（微电子学与固体电子学专业论文）一种14位dem+1gsps+da转换器.pdf

摘要 摘要 本论文采用中芯国际0 1 8 1 t m 混合信号c m o s 工艺库设计了一种1 4 位d e m 1 g s p s 分段电流舵结构d a 转换器。采用5 + 5 + 4 的分段方式，高五位和中五位采 用动态温度计码加权电流源结构，低四位采用二进制加权电流源结构。本文研究 了电流源的设计方法，以及动态和静态性能参数对输出阻抗的要求；用m a t l a b 建模验证了q 2 布局可以有效地减小系统误差和随机误差导致的电流源失配；为进 一步提高d a c 的动态线性，设计了新型的高速低交叉点开关驱动电路，温度系数 1 3 p p m * c 的带隙基准以及偏置电路。该d a 转换器采用双电源供电，数字电源 1 8 v ，模拟电源3 3 v ，采用差分输出结构，满量程输出电流1 0 m a ，通过外接电 阻5 0 q 的电阻转换成输出电压。 基于c a d e n c es p e c i e 和m a t l a b 工具完成了1 4 位1 g s p sd a 转换器的仿真验 证，差分输出电压摆幅为士o 5 v ，s f d r 为7 2 6 d b f c l k = l g h z 且f i n = 1 0 m h z ，s f d r 为6 3 9 d b f c l k = lg h z 且f i n = 5 0 m h z ，s f d r 为6 1 5 d b f c l k = 1g h z 且 f i n = 1 0 0 m h z 。运用v i r t u s o 绘制版图、对版图进行设计规则检查( d r c ) 和版图电路 原理图对l 匕( l v s ) ，d a 转换器芯片核心动态功耗2 8 0 m w ，芯片有效面积为 0 8 5 m m * 1 】7 m m 。 关键字：d a 转换器动态元素匹配电流源带隙基准开关驱动电路 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , a 14 - b i t d e m ( d y n a m i ce l e m e n tm a t c h i n g ) s e g m e n t e d c u r r e n t - s t e e r i n gd ac o n v e r t e ri sd e s i g n e dw i t hs m i c0 18 1 t mm i x e d - s i g n a lc m o s t e c h n o l o g yl i b r a r y , a n dt h es a m p l i n gc l o c kf r e q u e n c yi s 1g h z i nt h e s e g m e n t e d a r c h i t e c t u r ew i m5 + 5 + 4s u b w a y , t h e5m o s ts i g n i f i c a n tb i t sa n dt h em i d d l e5 s i g n i f i c a n tb i t sa r ed y n a m i ct h e r m o m e t e rd e c o d e d ，t h e4l e a s ts i g n i f i c a n tb i t su s e s b i n a r y - w e i g h t e dc u r r e n ts o u r c es t r u c t u r e t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ei m p e d a n c ea n dt h e m i s m a t c ho fc u r r e n ts o u r c e ；b a s e do nm a t l a bm o d e ，c u r r e n ts o u r c el a y o u ti s v e r i f i e dt ob ee f f e c t i v ei nr e d u c i n gt h em i s m a t c h ；i no r d e rt oe n h a n c et h ed a cl i n e a r , a n e wt y p eo fh i g hs p e e dl o wc r o s sp o i n ts w i t c hd r i v ec i r c u i t ，t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to