（电路与系统专业论文）三位高速数模转换器设计.pdf

摘要 摘要 超大规模集成电路( v l s i ) 已经发展到单芯片上集成数亿晶体管的水平。随着一i ：艺水平的不断 提高，在一块芯片上集成包括模拟、数字等各个单元在内的完整系统已经成为可能。从而，系统芯 片( s o c ) 的概念应运而生，数模混合集成电路设计也因此成为i c 设计的热点。 数模转换器( d a c ) 作为数字信号处理系统和模拟信号处理系统之间的接口，在音频、视频、 传感器、仪表、通信的等领域应用十分广泛。同时，随着信号处理技术的飞速发展，人竹j 对d a c 的 速度、分辨率、功耗、信噪比、动态范围等性能提出了更高的要求。 针对不同的应用领域，d a c 可以采用不同的实现方式，本文提出了一种用于视频信号处理的高 速数模转换器设计。该电路采用中芯国际( s m i c ) 0 1 8 1 u n c m o s 工艺。为了提高转换速率和更好的静 态、动态指标，该电路采_ f l j 了温度计译码电流驱动型数模转换器结构。整个设计利h js p i c e 仿真软 件进行模拟、仿真；利h jc a n d c n c c 版图设计i ：具完成芯片版酬设计。全部电路经模拟验证符合设计 要求。这个芯片面积为5 0 0 u r n x 5 7 5 u m ，功耗为2 5 2 7 m w 。最后给出测试方案。 【关键字】c m o sd a c 电流型温度计编码 a b s t r a e t a b s t r a c t t h ee v o l u t i o no fv e r yl a r g e - s c a l ei n t e g r a t i o n ( w s dt e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e dt ot h ep o i mw h e r e h u n d r e d so fm i l l i o n so ft r a n s i s t o r sc a nb ei n t e g r a t e do i las i n g l ec h i p w en o wc a ni n t e g r a t ec o m p l e t e s y s t e m so nac h i pb yc o m b i n i n gb o t ha n a l o ga n dd i g i t a lf u n c t i o n s t h u ss y s t e mo nc h i p ( s o c ) a n d m i x e d - s i g n a lt e c h n o l o g yb e c o m eh o tp o i n t si ni n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) f i e l d a st h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h ed i g i t a la n da n a l o gd o m a i n s d a ci sw i d e l yu s e di l im a n ya p p l i c a t i o n f i e l d s ，s u c ha sa u d i o ，v i d e o ，骶n s o qi n s m a n u n t a t i o n ，a n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m , e t e w i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n to fs i g n a lp r e c e s s i n gt e c h n o l o g y , d a ci se x p e c t e dt oh a v em o r ei m p r o v e m e n ti ni t s p 盯f o 皿卸c 鹳，s u c h 硒s p e e d , r e s o l u t i o n ，p o w e rc o n s u m p t i o n , s i g n a l t o - n o i s er a t i oa n dd y n a m i cr a n g e ，e t e d a cs h o u l db er e a l i z e di np r o p e ra r c h i t e c h t u r ea c c o r d i n gt oi t ss p e c i f i ca p p l i c a t i o n c u r r e n tr e s e a r c h f o c u so nl o w e rs u p p l yv o l t a g e , l o w e rp o w e rc o m s u m p t i o na n dh i g h e rs p e e dd e s i g nu s e di