自适应模数数模转换器的毕业设计资料.docx

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自适应模数数模转换器的毕业设计资料

毕业设计

自适应模数/数模转换器的设计

姓名：

XXX

学号：

XXXXXXXX

班级：

XX信息工程X

专业：

电子信息工程

所在系：

电子信息工程系

指导教师：

XXX

自适应模数/数模转换器的设计

摘　　要

随着SOC和混合信号集成电路的发展，对于芯片中数字部分与模拟部分接口电路的研究显得尤为重要。

在数字和模拟领域的接口研究中，数模转换器和模数转换器的应用不仅仅局限于听觉通路——如麦克风和扩音器，视觉通路——如照相机和其他一些显示设备，而且在有线或无线通道数据传输中也有很重要的用途。

典型的如数据信号依据某种机制被调制到载波上，和载波一起在有线或无线的通道中传输，接收器接收到信号再进行解调，可根据应用和可行性的不同在数字或模拟领域中解调，其应用之广泛可见一斑。

在高速数据转换电路中，速度、精度、功耗和芯片面积是四个关键的性能指标。

它们之间并非独立的，而是存在相互联系、相互制约的辨证关系。

任何设计都要根据具体的要求在这四个方面进行折衷。

本文主要介绍了10位，100兆采样速率的电流型数模转换器的设计和仿真。

本文设计的数模转换器采用“6+2+2”的分割结构——高6位和中间2位采用相互独立的温度计译码，低2位采用二进制编码。

通过锁存器产生同步的开关控制信号来控制核心转换电路的开关管，从而控制流经输出端负载电阻的电流总量，达到将输入的数字信号转换为输出模拟电压的目的。

本文设计的数模转换器的特点是采用了分段编码的形式，使毛刺（glitch）误差减小，成功地将最大毛刺（glitch）抖动能量控制在0.436pVis。

另外，电流源采用共源共栅的结构提高了转换精度。

关键词:

DAC；分割结构；温度计编码；二进制编码；锁存器

Adaptivemodules/digital-to-analogconvertersdesign

ABSTRACT

WiththedevelopmentofSOCandmixed-signalcircuits,theresearchontheinterfacesbetweenthedigitalandanalogdomainsbecomesmoreandmoreimportant.Withintheseinterfaces,wefindtheanalog-to-digitalconverter（ADC）anddigital-to-analogconverter（DAC）.Thesedataconvertersarenotonlyusedforconversionofaudioviamicrophoneorloudspeakers,videoviacameraordisplay,intoinformationthatthecomputerordigitalsignalprocessor（DSP）canhandle.Thedataconvertersarealsousedfordatatransmissionviaachannel,wherethechanneliseitherwirelineorwireless（radio）.Typically,thedata（signal）ismodulatedontoacarrieraccordingtosomescheme.Thesignalisthensentoverthechannelwiththecarrier.Thereceiverwilldemodulateandextractthedata（signal）.Themodulationcanbedoneinboththedigitalandanalogdomaindependentonapplicationandfeasibility.

Inhigh-speeddataconversioncircuit,speed,accuracy,powerdissipationandchipareaarefourkeyperformancespecifications.Theyarenotindependent;instead,theyareinterrelatedandlimiteachother.Thereisalwaysatrade-offamongthesefouraspects.

Thisthesismainlyfocusesonthedesignandsimulationofthe10-bit100MSample/scurrent-steeringDAC.TheDAChasa“6+2+2”segmentedarchitecturefirst,thesixmostsignificantbits（MSB’s）arethermometerdecoded;second,theintermediatetwobitsarealsothermometerdecoded,butindependentlyfromtheMSB’s;third,thetwoleastsignificantbits（LSB’s）arebinaryweighted.Latchisusedtosynchronizetheswitchingcontrolsignals,andthencontrolthecurrentthroughtheload.Thesegmentedarchitecturehasanadvantageofachievingagoodglitchenergy.Theglitchenergyisreducedto0.436pVis.Besides,thecurrentsourceusingcascodedPMOStransistorsimprovestheresolution.