f 13 p p m * cb a n d g a pr e f e r e n c ea n db i a sc i r c u i ta r ed e s i g n e d u s i n gd u p l i c a t es u p p l y , w h i l ed i g i t a ls u p p l yi s1 8 va n da n a l o gs u p p l yi s3 3 v t h i st h e s i su s e sad i f f e r e n t i a l o u t p u ts t r u c t u r e ，f u l l - s c a l eo u t p u tc u r r e n ti s10 m a ，a n dw ec a nt r a n s f e ri t t oo u t p u t v o l t a g e 、析t ha5 0 f 2r e s i s t e r u s i n gs p e c t r ea n dm a t l a bt o o l s ，c i r c u i t s d e s i g n i n ga n ds i m u l a t i o n sa r ed o n e ，t h e d e s i g n e d d ac o n v e r t e rh a st h ed i f f e r e n t i a l o u t p u tv o l t a g es w i n go f 士0 5 v , s f d r = 7 2 6 d b f c l k = l g h z a n d f i n = 1 0 m h z ，s f d r = 6 3 9 d b f c l k = 1 g h z a n d f i n = 5 0 m h z ，s f d r = 6 1 5 d b f c l k = 1 g h za n df i n = 1 0 0 m h z u s i n gv i r t u s o ，l a y o u ti s d r a wa n dv e r i f i e d t h ec o r ed y n a m i cp o w e rc o n s u m p t i o ni s2 8 0 m w ；t h ec h i pa r e ai s a b o u t0 8 5 m m 奉1 】7 m m k e y w o r d ：d ac o n v e r t e r d e mc u r r e n ts o u r c e b a n d g a pr e f e r e n c e s w i t c hd r i v ec i r c u i t 第一章绪论 第一章绪论 目前，数字电路系统己广泛应用于各学科领域及日常生活中，数字信号处理 能力日益强大。采用数字信号处理能够方便地实现各种自适应算法，完成模拟电 路无法实现的功能。但现实世界是模拟的世界。模拟信号需要转化为数字信号送 入数字系统进行处理，而处理完成的各种数字信号，最终要通过数模转换技术变 为可输出的模拟信号才能为人们所识别。模拟信号和数字信号间的转换由a d 、 d a 转换器完成。a d 、d a 转换器是沟通模拟世界与数字世界的桥梁，是一种重 要的接口电路，在当今信息时代越来越受到重视。 1 1 研究背景 数模转换器( d i g i t a l a n a l o gc o n v e r t e r ，简称d a 转换器，也称d a c ) 是一 种将数字输入信号转换成模拟输出信号的集成电路，广泛应用于通信、多媒体、 工业控制和仪器仪表等领域。其性能的好坏直接影响整个系统的性能。 近年来，数字信号处理技术迅猛发展，新理论、新算法不断涌现，数字信号 处理电路性能全面提高，相应的系统对d a 转换器的要求也越来越高，一般都要 求d a 转换器具有足够高的数据处理速度和足够高的分辨率。随着半导体工艺的 不断进步和器件尺寸的不断小型化，在笔记本电脑、移动通讯等便携式设备和系 统飞速发展的推动下，低压低功耗设计已成为集成电路发展的重要方向，广泛应 用于任何携带能源有限的设备，像手机、笔记本电脑、卫星电子设备等等。另外 激烈的市场竞争对电子设备的性能要求越来越高，对开发与生产成本的制约日趋 严格，芯片面积成了节约成本，赢得市场的关键。因此当前对数模转换器研究的 趋势是高速、高精度、低压、低功耗和高集成度【1 1 。 我国从七十年代开始研究d a 转换器，起步较晚，但由于国家的重视，国内 各高校、研究所以及i c 设计公司在集成电路设计方面投入了很大的科研精力，已 研制出8 位、1 0 位、1 2 位、1 4 位、1 6 位的d a c 产品。