（微电子学与固体电子学专业论文）多通道低功耗数摸转换器的设计.pdf

摘要 摘要 本项目的目的是设计一个8 路8 比特低功耗数模转换器( d a c ) 的i c 芯片。 随着计算机技术、信号处理技术、微电子技术的快速发展，先进的电子系统不断 涌现。在许多电子系统的后端，应用了数模转换器。在一定程度上数模转换器已 经成为当今电子系统设计的关键部件。因此，在便携式产品日益发达的今天，低 功耗的数模转换器( d a c ) 的应用前景非常广阔。 结合项目指标要求，比较不同结构数模转换器的特点，本数模转换器( d a c ) 设计采用电阻网络i v 2 r 电压型结构。其中电阻网络采用剐2 r 结构，很好地减小 了传统电阻网络的版图面积；输出采用电压形式输出，很好地降低了芯片的功 耗：同时采用r a i l t o r a i l 运算放大器做驱动电路，又很好地增强了驱动负载能 力。这样结合起来就很好的满足了低功耗强驱动负载能力数模转换器( d a c ) 设计 的要求。另外，分配四位数字信号作为地址译码器的控制信号。地址译码器通过 此信号控制每一路数模转换器的数据锁存器，从而达到对多通道的控制，这样最 终实现多通道的设计。 数模转换器的内部电路主要包括电阻网络，基准源，输出驱动电路等模拟模 块，以及寄存器，译码器，所存器等数字电路模块，属于数模混合电路。由于本 设计对数字电路部分的要求比较严格，而且采用电路结构相对简单，所以采用和 模拟电路设计一致的设计方法，即：使用原理图输入设计，全定制编辑版图，对 版图进行d r c ，l v s 以及后模拟验证。使用的是c a d e n c e 中的一系列c a d 工 具。 本设计是采用无锡上华半导体有限公司的0 3 5 u m 双阱5 伏标准c m o s 工艺 实现的。芯片共1 6 个管脚，面积约2 个平方毫米，8 路同时工作时最大功耗为 2 0 l n w 。电路仿真测试的微分线性误差( d n l ) 和积分线性误差( 矾l ) 分别为 】l s b + 】l s b 。 关键词；数模转换器运算放大器微分线性误差积分线性误差 a b s t r a d a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i sp r o j e c ti st od c s i g n 卸8 一b i tl o wp 0 啊e rd i 舀t a l - t o a n a l o g c o n v e n e r ( d a c ) i c o f8p 弱s 鼯 w 汕t h ef a s td e v e l o p m e n t0 fc o m p u t e rt e c h n o l o g ) r ，s i 印a lp f o c e s 豳gt c c h n o l o g y 粕dm i c r o d e c 咖n i ct e c h n o l o g y ，a d v 卸t a g ce l e c t r j cs y s t e m sa r cp r e m e dc o n t i 姗a l l y d a ci sa p p l i e dt ot h eb a c l 【e n do fs 伽eo ft h e m t bs 鲫ee x t e n d ，t h ed a ch 弱b e c o m e t h er e s 埘c i i 蛐o fe l e 咖n i cs y s t e m sd e s i g n n o w a d a y s ，p o na _ b i ep r o d u d sg e tf 龉t g r o w t h ；l o wp o w c r i a ci sv e f yp r o m i s i n g a n e rc o m p 撕n gw i t hf e a t u f e so fd i 侬托n ts t m c t u r e so fd a c ，t h er e s i s t o rn e t w o r k o f 妣rv o l t a g cs t m c t i l r ei sa d o p t e di nt l l i sd a cd e s i 印1 1 l e 贼rv o l t a g cs 咖c t u