（微电子学与固体电子学专业论文）cmos电流舵数模转换器的研究与设计.pdf

摘要 随着集成电路技术的迅速发展，数模转换器( d a c ) 作为数字电路和模拟电 路的重要接口部件，在转换精度和速度方面大为提高。然而，集成电路发展到片 上集成系统( s o c ) 阶段，不仅要求d a c 高速度和高精度，而且还要求它低功 耗和兼容的口特性。 本文为实现用于g s m 无线收发系统芯片中的数模转换接口，设计了一个1 2 位分段式电流舵高速低功耗的d a 转换器。电流舵结构d a c 由于电流匹配程度 高，因而能够实现较高的转换精度；它具有很高的输出电阻，可以直接驱动电阻 负载，因此能够实现非常高的采样速度。 本文按“自顶向下的方法进行d a c 的研究与设计。首先根据无线收发系 统对d a c 的性能要求定出指标，通过m a t l a b 对二进制加权和温度码d a c 的对 比分析，从性能和版图面积上优化系统的结构，选取了“8 + 4 ”的分段模式，即 高8 位采用温度码、低4 位采用二进制加权的译码方式。在确定分段模式以后， 用v e r i l o g a 和v e r i l o g 语言建立起了d a c 的行为级模型，通过行为级的数模混 合仿真来确定d a c 中各个电路模块的设计指标。在电路级设计中，分析了寄存 器、译码器、电流单元译码逻辑、基准电压源电路、电压电流转换电路、电流 源和差分开关等模块的设计。经过优化的系统结构，可以得到相对低的功耗与版 图面积。 采用t s m c0 1 8 t m 的数模混合c m o s 工艺完成各个功能块的最终实现，并 使用c a d e n c e 的s p e c t r e 工具进行仿真。最终验证的结果显示，转换器的微分非 线性误差d n l 小于0 2l s b ，积分非线性误差i n l 小于0 2 5l s b 。对于2 0 0 k h z 的输入信号，采样率为2 6 m h z 时，所测得的无杂散动态范围大约是8 3d b 。对 于3 0 v 的模拟电源电压和1 8 v 的数字电源电压，功耗为2 0m w 。 关键词：数模转换器建模分段结构电流源 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) t e c h n o l o g y , d i g i t a lt o a n a l o gc o n v e r t e r ( d a c ) ，a sa ni m p o r t a n ti n t e r f a c ec o m p o n e n t ，i m p r o v e sg r e a t l yb o t h i nr e s o l u t i o na n ds a m p l i n gr a t e h o w e v e r , f o rt h et r e n do fv e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ( v l s i ) a n ds y s t e mo nac h i p ( s o u ) ，l o wp o w e ra n df a bp r o c e s sc o m p a t i b i l i t ya r e m o r ea n dm o r ei m p o r t a n c e a12 - b i t2 6 一m s a m p l e sl o w p o w e rc u r r e n t s t e e r i n gc m o sd a c f o c u s e do n g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) t r a n s c e i v e r , i sp r e s e n t e d d a c b a s e do nc u r r e n t s t e e r i n ga r c h i t e c t u r ep r o v i d e sg o o dm a t c h i n ga m o n gc u r r e n ts o u r c e s ， s u c ht h a th i g hr e s o l u t i o ni sp o s s i b l e b e s i d e s ，d a cw i t hv e r yh i g ho u t p u ti m p e d a n c e c a nd r i v er e s i s t a n c el o a d ，s oi tc a nr e a l i z ev e r yh i g hs a m p l i n gs p e e d t h ed a c ，i sd e s i g n e dw i t ht h et o p - d o w nm e t h o d o l o g y a c c o r d i n gt ot h e a p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n