1 4 0 2 2 ( 吖一) 1 0 5 的功率为 ( 4 4 4 ) 坠! 兰! ：竺：竺 ( 4 4 5 ) 1 0 5 - ( 4 4 6 ) u 笠蚧，l 醇 n l l 趣一b ，l 。m 第四章电流舵d a c 电流源匹目b 误差及高层次模型研究 旦 只，d = 肠r 【e 。( 月) 】+ 弓一二 其中n 为量化噪声功率，其值为1 1 2 。a 。为一次谐波功率，其值为 爿：。! ( 1 一三) 所以 = 去+ 峨l 型等竺一去卅一砉l 黾 茁 盆 ( 4 4 7 ) ( 4 4 8 ) ( 4 4 9 ) 图4 7s n d r 与梯度匹配误差的关系 根据s n d r 的定义，可得s n d r d 2 s n d r ：卫： 上+ 女1 1 2 刍- l 警去p 暑l 2 2 ( + 1 l 1 0 52 4 r 刀7 刀2 如果 = 0 ，贝0j s ! d r 1 7 + 6 ( m 一) 一2 0 l o g l o 七， 4 4 电流源匹配误差对无杂波动态范围( s f d r ) 的影响 ( 4 5 0 ) 本节将分别讨论随机误差和梯度误差对的无杂波动态范围( s f d r ) 影响，首 先分析随机误差对s f d r 的影响。 对于d a 转换器s f d r 参数的仿真测试，是对满量程输出的模拟正弦波进行快 c m o s 电流舵d a c 设计高层次研究 速傅立叶变换( f f t ) ，一次谐波和二次谐波的差值为s f d r 的值。所以为了求得随 机匹配误差对s f d r 的影响，应从随机匹配误差信号功率的频域分析( f f t 变换) 入手。x 寸于n 位进制权重的第女位有效位纨，其所对应的傅立叶级数系数为 c ，厂圭缸珍e 2 7 s ， 其中，为序列指数，三为所采样信号的周期数，厂为相对角频率，厂= ，相当于角频 率w d nw d 为输入正弦波信号角频率，7 1 为采样时钟的频率。 傅立叶级数系数表示相应频率的信号幅值和相位，对于理想d a 转换器来说， 其输出电流的傅立叶级数系数为 哆= 纂盖c 分。1 2 畦7 = 拿喜：”1 c ( 4 5 2 ) 对式( 4 5 1 ) 和式( 4 5 2 ) 进行比较，可得输出误差电流的傅立叶级数系数为 _ c ，( m ) = c ，( 日= ( j - l ，。) - c ，女 ( 4 5 3 ) t = 1 e 吖2 其期望为 引划= 如k ，一= 。 = 1 im e 吖 而其绝对值平方的期望为 门= b c m ，c ) ( 4 5 4 ) ；盯：昏兰2 “限。2 ( 4 5 5 ) 对于d a 转换器的满量程输入数字正弦波，其示意图如图4 8 所示( 图4 8 为1 4 位d a 转换器的满量程数字正弦波) 。对输入正弦波的输出进行谐波分析， 频率为的谐波信号功率为 弓，r = 2 毛 q ( 4 5 6 ) 肋，：盟：生趔：竺娶坚! 。， b l c | 2 ： ( 1 + 盯：) 兰2 “i c l 。1 2 c _=1 m ： 甜 。l 第四章电流舵d a c 电流源匹配误筹及高层次模犁研究 型 1 4 位d a c 数字正弦波 趔 罂 时钟周期 图4 81 4 位d a 转换器满量程数字正弦波 假设信号功率为 b 以。邶i2 e * 学 其中j o c 为信号的a c 幅值。 所以，频率信号的谐波失真为 盯：兰2 “h 。i 2 四2 矿 对于图4 。8 所示的1 4 位d a 转换器来说，当，为奇数时 b 。l 2 z 1 咖) 2 l rh ( ：c o s 譬一t ) 2 h 。