nv i d e os i g n a l p r o c e s s i n gc h i p t h ec i r c u i ti su s i n gs m i c0 1 8i n nc m o st e c h n o l o g y i no r d e rt oa c h i e v eh i g h e rs p e e d , b e t t e rs t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，w eu s e dm a t r i xt h e r m o m e t e rc o d e dc u r r e n ts t e e r i n gs t r u c t u r e t h e s i m u l a t e dr e s u l t sw e r ep r e s e n t e db a s e do ns p i c es o f t w a r et 0 0 1 f i n a l l yw ea c h i e v e dt h ec h i pl a y o u tb a s e d o nc a n d e n e es o f t w a r et 0 0 1 t h er e s u l t so ft h ec h i p s e tv a l i d a t e do u rd e s i g ns p e c i f i c a t i o n t h ec h i pa r e ai s 5 0 0 u m 5 7 5 u ma n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o ni s2 5 2 7 m w i nt h i sp a p e r , w ef i r s t l yi n t r o d u c et h ek n o w l e d g ea b o u td a c s u b s e q u e n t l yw ed e s c r i b et h ed e s i g n p r o c e d u r ea n dt e s tr e s u l t so f t h e s ec i r c u i t s f i n a lw ei n t r o d u c et h em e t h o do f t h ec h i pt e s t k e y w o r d c m o s ，d a c ，c u r r e n ts c a l i n g ，t h e r m o m e t e rc o d i n g 1 1 1 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师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的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：也盗日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：2 垒缒导师签名：釜趣：日期： 蹦i 1j 第一章绪论 1 1 集成电路发展现状 第一章绪论 集成电路从实现量产至今，一直按摩尔( m o o r e ) 定律【1 】( 如图1 1 所示) 高速发展，先后经历 了小规模、中规模、大规模、超大规模等历程，现在已发展到s o c ( s y s t e m o n h i p ) 阶段。一方 面，特征尺寸不断缩减，目前已经达到了4 5 r i m 水平，而芯片的工作频率却不断提高，到达了数g h z 的水平，与此同时，电路规模与日俱增，单片电路上集成的晶体管数目已经超过了亿级。另一方面， 电路的功能越来越多样化，结构也越来越复杂化，以往单一的数字或者模拟电路已经逐渐被数模混 合信号电路系统所取代【2 】，s o c 系统更是将数字信号处理器、c p u 、模拟单元电路、存储单元等集 成到同一块芯片上。 1 0 1 9 8 51 9 9 0 1 9 9 52 0 0 02 0 0 52 0 1 02 0 1 5 幽1 1 m o o r e 定律 在4 5 r i m 设计时代，三人研究主题成为世界瞩目的焦点，分别是器件、互连和 艺变化。 ( 1 )器件方面最突出的是低功耗设计的研究，采j j 更低的阂值电压、设计出低功耗高性能的 电路芯片给设计1 ：程师提出了更高的要求。 ( 2 ) 互迮电路已经开始成为主导芯片性能的因素，通孔电阻、化学机械抛光、证波艮光刻等 是物理制造关注的重点，而用以衡鼙互近电路性能的参数提取等验证手段也在不断的完 善之中。 ( 3 )对丁it ：艺参数变化f 电路、器件模翟j 以及相应的分析方法的研究开始得剑越来越多的 关，统计学与电路设计的结合成为新的课题。 东南大学硕l 学位论文 1 2 数模混合集成电路发展现状 数模混合集成电路的设计与分析技术经过数十年的研究发展，已经形成一系列相对成熟的技术 方法，值得注意的是，s o c 中面积并不占很大比例的模拟电路部分却对整块芯片的性能有相当大的 影响【3 】。 