to ft r a n s c e i v e r , t h es p e c i f i c a t i o n so fd a c a r ed e c i d e d m a t l a b i su s e dt oc o m p a r eb i n a r y - w e i g h t e dd a cw i t ht h e r m o m e t e r - c o d e dd a c c o n s i d e r i n g t h ep e r f o r m a n c ea n da r e a ，t h es e g m e n t e da r c l l i t e c m r eo f 8 + 4 i sc h o s e n ，t h a ti s ，t h e n u m b e ro fb i t s i nt h em s ba n dl s bi s e i g h ta n df o u rr e s p e c t i v e l y s u b s e q u e n t l y , v e r i l o g aa n dv e r i l o ga r eu s e df o rb e h a v i o rl e v e ld e s i g na n db l o c k ss p e c i f i c a t i o n i n t h ec i r c u i td e s i g n ，t h eb l o c k ss u c ha sr e g i s t e r , d e c o d e r , c u r r e n tc e l l sd e c o d i n gl o g i c ， b a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e ，v o l t a g e - t o c u r r e n tc o n v e r t e rc i r c u i t ，c u r r e n ts o u r c ea n d d i f f e r e n t i a ls w i t c ha r ea n a l y z e d f o rt h eo p t i m i z e ds t r u c t u r eo ft h es y s t e m ，r e l a t i v e l y l o w p o w e rc o n s u m p t i o na n d a r e aa r er e a l i z e d t h ed a ci si m p l e m e n t e du s i n gt s m c0 18 mm i x e dc m o s p r o c e s s ，a n dt h e s i m u l a t o ri ss p e c t r eo fc a d e n c e t h er e s u l to fd 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 ) a n d i n t e g r a ln o n l i n e a r i t y ( i n l ) a r eb e t t e rt h a n 0 2l s ba n d 0 2 5l s b a 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 ) i sa b o u t8 3 d b ，w h e na ni n p u ts i g n a li sa b o u t2 0 0 k h za t2 6 mc l o c kf r e q u e n c y i td i s s i p a t e s2 0 m wf r o m3 0 va n a l o gv o l t a g es u p p l y a n d1 8 vd i g i t a lv o l t a g es u p p l y k e y w o r d s ：d a cs y s t e m - l e v e ld e s i g ns e g m e n t a t i o nc u r r e n ts o u r c e i l i 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：五日旋 山啊年歹月乡p 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1 保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名：五目炎日期：力o ol i 年r 月罗。日 导师签名：套彳翔厶日期：厶p 多年5 月3 日 第一帝引言 第一章引言 数模转换器( d i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e 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。