，f 2 * 丢土 当，为偶数时， l c ，| 2 = h 一2 = o ( 4 5 8 ) ( 4 5 9 ) ( 4 6 0 ) ( 4 6 1 ) ( 4 6 2 ) c m o s 电流舵d a c 设计高层次研究 h dr * ( 2 c o s 纠+ ： 筹 对于满量程输入信号 z c 2 2 ( h dr 墨 口 l 一 正 o l l ( 2 c o s 钏2 + z 2 “2 - ( 加) 2 ( 4 6 3 ) ( 4 6 4 ) ( 4 6 5 ) m i s m 引c hd e 卅甜i o n 图4 91 4 位d 峻转换器的随机匹配误差对s f d r 的影响 根据傅立叶级数的特性，且，= 2 的谐波失真为0 ，所以本节只需考虑厂= 3 的谐波 失真 鹏“i ( 4 6 6 ) 以d b ( 1 0 ) 的形式表示，则 比b 1 0 1 0 9 1 0 盯：一3 0 1 一8 7 = l o l o g l o 盯：一3 ( + 2 9 ) ( 4 6 7 ) 所以 j s f 三墩“3 ( + 2 9 ) 一1 0 l o g l o 仃： ( 4 6 8 ) 基于以上基于随机匹配误差的分析，采用m a t l a b 进行计算和仿真分析，得到 第四章电流舵d a c 电流源匹配误筹及高层次模型研究 的结果如图4 9 所示，其中虚线为计算结果，实线为仿真结果。当随机匹配误差 小于1 0 _ 3 时，对s f d r 的影响可以忽略不讨：当误差夫于1 0 。时，随机匹配误差 的对数值对s f d r 的影响呈近似线性关系。 本节接着分析电流源梯度匹配误差对s f d r 的影响。对于n 位二进制权重d a 转换器，假设满量程输出信号是幅值为广的正弦信号，则输出电流为 厂r、 ，舢，( 胛) 2 “s i n l2 万 行i + e ( 胛) + ，d f ( 4 6 9 ) l ，一 其中五为满量程正弦信号的频率，为采样时钟信号频率，为输出电流的直流信 号，e 例为输入码n 所对应的梯度误差，其值为 ( 矩) 壤( 疗) ； ( 4 7 0 ) 根据所有电流源梯度匹配误差的和为o ，即 一i z 一 ( 4 7 1 ) t = 1 所以可以得到以下几种特殊情况的梯度误差 f o= o ，o ，o ，o 或= 1 ，1 ，1 ，1 】 e = 一x = 【o ，1 ，1 ，1 】 ( 4 7 2 ) l x = 1 ，o ，o ，o 】 根据d a 转换器的特性，可认为满量程输出信号所包含的梯度误差为周期性的线 性折线信号e ( n ) ，折点值分别为o ，n ，一n 。将e ( n ) 、进行傅立叶级数展开 脚= 静咖( ：疵剐 t = l、t， 4 一j o。、 七为偶数 4 2 卜* 丢 簇薯薹 ( 4 7 3 ) ( 4 7 4 ) 所以除了一次谐波4 以外，一的最大值为三次谐波也。根据式( 4 6 9 ) ，可得 一z 参= 函 2 等 z s ， 根据式( 4 4 0 ) ，式( 4 7 5 ) 可以表示为 一 高 2 警p = 蒿卜“z e ， 采用d b ( 1 0 ) 表示s f d r ，则 s f d 旧2 1 6 + 6 ( m 一) 一2 0 1 0 9 七。 ( 4 7 7 ) c m o s 电流舵d a c 设计高层次研究 黾 比 器 y 方向梯度误差 图4 1 0s f d r 与梯度匹配误差的关系 s h 墩与d a 转换器梯度匹配误差的计算及仿真结果如图4 1 0 6 所示，其中虚 线为计算结果，实线为m a t l a b 仿真结果。仿真结果表示，当梯度误差小于1 0 。7 时， 梯度误差对s f d r 的影响可以忽略不计；当梯度误差较大时，梯度误差对s f d r 的 影响符合式( 4 7 7 ) 的计算结果。 第百章电流舵d a c 电流源输出阻抗及高层次模型研究 第五章电流舵d a c 电流源输出阻抗及高层次模型研究 对于电流舵d a 转换器来说，为了实现高速转换，都采用无缓冲输出形式进 行模拟电路的输出。对于理想d a 转换器，输出电阻是无穷大的，但实际d a 转 换器的输出电阻是有限的。所以为了设计高性能的高速d a 转换器，设计人员不 仅要考虑单位电流源阵列版图布局的行为模型，也要建立电流输出电路的输出阻 抗的行为模型，用于指导高速d a 转换器的实际设计。 