KeyWords:

DAC;SegmentedArchitecture;Thermometerdecoded;Binarydecoded;Glitch

目　　录

第一章　引言

1.1研究的背景、方向和意义

今天，电子产品在人们的生活中扮演着举足轻重的角色。

电视机、电脑、网络、无线通信设备等电子工具，给人们带来了丰富多彩的娱乐享受，而采用电子系统控制的新一代家电，如冰箱、空调、电饭锅、汽车等使我们的生活更加便利。

这些现代电子设备多采用数字电路的方式来实现，但我们生活的自然界却是模拟的，对于我们——自然界中的人类来说，感知外界的方式也是模拟的。

因此，这些电子系统需要把外部的模拟信号采集进来，并把它转换成数字信号，然后通过DSP或CPU等数字信号处理器，对其进行处理，最终得到的结果往往需要再变回到模拟形式，以便控制各种机电设备，或作为各种家电设备的输出，来满足人们视听的享受。

这种把模拟数据采集进来并转换成数字数据，或把数字数据转换成模拟数据的功能是通过模数和数模转换器实现的。

模数和数模转换器作为数字信号和模拟信号的接口如图1.1所示。

图1.1模数和数模转换器作为数字和模拟信号的接口

Fig.1.1Adcanddacasdigitalandanaloginterface

目前，可内嵌的高速、高精度、低功耗数据转换器成为模拟集成电路领域中的研究热点。

其原因是，1、与模拟信号相比，数字信号具有便于存储、转移、保真度和可靠性高等优点，因此，在过去的20年，各国的研究机构对数字技术的发展非常重视，另外，随着CMOS工艺水平的长足进步和数字系统设计软件的日趋成熟，使数字系统无论是在处理能力还是处理速度上都取得了飞速的发展。

相对而言，模拟和数模接口电路的设计在过去的几十年没有得到足够的重视，加之模拟设计软件也不够成熟，使模拟尤其是数模接口电路的发展落后于数字电路的发展，因此，在一些包括数模接口的电子系统，象数字视频系统和数字通信系统中，接口电路的性能（如速度、精度）成为限制整个系统性能的瓶颈；2、由于靠电池供电的便携式设备日益普及，也要求在达到高速、高精度的前提下，消耗尽可能小的功耗，以维持较长的待机时间；3、随着单片系统集成的快速发展，要求接口电路和数字系统集成在一块芯片上，这对降低成本、提高性能具有很重要的意义。

从上面的介绍可以看到，目前发达国家对高速数据转换电路的研究开发已经达到了很高的水平，由于各种原因，我国在这方面的研发水平与国外相比还十分落后，这严重限制了我国在集成电路设计尤其是系统集成方面的发展。

为了缩短与国外先进水平之间的差距，我们急需加强在这个领域的研究。

本文以高速、高精度数模转换器的设计为研究方向，学习了高速数据转换电路的设计理论和设计方法，希望这些学习经验对自己以后的研究生活能够有一定的帮助。

1.2主要工作

在本文工作期间，我查阅了大量有关数据转换方面的资料，较系统地研究了各种数据转换器的结构和性能，并在周成华老师的指导下，设计了一个10位，100兆采样速率的数模转换器。

为了使电路达到最优的性能，我在设计仿真期间，又查阅了许多相关的资料，并与指导老师进行了一些讨论。

数模转换器的性能对版图的依赖性比较强，对于本文设计的10位，100兆采样速率的数模转换器的版图设计。

1.3论文的组织结构

本文主要介绍数模转换器的设计。

论文的结构安排大致如下：

第二章简单介绍数模转换器的工作原理、一些基本概念和几种常用的拓扑结构；

第三章主要介绍本文设计所采用的结构和具体的实现方法；

第四章详细叙述10位，100兆采样速率电流型数模转换器的设计和仿真过程；

第五章主要是根据仿真结果进行分析和讨论；

第六章主要介绍芯片的版图设计。

第二章　数模转换器的简介

2.1概述

数模转换器（Digital－to－AnalogConverter，以下简称DAC）就是将数字信号转换成模拟信号的电路,数模转换器的模拟输出包括电压输出和电流输出。