尤其是近几年经济高速发 展，国家科研投入加大，高速高精度的d a c 成果显著，但是和国外数模转换器的 研究在工艺和设计水平上都还有一定的差距。国外的芯片价格昂贵，且部分高性 能芯片对我国实行禁运。我国国民经济的发展，国防实力的提升都离不开微电子 技术和高性能芯片的支撑。为打破国外的技术垄断，保证我国国民经济的持续健 康发展和国防实力跨越式提升，必须研发具有自主知识产权的高性能芯片，以保 证我国不受外部势力的技术约束，屹立于世界强国之林。 2一种1 4 位d e mi g s p sd a 转换器 1 2 国内外发展现状 数模转换器在民用和军事上应用广泛，诸如工业控制、卫星通信、电子对抗、 卫星导航导弹制导、医疗器械、多媒体技术等等。特别是各种战略武器系统应用， 对d a c 的性能要求很高。各国都非常重视这方面的研究工作。 在过去几十年，随着通讯、多媒体的飞速发展，数字技术的广泛应用促使了 数模转换器的长足发展。推动了d a c 设计制造商研制出许多新的电路结构和新工 艺，以及各种不同用途的高速高精度低压低功耗d a c 。国外许多著名大学、研究 机构和知名公司都致力于新型d a c 的研发，并在该领域取得了较大进展。 首先是d a c 学术研究史上具有里程碑意义的几项成果。美国伊利诺斯大学 a l e xr b u g e j a 等人在美国国家科学基金的资助下研制的1 4 位1 0 0 m s p s 的自校准 c m o sd a c 。采用f l o a t i n gm s b 电流源和跟踪衰减输出级电路1 2 j ，保证良好的静 态性能的同时提高了动态性能，并提高了输出驱动电流，此设计结构采用了电流 定标，输出电流直接驱动电阻负载。无需电压缓冲器，但它的静态特性受电流源 参数匹配的限制，对工艺要求较高。加入自校准电路可以改善电流定标d a c 静态 性能。校准电路的核心是一个可修正的浮动m s b ( 最高位) 电流源，为保证校准 是自发进行的，校准电路必须工作在测量和校准两个过程下。这样就增加了电路 的复杂度。 1 9 9 9 年，比利时l e u v e n 大学的g e e r t a m v a nd e rp l a s 等人提出了四象限随 机流向开关的新型电流控制结构。采用分段电流舵，电流源随机选择技术研制成 功了1 4 位c m o sd a c 。此d a c 克服了电流舵d a c 所具有的因工艺参数不匹配 而导致的静态性能不佳的缺点。系统误差比之前传统结构的误差改善了大约5 0 倍，并且无需专门的校准电路即可获得良好的静态性能。其所依据的原理是电流 源随机选取，使得电流源的分布误差互相抵消，减小了总误差。降低了失配的影 响。测试结果表明，系统误差和累积误差都得到有效衰减1 3 j 。与采用校准或特殊版 图的d a c 相比，这个结构还有一个优点，其芯片面积和功耗都比较小。 国外的许多著名公司在高速数模转换器领域也取得了巨大的进展。a d i ( a n a l o gd e v i c e s ，i n c ) 作为业界领先的数据转换器供应商，提供较为齐全的数模 转换器系列，涵盖8 位至2 4 位性能各异的产品，有音频d a c ，高速d a c ，宽带 编码解码器，数字电位器，数字上变频器和下变频器及视频编码器等几个大类。 a d i 最新的高速a d 9 7 3 9 是1 4 位2 5 g s p s 的高速d a c ，利用c m o s0 1 8 u r n 工艺 制造，采用了一种特有的新型开关结构增强了动态性能。在2 5 g s p s 时芯片功耗 为1 i w ，量程可调，其输出电流为8 6 6 m a 3 6 m a 【4 j 。m a x i m 公司最新生产的 m a x l 9 6 9 3 是1 2 位单通道4g s p sd a c ，专为高频、宽带信号在第一奈奎斯特区 间直接数字合成而优化，具有优异的杂散、噪声特性和宽带动态特性。输入信号 第一章绪论 为8 0 0 m 时，s f d r ( 无杂波动态范围) 高达7 0 d b ，功耗1 。1 8 w ，输出电流为2 0 m a t 5 1 。 这些产品代表了工业界高速d a c 的最高水平。表1 1 是a d i 和m a x i m 公司最新 产品。从表中可以看出国外公司的研究水平。 