另一方面，随着集成电路制造1 = 艺进入深孤微米和系统，i ：作频率的日益提亮，片上互连电路已 经成为决定电路性能的主要因素 4 】，互连线延时已经j i 芯片关键路径的7 0 8 0 ，信号在互连线上 传播时出现的串扰、延迟问题可能会引起时序偏差，逻辑错误，甚至会使芯片失效。 因此，能够对高速数模混合信号电路，特别是其中的模拟电路与互连屯路部分进行准确快速分 析，已成为高速超深亚微米芯片设计非常重要的环节，相应的e d a 软件也成为必不可少的一【= 具【5 】。 高速数模混合信号电路的设计和分析的挑战主要表现在以下两方面： ( 1 ) 模拟电路仿真验证的难度日益提高 集成电路规模越来越火以及s o c 时代的来临对模拟电路的设计与性能分析的要求越来越高，其 仿真验证技术占据着举足轻重的地位，快速高效的数模棍合信号电路仿真方法也成为业界研究的重 点之一 6 】【7 】。电路性能的提高建立在设计j ：程师对电路结构和参数进行反复的修改以及不断的仿真 验证的基础上，使脂经典的s p i c e ( s i m u l a t i o n p r o g r a m w i t h i n t e g r a t e d c i r c u i t e m p h a s i s ) 仿真丁具对 越来越庞人的电路进行模拟，其仿真时间也变得越来越长，甚至到了不可忍受的程度，同时也影响 了整个产品设计周期。冈此，开发研究高效率的模拟电路及数模混合信号电路仿真l ：具具有相当重 要的意义。 ( 2 )互连线等效电路模犁日益复杂，规模日益庞大 集成电路特征尺寸的持续减小，以及规模和复杂度的不断提高，使得芯片上互连线数目和长度 出现惊人的增妖，而由于互连线之间的排列更加紧密，在芯片工作频率不断提高的同时，互连线之 间的电磁耦合效应也日益显著，线上信号行为日益复杂。传统的互连模型，如集总参数模型和e l m o r e 模型【8 】已经不能满足实际的需要。取而代之的是考虑了互连电磁耦合效应的分布式r l c ( 电阻，电 感、电容) 电路模型以及分布式r c s ( 电阻、电容、电感性电纳) 电路模型。 此外，为了描述电磁耦合效应，通过对互连线进行参数提取而获得的分布式r l c 或r c s 电路 规模变得十分庞大，电路阶数通常在1 0 4 1 0 6 量级。如此庞大的电路对随后的分析1 二具具有相当高 的空间存储要求并将耗费极欧的c p u 计算时间，利脂s p i c e 模拟：具直接对其进行分析所耗费的时 问已经超出了可以忍受的范围，因此必须改用更高效的数值方法米处理这一问题。 近年来，许多类型的信号处理确实已经转移剑数字领域，但是在现代许多高性能系统中模拟电 路从根本上被证明是必须的，最常见的例子就是自然界信号的处理。 自然界产生的信号，至少在宏观上，是模拟量。高品质麦克风接收乐队声音时输出电压幅值从 几微伏变化到几百毫伏；视频照相机中的光电池的电流低达每毫秒几个电子；地震仪传感器产生的 2 第一章绪论 输出电压的范围从微小地球振动时的儿微伏到强烈地震的几百毫伏。由于所有这些信号最终都必须 在数字领域进行多方面的处理，最后再反馈到模拟系统中。所以我们看到，每个这样的系统都主要 由数字信号处理器( d s p ) 、模数转换器( a d c ) 和数模转换器( d a c ) 组成，如图1 2 所示。 图1 2 自然界信号处理过程 在图1 2 中，多路模拟信号经过放大、滤波等预处理，再经过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处理结果，用d a c 变换为模拟信号，实现对某个模拟参数 的控制。 综上所述，以d a c 和a d c 为代表的数模混合屯路在整个信号处理过程中起着十分重要的作用。 1 3 d a c 发展历史 d a c 的发展经历了电子管、晶体管到集成电路的过程。它是因人类生产和生活的迫切需求而产 生和发展的，其发展的每一阶段都和当时最新科技成就相关联。 4 0 年代后期，人们开始了数字通信的研究和实践，例如研究脉冲编码调制式通信。它要求发送 部分能将要传送的声音、图像等迮续变化的模拟罐转换成数字形式发送出去，而信号接收部分要求 能把接收到的数字信号还原成卢音、图像。了：是研制了由电子管组装成的a d c 和d a c ，使这种可靠 和经济的数字通信得以实现。 随着晶体管i ：艺的发展和成熟，剑5 0 年代后期，转换器中的电子管逐步由晶体管替代，使转换 器的体积和重量人大减小。 数字计算机的兴起、发展和麻h j 领域的不断扩大，促进了集成电路和转换技术的迅速发展。到 6 0 年代中期，构成d a c 的主要功能单元电路，如：运算放人器、基准电压源、电阻网络、模拟电子 开关利逻辑控制电路等己陆续实现了集成化，特别是集成化运算放人器己开始进入人规模i ：业生产 阶段。在此基础上人们逐渐摒弃了全部由分立元器件组装d a c 的传统方法。开始选用某些现成的具 3 东南大学硕上学位论文 有某一种单一功能的集成电路，如：集成化运算放大器、逻辑集成电路或集成基准电压源等集成单 元电路，并外加一些必要的元器件，来组装d a c 。