转换的过程有很多种实现方式，分别适用于各种不同的场合。

在本章我们将阐述数模转换器的工作原理和基本概念，然后再介绍实现数模转换器的各种拓扑结构，并分析比较它们的特点。

2.2DAC工作原理

DAC的工作原理可以用图2.1所示的框图表示。

其中各模块的功能介绍如下：

1.DigitalProcessing（数字信号处理模块）：

主要对输入的数字信号进行预处理，将信号转换成为一种更容易被D/AInterface

处理的信号形式；

2.D/AInterface（数/模接口模块）：

这是DAC的核心电路，经过这个模块后输出的就是模拟信号，对于该模块将在后

面详细介绍；

3.ReconstructionFilter（重建滤波器）：

该滤波器主要是对上个模块得到的模拟信号进行处理，得到需要的有用的模拟信号。

图2.1DAC的工作原理框图图2.2理想的N位分辨率DAC

Fig.2.1TheworkingprincipleofDACblockdiagramFig.2.2TheidealNaresolutionDAC

2.3DAC中的基本概念

理想的N位分辨率DAC如图2.2所示。

Bin为N位数字输入数据，假设采用二进制形式，即：

bii（i=0,1,…N−1）为1或者0。

我们定义bN−1为最高位（MSB），定义b0为最低位（LSB）。

对于一个给定的数字Bin，模拟电平输出为：

下面简要介绍DAC中通用的术语。

分辨率，DAC中的分辨率定义为在不同的输入数字码值下所有可能输出的模拟电平的个数，N位分辨率意味着DAC能产生2N−1个不同的模拟电平，一般情况下它就指输入数字码的位数。

失调和增益误差，失调定义为当输入0码值时实际输出的模拟信号的值，增益误差定义为当扣除失调后理想的满量程输出的值和实际输出的值的差，如图2.3所示。

精度，DAC中的精度分为绝对精度和相对精度。

绝对精度定义为理想输出和实际输出之间的差，包括各种失调和非线性误差在内。

相对精度定义为最大积分非线性误差（下面将讲述这个概念）。

精度表示为满量程的比例，用有效位数来表示。

例如8-bit精度表示DAC的误差小于DAC输出满量程的128。

注意精度这个概念和分辨率不相关。

一个12-bit分辨率的DAC可能精度只有10-bit；而一个10-bit分辨率的DAC可能有12-bit的精度。

精度大于分辨率意味着DAC的传输响应能够被比较精确地控制。

积分线性误差（INL－IntegralNonlinearity），当除去失调和增益误差后，积分线性误差就定义为实际输出传输特性曲线对理想传输特性曲线（一条直线）的偏离。

如图2.4所示。

微分线性误差（DNL－DifferentialNonlinearity），在理想的DAC中，每次模拟输出变化最小为1LSB，微分线性误差定义为每次模拟输出变化最小时对1LSB的偏离（将增益误差和失调除外）。