表1 1a d i 和m a x i m 公司最新产品 产品型号位数时钟频率输出电流电源电压功耗 ( b i t ) ( g s p s )( m a )( v )( w ) a d l 9 7 8 01 42 4c m o s3 3 1 81 6 a d 9 7 3 91 42 58 6 6 3 1 6 63 3 1 81 1 a d l 9 7 7 91 6l8 7 3 1 73 3 1 81 m a x l 9 6 9 3 1 24 2 03 3 1 81 1 8 m a x l 9 6 9 21 22 32 03 3 1 80 7 6 m a x 5 8 7 91 42 38 03 3 1 82 3 1 3 本论文工作 d e m ( d y n a m i ce l e m e n tm a t c h i n g ) 编码的分段式电流舵结构d a 转换器具有 谐波失真小，分辨率高、采样速率高以及与标准c m o s 工艺相兼容的优点，因此 本论文研究并设计了一种1 4 位分段电流舵d e m 编码的d a c ，采用5 + 5 “的分 段方式。本设计采用s m i co 1 8 u m 混合信号c m o s 工艺库，数字电路供电电压为 1 8 v ，模拟电路供电电压为3 3 v ，时钟采样频率为1 g h z ，差分输出，满量程输出 电流1 0 m a ，输出电流经过外接5 0 q 的电阻转换成差分输出电压，满量程输出电 压为0 5 v 。使用c a d e n c e 全定制式模拟i c 设计平台，基于m a t l a b 和c a d e n c es p e c t r e 进行系统建模和电路设计仿真，运用v i r t u s o 绘制版图、对版图进行设计规则检查 ( d r c ) 和版图电路原理图对比( l v s ) 。 论文具体章节安排如下： 第一章为绪论，介绍了数模转换器研究的背景及国内外的发展动态，简述本 论文的工作。 第二章为基础知识部分，首先介绍了d a 转换器的工作原理和评估其性能的 特性参数，包括静态特性参数、动态特性参数。重点分析了d a 转换器三种常用 结构，通过对各结构优缺点的分析确定高速d a 转换器的结构。 第三章为本文设计的1 4 b i td e m 编码d a 转换器总体结构，介绍了本文编码 电路的实现方式，着重分析了电流源的设计，静态动态参数对电流源输出阻抗的 要求，最后通过m a t l a b 建模确定本d a 转换器的电流源布局。 第四章主要给出了本文所设计的d a 转换器内部各单元电路的设计和性能仿 真分析。包括开关驱动电路，运算放大器，带隙基准，偏置电路，并对整体电路 4一种1 4 位d e mi g s p sd a 转换器 进行功能和性能仿真。 第五章主要研究d a 转换器的版图实现。首先是在版图设计过程中需要考虑 的一些问题，最后给出整个d a 转换器的版图。 第六章是总结与展望。 第二章d a 转换器的特性参数和基本结构 第二章d a 转换器的特性参数和基本结构 在设计d a c 之前，需要了解其工作原理和参数，这些参数包括静态、动态特 性参数。本章首先简述了d a c 的基本工作原理，然后较为详细的介绍了衡量其性 能的特性参数。另外实现d a c 的电路结构很多，每种结构都有自己的优缺点，为 了确定本设计所采用的结构，本章分析了电阻、电容、电流舵结构d a c 的优缺点。 最后确定动态编码分段电流舵d a c 作为本高速高精度d a 转换器设计的电路结 构。 2 1d a 转换器的基本工作原理 数模转换器的功能是将离散数字输入信号转换成相应的连续模拟输出信号。 它接收输入数字，然后产生和数字量、基准电压成正比的电压或者电流，实现输 入数字信号和模拟输出电平一对一的关系。数字信号有两种状态，高电平( “1 ”) 和低电平( “0 ”) ，电平随着时钟跳变，因此数字信号在时间和幅度上都是离散的。 输出信号时间上连续，幅度被输入信号调制。这种转换功能如图2 1 所示【6 1 。 1 0 1 0 0 0 0 1 1 l o o o l o o o o 0 1 0 1 0 0以 d a c o n v o r t e r d i g i t a l a n a l o g d i s c r e t et i m e c o n t i n u o u sf i m e d i s c r e t ea m p l i t u d e c o n t i n u o u sa m p l i t u d e 图2 1 数模转换器功能图 在时域上看，d a c 的输入是一个码字，这个码字是由数字信号处理系统产生 的并行的二进制信号组成的，利用参考基准量，这些并行的二进制信号可以转换 成等价的模拟信号。假设一个d a c 的输入为一个n 位( q d 2 d 3 d ) 并行二迸制 码，则相应的十进制数d 可以表示： d = d 1 2 - 1 + d 2 2 一2 + d 3 2 一3 + + p 2 0 ( 2 1 ) 其中d l 被称为“最高有效位”( m o s ts i g n i f i c a n t b i t ，简称m s b ) ，其权重是2 - 1 。 