这种结构形式的d a c ，与完全用分立元器件组装 的d a c 相比，在一定程度上简化了组装结构。 无论是完全由分立元器什组装的d a c ，还是由集成电路单元附加许多分立元器件组装的d a c ， 都被称为组纠：型d a c 。其中，前者被人们称为第一代组件型d a c ，而后者被称为第二代组件型d a c 。 显然，第二代组件辑 j d a c 是全集成化d a c 的前身。 与此同时，薄膜集成电路和厚膜集成电路也有很大的发展。薄膜集成电路是利用真空蒸发、溅 射、光刻等薄膜技术，将构成电路的电子元器件及连线，以薄膜形式制作在绝缘基板f 例如微晶玻璃 片或陶瓷基片) 上所构成的整体电路。薄膜集成电路的膜厚通常在l p m 以下。厚膜集成电路是采丝 网印刷、喷涂、聚合或烧结等厚膜技术，将组成电路的电子元器件及连线，以厚膜形式制作在绝缘 基板( 例如微晶玻璃片或陶瓷基片) 上所构成的整体电路厚膜集成电路的膜厚一般为几岬到几十岬。 结合薄膜、厚膜和半导体集成电路三种：c 艺的长处，用半导体工艺制作有源器件，用薄膜或厚膜工 艺制作无源器件及迮线，再把有源器件外接到薄膜或厚膜集成电路的基片上，构成薄膜或厚膜混合 集成电路。混合集成电路j i ：艺应用至u d a c $ 1 造领域，制成的混台集成电路型d a c ，性能上有很大提 高，结构上也大为简化。 7 0 年代初，所有元作都被集成在一个芯片上的单片集成d a c 研制成功。它标志着d a c 真正达到 了1 ：业化大批量生产的阶段，摆脱了精心挑选转换器中元器r i ：的麻烦，从而人人降低了成本，提高 了可靠性。此后，d a c 得到迅速发展。新的设计思想、新的制作工艺和新的种类不断增加。性能不 断提高。工艺上，不但般极喇器件的j i ：艺进一步得到改进，使全敢极型d a c p | 部的逻辑电路可采用 高速e c l 电路或高集成度的集成注入逻辑电路，而且增加t m o s 艺，特别是c m o s ( c o m p l e m e n t a r y m e t a l - o x i d e - s e m i c o n d u c t o r - f i e l d e f f e c t - t r a n s i s t o r ) 工艺，使d a c 的集成度和功耗有很人的改进。 工艺上的进一步发展，产生了标准双极型工艺( b i p o l a r j u n c t i o n t r a n s i s t o r ，b j t ) 和c m o s i 艺 结合起来的组合技术，例如a d i 公司的b i m o s f f q l l c 。m o s i 艺技术，使速度和精度方面占优势的线性 取极型器件与高集成度、低功耗的c m o s 双向模拟开关及逻辑电路集成在同一芯片上，构成双极 m o s 相容型d a c 。 d a c 的品种和功能随着制造工艺的发展而迅速增加。例如c m o s i 艺的集成电路，功耗小、集 成度高，制成的模拟开关有舣向特性。利用这种模拟开关可制成有乘法特性的d a c ，即转换器的输 出和基准电压及输入数码的乘积成止比。c m o s i 艺也很适用于制作与微机兼容的d a c 。在d a c 的 功能方面，也有了一些为特定应用领域研制的特殊的d a c 。例如用于视频调色显示的视频d a c ，代 替手：l ：调整电位器而设计的d a c ，以及专门用于把数字化音频信号转换成模拟音频信号的音频d a c 等等。目前，单片集成d a c 己经是d a c 的主流。 在集成d a c 的内部，既含有模拟集成电路，又包括逻辑集成电路，闪此通过单片式集成d a c 的 制作，在设计技巧和工艺技巧方面，使模拟集成电路和数字电路彼此融合在一起，为模拟与数字系 统的进一步结合开创了良好的先例。 4 第一章绪论 1 4d a c 国内外研究现状与发展趋势 国外生产d a c 的厂家主要有一下几家：t i ( 德州仪器) 、a d i ( 模拟器件) 、m a x i m ( 美信公 司) 、n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ( 国家半导体) 。此外，还有f r e e s c a l e ( 飞思卡尔，原m o t o r o l a s e m i c o n d u c t o r s ) 、f a i r c h i l d ( 仙童) 、n e c ( 日本电器) 、h i t a c h i ( 日立) 、n x p ( 恩智浦，原p h i l i p s s e m i c o n d u c t o r s ) 等公司。这些设计生产模拟i c 的专业化大公司的产品可代表当今国际d a c 、a d c 技术的领先水品。资料显示高速a d c 转换数率可达到1 0 0 0 m h z ，高速d a c 转换速率可达5 0 0 m h z ， 高精度a d c 、d a c 分辨率可达2 4 t ? z ( b i t s ) 。表1 1 给出上述公司目前一些典型产品的介绍。 