一种16位高速数模转换器(dac)设计和实现

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1、一种16位高速数模转换器(DAC)设计和实现　　摘要：基于Mixed-SignalCMOS工艺，本文设计了一种采用分段式电流舵结构的高速高精度DAC。同时在该DAC的内部电路中采用了一种新的电流校准技术，既保证了DAC电路的高精度，又减小了梯度误差的影响。电路流片后的实际测试结果表明，该16位DAC在400MSPS转换速率下仍具有良好的性能。本文网络版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/203231.htm关键词：数模转换器（DAC）；自校准；校准DAC（CALDAC）DO

2、I：10.3969/j.issn.1005-5517.2014.1.016引言随着微电子技术的快速发展，数模转换器（DAC）作为连接数字世界和模拟信号之间的桥梁正发挥着越来越重要的作用，而且现代计算机、无线通讯等信息产业的不断进步，对DAC的速度、精度等性能指标也不断提出更高的要求。7为满足现代航天高科技产业对高速高精度DAC芯片的需求，本文基于Mixed-Signal（混合信号）CMOS工艺技术，设计了一个采用分段式电流舵结构的16位400MSPS的D/A转换器，论文第二节在理论分析和电路设计基础上确定

3、了该DAC的系统结构及工作原理，第三节给出了电路中采用的自校准技术及其设计实现，流片后电路的实测结果在第四节予以说明，最后给出论文研究工作的简要总结。16位400MDAC的系统构架在目前常用的DAC结构中普遍采用的是电流输出型DAC，这是因为电流输出有着速度快、电源利用率高、应用广泛、输出范围宽等特点，使得该结构的DAC适合于高速高精度的设计要求。图1所示为基于上述分段电流舵而设计的16位400MDAC的系统构架框图。该电路主要由LVDS模块、行译码与列译码模块、带隙基准源模块、校准模块、偏置电路、时钟分

4、配驱动模块以及模拟开关与电流源阵列等部分组成。在图1中，Bit15～Bit0首先通过LVDS接收器[3]转化成标准的CMOS信号，然后将其中的高7位二进制信号Bit15-Bit9通过译码器生成127路温度计码信号经控制线去控制电流源；中间4位二进制信号Bit8-Bit5则通过译码器生成15路温度计码信号去控制相应电流源阵列；低5位二进制信号Bit4～Bit0则直接通过同步锁存逻辑（DFF）去控制5个二进制电流源。7带隙基准源模块为整个电路系统提供了一个几乎与环境温度和电源电压无关的精准电压源。为了更好地与

5、外部数据进行同步且确保转换器具有16bit的精度，电路设计中还采用了电流校准模块，利用电流校准模块对高7位二进制信号Bit15-Bit9所控制的127个单位电流源进行必要的校准以确保其输出电流的准确性。由式（7）可以看出，采用差分电流输出时，当把差分变单端应用时，可使输出信号的幅度增加一倍，同时差分输出可提高DAC转换速度和动态特性。通过减小寄生电容、缩短建立时间仍是解决DAC电路中动态特性最直接有效的方法。但是为了保证DAC静态特性，减少梯度误差和随机失配就需要增大晶体管尺寸和复杂的布局，这样就会增大寄

6、生电容和电阻，在提高静态特性的同时会限制DAC采样率和高频性能。为了能够较好解决上述问题，我们可以采用校准技术，既能在保证电路高精度的同时减小电流源矩阵在DAC中所占的面积，又缓解了电路对版图和工艺的严格要求。因此，校准技术在保证DAC静态特性的同时能有效提高动态特性，同时还能降低电路对工艺、温度的敏感性，保证DAC长期稳定地工作。7本论文采用了一种新的适合高精度、高速度DAC电路的自校准技术。这种自校准技术能够有效地校正各个电流源的失配，并降低对电流源输出电阻的要求。图2所示为我们采用的数字自校准方案的

7、流程图。从该流程图中可见，在这个自校准的过程中，我们首先将待校准量与参考值进行比较，比较后的结果经一个ADC转换后存储到静态数据存储器（RM）中，由此形成一个唯一对应的数字校准信号再送到一个校准的DAC中，最后完成待校准量的自校准。图3所示为实现上述自校准过程的电路原理图，为了保证整个DAC电路具有16位的线性度，芯片设计中内置了132个用来校准电流源输出线性度的DAC，它们分别是图中的127路高7位电流源，1路低9位的总电流源和4路用于调整输出增益的电流源，另外还有一路基准电流源。当进行自校准时，开关的

8、行列选择电路将每一路电流源按顺序选通到比较器的输入端和基准电流源进行比较，比较后的结果经数字逻辑处理后将6位数字信号输入到相应的校准DAC的6个输入端。每路电流源都有一个校准DAC与其唯一对应，当选择相应电流源时也就对应选上了相应的校准DAC，选择DAC也需要相应的行列选择电路进行按顺序的7选定。当一路电流源完成校准后，其唯一对应的校准DAC的6位数字值也已经确定并存在了静态存储器中，也就是所需调整的电流量已经加在了相应的电流