d 被称为“最低有效位”( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ，简称l s b ) ，其权重最小，为2 0 。 根据电路结构的不同，参考基准量是电压、电荷或者电流。假设参考基准量为基 准电压，那么输出模拟电压量可以表示为： 6 种1 4 位d e m1 g s p sd a 转换器 = k d = k ( d 1 2 。1 + 皿2 。2 + d 3 2 。3 + + d 2 。) ：k 兰q 2 州 2 乏 j = l 式中k 是比例因子。口是输入数字码d 中第f 位代码，其数值为o 或者1 。2 - 是第f 位的权重。根据式( 2 2 ) 我们可以得出，输出模拟量与输入数字量是一种线性 关系，且是正比例函数关系。输入的数字码字每增加1 b i t ，模拟输出量将增加1 l s b 。 1 l s b 的值为： 1 三s b = 卫簪 ( 2 3 ) k 加权网络电子开关网络 叫2 z1 一、一 一 12 * - i k l 、一 一 、 - 12 0 kl o d id ，id n a 图2 2 d a c 的结构原理图 由图2 2d a c 的结构原理图可以看出，加权网络实现不同权重的电学量( 电 压，电流或者是电荷) ，输入数字码d 通过开关控制这些电学量的叠加求和。 从频域的角度分析，数模转换器是从采样信号中恢复原信号。 a ( c o ) = i i a ( t - k 毒2 石妒劬丁) ( 2 4 ) , i t 足= 其中t = l 工是时钟周期，a ( o t k * 2 ，r ) 为冲激采样形成的输入信号，4 ) 是 输出模拟信号的频谱。 p 细) = f p ( f ) 是幅度调制波形【刀。 图2 3d a c 结构框图 图2 3 详细地描述了d a c 的基本结构，它包括基准电压源，电阻( 电容或电 流) 网络，模拟开关电路，加权电路，运算放大器，模拟输出等电路模块。实际 第二章d a 转换器的特性参数和基本结构 7 应用的d a c 根据应用领域的不同，结构框图可能会稍有差别。 2 2d a c 的特性参数 这一节介绍d a c 的特性参数，有静态特性参数、动态特性参数。静态参数描 述低频时d a c 的输出相对于理想输出的偏离，包括分辨率，精度，失调误差、增 益误差、积分非线性、微分非线性、单调性误差和量化噪声等。动态参数描述d a c 在高频时的非线性。包括建立时间、毛刺、摆率、时钟馈通、信噪比( s n r ) 、信 噪失真比( s n d r ) 、无杂波动态范围( s f d r ) 等。另外，环境特性参数用来表征 d a c 受环境的影响，主要包括供电电压、功耗、芯片面积、适用温度范围等。 2 2 1 静态特性参数 1 ) 分辨率 分辨率( r e s o l u t i o n ) 是指数字输入的最低位变化1 时，模拟输出的变化量av 与 满量程输出电压圪。的比值。 分辨率2 等= 击 ( 2 - 5 ) 分辨率越高，d a c 工作时对数字输入量的微小变化的反映就越灵敏。根据式 ( 2 5 ) ，n 越大，分辨率越高。分辨率和输入数字码的位数有关【8 1 。一般情况下， 分辨率用n 来表示：像1 0 位、1 2 位、1 6 位、2 4 位分辨率等，分辨率是1 0 ，就表 示该转换器能对( 2 1 0 1 ) 这样的微小变化量做出反应。 2 ) 精度 精度( a c c u r a c y ) 是指d a c 工作时，实际的模拟输出值和理想值之间的最大偏 差。它反映了d a c 实际转换特性曲线相对于理想转换特性曲线的拟合度。是增益 误差、失调误差、线性误差和噪声等累积的结果。因此影响上述误差的因素都会 影响精度，比如电路的热噪声，闪烁噪声，温漂，系统失调，随机失调等。 表示精度一般有两种方法，一种是用满量程的百分比( f s r ) 表示，另一种 是以最低位( l s b ) 对应的模拟输出值表示。 分辨率和精度是两个不同的概念，高分辨率的d a c 不一定有高的精度。 3 ) 失调误差 数字输入d = 0 时，理想d a c 的模拟输出为零，但对于实际的d a c 来说，输 出则是非零电压。失调误差( o f f s e te r r o r ) 表征的是数字输入d = 0 时，模拟输出值 8一种1 4 位d e m1 g s p s d a 转换器 和零的偏离。失调误差又称偏移误差或零点误差1 9 1 ，如图2 4 所示。失调可以看作 是实际输出曲线相对于理想曲线的平移。 