本章首先分析无缓冲电流舵d a 转换器的输出阻抗，再研究分析了输出阻抗 对非线性误差( n l ) 、信号噪声失调比( s n d r ) 和无杂波动态范围( s f d r ) 的影响， 得到一系列简化经验公式，并建立了相应的m a t l a b 行为模型，能直接指导高速d a 转换器的电流开关电路及单位电流源的设计。 5 1 电流舵d a 转换器的输出阻抗分析 图5 1 电流舵d a 转换器输出电路 图5 1 为本文设计的高速d a 转换器的无缓冲输出电路示意图，输出形式为 差分输出，负载电阻如为5 0 q ，单位电流源为图4 2 所示的c a s c o d e dp l o s 电流 源，电流开关采用p m o s 管实现，电流开关的控制信号由电流开关驱动器产生。本 节将基于图5 1 所示无缓冲电流舵d a 转换器的差分输出电路，综合考虑电流开 关、连线及负载等元件的寄生电阻、寄生电容等寄生效应，建立相应的线性模型， 系统分析d a 转换器的输出电阻，获得一系列时域和s 域的简化公式，用于分析 推导输出电阻对系统参数的影响。 图5 2 为无缓冲电流舵d a 转换器差分输出电路的线性模型，包括了输出电 阻、输出电容、电流开关电阻、电流开关电容、负载电阻和负载电容。电流源乇。： 由单位电流源组成，d a 转换器的输出跨导、输出电容与输入信号是线性相关的， 所以 瓯。( x ) = z g s x g 办爿 ( 5 1 ) c 。( x ) = j g “爿( c 州+ c “) ( 5 2 ) c m o s 电流舵d a c 设计高层次研究 其中z 为d a 转换器的数字输入码，黝为p m o s 电流源的输出跨导，4 为p m o s 电 流源增益，c 0 和g d 为电流源晶体管的寄生电容。 图5 2电流源及输出电路线性模型 电流开关的导通跨导为 吒z 卢( + 巧一圪。) ( 5 3 ) 其中为跨导系数，为电流开关的栅控电压，吩为蹦o s 阈值电压，圪。为负载 电阻的输出电压。 当输入码变化引起部分输出电流源从正( 负) 输出端切换至负( 正) 输出端， 忽略电流开关的导通跨导和寄生电容，则正输出端的变化过程如图5 3 所示。由 图5 3 可得，经过电流源输出电阻的电流存在一定的损失，而寄生电容则会影响 d a 转换器的建立时间，从而引起信号相关性的建立误差。 ( a ) 变化前( b ) 变化后 图5 3 输入码变化前后的l e 输出端输出电路线性模型 基于图5 3 的s 域线性模型，假设单位电流源等于最低有效位权重电流，则 在周期n t ( n + 1 ) t 内，额外的单位电流源将在正输出端输出，相应的输入码变化 为 x = 鲥。= 爿一。 所引起的电流变化为 醴。= 娃iu = 舣i b b 正输出端输出电流为 ( 5 4 ) ( 5 5 ) 第五章屯流舵d a c 电流源输出阻抗及高层次模犁研究 坛半删蚂心舢曙。埘 s 亟 g l + g s x 。n + s i 。x 。n c s ( 5 6 ) 其中吃? 和噶为电流开关切换前后的输出电压值，即下个建立周期的初始值。 根据输出电流与输出电压的关系 。= 圪。g ( 5 7 ) 式( 5 。6 ) 可变为 舶，毕+ 呓 型导羔+ 焉 g 删 鱼鲥 g 志”s 擞i1 1 十g 瓯肖。jl。g + g 以。i 其中j ：= 噶g 。和，：= 咄g 。为开关切换前的差分输出电流 假设d a 转换器的负载和单位电流源时间常数 屯2 苟h s2 苟 假设电流源的建立时间常数与d a 转换器的输入码无关，即 啾耻箍= 毒 假设负载与单位电流源的跨导比和电容比分别为 p g = g s | g l ，p c = cs | cl 定义信号相关的系统时间常数为 ( 5 8 ) ( 5 9 ) ( 5 1 0 ) ( 5 “) 叫耻v 搿 式( 5 8 ) 变为 舶，毕皓耵叶戊矧培翻 k b 卜_ c ， c s - 荽