r cc 姐 f c d u c ct h el a y o u ta r e ao u p i c db yt r a d i t i o n a lr c s i s t o rn e m o r k ；t h eo u t p u t sa r ci l l v o l t a g em o d e ，w h i c hc 锄r e d u c et h ep o w e rd i s s i p a t c db yt h ec h i p ；r a i l t o - r a i l 叩e r a t i o n a la m p l i f i e rw o r l 【s 硒d i i v c rt oe i l h a n c ct h ec a p a b i l i t yo f 埘v i n gl o a d s 础lo f t h i sc 柚m e c tt h ed 锄觚d so fl o wp o w e r 卸ds t m n gd r i v i n gc a p a b i l i t yo fd a cd e s i 萨 t h ei n t c m a lc i r c i l i t so fi ) a cc o n s i s to fa n a l o gc i r c i l i tb l o c k s ( r e s i s t o rn e t w o r k ， f c f e r c n c c 柚do u t p u t “v e r e l c ) 锄dd i 舀t a lc i r c l l i tb l o c k s ( r c 舀s t e rd e c o d e fa n dl a t c h ) s 0i t sam i x e ds i 班a lc i r c l l i t s i n c et l l ed e m a l l df o rd i 舀t a lp a n s d e s i 印i ss t r i c t 卸di t s s t r u c t u r ei ss i i n p l e ，锄em e t h o di sa d 叩i e da s 柚a l o gp a n st od c s i 朗i t n es t e p s i n d u d ed r a w i n gs c h 锄a t i c s 卸dc u s t o m i z i n gl a y o u tm a n u a l l y ，e d i t i n gl h ed r c ，l v s f i l e st ov e r i f yt h el a y o u t 孤d 丘n i s h i n gt h ep o s t s i m u l a t i 彻as e r i c s0 fe d at o o l so f c h d e n c ea i 它u s e d 耵i ec h i pi sf a b r i 讴t e do nt h eo 5 u ms t a i l d a r dc m o sp r o c e s s i nw e l l ，5 v ) o f c s m c t h ec h i ph 雏1 6p i 雌a i l di t sa r c ai s2 m m 。，t h em a 】【i m u mo v 哪up c l w e r c o n s u m e db y8p 鹤s 铭w o 粥n gs i 舢l t a n e o u s l yi s2 0 m w n e 玳l 姐dd n lo ft l l e d a c c h i pt e s t e da r c - 1 + 1l s br e s p e d j v c l y k e y w o r d s ：d i 西t a l 加- a n a l o gc o n v c n e r 、o p e r a t i o n a l 锄p l i f i e r 、c m o s 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导 下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文申作了明确 