我们定义的DNL是对每个数字输入码值而言的，有时也有用最大的DNL来定义整个DAC的DNL。

理想的DAC对于每个数字输入其微分线性误差均为0，而一个具有最大DNL为0.5LSB的DAC的每次最小变化输出在0.5LSB到1.5LSB之间。

如图2.4所示。

图2.3DAC的失调和增益误差图2.4DAC的积分和微分线性误差

Fig.2.3DACdisorderandgainerrorFig.2.4DACpointsanddifferentiallinearerror

抖动能量（GlitchImpulseArea），输入信号变化以后在输出端出现的抖动下的最大面积。

建立时间（SettlingTime），在最终值的一个特定的误差范围之内，输出经历满幅转换所需要的时间。

单调性，一个单调的DAC指随着输入数字码值增加输出模拟电平一直增加DAC。

如果最大的DNL控制在0.5LSB以内，那么DAC的单调性自然能得到保证。

伪动态范围（SFDR），SFDR就是SpuriousFreeDynamicRange，即无噪声和谐波的动态范围。

噪声和谐波都称为伪信号（Spurious）。

DAC系统中有两个重要的动态参数：

线性度和噪声性能。

一般来说，系统线性度的性能制约了系统内最大的有用信号，而系统的噪声性能制约着系统的最小有用信号，将二者结合起来，我们就得到了系统的动态范围。

2.4DAC中常用的编码方式

输入的数字信号可以转换成不同的编码形式，常用的有Decimal,Binary，Thermometer和1-of-n,如表2.1所示。

表2.1DAC常用的编码形式

Table2.1DACcommonforms

其中Binary和Thermometer更为常用,且能用较简单的方法进行转换。

Binary编码是一种比较直观的编码方式。

Binary编码的数模转换器实际上就是由输入的N位数字信号直接控制相对应的模拟量，然后相加输出。

而Thermometer编码的数模转换器则是先将输入N位转换成2N−1位数据，然后由这2N−1位数字信号来控制模拟量到输出，使输出的模拟信号等量地线性增加。

由于Binary和Thermometer编码对glitch、面积等指标有不同的影响，综合考虑这几个指标后，现在对很多分辨率在8位以上的DAC来说，采用的都是分段编码，也就是说高几位采Thermometer编码，低几位采用Binary编码。

具体原因将在下面阐述。

2.5DAC的各种拓扑结构

1.电阻型

结构如图2.5所示。

图2.5所示的是一个R-2R阶梯网络型的转换器。

其优点在于能实现很好的线性度,由于所有的电流源都是等值的，我们可以用特殊的附加技术使它们间误差较小,与电阻分压相比其结构简单得多。

缺点是电阻总是非线性的，还包含着和信号有关的寄生电容,要做到完全匹配较难。

同时速度受到输出缓冲器的限制，速度做不到很高。

2.电容型

结构如图2.6所示。

最高位的电容CN是最低位电容C1的2N−1倍。

优点是功耗较小，匹配精度比电阻高。

主要的限制因素是电容的不匹配，开关的导通电阻，较大RC延迟以及放大器有限带宽对DAC速度的影响。

电荷分配型DAC的一个主要缺点是CMOS工艺中的电容实现起来要占很大的芯片面积。

最后由于CMOS工艺中的电容本质是非线性的，总的DAC的线性度将受到抑制。

适用于中宽带高精度。

图2.5电阻型DAC的结构图图2.6电容型DAC的结构图

Fig.2.5ThestructureofDACresistanceFig.2.6ThestructureofDACcapacitance

3.电流型

结构如图2.7所示。

其优点是当精度小于10位时能将面积做得很小，速度不受放大器带宽和较大RC延迟的限制，可达到很高的速度，由于所有的电流都直接流向输出端，所以能量的使用效率很高,且容易实现。