图2 4 失调误差 输出失调误差可正可负，以l s b 为单位进行描述，也可以用误差值占满量程 输出的百分比来表示。即： 失调误差= 急i o o ( 三s s ) ( 2 - 6 ) j 、 戥 失调滕刮。 协7 ， 失调误差可以通过设计一些补偿电流源进行补偿，用激光修正，熔丝校准等 方法实现。 4 ) 增益误差 d a c 的实际输出曲线的斜率与理想输出曲线斜率的差称为增益误差( g a i n e r r o r ) 1 们。以3 位d a c 为例，如图2 5 增益误差。 线 输入数字量 图2 5 增益误差 失调误差和随机误差都不会引入非线性。增益误差以l s b 为单位进行描述， 第二章d a 转换器的特性参数和基本结构 9 或用此误差值占满量程输出电压的百分比来表示，即： 增益误差= 匕考皆( 三s b ) ( 2 8 ) 或 怕必；早兰一一 增益误差= 型丛二_ 盟 1 0 0 ：毕二幺木1 0 0 ( 2 9 ) ( 2 州一1 ) 5 ) 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 ，简称i n l ) 是d a c 的一个比较重要的静态参 数，定义为的d a c 的实际输出曲线与理想输出直线之间的最大偏差，如图2 6 所 示。i n l 反映了整条输出曲线的线性度，根据定义，可以表示为： d n l = m a x ( 1 ，( b ) 一，磁口，( b ) i ) ( 2 一l o ) 理想曲线是对实际输出曲线做最d x - - 乘法拟合而成的直线，这样，i n l 就不会 包括增益误差和失调误差忉。i n l 常用l s b 为单位，即： n l ：毕l 女；。2 一l ( l s b ) ( 2 11 ) 7l s b 在实际d a c 设计中，通常要求d a c 的i n l 小于0 5 l s b 。i n l 与工艺上器件 的匹配性和线性特性等有关，芯片上电流源阵列的系统误差也对i n l 有很大影响。 6 ) 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 ，简称d n l ) 指的是任意两个相邻的输入数 字码所引起的数模转换器的模拟输出增量与理想输出增量( 即1 l s b ) 差的最坏情 况。是d a c 另一个比较重要的静态参数。如图2 6 所示。 输 出 模 拟 量 输入数字鼍 图2 6d a c 的i n l 和d n l 根据定义，可表示为： d n l = m 觚( i 艺埘( k ) 一艺耐( k 一1 ) 一1 三船1 ) ( 2 1 2 ) 1 0 一种1 4 位d e m1 g s p s d a 转换器 d n l 常用l s b 表示，一般要求该参数在0 5 l s b 以内。 d n l = 訾i , - - o 2 - i - i ( l s b ) ( 2 - 1 3 ) i n l 和d n l 之间有下面的关系【l l j ： 七 i n l k = n l o + d n l j = l d n l k = n l k 一n l k l ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 7 ) 单调性 在满量程范围内，如果d a c 的模拟输出随着输入数字码的增大而增大，那么 我们就称该d a c 具有单调性( m o n o t 0 i l i c i 够) ，反之称为非单调性。图2 6 表示了输 入数字码从0 1 1 变到1 0 0 时出现的非单调性。显然，一个非单调性的d a c 的d n l 是相当差的。 如果一个二进制d a c 的i n l _ c 1 时阻抗带宽高，所以电流源做成一个阵列，c a s e c o d e 和开关管的连线尽 可能的短，以减小大的c 1 对电阻带宽的影响。 图3 1 1 带互联线寄生电容的电流源阻抗 3 5 电流源的布局 电流源的布局以及互联线是影响d a c 性能的重要因素，接下来依据芯片上电 流源误差分布模型，得出本d a c 采用的布局方法。 电流源由于随机误差和系统误差往往会偏离电路设计时设定的电流值，导致 静态动态性能下降。电流源布局的目的就是尽量消除随机误差和系统误差，尽量 保证版图上的每个电流源接近理想值。 电流源的随机匹配误差由其匹配特性决定，失配反比于器件的面积的1 2 次 方，即： = 锯“蛾争击 ( 3 矧 处在饱和区的m o s f e t 的电流特性为： i d p q ( ) ( 2 一l 1 ) ( 3 3 4 ) 两个标衬相同的晶体管，p 、c 二、矿、l 以及l l 之间的失配都会导致漏 极电流厶的失配。