6位高速CMOS数模转换器集成电路的研究和设计

摘要

数模转换器(DAC)作为数字系统到模拟系统的一个重要接口，越来越受到人们的重视。近年来通信技术尤其是无线通信技术的快速发展，对DAC转化速率的要求也越来越高。高速DAC的性能在某种程度上成为了高速通信系统性能的瓶颈之一。因此研究和设计高速DAC芯片具有重要的现实意义。
　　本文首先介绍了DAC的工作原理和重要指标。接着分析了电阻型、电容型和电流舵三种类型DAC的各自特点和实现方式。电流舵架构由于其将电流源的电流直接输出到负载不需要任何缓冲这一固有特性使得其在高速DAC中得到广泛应用。基于此，本文详细分析和讨论了影响电流舵DAC静态特性和动态特性的关键因素。分析了电流源阵列的随机失配项并定量给出了电流源尺寸的选取方案，介绍了减小系统失配的布局方案。推导了电流源阻抗与静态特性和无杂散动态范围(SFDR)的定量关系并分析了共源共栅电流源的输出阻抗随频率的变化趋势。所设计的6位高速DAC基于65nm CMOS工艺，采用高四位温度计译码和低两位二进制加权的4+2电流舵结构。整个电路包括模拟和数字两大部分。模拟部分主要提供所需要的电流源。通过采用内置的带隙电压基准源产生稳定电压，进而通过电压转电流电路和电流镜来获得稳定的电流源。内置的电流源较好地保证了精度和集成度。数字部分主要为译码器和为了保证各路信号同步性的译码前后的寄存器和锁存器。对译码器的设计做了精细的考虑，通过优化逻辑结构以及门单元电路并在其中插入缓冲器来使得译码器能正确处理高速信号并将各路信号之间的延时控制在一定范围内。为了在转换过程中电流源阵列始终提供稳定的电流，译码后的控制信号通过调制器产生一个高交叉点的差分控制信号来控制差分开关的断开与闭合。这样使得在切换过程中差分开关不存在同时关断的现象。本设计完成了原理图设计，版图设计和后仿真。其总面积为0.675mm×0.485mm。芯片采用1.2V单电源供电，整个功耗小于20mW。后仿真结果表明具有良好的静态和动态特性，其DNL，INL均小于0.05LSB。在8GHz时钟频率作用下，输出信号频率在2.7GHz内SFDR大于34dB;在5GHz时钟频率作用下，整个奈奎斯特带宽SFDR大于42dB。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 国内外发展状况和研究意义

1．3 研究内容和设计指标

1．4 取得的成果和论文组织结构

第2章 DAC的基本原理及分类

2．1 数模转换器的基本原理

2．2 数模转换器的性能参数

2．3 DAC的架构分类

2．4 本章小结

第3章 高速电流舵DAC性能分析

3．1 电流源误差分析

3．2 电流源输出阻抗对DAC性能影响

3．3 共源共栅电流源的低频和高频分析

3．4 电流舵译码方式

3．5 本章小结

第4章 6位高速电流舵DAC的设计

4．1 6位电流舵DAC的系统架构

4．2 带隙电压基准源

4．3 电压转电流电路和电流源栅压产生电路

4．4 共源共栅电流源和开关管

4．5 输入寄存器

4．6 译码器设计

4．7 译码后锁存器和开关驱动器

4．8 时钟驱动电路

4．9 本章小结

第5章 6位高速电流舵DAC的版图设计和系统仿真

5．1 版图设计要点

5．2 数模混合集成电路版图

5．3 6位高速DAC版图设计

5．4 6位高速电流舵DAC的系统仿真

5．5 设计指标与后仿真结果对比

5．6 本章小结

第6章 6位高速DAC测试方案

6．1 芯片介绍

6．2 静态特性测试方案

6．3 动态特性测试方案

第7章 总结和展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文