d a c 作为数字与模拟的接口器件是必不可少 的，现已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。随着半导体技术的进步和无线通信的快速发展，将越来越多的 功能在同一块芯片上实现成为了一种趋势，d a c j 下是许多片上系统( s o c ，s y s t e m o nac h i p ) 的关键i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 模块。我国数模转换器的研究和生产 技术与国外先进水平的差距比较大，对数模转换器的设计与研究有积极的意义。 1 1 论文背景 真实的世界是由模拟量组成，数模转换器d a c 是模拟集成电路的一个重要组 成部分，它的作用是通过简单的过程将数字量转换成真实世界的模拟信号，从而 起到将数字和模拟信号相互转换的作用。随着计算机的普及应用，模拟信号的调 制和数模转换电路的应用起着越来越重要的作用，并将直接影响到整个系统的品 质和性能 1 。 过去的二十年，无线通信得到空前的发展，现在已经和人们f 1 常生活息息相 关了。无线通信功能从最初的语音和文字信息传输，到现在的图片甚至视频的传 输，以及与信息量巨大的因特网之间的信息互通，对通信设备的性能提出了更高 的要求。由于无线设备在使用上的有移动性的要求，所以降低功耗成为了一个至 关重要的目标。 在无线通信设备当中，手机无疑是近年发展最快速的产品之一。1 9 8 3 年，摩 托罗拉公司开发的世界上第一台移动电话问世，通话时间半小时，销售价格为 3 , 9 9 5 美元。二十几年后的今天，手机不但价格便宜，而且也增加了越来越多的 功能。手机等消费电子产品对高性能、低功耗和低成本的强烈需求，加上半导体 制造技术的不断发展，推动越来越来多的功能都在同一个芯片上实现。随着大规 模集成电路技术的发展，主要由数字模块组成的专用集成电路( a s i c ，a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 系统芯片技术已经相对成熟，模拟和混合信号片上系 c m o s 电流舵数模转换器的研究j 设计 统( a m s s o c ，a n a l o ga n dm i x e d - s i g n a ls y s t e mo nac h i p ) 是我们面临的新的挑 战 2 。 无线收发系统芯片中集成了大量的模拟i p 核，如低噪声放大器( l n a ) 、混 频器( m i x e r ) 、自动增益控制环路( a g c ) 、模数转换器( a d c ) 、数模转换 器( d a c ) 、模拟滤波器和其他射频( r f ) 单元等，形成了模拟混合信号系统 芯片，如图1 1 所示。a m s s o c 的出现使得片内通讯及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 3 】。本文正是 在这样的背景下，对g s m 手机无线收发系统中的重要模块d a c 进行研究与设计。 1 2d a o 的发展概况 图1 - 1 无线收发系统结构 数据转换器的发展经历了从电子管、晶体管到集成电路的过程，到6 0 年代 中期数模转换器的主要功能单元陆续实现了集成化，数模转换器丌始向单片集成 方向发展。1 9 7 1 年，首先出现了将所有组件集成在一个芯片上的单片模数转换 器。它标志着数据转换器真正达到了工业化大批量生产的阶段，开辟了模拟集成 2 第一章引言 电路的一个新方向。 此后，转换器技术迅速发展，新的设计思想、制造工艺和新的种类不断增加， 性能不断提高。数据转换器的主要发展趋势是高分辨率、高转换速率、低功耗、 低电压。随着数字技术的发展，以及通讯和多媒体技术的快步前进，数字信号处 理中的数模转换器被广泛的应用于工业自动化的各个领域，计算机和d s p 中处 理的各种数字信号最终要通过数模转换技术转换成输出模拟信号，整机系统对数 模转换器提出了更高的要求。目前计算机、数字信号处理的速度已经得到很大提 高，而作为模拟输出和数字处理中间必不可少的数模转换器的性能却相对落后。 在过去的几十年，通信事业、多媒体技术和数字化设备的飞速发展和数字技 术的广泛应用促进了数模转换器的长足进步，牵动着d a c 制造商研制出许多采 用新结构、新工艺及应用于不同领域的数模转换器。近年来，许多国外的大学和 著名的公司都致力于d a c 的开发并取得了很多卓有成效的成果。在结构方面， 1 9 9 9 年，比利时l e u v e n 大学的g e e r ta m v a n d e r p l a s 等人提出一种采用四象限 随机流向开关( q 2r a n d o mw a l k ) 的新型电流控制结构，实现转换器梯度误差， 系统误差因子比传统结构改善约5 0 倍，且无须专门校准即可获得良好的静态线 性度 4 】。在高速d a c 方面，今年年初m a x i m 公司发布业界首款1 2 位、4 3 g s p s 数模转换器。