这些失配是由一些随机因素在i c 制造的过程中产生的。像制版 偏差、光刻误差、以及掺杂浓度等的随机起伏、晶体管的阈值电压、尺寸等发生 极细微的变化。这些变化没有规律，都是随机的，称为随机误差。减小随机误差 3 6一种1 4 位d e m1 g s p sd a 转换器 的影响在设计管子尺寸时己考虑。3 2 节的b o s c h 失配模型就是考虑随机误差后得 出电流源的最小尺寸。 系统误差分为梯度误差和中心对称误差。系统误差的误差源很多，像栅氧化 层厚度，边缘效应，电源线上的压降，温度分布等等。这些非理想因素的存在使 得每个电流源产生的电流有差异，导致在输出端产生失真。下面来介绍几种主要 的系统误差源。 1 边缘效应位于电流源阵列边缘的电流源与内部的电流源所处的周围环境不 一样，电流的值也会有差别。为了避免这一误差，要在阵列的周边行列加入d u m m y 管，数目在两三行( 列) 即可。这样每个有效电流源的环境相同，电流值的失配 减小。 2 电源线上的压降一外部模拟电压源到内部每个电流源的局部电压源之间要经 过引脚，p a d 和金属线。金属线上有寄生电阻，当电流经过金属线时会产生电压 降。芯片内电流源阵列中的各个电流源与外端引脚的距离不同，所以在电源线上 会产生压降使得每个电流源的局部电压源会有差异，离电源越远，电压越低。以 pmos 电流源为例：电流源阵列中的电源线必然要驱动大量的pmos 电流源。 现在假设有一条电源线驱动n 个间距为l 输出电流为i 的电流源，两电流源间寄 生在导线上的电阻与导线长成正比记为r 。这样流过导线初始端的总电流为n * i ， 初始端电压为v d d ，初始端正好接在第一个电流源的源端，第一电流源pm 0s 管的。= v d d 一。由于这第一个电流源要从总电流中抽走电流i ，流过第一第 二电流源间的导线上的电流减小为( n - i ) i ，这个电流会在导线寄生电阻r 上产生 大小为( n 一1 ) i r 的压降，所以第二电流源p m o s 管的2 = v d d 一圪一 一1 ) i r ，栅 源电压将偏离设计值，导致电流源输出电流偏离设计值。依此类推可知第i 个电 流源，= v d d 一一研一1 ) i r 一伽一2 ) i r 一0 一f + 1 ) 职。可见如果电源线驱动的电 流源个数很多走线很长就会产生与距离成平方关系的压降。所以必须仔细考虑这 个寄生电阻。电源线和地线尽量布的宽一些，另外在版图设计中采用两端电源亦 可有效减小误差。 3 工艺梯度一芯片上的应力梯度，栅氧化层厚度。对整个晶圆，这些误差是随机 变化的，但是具体到一个小的局部的区域来说，可以等效为一个平面，因此这些 变量是梯度误差。 4 温度误差一中心对称误差。d a c 工作时电流源阵列需要散热，中心部分不容 易散热，所以中心温度最高，向边缘递减。 为了研究以上这些误差的影响，建立了m a t l a b 模型，系统误差的分布可以用 一次函数和二次函数的叠加来建模。一次函数表示为： s t ( x ，少) = a t c o s 0 x + a t c o s 0 y ( 3 3 5 ) 0 f o ，3 6 0 表示梯度的角度，a t 表示梯度的坡度，由工艺决定，( x ，y ) 表示电 第三章1 4 位d e m1 g s p s d a 转换器3 7 流源晶体管所在的位置。 二次函数表示为： s ，( 石，力= q ( x 2 + y ) 一 ( 3 - 3 6 ) 口，6 0 是工艺参数，( x ，y ) 表示电流源晶体管所在的位置。 实际的误差分布是系统误差和随机误差的叠加，用公式表示为： s ( x ，y ) = g ，( x ，y ) + s 。( x ，y ) + f ( 肛，6 ) ( 3 - 3 7 ) 厂( p ，6 ) 表示期望为u ，方差为6 的高斯分布。 根据上述模型，用m a t l a b ( 代码在附录a ) 结合梯度和中心对称误差以及随 机误差的数据。一个随机误差服从期望为i r e f ，方差为s d 的高斯分布，系统误差 包含梯度和中心对称误差的电流源阵列可以表示出来。 图3 1 2 电流源阵列误差分布图 图3 1 2 显示的是电流源值和位置的关系，从图中我们可以看出，电流源并不 是理想的全部等于我们所设计的值，而是在其附近有偏差，这些偏差就是系统误 差和随机误差。d a c 电流源的版图布局就是围绕如何降低这些非理想因素对d a c 性能的影响而进行的。 电流源阵列在整个d a c 版图设计中是面积最大的一个单元，同时也是最重要 和关键的一个单元。电流源之间的匹配精度直接影响d a c 的线性度，因此，必须 采用一定的方法来尽量减小电流源之间的误差。