的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： i 鱼盘 关于使用授权的声明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使 用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允 许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 嚣篓；斡嚣平 第一章概述 第一章概述 1 1 论文背景和意义 数模转换器( d i 百t a lt oa n a l o gc o n v e f t c r ，简称d a c ) 是一种将输入的数字信号 转换成模拟信号输出的电路或器件，它被广泛地应用在信号采集和处理、数字通 信、自动检测、自动控制和多媒体技术等领域。 例如，在工业生产中常常需要对系统的温度参数进行控制，采用数字系统实 现控制过程如图1 1 所示。 图1 1 通过数字系统控制系统温度 如图所示，先用热电偶或其它温度传感器把系统温度转换成电压，经放大和 滤波等预处理，再经过模数转换器( a n a l o gt od i 百t a lc o n v e n c r ，简称a d c ) 变换为 数字信号，送入数字系统处理，根据系统情况和控制要求产生的处理结果用数模 转换器变换为模拟信号，用来改变晶闸管的导通角，从而控制加热系统的功率， 实现对系统温度参数的控制。 在视频图像领域，例如c c d 摄像头系统中，数模转换器( d a c ) 常应用于增益 控制电路，其应用电路如图1 2 所示。 图1 2 增益控制电路 2 多通道低功耗数模转换器设计 综上所述，一方面数模转换器具有和模数转换器相对应的基本功能。模数转 换器使数字系统能从模拟电子系统获取与模拟信号有单值函数关系的数字信号， 而数模转换器则可把数字系统处理输出的数字信号结果变为对应的模拟信号，回 送给模拟系统，以实现对模拟系统工作状态的控制。因此，数模转换器是数字电 子系统和模拟电子系统之间的常用接口电路。另外，随着计算技术，多媒体技 术，信号处理技术，微电子技术的发展，电子技术的应用已经逐渐渗透到军事和 民用领域的各个角落，不断推出先进的电子系统。在现代先进的电子系统前端和 后端都要用到模数转换器和数模转换器，以改善数字处理技术的性能，特别是注 入雷达，声纳，高分辨率视频和图像显示，军事和医疗成像，高性能控制器与传 动，以及包括无线电话和基站接收机在内的现代数字通讯系统应用的高速，高分 辨率，低功耗的模数转换器和数模转换器的需求不断增加。 国内模数转换器和数模转换器的发展起步较晚，但是近年来也引起了重视， 在单片、混合及模块集成技都投入了一定的研制力量，已研制出8 ，1 0 ，1 2 ，1 4 ，1 6 位的模数转换器和数模转换器产品或样品1 1 】f 2 】。典型产品水平为：8 位数模转换器 的建立时间为5 0 l l s ( 如s d 锈2 4 ) ，1 0 位数模转换器的建立时间小于3 7 5 n s ( 如 s d a l o o ) ，1 2 位数模转换器的建立时间小于5 0 0 l l s ( 如s d a 0 0 2 ) 。而样品8 位和1 2 位d a c 建立时间分别为5 n s 和2 0 0 n s ，达到8 0 年代国际同类产品水平1 3 】。但是能 进入商品市场，批量供应用户需求的产品则不多。 国外生产数模转换器的最著名的厂家主要有以下三家：盯( 德州仪器) ， a d i ( a n a l o gd 吖i c ch l c ：模拟器件公司) 、n a t i o n a ls e i i l i o d n d u d 呱国家半导体) ，其 中，1 r i 在2 0 0 0 年成功收购了b b ( b u r r b i o w nc o r p o 豫t i ：巴尔布劳恩公司) ，成 为全球高性能数据转换器的主要供应商。除此之外，m a x i m ( 美信) 、 m 0 1 m r o l a ( 摩托罗拉) 、f a i r c h i l d ( 仙童) 、n e c ( 日本电气) 、等公司。 