表l - l 代表国际先进水平的d a c 的主要参数【9 】 1 8 】 型号分辨率电源电压采样频率建立时问功耗零售价 ( b i t s )( v )( m s p s )( n s )( m w )( 美元) d a c 9 0 8 1 9 】 82 7 5 52 0 03 01 7 02 9 d a c 5 6 5 2 io 】 1 03 3 62 7 52 02 9 07 6 d a c 5 6 6 2 【1 i 】 1 23 362 7 52 03 3 0l o 7 d a c 5 6 8 2 z t 2 1 63 36l o o ol o 41 3 0 0不详 a d 9 7 4 8 1 3 】 83 32 1 01 l1 4 52 9 5 a d 9 7 7 3 1 4 1 23 34 0 01 l4 1 02 2 6 5 a d 9 7 7 7 【1 5 】 1 63 34 0 0l l4 1 0 3 4 m a x 5 8 5 2 1 6 】 82 7 3 61 6 5不详1 9 05 9 5 m a x s s 9 3 d7 】 1 23 3 1 85 0 0不详5 1 l1 4 9 5 m a x 5 8 9 5 1 8 】 1 63 3 1 85 0 0不详5 1 l1 9 7 0 注：以上产品中，d a c 为美国t i 公司产品，a c 为美国a d i 公司产品，m a x 为美国m a x i m 公司产品。 国外的a d c 、d a c 技术都已经不再局限丁传统的转换技术。如，d a c 不再是电阻网络分压域加 权电容的电荷分布式d a c 。取而代之的是更新的转换技术和适合大规模集成化的新型电路拓扑结构。 目前的国际先进研究项目，都将目标集中在对已经证实为准确可靠的a d c 、d a c 技术上，并且正在 对这些技术不断地进行完善，以期望让这些技术尽快廊川丁新一代a d c 、d a c 产品的开发之中。其 中，应用于数字信号处理 l l i o s 接口的高性能d a c 1 9 2 0 2 1 1 ，这些d a c 具有高速、高精度、低功 耗和较小的芯片面积。 5 东南人学硕上学位论文 对于上述的新结构和新技术，国内由于受到上艺条件、设计水平的限制，技术相对国际水平还 有一定差距。 很显然，在d a c 的研究与生产中，国内外差距较大，应及时展开新型转换器电路系统结构、新 型基本电路单元、与之相配套的特殊工艺和标准实用化工艺器件模型等基础技术研究。不论是从电 路结构上，还是电路与工艺线的实际接口上，都应该积极地进行研究与探索。 1 5 d a c 的应用 d a c 有许多不同的应用领域，我们人略的把它们分为：音频( a u d i o ) ，视频( v i d e o ) 、传感器 ( s e n s o r ) 、仪器( i n s t r u m e n t a t i o n ) 和通信系统( c o m m u n c a t i o n ) 。图1 3 显示了不同应用领域与精 度( r e s o l u t i o n ) 、采样频率( s a m p l e f r e q u e n c y ) 之间的大致关系 2 2 1 。 2 。 喜 1 6 驴 4 图1 3 不同应用领域与精度( r e s o l u t i o n ) 、采样频率( s a m p l e f r e q u e n c y ) 之间的人致关系 2 2 】 音频转换器的特点是具有很高的精度和较低的频带【2 3 】【2 4 】。在l ( z 这样较低频带是人类听觉感 受到的极限。在这一领域，过采样转换器( o v c r s a m p l c dc o n v e r t e r ) 被广泛的应用，它的高过采样频 率能够降低模拟设计的复杂度并且增加精度。典型有1 - b i td a c s ，m a s h 等，已经成为c d 机上的商 标了。 视频转换器要求具有很高的带宽【2 5 】【2 6 】【2 7 】【2 8 】。视频转换器也已经应用在电信领域，但是现在 我f 必须要视频转换器在通信系统中具有更高的性能。在通信系统中，我们想要数字电路尽可能的 取代模拟电路，这使得我们要把接口和频道靠得越来越近。由于在音频领域的应用，我们想把信号 调制到数字域，而这一做法已经在d s l ( d i s g i t a ls u b s c r i b e rl i n et e c h n i q u e 数字用户环路技术) 应 用中实现了。 在仪器领域的应用中，数据转换器被用在仪器设备上和信号产生上。这些转换器一般h j 于一些 特定技术要求中，例如提供非常高的线性度【2 9 】。 传感器转换器也是1 f 常典型的应用。它具有一般的精度和频带。 6 第一章绪论 1 6 工艺选择 c m o s 工艺因为在数字方面的高集成度、低功耗和与模拟电路良好的兼容性而成为数模混合集 成电路的绝对主流。图1 2 给出了半导体工业协会( t h es e m i c o n d u c t o ri n d u s t r ya s s o c i a t i o n ，s i a ) 【3 0 预测的n m o s 场效麻管的特性频率与射频c m o s 工艺代的成熟年代之间的关系。从图上可以看出， c m o s 工艺m o s 场效应管的截至频率和最人谐振频率都将超过1 0 0 g i - i z 。 ( g i - i z ) 图1 2c m o sj 艺速度的提高 3 0 】 y e a r 本论文所研究的内容为数模转换器电路的设计，选择适合的工艺是成功完成超高速电路设计的 前提幕l 保证。 目前设计高速数模转换集成电路的，i ：艺主要有c m o s 、b i p o l a r 和h b t ( 异质结舣极性晶体管) r 3 h - - 种。f ：艺。采朋h b t 和b i p o l a r ，它们的缺点主要是成本高、成晶率低、功耗人、：i ：艺不易获得、 集成度低。c m o s j ：艺具有集成度高、价格低廉、功耗低、代。f ：方便等特点，但相对低的速度影响 了它在高速中的应朋。然而随着c m o s 艺向弧微米、深弧微米方向的发展，c 9 0 s 器件的特征尺寸 不断减小，特征频率石不断提高，其中o 1 8 9 mc m o s 亡艺的特征频率石己达到4 9 g h z 。目前， 利用深亚微米c m o s ：j ：艺没计超高速单片集成电路已成为全球i c 界研究的热点。 b i c m o s ( 烈极管c m o s ) 综合了瑕极性硅的高速和c m o s 的可集成度高这两方面的优点，但 是从实际i ：程的角度来看，它有三人缺点：一是价格商丁c m o s ，二是l ：艺同样难以获得，三是其 中的c m o si ：艺总是落后。丁标准c m o sj ：艺的发展进程，有时很难满足没计需要。 综合考虑芯片速率、电路功耗、噪声、芯片面积、流片途径及设计成本等各项因素，决定采用 s m i c ( 中芯国际) 的0 1 8 9 i nc m o sl ：艺现实数模转换电路的设计。 7 东南大学硕，f ：学位论文 1 7 设计流程 一般人规模数模混合集成电路的设计流程如图1 3 所示： 数字部分 设计流程 图1 3 大规模数模混合集成电路设计流程 模拟部分 设计流程 这种设计方法把数字和模拟部分分开，使用不同的设计方法各自设计，最后再整合在一起，适 用于数字部分规模特别庞大。或者数字部分性能要求不高的场合，但数字和模拟部分接口的连接比 较困难，需要附加强大的e d a 软件的支持。 对于小规模的数模混合集成电路也可以采用模拟电路通常使用的全定制方法设计( 图1 4 所示) 。 8 第一章绪论 幽1 4 设计流程 第一步，系统指标的确定，如f ：作速率，动态范罔、输出摆幅、电源电压、功耗等。 第一二步，根据系统指标对系统进行分析再经过广泛的资料收集，决定合适的电路结构。 第三步，获取精确的器件模璎和器什参数。器件模型的精确程度是容易被忽视的，但却 是极为关键和重要的。没有与所h j l ：艺配套的精确器件模型，就无法对实际的电路性能 做出准确的仿真预测，有可能使仿真结果和实际电路相去其远，增加芯片设计的风险性。 第四步，电路设计与仿真，在电路仿真软件s p i c e 的帮助下，选取合适的器件参数，对 电路性能进行优化。这一步是电路设计中展戈键的步骤，电路设计者需要对器件及电路 的1 ：作原理和特性有深入的理解。同时需要有一定的耐心和创新精神。 第五步，版图设计。版图设计是仿真完成后的电路的具体物理实现，版图设计的优劣直 接关系剑芯片的虽终性能。在版图设计过程中需要进行设计规则检查( d r c ) 、版图电 路图对照( l v s ) 和寄生参数提取( l p e ) 等步骤。 第八步，斤仿真，即将版图的寄生参数提取后加入电路网表进行后仿真，并确定仿真结 果是否达剑目标，如没有，需对电路和版图重新设计。 第七步，芯片制造，将版| 玺i 文件转化成g d s i i 格式，交付芯片制造商流片。 o m 回国 柳 旧 东南人学硕j ：学位论文 ( 8 ) 第八步，芯片测试，这是芯片设计的重要环节。当芯片测试完并对测试结果进行分析， 将之与设计目标进行比较，得出设计是否成功。而且，芯片测试的结果是否准确对下次 改进至关重要。 芯片设计并不是可以一次按顺序走完的简单过程，它往往要经过反复的修改迭代才能满足最后 的设计指标。 1 8 论文组织 本文将对数模转换器进行研究。并对电路原理和设计方法作介绍。 ( 1 )第二章讨论了d a c 的基本原理与结构，包括d a c 的基本的性能参数以及d a c 的发展 过程中几种典型的结构。 ( 2 ) 第三章对所设计的d a c 结构特点做整体介绍和描述。并讨论该d a c 数字部分的电路结 构、特点、逻辑功能和仿真结果，其中包括锁存器，译码电路等；讨论了d a c 的模拟 部分的电路结构，电路特点和仿真结果，其中包括基准源，运放，开关电路和电流源等。 ( 3 )第四章给出了d a c 系统仿真结果；介绍了用丁| d a c 版图编辑绘制的i ：具以及d a c 关 键模块版图编辑绘制的细节特点；最后给出d a c 版i 鲥及后仿真结果。 ( 4 ) 第五章给出d a c 芯片测试方案。 ( 5 )第六章对本文_ 丁：作进行总结及今后工作方向。 1 0 第二章d a c 基本原理与结构 第二章d a c 基本原理与结构 高速d a c 是通信系统中的重要模块之一。在d a c 的实现过程时，有一系列的非理想因素，如 器件匹配，有限输出电阻，噪声等等，它们在模拟输出信号上面叠加噪声电压，并可能使输出信号 产生失真。