在商业生产方面，a d i 、n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 、m a x i m 、t i 是转 换器的主要生产厂家。表1 1 中列出了m a x i m 供应的几款d a c 产品的性能信息。 表1 - 1m a x i m 公司d a c 产品 精度速度s f d r i n ld n l 功耗 型号 ( 位) ( m s p s ) ( d b ) ( + _ l s b ) ( + l s b ) ( m 、聊 m a x 3 8 9 51 65 0 0 8 9 10 m h z 315 1 1 m a x 5 8 8 31 22 0 0 7 4 1 6 m h z o 3o 21 3 2 m a x 5 8 5 31 08 0 7 8 10 m h z o 2 5o 21 7 3 m a x 5 1 9 184 0 7 0 2 2 m h z o 2 5o 2 52 0 7 近年来，国内电子事业飞速发展，电子产品已经远销世界各国。然而，国内 在集成电路方面对进口的依赖和系统集成方面的落后，限制着电子事业的进一步 发展。我国目前d a c 的发展和国际水平相比还存在较大差距，而且国外的芯片 c m o si 乜流舵数模转换器的研究j 设计 价格昂贵，只依赖进口国外的高性能转换器而不开发本国的产品，不利于我国电 子事业的发展。a d c 和d a c 是许多电子系统必不可少的重要模块，我们自行设 计高性能的转换器已经成为当务之急，研究系统集成的d a c 具有重大意义。本 课题正是在此背景下开展的，对高速d a c 进行分析探索，进而设计出集成于 g s m 收发系统中的高速度d a c 以满足系统对信号转换需求。 1 3 混合电路的设计方法 数模转换器和模数转换器不仅是无线收发系统中的一个i p 模块，其本身也 是一个混合信号系统。传统的混合电路设计采用“自底而上 ( b o t t o m u p ) 的 设计方法，这种方法是从单个独立的模块开始设计，然后再把所有单独的部分组 织成一个整体的系统，也就是说模拟部分和数字部分是单独设计，然后再整合到 一个系统中。这种传统的设计方法将电路分成数字部分和模拟部分的几个模块， 数字电路部分从顶层功能开始采用自上而下的设计方法进行设计，模拟模块则从 晶体管开始使用自下而上的设计方法，如图1 2 所示。 m o d u l ed e c o d “d i n ，d o u t ) ； | 模拟电路设计 i n p u t 【2 ：0 】d i n ； 肺f o u t p u t 【6 ：0 】d o u t ； r e g 【6 0 】d o u t ； a l w a y s ( d i n ) b e g i n c a s e ( d i n ) 3 b 0 0 0 ：d o u t = - 7 b 0 0 0 0 0 0 0 ； 3 b 0 0 1 ：d o u t = t b 0 0 0 0 0 0 l ： e n d m o d u l e 图卜2 混合信号电路的传统设计方法 传统的设计方法将数字电路部分和模拟电路部分分开验证。对于数字部分， 主要采用各种数字逻辑仿真器进行验证；而对于模拟部分，只是在晶体管级、版 图级层次进行验证。每个模块的验证是单独进行的，而不是放在整个设计环境中 4 第一章r j l 高 进行。虽然最终可以把所有的模块联合起来进行验证，但是这时的联合验证只是 晶体管级的联合验证，无法在更高的层次进行混合验证。 对于越来越复杂的数模混合电路，传统“自底而上”的设计方法呈现出越来 越明显的不足。首先，没有在高层次进行系统验证不利于对整体性能的把握。因 为复杂设计中的关键因素，例如性能、成本、功能等只有在系统级才能够得到体 现。如果系统级的错误在所有电路完成之后力被发现，就需要花大量的时间去寻 找错误和重新设计。其次，在晶体管级进行联合验证花费的时间很长，而且验证 的难度成倍增加。 为了克服“自底而上 方法存在的问题，近年有人提出了混合信号电路“自 顶而下”的设计方法 2 】。在这种方法中，混合信号系统根据功能结构分成不同 的功能模块，并使用m s h d l ( m i x e d s i g n a lh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 进 行功能描述，在系统仿真器中进行系统仿真和优化。在高层次的仿真时，可以得 到各个电路功能模块的设计指标，然后再根据这个设计指标单独设计功能块，并 且在设计的各个阶段都可以进行混合电路的仿真验证。 图1 - 3 混合信号“自顶而下 的设计方法 如图1 3 是基于混合信号硬件描述语言的“自顶而下 设计方法流程图，主 要包括系统级设计、行为级设计、电路级设计、物理实现和各个设计阶段对应的 c m o s 电流舵数模转换器的研究1 j 设计 验证以及最终验证。 系统设计的主要目标是寻找合适的算法和结构，从而在满足所需功能的前提 下实现最小成本。该阶段设计可以使用m a t l a b 等系统仿真工具来仿真和评估 算法，并根据算法来构建系统的结构。 一旦确定了系统所使用的结构，将系统分成各个功能模块，进入行为级设计 阶段。