表1 1 1 r i 公司的d a c 产品介绍1 4 l 型号分辨率电源电压采样频率建立时间功耗零售价 ( 位) ( v )( m s p s )( n s )( m 哪 ( 美元) t h s 5 6 4 1 a8 3 5 1 0 03 51 0 03 t h s 5 6 5 1 a1 0 3 5 1 2 5 3 51 7 54 2 5 t h s 5 6 6 1 a1 2 3 5 1 2 53 51 7 56 2 5 表1 2 a d i 公司的d a c 产品介绍 第一章概述3 型号分辨率电源电压采样频率建立时间功耗零售价 ( 位) ( v )( m s p s ) ( n s )( m w ) ( 美元) a d 9 7 0 98 3 5 1 2 53 53 8 05 8 6 a d 9 7 5 0 1 0 3 5 1 0 03 51 9 0 6 1 8 a d 9 7 5 21 2 3 5 1 0 03 51 8 59 2 4 通过和国外相应产品的性能比较，我们可以看出国内的d a c 水平和国外先 进产品之间还有很大的差距，所以，自行设计生产高速d a c 器件对于我国的军 事、医疗设备和数字通信系统的发展有着举足轻重的意义。综合国外一些集成电 路制造公司( 主要为美国) 的技术资料和产品手册提供的信息，可以看出，数据转 换电路的主要发展趋势是向高分辨率、商转换速率、低功耗、单电源低电压、 c m o s 型方向发展。 1 2 本课题研究的方向及指标 本课题就是基于c m o s 工艺的，低功耗、多通道、高驱动能力的数模转换器 的设计。设计指标为： 1 ) 8 通道( 可控) 2 ) 8 b j t 分辨率 3 1 吁l 2 1 l s b 4 、d n l 9 0d b 增益带宽积g b w s m a l ls i 驴a l 6m h z 闭环带宽 g a i l l - 1 ，r f _ 1 0 k o h m ， 1m h z 丑刚 p e a l 【s h o o t 9 0d b 输出电压范围 s w n 、i g r l 一1 0 0 k o h m o 5v 电源电压抑制比 p s r r v d d = 5 v 6 0d b 系统输入失调电压 1m v 闭环输出电阻 r o g a j n = l ，f _ 1 0 k h z 1o l l i n 电源电流 l 蛙 3 0 0l l a 多通道低功耗数模转换器设计 5 3 运算放大器电路结构 5 3 1r a i l t o r a i l 输入级设计 5 3 1 1 简单r a o r a 输入级n 5 l 图5 2 简单的r a i l t o r a i l 输入级 简单的r a i l t o r 柏输入级如图5 2 所示。它由一个p m o s 输入对和一个 n m o s 输入对构成。电路工作分为三个区：一、当输入共模电压。接近负电源 p 名时，n m o s 输入对截止，只有p m o s 输入对处于放大状态；当接近正电源 。时，p m o s 输入对截止，只有n m o s 输入对处于放大状态；当输入共模电压 处于中间状态时，p m o s 和n m o s 输入对均处于放大状态。图5 2 输入级的总跨 导1 1 6 j 可由下式表示： g 皿tl g m n + g m p 曩卢n i n + 卢p 1 7 ( 5 】) 成和岛分别是n m o s 和p m o s 管的跨导参数，l 和分别是n m o s 输入对和 p m o s 输入对的尾电流，设计时尾一以、l 一，。 图5 3 输入级跨导变化曲线 以上分析可以看出，当吆。在中间状态时，输入级的总跨导变化约一倍如图5 - 3 所示。g m t 的变化会导致运算放大器的增益、带宽都发生改变，这种变化使得频 率补偿变得更加困难。这样在某些情况下运算放大器的性能可能会发生致命性的 变化。因此，必须设计一定的辅助电路来减小甚至消除这种g 。的变化。 近年来出现了多种恒定跨导的方法。比如：一、当只有一对输入管工作时， 采用4 倍l 或，。的方法。这种方法的g 。偏移率通常有2 0 ，而且有两倍的转换 速率变化；二、移位电平法，此法偏移量能做到低于1 0 ，但是g m t 对热电常数 和电源电压的变化很敏感，而且结构比较复杂；三、最大电流i 一和i 一 第五章输出驱动电路的设计 法，这种方法的优点是基本与工艺无关，但是它需要配置相应的最大电流计算电 路和电流控制电路，这样一方面在结构上带来了很大的复杂性另一方增加了版图 面积；四、平方根电路恒定跨导法，这种方法的电路结构比较简单，跨导偏移率 也不是很高。