为了减小误差源对整个d a c 静态 动态性能的影响，电流源阵列中的单位电流源布局和导通顺序往往采用质心对称 3 8一种1 4 位d e m1 g s p sd a 转换器 ( c o m m o n - c e n t r o i d ) ，双对称( d o u b l es y i i h i l e 衄) 或者q 2r a n d o mw 甜k 等随机开关导 通方法。图3 4 是电流源四象限法分布原理图【2 9 】。 如果构成m s b 的这3 2 个i s b 做在一起，会产生较大的一阶误差和二阶误差， 为了减小这些误差，结合图3 1 0 误差分布图。我们可以将这3 2 个小管子平均分布 到四个象限中。 a1 个单元格实现 j 一j - 一一 i ii 一1 _ 一一1 一 - 一1 一。- 一卜一m lll ii 一 j 一 il b 4 个单元格实现 c1 6 个单元格实现 图3 1 3q 2 布局示意图 在图3 1 3 中，a 一个m s b 用一个单元格来实现，即组成m s b 的3 2 个单位电 流源放在一个单元格中，图b 是一个m s b 用四个单元格来实现，即一个单元格分 成四个小的单元格来实现单位电流源，构成m s b 的四个i s b 分布在四个小格里。 图c 一个m s b 用1 6 个单元格来实现，即一个单元格分成1 6 个更小的单元格，每 个m s b 平均分布1 6 个小格子里。这种方法使得误差平均化，正负互相抵消，可 以有效地减小一阶和二阶误差，提高d a c 性能。本文d a c 设计采用q 2r a n d o m w a l k 布局来构造电流源阵列。 本文的电流源阵列包括4 个二进制权重的电流源和6 6 个单位权重的电流源， 中位和高位的电流源做在一个大的阵列中，低位电流源做在另外一个小阵列中。 d a c 的总输出电流是1 0 m a ，电路中需要设计两种电流源，即低位的二进制权重 的电流源和中高位的单位权重电流源。低四位二进制权重电流源的大小依次为 1 l s b ，2 l s b ，4 l s b ，1 6 l s b 。中位的电流源的大小为i s b ，共有3 3 个，其中3 2 个 是用来随机选择的，第3 3 个作为补偿。高位的电流源由3 2 个i s b 并联而成，同 样也是3 3 个，同样的有一个用于补偿的m s b 。每一个m s b 分成3 2 个子电流源 ( i s b ) ，每个子电流源按照四象限法分布。另外为了i s b 和m s b 有良好的匹配， i s b 做在阵列的中间。这样阵列中间空缺的地方需要有一些伪电流源。高中位电流 源布局见附录b 。 其次，在版图设计中还需考虑边缘效应，因此在电流源阵列周围增加了两行 两列的伪电流源，使得电流源阵列中的所有电流源有着相同的周围环境，避免了 边缘效应，这虽然增大了面积，但比起减小了失配带来的性能提高来说，这样做 是值得的。 最后，电流源阵列作为敏感的模拟电路，应该用隔离环把它和噪声源隔离开 来，以减小衬底耦合噪声的干扰。 第三章1 4 位d e mi g s p s d a 转换器3 9 由于本d a c 数字编码实现了随机选择，因此，没必要选择开关顺序，每个个 开关打开都是随机的，从严格意思上来说，这种布局方式只能算作q 2 布局。电流 源阵列到c a s e c o d e 管的走线较长，连线上的电阻和电容会影响到电路的性能，所 以走线长度和形状越相同越好，对电流源的影响也接近相同，对整个电路的性能 影响减至最小。 根据m a t l a b 模型，可以得出q 2r a n d o mw a l k 布局方案m s b 电流源电流值相 对于标准值( i 谳= 3 1 2 5 u ) 的偏离，从图3 1 4 可以看出电流值在标准值附近波动， 上下偏差很小。 图3 1 4 醇布局的m s b 电流源电流值 4 0一种1 4 位d e m1 g s p sd a 转换器 第四章d a 转换器的电路模块设计4 l 第四章d a 转换器的电路模块设计 本章将详细介绍各个功能模块具体的电路设计，主要是高速开关驱动电路、 运算放大器、带隙基准和偏置电路的设计，电路的版图将在第五章详细介绍。最 后对整体电路进行了功能和性能仿真。从图4 1 可以看出，d a c 的功能模块主要 包括：编码电路、开关驱动电路、电流源阵列、带隙基准、放大器。本论文侧重 于模拟电路设计，故对编码部分不做过多分析。 m s bi s bl s b 图4 1d a c 内部结构框图 4 1 高速开关驱动电路 高速开关驱动电路是d a c 必不可少的电路模块，其主要作用有两个：同步开 关信号和调整交叉点。开关信号不同步会导致g l i t c h 。以8 位的输入数字信号为例， 当输入码由0 1 11