目前对于数模混合电路的行为级描述一般使用v e r i l o g a m s ( 或 v h d l a m s ) 语言实现。数字功能块由v e r i l o g ( 或v h d l ) 语言描述，模拟功 能块由v e r i l o g a ( 或v h d l a ) 语言描述。对于使用行为级描述的各个模块构 建的系统可以进行混合验证，最终得到各个模块的设计要求。 对于电路级设计，数字电路与模拟电路一般采用不同的方法。模拟电路的设 计比较复杂，一般都是通过手工搭建晶体管进行功能模块的设计，而数字电路设 计的自动化程度已经比较高，能够实现自动综合。对于大规模的数字电路来说， 通过e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c ) 工具能够大大提高工作效率。对于d a c 电路来说，由于数字电路相对比较简单，而且对数字电路的要求比较高，使用模 拟的方法进行设计的话可以通过调整晶体管得更好的效果。 物理实现主要包括两个方面的内容，即块编辑和块装配。在过去几年，针对 块编辑已经开发了不少成功的商用工具、方法和流程，但在块装配方面却处在研 究阶段。 近年来，物理验证技术在e d a 界取得了很大的发展，许多商用工具，如 a s s u r a 和c a l i b r e 已经实现了分层的物理验证和参数提取。 最终验证是通过物理验证工具从最终版图中提取包含寄生参数的电路网表 进行仿真，是添加物理参数后的晶体管级仿真。所有的模块在整个数模混合系统 中，通过进行晶体管级的仿真，以验证模块的性能和接口。 1 4 本文的内容安排 由于所设计的d a c 是无线收发系统的一部分，要求能够满足系统性能要求 并具有低功耗和面积小的特点。基于t s m c0 1 8 a mc m o s 工艺，本文设计一 个2 6 m h z 的1 2 位分段式电流舵型数模转换器。 本文采用混合电路“自顶向下”的设计方法，在明确设计目标的基础上，提 6 第一章f j l 高 出了电流舵的分段式d a c 系统架构。了解d a c 的性能指标，根据系统架构用 m a t l a b 对系统进行仿真，选取最适合的分段模式。将d a c 系统分成模拟模块 和数字模块，用v e r i l o g 建立模拟电路模块的行为模型，用v e r i l o g 建立数字电路 模块的行为模型，对系统行为模型做混合仿真。分析系统对各个电路模块的要求 和模块电路性能参数对系统的影响，以便在电路设计时，考虑减小这些不利因素 的方法。在明确各个模块电路要求后，分别设计每个子电路，通过仿真确定电路 参数，使各部分达到预期要求。电路的最终实现必须通过整体仿真，加入不同的 输入数据验证系统的功能，在反复的参数调整中提高系统的性能。前仿真通过且 各项指标达到要求后，进行物理层的版图设计。版图设计完成后，有必要对电路 作后仿真，模拟真实的电路工作情况，这样可以在流片前提早发现问题，缩短设 计周期。后仿真通过后将d a c 作为g s m 收发系统的一部分进行验证，在验证 的各项指标都能够满足系统要求以后进行流片测试。 全文分为八章。第一章简要介绍本课题的研究背景和研究意义，并介绍混合 信号电路“自顶向下的设计方法。第二章简述了d a c 的基本工作原理和主要 性能参数，对不同的d a 转换实现方式作了比较。第三章从系统角度对二进制 加权d a c 和温度码d a c 的性能进行比较，得出优化性能的“8 + 4 分段结构， 然后分析d a c 的系统性能影响因素和电路模块的行为级建模。第四章和第五章 进行了电流舵d a c 的电路级设计，并对模块电路进行仿真。第六章是电流舵d a c 的仿真和结果分析。第七章简要介绍了本次设计中所用到的工艺与版图设计。最 后一章对本次设计作了总结。 7 c m o si 乜流舵数模转换器的研究j 设计 第二章d a c 的基本原理及其结构 本章简述数模转换器的基本原理、性能参数和主要结构。数模转换器，不仅 要求快速灵敏，而且要求线性误差小，信噪比高，增益误差和偏差能够满足系统 的要求。d a c 按转换时间长短可以分为串行d a c 和并行d a c ，采用并行d a c 能够获得更快的速度。并行d a c 按照缩放方法又可以进一步分化成电流型、电 压型和电荷型，本章将分别阐述不同缩放方式d a c 的结构和特点。 2 1d a c 的基本工作原理 d a c 的输入是一个码字，它由数字信号处理系统产生的并行二进制信号组 成，利用基准电压或电流，这些并行二进制信号被转换成等价的模拟信号。d a c 一般由数字输入寄存器、译码电路、加权网络、基准电压源或电流源、模拟读出 电路等部分组成，电流输出的d a c 可以如图2 1 的结构来表示。 翎二 字l 寄l 输 l 存i 入l 器i d “一，ii 基准电流源k 上 _ 译 加读 码权出 电网 _ 电 路络路 _ 图2 - 1 电流型d a c 结构 模拟输出i o t r r 可以看到，数字输入由一个n 位的码字组成，其中b o 为最高有效位m s b ，一。 为最低有效位l s b 。