权衡以上各种恒定跨导方法的优缺点，结合本项目的指标要求，本 项目采用平方根电路恒定跨r a i l t o r a i l 输入级结构。 5 3 1 2 平方根电路恒定跨导r a t o r a 输入级1 1 7 1 图5 - 4 平方根恒定跨导输入级 平方根电路是利用m o s 管在饱和区工作状态下，其一，呈现平方根特性原 理，即 驴厮 ( 5 2 ) 式中k 为定值等于2 l i c o x 、w l 也为常量，厶为m o s 管的电流，所以 g 。口。 ( 5 3 ) b 为跨导常数。由( 3 ) 式可知，g 。正比于，d 的平方根。本文设计的平方根恒定跨 导输入级如图3 所示。尺寸相等的p m o s 晶体管膨。、肘，、膨。、m 。使得输入级 的尾电流平方根之和为定值，从而保证输入级的总跨导恒定；电流开关管 九与 m 。决定在不同输入共模电压下，输入级电流l 和，。的大小；同时p m o s 输入对 的跨导常数以与n m o s 输入对跨导常数成设计相等，p m o s 输入对和n m o s 输 入对晶体管的宽长比是依据工艺参数进行设计的，设计公式为 k w ( ) w k ，( 丫台r 一声( 删 这样，在0 5 伏共模输入电压范围内，此平方根恒定跨导输入级在不同阶段 下的总跨导分别如下： 多通道低功耗数模转换器设计 当共模输入电疰在2 - 5 伏时，晶体管m 。和m ，工作，与m ：截止，开关管 肘。关闭，鸩。打开。根据图5 4 知，输入级电流，与l ： l - l - 4 ， ( 5 5 ) j r ，i i 9 1 0 ( 5 6 ) 将( 5 5 ) ( 5 6 ) 两式代入式( 5 1 ) 得输入级的总跨导： g 。r - g m + 占。p1 2 卢， ( 5 7 ) 当输入共模电压在0 - 1 4 伏时，晶体管肘。和m ：工作， 与 毛截止，开关 管m 。打开，膨，。关闭。此时输入级电流l 与，： ，一九。- o ( 5 8 ) ，p 。k ，- 4 ， ( 5 9 ) 同样将( 5 8 郧9 ) 两式代入( 5 1 ) 式得输入级的总跨导： g ri g 帆+ g 。l p1 2 卢， ( 5 1 0 ) 当输入共模电压在1 4 - 2 伏时，晶体管 t 、m ：、m 。、肘，都工作，开关管 肘。、肘。都不关闭。这样，输入级电流l 与l ： ，一如。，o ( 5 1 1 ) 一k ，_ o ( 5 1 2 ) g m t 一卢( i m + i m ，) ( 5 1 3 ) 由图5 - 4 可知 v s 螂7 + v s 州6 。v s o 姗+ 硼 ( 5 1 4 ) 由于肘6 、肘，、肘。、m 9 设计尺寸相等且同为p m o s 晶体管。所以，根据m o s 管在饱和状态下其导通电流、跨导以及栅源电压p 盈的关系，可将等式( 5 1 4 ) 替换 为： 罹+ 罹一跃+ 罹 ( 5 1 5 ) 又因为： i = k i ( 5 1 6 ) 所以通过( 5 1 5 ) ( 5 1 6 ) 两式可得： i m + i m 一2 i ( 5 1 7 ) 将式( 5 1 7 ) 代入式( 5 1 3 ) 得到输入级的总跨导为： g 。l t 葺g 。州+ g 。p1 2 卢i ( 5 1 8 ) 比较( 5 7 ) ( 5 1 0 ) ( 5 1 8 ) 三式，可知，此输入级在三个不同阶段下的总跨导都等于 2 芦i ，为定值。所以，简单的r a i l 珏r a i l 输入级采用平方根电路改进后，其跨 导将趋于恒定。这样就很好的解决了输入级的总跨导随共模输入电压变化而变化 的问题。 第五章输出驱动电路的设计 5 3 2a b 类输出级设计1 1 8 】【1 9 l 葬 4 7 一 ( a ) c l 峪sa b 输出级( b ) a 类输出级 图5 5 c l a s sa b 输出级如图5 5 ( a ) 所示。晶体管 以，膨，都为n 管，且栅极相连源 极接地，晶体管坞、m 。以及时，、m 。分别为电流镜。当鸩、膨：栅源电压圪 上升时，m ：导通电流0 ：增加，如：增加将使输出p m o s 管l 瓦的导通电流k 。增 加。这样k 。的增加使得输出电压，上升；此外，圪上升，j l f 。