一个12bit_800MSPS电流舵结构的高速DAC的设计_20120507

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1、12bit800MSPS电流舵结构的高速DAC设计关保贞深圳集成电路设计产业化基地管理中心摘要：本文设计了一个分辨率为12位，采样频率为800MHz的高速电流舵结构DAC。该设计基于TSMC0.18umCMOS工艺，采用了二进制码控制和温度计码译码控制相结合的方式，从而在降低DNL误差和减小毛刺的同时，又能实现较小的芯片面积和功耗。为达到高的精度和高的转换速度，该设计在系统结构、电路结构以及芯片版图等方面都做了优化。关键词：电流舵温度计译码高速DAC1引言随着通信、多媒体技术和计算机技术的快速发展，D/A转换器（Di

2、gital-to-AnalogConverter，DAC）被广泛应用于国防、生活、工业自动化等各领域。速度、精度、功耗和芯片面积是DAC设计中的4个重要约束条件。传统的电压分配或电荷分配DAC，在输出端都需要电流/电压转换的放大器，从而限制了DAC的速度与精度。此外，传统的电流分配DAC需要用一个很大的器件来分配电流，会占用很大的面积。目前，可内嵌的高速、高精度、低功耗DAC是模拟集成电路领域中的研究热点之一。电流舵DAC（CSDAC）作为一种能实现更高速、更高线性度、更小面积的DAC，获得了广泛的应用。CSDAC有

3、二进制权值型和温度计译码型两种实现方式。其中，二进制权值型DAC电路结构简单，但总谐波失真（THD）较大，单调性很差。温度计译码型DAC需要复杂的译码电路，芯片面积较大。综合二进制和温度型结构的优点，本文采用TSMC0.18umCMOS工艺设计了一个分辨率为12位、采样频率为800MHz的DAC。达到了在保持高采样率基础上保证单调性及降低谐波失真的目的。2CSDAC的结构及设计指标CSDAC的结构如图1所示，包括以下几个主要部分：电流基准单元，电流源阵列(SCA)，电流舵开关，锁存器阵列，译码器和时钟驱动单元。电流基

4、准单元产生一个不随温度和电源电压变化的基准电流。电流源阵列是DAC的核心单元，采用分段结构。即高5位采用温度计码电流单元而低7位采用二进制电流单元。温度计码电流单元是二进制高位码通过一个二进制—温度计译码器后控制电流源的开关流向，二进制电流单元则直接由低位的二进制码控制开关流向。锁存器是用来同步开关的驱动信号，通常与电流舵开关合起来成为一个阵列（swatch）。译码器实现二进制码到温度计码的转换。时钟驱动单元用来提供寄存器和锁存器所需的同步时钟。CSDAC的工作原理如下：变化的数据由时钟同步输入到输入寄存器；高位的数

5、据经过译码器从二进制码转换为温度计码，低位数据经过伪译码器，然后再经过锁存器同步后驱动电流舵开关，实现电流的加权；加权后的电流作为DAC的输出驱动外接的负载电阻，完成D/A转换过程。图1CSDAC的结构本文设计的电流舵DAC的设计指标如表1所示。分辨率12位转换速率800Msps满刻度电流20mA电源电压3.3微分非线性（DNL）0.5LSB积分非线性INL0.5LSB积分非线性产率99.7%无杂散动态范围（SFDR）80dB@lowfreq.65dB@highfreq.表1CSDAC指标3CSDAC系统设计CSDA

6、C的系统结构包括DAC的分段方式，温度计码电流单元的开关方式，电流单元的布局方式以及电流单元的电流随机偏差，这些是影响到CSDAC静态参数DNL与INL的主要因素。3.1DAC的分段方式的设计高精度CSDAC设计中一个重要的结构参数是DAC的分段方式，即采用温度计译码控制的单位电流源和采用二进制码控制的电流源各自对应的位数。二进制码的优点是无需译码逻辑得以节省部分面积，缺点是有大的DNL误差，单调性不能保证且会有大的转换毛刺；相比而言，温度计码的优势则是DNL误差小、单调性得到保证、毛刺小，缺点是增加的温度计译码电路

7、的复杂度、面积和功耗。因此采用合理的温度计译码和二进制译码的组合，既可以保证DNL误差和毛刺的要求，又能实现较小的面积和功耗。假设一个N位DAC低B位采用二进制译码，高N-B位采用温度计码译码，单位电流源的电流标准偏差是sigmaI,那么电流由二进制单元向温度计码单元过渡的电流增量的标准偏差sigma（ΔI）是sigma（ΔI）=sqrt(2^(B+1)-1)*sigma(I)/I*LSB.这个值是DNL的一个较好的近似[1]，在sigma(I)/I＝0.5％，且满足设计指标3sigma（ΔI）<1/2LSB，由上式

8、得出B<9。因为除了工艺随机失配外还存在着梯度失配，设计时要留一定的裕度，在设计中取B=7即可满足设计指标。故针对12位分辨率的设计指标，考虑温度计译码电路复杂性的因素，参考已有的设计，选择了5位温度计码7位二进制码的分段方式。3.2温度计码电流单元的开关方式的设计确定分段方式以后，另一个重要的结构参数是温度计码电流单元的开关方式。一个温度计码