自调整双极性电压源DAC的设计

摘要

MEMS电容式加速度计读出电路将电容的变化通过测量电路转换成电信号,这个电信号可以表示加速度大小。在此加速度计中,为了达到力的平衡,需要数模转换器(DAC)提供一个稳定的偏压来消除重力加速度的影响。本文是在国家十二五重大专项的资助下完成的,项目要求:DAC为5V和-5V的双电源供电,其差分基准电压要求为3.7V和-3.7V,数模转换器微分非线性误差(DNL)小于0.5LSB,积分非线性误差(INL)小于2LSB。
　　本文在分析目前数模转换器的发展趋势,研究传统数模转换器的基本原理和结构的基础上,根据项目中加速度计性能需求分别设计了10位电阻电容混合型数模转换器以及12位电阻分压阵列型数模转换器。具体研究工作如下:
　　提出一种自调整电压源结构,克服了传统方法产生差分基准电压精度不高和对称性差等缺陷;同时,此种结构充分利用DAC中的电阻,减小了芯片面积。两种结构的DAC均采用自调整基准电压源电路产生差分基准电压。
　　在10位电容电阻混合DAC的设计中,通过研究分析电容和电阻匹配度对DAC精度的影响,确定了电容阵列和电阻阵列的位数;在版图设计中,提出一种新型的电容版图共质心的画法,相比于传统DAC电容阵列画法,提高了电容的对称性,更好地消除了寄生电容的影响,进一步提高了DAC的精度。
　　在12位电阻分压阵列DAC的设计中,研究分析了电阻值大小对系统性能的影响,从而确定了电阻大小。在运放的设计时,通过对运放噪声的分析,尽量降低其噪声影响。由于输出需要在300ms稳定,又输出接80欧姆电阻和330uF电容串联,故输出缓冲使用了甲乙输出级。
　　10位的电容电阻混合DAC已在0.5μmCMOS工艺上得以验证实现,经过两次流片,第一次流片微分非线性误差(DNL)最大为0.50LSB,积分非线性误差(INL)最大为0.82LSB;第二次流片微分非线性误差(DNL)最大为0.43LSB,积分非线性误差(INL)最大为0.54LSB,均满足了工程需求。12位电阻分压阵列结构DAC后仿真结果均满足设计指标,正在流片之中。相关设计申请了专利。

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第1章 绪论

1.1 论文的背景和意义

1.2 DAC的发展趋势

1.3 集成电路的研究方法

1.4 关于本课题所做的工作

1.5 论文的组织结构

1.6 创新点

第2章 数模转换器的基本原理和常用结构

2.1 D/A Converter的基本工作原理

2.2 DAC的性能参数

2.3 DAC的基本结构

2.4 本章总结

第3章 10位电容电阻混合DAC的设计

3.1 系统结构和工作原理

3.2 DAC非线性分析

3.3 DAC设计

3.4 自调整基准电路的设计

3.5 输出缓冲器的设计

3.6 版图设计

3.7 芯片测试结果

3.8 本章小结

第4章 12位电阻分压型DAC的设计

4.1 系统结构和工作原理

4.2 电阻分压阵列型DAC

4.3 自调整基准电压源的设计

4.4 DA缓冲

4.5 版图设计

4.6 整体芯片后仿真

4.7 本章小结

第5章 总结与展望

参考文献

致谢

在校期间发表的学术论文及研究成果