导通电流k 。也 增加，由于k 。加上肛导通电流o ，等于电流源电流i ，所以0 。增加将使输出 n m o s 管肘。的导通电流。减小。这样k 。减小同样使得输出电压p 0 ，上升。同 理可推，当栅源电压下降时，输出电压，也下降，不过，。的最大电流受电流 源电流l 和膨、m ，电流镜比值的限制，因为k 。等于乘以i 。为了减少 输出级的静态功耗，在静态工作时，尽量分配给m ，的电流占电流源电流i 的比例 大一些，同时，m ，的宽长比要比m ，适当的小一些。 通过以上分析，可以看出这种结构可以提供和吸收远远大于其静态时电流值 的瞬态电流。所以，在相同转化速率情况下，此种输出结构比普通图5 5 ( b ) a 类 输出结构功耗小的多( 图5 5 ( b ) a 类输出级只能在个方向上提供大于其静态电 流的瞬态电流) ，对于驱动大的负载电容，采用这种c l a s sa b 输出结构其效果 更明显；另外这种结构的输出摆幅也大于图5 5 ( b ) a 类结构的输出摆幅，而且理 论上可以做到满幅，所以它能很好的实现r a i l t o r a i l 输出。 5 3 3 运算放大器晶体管尺寸设计l 捌 一、输入级晶体管和尾电流源设计 输入级电路如图5 - 4 所示，其输入级的尾电流和晶体管设计如下。 尾电流k 和i 哪： g b w = g 。1 c 。 依据负载电容，定补偿电容c 二一1 0 p f ，在根据带宽g b w 等于6 m h z ， 级晶体管的跨到。 g m l g b w c 爿2 石x 6 1 0 _ 3 6 0 p a ，v ( 5 2 0 ) 求出输入 ( 5 2 1 ) 多通道低功耗数模转换器设计 根据转换速率 s r ，i t m c 。 ( 5 2 2 ) 所以 i t m s r c 。- 2 1 0 一2 0 p a ( 5 2 3 ) 根据平方根电路的性质 i m 一1 4 l t m - 5 a ( 5 2 4 ) 输入晶体管尺寸确定： 对于p m 0 s 晶体管 吖l ) p - 一g 。1 2 2 k p p i t 肌一4 0 ( 5 2 5 ) 对于n m o s 管 k ( w l ) n 一r k ( w ，l ) p p a m ( 5 2 6 ) 求得 ( w l ) n 一l * 2 0 ( 5 2 7 ) 电流开关管以及其它晶体管尺寸确定： 由于开关管肼，的饱和区电压范围不能太窄，所以我们选择p 厶。一0 4 y ，这样 ( w ，l ) m 一2 i ，l ( p n 、0 2 = 7 2 3 ( 5 2 8 ) 取整得 ( w l ) 。- 8 ( 5 2 9 ) 晶体管m 。、肼，、m 。、m ，、 尺寸的确定，以上晶体管尺寸确定没有严格的 限定。但根据查阅资料，一般是选择一个合适的工作点使得平方根电路有着很好 的平方根特性，即要保证晶体管工作饱和区。这样要求过饱和电压稍微大点比较 合适。依据工艺参数和经验参数，饱和电压取o - 3 v 比较理想。所以 ( w l ) m 卵 ，- 2 i d k ”、，l 。2 - 3 0 ( 5 3 0 ) 二、输出级晶体管尺寸确定 输出级电路如图5 - 5 ( a ) 所示。输出级晶体管尺寸的确定主要有两个方面的 因素，一方面由于负载电容比较大，所以为了提高驱动能力，要保证瞬态充电和 放电电流不能小，一般充电电流很容易达到比较大的值( 通过仿真显示能达到 2 5 m a ) ，但放电电流最大等于墨乘以电流源电流l ，所以设计时要成分考虑如何使 这个乘积达到一定大的值；另一方面由于本运放功耗不能太高，致使输出级的静 态功耗不能太大，也就是说在静态时我们要求晶体管m 。的导通电流k 。比较小， 而在瞬态时又要求l 大到一定的值( 我们设定瞬态电流o 不能小于1 5 m a ) 。 所以为了调和以上两个条件，我们设计的思想是：在静态时分配给晶体管m 的 电流大一些，分配给m ，的电流小些，以及设计大比值的k ( 电流镜m 。、肘，的 宽长比之比) 。 第五章输出驱动电路的设计 i w = k l 一1 6 5 m a 取k 一3 0 求得输出级电流源电流 i i m 4 - m “k 一5 5 肛a 取静态时为1 0 0 u a ，则静态电流0 ，为 i m - i m 4 k - 3 3 p a 晶体管i i f