对于线性转换器，输出电流易w 可以表示为： i o 叮= 尉去d ( 2 1 ) 其中，k 是比例因子。码字d 表示为： 第_ 二章d a c 的堆奉原理及其结构 。一争+ 争+ 争+ + 等( 2 - 2 ， n 是码字的总位数，包一。是第i 位的系数，取0 或者1 ，由数字对应位的逻辑电平 来决定。因此，d a c 的输出可以表示为： 乇坩= 船艘n 等 ( 2 3 ) 厶 式( 2 - 3 ) 表明模拟量与输入数字量成正比。输出模拟量是由一系列二进制 分量叠加而成的。对于单位数字量的变化，模拟输出是按一定的阶跃量变化的。 2 2d a c 的主要性能指标 d a c 的参数基本上可以分为静态特性参数和动态特性参数，静态特性参数 包括：分辨率( 也叫位数) 、积分非线性误差i n l ( i n t e g r a ln o n l i n e a r i t y ) 、微分 非线性误差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 ) 、失调误差( o 凰e te r r o r ) 、增益误差 ( g a i ne r r o r ) 等；动态特性参数包括：建立时问( s e t t l et i m e ) 、信噪比( s n r ) 、 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 ) 、毛刺( g l i t c h ) 、有效位数 ( e f f e c t i v en u m b e ro f b i t s ) 等。影响d a c 参数的因素很多包括温度、工艺、电 路结构等，这些在本节中将会有论述。 2 2 1d a c 的静态性能参数 ( 1 ) 分辨率 d a c 的分辨率定义为模拟输出端对应于数字输入代码变化所产生的最小的 独立变化量，它也是输出实际可用的分立模拟电平的标志，一般以位数来表示。 n 位分辨率也就是转换器的输出须有产生2 n 1 个分立模拟电平的能力。 ( 2 ) 积分非线性误差i n l 积分非线性误差是实际的有限精度特性和理想的有限精度特性在垂直方向 上的最大差值，一般用l s b 来表示。对于电流型d a c 来说，其i n l 可以表示为： i n l ：塑二婴一f(2-4), 【i ( n ) - ，( o ) 】 、 式中n 表示最大的数字输入量。 9 c m o sl 乜流舵数模转换器的研究f - j 设计 i o u t 图2 - 2d a c 的非线性特性示意图 i i n ( 3 ) 微分非线性误差d n l 微分非线性误差是指两个相邻模拟输出量跳变值与一个理想跳变值1 l s b 之 间的差值。对于电流型d a c ，其微分非线性误差可以表示为： d n l ：塑二丝二! ! 一1 ( 2 5 ) , i ( n ) - i ( o ) n 、7 微分非线性误差是d a c 的重要参数之一，一般d n l 要在+ 一0 5 l s b 范围内。 如果d n l 大于1 l s b ，输出端就会出现非单调的情况，也就是随着输入的增加， 输出反而出现下降的非单调情况。i n l 和d n l 都是d a c 非线性特性的重要指标， 其示意图如图2 2 所示。 微分非线性显示的是d a c 在数字输入发生变化时模拟输出的均匀性。如果 相邻的数字输入发生变化，其对应的模拟输出变化为1 l s b ，那么d a c 的输出 就是均匀的，性能就好；反之，如果它对应的模拟输出变化不是1 l s b ，那么数模 转换器的输出就不均匀 5 】。 ( 4 ) 失调误差与增益误差 失调误差又称为零点误差，它是指数字输入全为0 时，其模拟输出与理想值 之间的偏差，如图2 3 所示，此理想值也应为0 。 1 0 第_ 二章d a c 的基本原理及】e 结构 图2 - 3d a c 的失调误差示意图 增益误差又称为满值误差，转换器的输出与输入之问的传输特性曲线的斜率 称为它的增益，实际增益和理想值之间的误差称为增益误差，也就是当数字输入 从1 l 1 0 变换到1 1 1 1 时，其模拟输出与理想值之间的偏差。图2 4 显示了增 量误差的原理。 误差 图2 - 4d a c 的增益误差示意图 2 2 2d a c 的动态性能参数 ( 1 ) 建立时间 建立时间是指从输入的数字量发生突变开始，直到输出的模拟量与稳定状态 相差o 5l s b 范围内的这段时间，通常用它来定量描述数模转换器的转换速率。 因为数字输入量的变化越大，建立时间越长，所以一般给出的是输入从全0 跳变 为全1 ( 或从全l 跳变到全o ) 时的建立时间，如图2 5 所示。 t 6 5 4 3 2 l 0 失 c m o si 乜流舵数模转换器的研究1 j 设汁 一一 i 二 k 暾| 上t 出 。0 。 一。上，。 厂一 f - 蠢 、 ， 差带 建立时闻 图2 5d a c 的建立时间示意图 建立时间是数模转换器的一个重要参数，特别是对于高速应用场合必须加以 考虑。在电流舵型d a c 中，它和被改变的位电流及c m o s 电流模拟开关的响应 时间有关，是由内部逻辑电路系统的切换时间和寄生的节点电容产生的电路瞬变 建起所决定的。