缺点是对器件不匹配性的敏感和有限的电流源输出阻抗。

适合高速宽带的要求。

输出时也可以不采用运算放大器，直接利用负载电阻将电流转换成电压输出，如图2.8所示。

这种形式使得DAC的速率可以不受运放带宽的限制。

2.6DAC的电流型拓扑结构

上面简单的给出了电阻型、电容型和电流型DAC的拓扑结构，并简单的分析了它们的优缺点。

考虑到本文的要求是设计一个高速的DAC，所以设计时采用的是电流型的结构。

在此对电流型的结构进行较详细的介绍。

电流型的结构可以细分为电流分配型和电流驱动型。

电流分配型DAC通过将一个给定的参考电流源分配在几个晶体管中，然后再选中

其中一些作为输出来实现转换。

结构如图2.9所示。

图2.7电流型DAC的结构图图2.8输出直接利用负载电阻进行转换

Fig.2.7ThestructureofDACcapacitanceFig.2.8Outputusingdirectlyloadresistance

图2.9电流分配型DAC的结构图

Fig.2.9CurrentFenPeiXingDACofstructure

这种结构有两个主要的缺点。

首先在IREF和电源之间的电流分配晶体管的存在使输出电压的动态范围下降，这在低工作电压情况下实现起来会很困难。

其次，由于IREF是所有电流分配晶体管中流过的电流的总和，所以实现IREF的管子的尺寸会很大。

由于以上这些缺点，这种结构现在也较少地采用。

电流驱动DAC是目前高速DAC中的主流结构。

它与电流分配型DAC结构的区别在于前者是拷贝型参考电流源得到输出而后者是分配参考电流源得到输出。

电流驱动型DAC中最常用的有三种结构：

二进制编码型DAC，温度计编码型DAC和分段编码型DAC。

三种结构各有其优缺点。

这里以一个3位的DAC为例，给出其电流驱动型的三种结构：

a.二进制编码电流驱动型结构——如图2.10所示。

b.温度计编码电流驱动型结构——如图2.11所示。

c.分段编码的电流驱动型结构——如图2.12所示。

三种电流驱动型结构的比较：

下面本文将就这三种结构的优缺点进行探讨，比较的方面主要集中在两点：

芯片面积和线性度。

为了比较三种结构的线性度，我们首先介绍一个DAC中广泛引用的概念：

毛刺（glitch）。

图2.10二进制编码电流型DAC结构图图2.12分段编码电流型DAC结构图

Fig.2.10Binarycodingcurrent-modeDACstructureFig.2.12Binarycodingcurrent-modeDAC

图2.11温度计编码电流型DAC结构图

Fig.2.11Thethermometercodingcurrent-modeDACstructure

glitch是DAC高速工作时精度的主要制约因素，它是由于控制电流源的开关的工作延时不同而引起的，如图2.13所示，电流源I1和I2开关时刻的不同步，导致了输出出现短时波形变化（glitch）。

在温度计编码型DAC中，所有的电流源都相同，这样总共需要2N−1个电流源。

当温度计编码输出每变化1LSB时，电流源阵列中就有一个电流源打开或者关断，故它的单调性是自然得到保证的。

在数字码处在整个输入范围的中间变化时，电流源阵列中变化的电流源依然只有一个。

而对于二进制编码DAC来说，情况就完全不一样了：

当数字码在整个输入范围的中间变化时，MSB和其它位的变化方向相反（例如二进制011到100转换，对应十进制值3到4的转换），这时输出变化的幅度最大，往往会超过1LSB，这样会带来很大的短时波形变化（glitch），所以在单调性要求很高的场合，温度计编码的优越性远远大于二进制编码。

温度计编码DAC较二进制编码DAC的另一个优越性体现在对器件的匹配要求上。

对温度计编码DAC而言，如果DAC的电流源单元不匹配程度在50%以内，则整个系统的DNL从理论上还是可以控制在0.5LSB以内的，而对于二进制编码DAC而言，在中间码值情况最坏。

温度计编码的第三个优越之处体现在glitch对整个DAC的线性度性能并无影响。

每次转换发生时，总的glitch的大小与转换的开关个数成正比。

当输出变化幅度较小时（例如1LSB），glitch很小；当输出变化幅度较大时（例如4LSB），glitch大一些。

如图2.14所示。

然而由于转换的开关的个数与信号的变化幅度成正比，总的glitch的大小就正比于输出信号变化的幅度。

所以对于温度计编码DAC而言，glitch与输出的模拟信号的线性度无关。

图2.13开关工作延时不同引起glitch

Fig.2.13Switchtimedelaycausedbydifferentworkglitch

图2.14输出变化1LSB和4LSB时glitch的比较

Fig.2.14Andwhen1LSBoutputvariation4LSBglitch

下面本文对电流驱动型DAC的三种实现方式的芯片面积和精度的关系做一下分析，这里本文引用文献[3]的分析结果，如表2.2所示。

从表中我们可以看出，对于两种拓扑结构INL均相同，而对于DNL则有区别，二进制编码DAC明显要差于温度编码DAC。

我们还可以看出，两种结构达到同样的INL需要相同的芯片面积（为简单起见，我们仅计算模拟部分面积而忽略数字译码部分面积）；而为了达到相同的DNL，二进制编码DAC需要的模拟部分面积为温度计编码DAC的模拟部分面积的1024倍。

关于DNL，对三种编码进行比较[7]：

设每个单一电流源的标准差是σ（）,台阶差是σ∆（）,σ∆（）是对DNL的一个很好的近似。

1.二进制编码DAC

二进制编码DAC具有较大的glitch能量和较大的DNL。

在这种结构中，最坏情形发生在半满量程码值输入时，此时MSB（相当于2N−1个单位电流源）打开而其它的电流源（相当于2N−1−1个单位电流源）关断，于是输出变