本章从最基本的d a c 概念出发。首先介绍d a c 的基本原理；然后提出了一系列的标准 来衡鬣d a c 以及它的性能；最后介绍各种不同的d a c 结构以及各自优缺点 2 1d a c 基本原理 d a c 的功能就是把数字信号量转变成模拟信号量，通常这种转换是线性的。假设d a c 输入的 数字量是”位二进制码( 6 1 6 2 也吃) ，6 1 为最高位( m o s ts i g n i f i c a n t b i t 简称m s b ) ，钆位最低 位( l e a s t s i g n i f i c a n t b i t ，简称l s b ) ，图2 1 给出了d a c 提供一个模拟电雁输出的基本框幽【2 2 1 。 b 声曲|b 图2 1d a c 基本框图 2 2 】 则输山模拟量v o 口和输入数字量d 间的函数关系可用下式表示： v o w = k d 口= 足 ( 6 1 2 1 + 6 2 2 - 2 + 屯2 一+ 吮2 1 ) ( 2 - 1 ) 2 2d a c 的性能参数 理想的线性d a c ，其输入输出电路是相互隔离的，而且不接地。它的噪卢为零，并且对应r 一 个确定的数字输入，有一个确定的输出电流( 或电压) 。当数字输入发生单位码变化时，模拟输出 的变化是等间距的。电流输出型d a c ，其输出阻抗为无穷人；电压输出型d a c 的输出阻抗为无穷 东南大学硕士学位论文 小。肖输入发生变化时，模拟输出变化速率是无穷大。此外，转换器的转换特性应不随时间、温度、 电源电压等变化而变化。所有误差为零。 实际的d a c 不可能具有这样的特性，因此，需要通过一些参数的测量来衡量它们性能的优劣。 所有参数基本上可为静态参数、动态参数两大类。下面将从这两个方面对d a c 的主要性能参数进行 简单介绍。 2 2 1d a c 静态指标 静态特性是与时间无关的特性。反映静态工作时实际模拟输出接近理想模拟输出的程度，可以 用精度、分辨率、量化效应、失调误差、增益误差、单调性误差等等参数来描。 述。 ( 1 ) 精度( a c c u r a c y ) 精度是转换器实际转换特性曲线与理想转换特性曲线直接最大的偏著。其单位通常用满量程范 围的百分数或l s b 表示。 所谓理想转换特性曲线，对于d a c 来说，就是连接理想转换器输出最正、负两点的直线。精度 分为相对精度和绝对精度。在零点和满量程值校正后测得的精度为相对精度，否则为绝对精度。一 般参数中给山的是相对精度，绝对精度由于受温度和时间的影响较大，很难给出确定的值。 ( 2 ) 分辨率( r e s o l u t i o n ) d a c 的分辨率有不同的定义方法。一种定义是d a c 模拟输出可能被分立的数目，例如，一个 二进制d a c ，其输入位数是n ，则其理论分辨率应为r ；另外一种把d a c 输出能被分离的最大数 目的倒数定义为分辨率。 由于噪声、温度、时漂等的影响，转换器的分辨率有时要小于理论值。例如1 2 位转换器的分辨 率在某一温度范围内的实际分辨率也许只有1 0 位。d a c 的实际分辨率受其相对精度的限制，但反 过来分辨率并不限制精度。分辨率也能反应动态特性，转换器的动态范围要求越严格，对分辨率的 要求就越高。参见图1 3 。 ( 3 ) 量化噪声( q u a n t i z a t i o no ft r u n c a t i o nn o i s e ) 量化噪声是在h j 一个有限精度的转换器将模拟值进行数字化的过程中所存在的同有不确定性。 这个噪声是d a c 的一个基本特性，代表了转换器的精度限制。即随着每增加l 位( b i t ) 。信噪比( s n r ) 的值增加约6 , m 2 2 1 。 ( 4 ) 失调误差或偏移误差( o f f s e te r r o r ) 它是指数字输入为零时，模拟输出与零的偏差。它可以用l s b 为单位进行描述，也可以用此误 差值相对于满刻度输出的百分比来描述。 1 2 第一二章d a c 基本原理与结构 d a c 的初始失调是可以被调节为零的，但是随着温度的变化引起的失调是无法消除的。 ( 5 ) 增益误差( g a i n e r r o r ) 转换器输入与输出之间关系的曲线的斜率称为转换器的增益。其与理想值之间的误差称为增益 误差。图2 2 为线性增益误差和非线性误差表示图，其中( a ) 为线性增益误差；( b ) 为非线性增 益误差。当转换器的偏移误差调节为零时，它的增益误差就是满度值误差。它用l s b 为单位进行描 述，或用此偏差值与满刻度输出的比值的百分数来表示。 增益误差是可以调节的。例如在d a c 中，当输入参考存在误差时，转换器的满度值将发生偏差， 即发生了增益误差。这并非组件的不匹配而引起的，因此可以通过外接组件进行适当调节。 肇出 入( h jt t * 图2 2 线性增益误差和非线性误差表示图 ( 6 ) 积分非线性( i n l , i n t e g r a ln o n l i n e a r i t y ) 和微分1 # 线性( d n l d i f f e r e n t i a ln o n l i n e a r i t y ) 【2 3 3 2 积分非线性误差，是指转换器的实际转换特性曲线，与它的平均特性曲线( 通过两端点的直线) 之间的最大偏差。