建立时间主要受m s b 位建立时间所控制，与较低位相关的建立 时间一般忽略不计 6 。 ( 2 ) 信噪比s n r 转换器输出中的随机干扰成分称为噪声，在d a c 输出端测得信号与噪声的 比称为信噪比( s n r ) ，这里信号指基波信号幅值的有效值。通常s n r 的定义来 源于信号对量化噪声的比值，因此理论上对于理想的d a c 来说其信噪比为 7 】。 s n r t = ( 6 0 2 n + 1 7 6 ) d b( 2 - 6 ) 其中，n 是d a c 转换器的位数。 对于高分辨率和宽动态范围d a c 实际的s n r ，它不仅与d a c 的位数有关， 还要考虑d a c 的输入信号通过各种方式的耦合( 如寄生电容、时钟馈通、毛刺 干扰耦合等) 在输出端形成的噪声影响s n r 。信噪比是有用输出信号与输出信 号中的平均噪声( 包括所有谐波噪声) 能量的比值，s n r 可以用式表示 一1 0 1 0 禹。l 劾 i ，( ，) 2 ( 2 7 ) 这旱，s 代表有用的输出信号，n 代表噪声信号，z 代表频率，( ，) 代表 1 2 第_ 二章d a c 的堆本原理及j e 结构 频率是f 时的信号幅值，风代表噪声频率的个数。 ( 3 ) 毛刺( g l i t c h ) 当d a c 输入的数字量快速变换时，输出模拟量可能出现的尖峰称为毛刺。 产生毛刺的主要原因有两个：一个是由于转换器中的模拟开关的动作时间不一 致，因而在开关工作过程中，会出现中间代码送到转换网络产生瞬间的模拟输出， 导致转换器的输出出现尖峰；另一个是由于数字信号变化过快，这种快速变化通 过内部电路馈送到输出产生尖峰。 通常在主变迁或半满度时，即数码从o l 1 1 到1 0 o o 之间产生的毛刺最大， 而在其它变迁( 例如0 2 5 或0 7 5 满度) 情况下毛刺通常都比较小，这是因为在主 变迁时d a c 的所有位码都发生变化，产生的累积误差最大 8 】 9 】。图2 - 6 是一个 8 位的转换器输出时产生毛刺的示意图。 数字输入 图2 - 6 毛刺现象示意图 毛刺用尖峰能量( g l i t c he n e r g y ) 来衡量，它的存在直接影响转换器的精度，而 在应用系统中毛刺直接影响系统的性能。例如在一些控制和测试系统中，转换器 的毛刺可能使系统中的一些触发器产生误动作。某些幅度大，能量高的毛刺甚至 可能损坏半导体器件。 ( 4 ) 无杂散动态范围( s f d r ) 无杂散动态范围定义为转换器的输出信号中基波信号幅值的均方值与最大 的谐波或者非谐波失真均方值的比值，通常用d b 表示。在一定带宽中经常需要 传送多路信号，频谱上相邻的有限带宽的信号之间的干扰会严重影响信号传送的 质量，因此s f d r 是一个比较重要的指标。 c m o si u * l 舵礁转# 日f 究1 ，世h 图2 7s f d r 示意图 图2 7 是一个典型的s f d r 图，输入数字信号为一个标准f | 勺数字正弦波信号， 被称为基波信号。从d a c 的输出信号的频谱上可以看到，除了基波以外，还有 基波的各次谐波以及其它噪声。平均能量最大的谐波能量与基波的能量差即为无 杂散动卷范n i l 0 。 2 3d a c 的主要结构及其特点 2 3 1 电压按比例缩放d a c 电压型d a c 的原理如图2 8 所示 一3l口=nieoz 第- 二章d a c 的暴奉原理及j e 结构 d v ld ld o 图2 - 8 电压按比例缩放d a c 。二，7 电压型d a c 采用的是电阻式分压，对1 1 位的d a c 基准电压圪被2 “个阻值相i 司的 电阻分压，各分压点的电压值分别为： = 争o ( 2 - 8 ) 巧= 扣( 2 - 9 ) v 2 n - i - - 拳r ( 2 ”一1 ) ( 2 - 1 0 ) 每一个分压点与一个对应的模拟开关相连，模拟开关的状态由输入数字信号 d 经译码后控制。当输入信号d = i 时，译码输出使开关s ( i ) 闭合，其它开关断开， 此时转换器的输出为： k = 争f ( 2 - 1 1 ) 2 3 2 电流按比例缩放d a c 电流按比例缩放d a c 通常是将基准电压转换为一组二进制加权电流，这 此电流再通过一个电流电压转换模块来产生模拟输出申压。 c m o si 乜流舵数模转换器的研究j 设计 图2 2 是电流按比例缩放d a c 的一个实例。它主要由权电阻序列、开关序 列、译码电路、运算放大器和参考电压源五部分组成，权电阻序列仅使用r 和 2 r 两种阻值的电阻。所有电阻的一端共同接到运算放大器的反相端，另一端与 相应的丌关相连接。开关序列受译码电路输出抚的控制。当b i = 1 时，开关将电 阻序列中相应的电阻r i 与放大器的负端相连；当反= 0 时，开关将电阻序列中相 应的电阻r ；接地。 图2 - 9 电流按比例缩放d a c w 图2 - 9 电流按比例缩放d a c 实例下面对n 位d a c 的转换输出电压u r 与输 入数字量b i 之间的关系进行定量分析。根据该网络的特点：从任何一个纵向2 r 电阻向右看的二端网络的有效电阻都是2 r ，所以各支路电流满足以下关系： = 2 1 2 = 4 1 3 = 2 ”1 l ( 2 1 2 ) z , - 等( 2 - 1 3 ) 所以，总电流为 ht 厂n i o = 善2 等善6 f 2 - ( 2 - 1 4 ) 那么，运算放大器的输出电压为 1 6 第一二章d a c 的基本原理及其结构 v o f 厅= - - r f l 0 一等v 艇f 2 b , 2 叫 ( 2 一i s ) 、 i = l 由上式可见，输出模拟电压与数字输入成比例。该电路的优点是电阻值只有 r 和2 r 两种，且各支路电流间不存在时间差，提高了转换速度；但缺点是分辨 率高时需要的电阻数量较多。 2 3 3 电荷按比例缩放d a c 电荷型结构的d a c 是通过在电容阵列中重新分配总电荷来工作的，它的结构 原理如图2 1 0 所示 1 1 。 o 盯 d 一- 日或 图2 1 0 电荷按比例缩放d a c 如图中所示，电荷型d a c 正常工作需要一不交叠的两相时钟。在，时钟时 刻，所有电容的上、下极板都连到了地，进行放电；在。时钟时刻，所有输入 为“1 ”的位所控制的开关连接到基准电压，而所有输入为“0 ”的位所控制 的开头连接到地。此时，连到上的总电容为： c e q = d , c + d 2 c + + 或导= ( d 1 2 。+ 见2 。2 + + 见2 ”) 2 c ( 2 - 1 6 ) 连接地匕的总电容为： 1 7 c m o s 电流舵数模转换器的研究o j 设计 2 c - c e q = 1 - ( 9 1 2 1 + d 2 2 2 + + d 。2 一”) 2 c ( 2 - 1 7 ) 其中，d = b 2 。1 + d 2 2 之+ + 见2 ”为输入的数字信号。此时，输出电压为： u o = ( ) 1 2 - 1 + d 2 2 - 2 + + p 。2 ”) u 足 ( 2 1 8 ) 实现了数模转换的功能。 2 3 4 不同转换方式的比较 相较三种转换方式而言，电荷按比例缩放方式采用了不少电容，而电容要消 耗巨大的芯片面积，而且需要两相时钟，复杂度增加，因而不具有竞争力。d a 转换器如果是电流按比例缩放方式，电路中常采用梯形电阻网络进行转换；如果 是电压按比例缩放方式，电路采用电阻分压链的结构。就这两种d a 转换方式 相比较，电流的转换速度明显大于电压的转换速度。因为电压按比例缩放方式在 实现数字模拟的转换过程中由于对负载电容和各种寄生电容进行充放电，所以 其转换速度较慢，一般用于低速的转换器内；而电流型d a 转换器的速度只受 管子的开启速度( 即开关速度) 的限制，这一类型的转换器的速度可以做得很快， 但对模拟开关的要求比较高。在高速情况下，电压型结构中电阻梯和输出驱动需 要较大的功耗，而电流型是电流直接输出，电源的利用率较高。 第二章i 乜流舵d a c 的系统设计 第三章电流舵d a c 的系统设计 高速电流舵d a c 作为一种大规模的混合信号集成电路，其仿真验证是非常 复杂的，所以必须建立有效的高层次模型用于指导d a c 的设计，从系统层次优 化结构与性能。 本章通过比较分析了二进制码方式d a c 与温度码译码方式d a c 各自的特 点，确定了两种译码方式相结合的分段结构电流舵d a c 。在明确了d a c 结构之 后，分析了影响电流舵d a c 性能的影响因素。为了在线性和面积之间取得折衷， 通过m a t l a b 仿真确定了8 + 4 的分段比例，最后得出1 2 位分段式电流舵d a c 的总体结构，并根据结构模块建立d a c 的行为模型进行系统分析。 3 1 电流舵d a c 的分段结构 本设计的目标是设计一个1 2 位2 6 m h z 的数模转换器，首先需要选择一个合 适的结构来实现这一目标。 串行输入方式的d a c 速度太慢，不能满足设计的要求，所以我们选择并行 输入方式的d a c 。通过前面对电压、电流和电荷三种不同按比例缩放d a c 的分 析和比较中，我们选择速度最快、面积相对较小的电流模式的d a c 。电流型d a c 又可以分为加权电阻型、分组衰减的权电阻网络型、r 2 r 梯形电阻型和电流舵 型。电流舵型d a c 的分支电流源是通过复制参考电流源而得到电流的，最符合 高速d a c 的特点。电流舵型d a c 又可分为二进制码型和温度码型，下面比较 两种不同加权方式的优缺点。 3 1 1 二进制码d a c 图3 1 是一个二进制加权d a c 原理图。二进制加权d a c 的好处是其设计的 简单性，且不需要任何的编码逻辑，但是它的缺点仍然是与最高有效位m s b 有 关。在传输的中点( 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ) 到( 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ) 处，m s b 电流需要与其它 所有的电流源之和匹配，误差必须小于0 5 l s b 。这样的精度对于高分辨率，位 数在1 0 位以上的d a c 很难做到。匹配问题对于所有的传输过