如i f 42 3 所示( 失调与增益误差已经被校准) 。该误差量也是用模拟餐的偏差来 描述的，也可圳绝对值的百分数来表示。 羲字量 图2 3 积分非线性误差 模拟量 转换器的积分非线性误差与其内部的组件匹配性，或线性特性等因素有关。在单片集成的转换 1 3 东南人学硕士学位论文 器中，这是不能被调节的参数。 微分非线性误差，是指任何相邻两个数码间隔所对应的模拟量的间隔，与实际值( 即i l s b ) 之 间的偏差的最大值。若所有的间隔都是i l s b ，则微分非线性为零，否则就存在误差，用公式( 2 - 2 ) 表示为： s = a e 一& w ( 2 - 2 ) 式中f 即为微分非线性误差，p 为实际模拟量最大间隔，岛为一个标准间隔，即1 l s b 。 注意区分微分非线性误差和积分非线性误差的含义，前者描述的是相邻数码变化引起的模拟量 的变化，因此它反应了临近数码间的输出模拟量变化的均匀性，它是一种，微观量”。而积分非线性 误差是反应了模拟输出值的线性程度，即实际转换特性曲线上的点对理想直线的晟大偏离，它是一 种“宏观量”。 ( 7 ) 单调性( m o n o t o n i c i t y ) 【2 3 】 对于d a c 来说，单调性是指当数字输入量增加时，同步的模拟输出不减少。可以用下面式子 ( 2 3 ) 来保证，翻2 4 给出了一个非单调性的转换例子。 2 2 2d a c 动态指标 i n l 。旺1 三s b ( f o r a l ld 图2 4 非单调d a c 的例子【2 3 】 ( 2 3 ) 动态特性反映的主要是d a c 对输入数字信号变化的响应速度。d a c 是离散时间电路，只有在 离散的时间点才会有电平输出，此电平即为静态情况f 的确定值。为了反映d a c 的真实特性，必须 考虑输出过程中的这个波形。考虑模拟单元电路的时域特性，这些特性与信号的幅度相关，因此是 动态变化的。由于有限的更新周期，在输出会产生一些线性或者非线性的建立误差。其他的一些现 1 4 第二章d a c 基本原理与结构 象，如当输入数字码元变化时，会产生时钟馈通、尖峰脉冲和输出过冲等等，这些都是动态误差。 动态误差对d a c 的性能有非常大的影响，它决定了d a c 所能工作的最高时钟频率以及所能处理 的最高信号频率。 ( 1 ) 建立误差( s e r l i n ge r r o r ) 是指输入变化到输出稳定所需要的时问( s e t u pt i m e ) 。 d a c 的建立时间是描述d a c 的一个重要参数，特别是在赢速麻用场合。它定义为在输入有一 阶跃变化后，对应模拟输出达到规定误差带范围内所需要的时间，如图2 5 所示。误差带通常定义 为士0 5 l s b 。 把d a c 输入从全“o 变化到全“l ”，或者从全，“l ”变化到全o 竹，两者中达到规定误差带范围内 所需最长的时间被称为满量程建立时间；而把输入发生单位阶跃时，输出端的建立时间称为i l s b 建立时间。通常说的建立时间主要是指满量程建立时间。 一一i r 一一7 气一一一一- 一一! l 一苎 3 一 雨 卜i 磊一 图2 5 建立时间( s e t u pt i m e ) ( 2 ) 抖动或尖峰脉冲( g l i t c h e s ) 当数模转换器中各个开关转换时间不匹配时，就会产生尖峰脉冲。这依赖于开关和驱动电路的 匹配误差、开关信号之间的时间差、控制开关的电压值等等。在这一段很短的时间里，d a c 输出的 时错误的值。比如在权重_ 二进制d a c 中，当输入从0 1 1 1 1 变化剑1 0 0 0 0 时，由于m s b 开关 速度比其他开关快，短时间内则会出现1 1 1 11 的输入码，这是数模转换器的最人输出值，于是在 输出端将会出现一个很大的尖峰脉冲。这个尖峰脉冲的值与输入信号有关，在输入字的中间点产生 的尖峰脉冲最大。 1 5 东南大学硕j ：学位论文 图2 6 尖峰脉冲 2 2 】 根据平均功率相同的原则，尖峰脉冲可以用一个有宽度和高度的脉冲来表示。如图2 6 所示【2 2 】。 ( 3 ) 时钟馈通( c f r ，c l o c kf e e c i t h r o u g h ) 时钟馈通的概念可以从单个m o s 晶体管开关来阐明，如l 兰i2 7 所z t , 2 2 。开关信号和模拟信号 之间有电容c p 和c 0 ，这样由于电容耦合效应，开关信号将会影响模拟输出电压。时钟馈通在开 关信号的上升沿和下降沿都会发生- 3 2 1 。由于在每个周期c f t 会发生两次，因此从频域上看，在奈 奎斯特频率上将会出现一个频率分量【3 3 】。 圈2 7m o s 开关模型 2 2 】 ( a ) n o s 开关模型( b ) 典型的翰出信号 对不同类型的d a c ，时钟馈通的影响有不同的表现。在电流镜型数模转换器( c u r r e n t - s t e e r i n g d a c s ) 中，时钟