嵌入式12位300MHz数模转换器设计技术研究

摘要

数模转换器(Digital-to-Analog Converter,DAC)是把计算机数字世界中的二进制数字码转化为现实环境中连续的模拟信号的一种电路,适用于现代通讯系统、便携式消费电子、汽车电子等诸多领域,是不可缺少的一个重要模块。随着无线通讯市场和混合信号产品的快速发展,数模之间的连接部分成了系统集成的瓶颈,这就要求数模转换器具有高速高精度、低压低功耗等特点。因此,本文设计了一种基于嵌入式应用的12位电源电压3.3V、采样频率300MHz的数模转换器。
　　 本文首先介绍了数模转换的研究现状和发展动态,介绍了数模转换器的基本结构和基本原理,分析了几种常见的数模转换器的优缺点,同时具体分析了DAC的静态性能指标和动态性能指标。然后使用Matlab模拟仿真了二进制编码电流源和温度计码电流源的积分非线性和微分非线性,在综合考虑了芯片面积和电路性能等因素后,本文设计了“4+4+4”分段式12位电流舵结构的数模转换器,其最高4位和中间4位采用温度计编码,最低4位采用二进制码。同时文章在分析了限制DAC性能主要因素的基础上,采用Matlab软件对其结构进行了行为级建模并仿真验证,数模转换器主要由温度计编码器、电流源开关驱动电路、带隙基准源、单位电流源阵列电路组成。
　　 在电路设计中,通过使用温度计编码控制单位电流源阵列,可以减小输出毛刺;单位电流源采用共源共栅结构,增加了电流源的输出阻抗,提高了电流源的精度,同时加入了冗余管来抑制时钟馈通和电荷注入效应;设计了一种用来控制电流源开关信号的电路,它的主要作用是使开关控制信号的交叉点降低,从而控制输出的模拟信号出现明显毛刺的几率,提高了数模转换器的动态性能;高精度带隙基准采用线性化补偿技术和级联PNP管结构,同时增加了一个可编程模块,使得基准源的输出基准电流大小灵活可调。最后对电路进行整体仿真并完成了版图及测试。
　　 设计采用SMIC0.35um、3.3V、双层多晶、四层金属的CMOS工艺完成流片,对其进行测试得到芯片有效面积为1.3*1.2 mm2,芯片整体静态功耗为136 mW,在300MHz的采样频率时,对于30MHz的正弦信号,微分非线性(DNL)达到0.3LSB,积分非线性(INL)为0.2LSB,无杂散动态范围(SFDR)为64.22dB,达到预期设计指标。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外研究状况和发展趋势

1.3 数模转换器的研究方法和途径

1.4 本文的主要工作内容

第二章 数模转换器的基本原理分析

2.1 数模转换器的基本工作原理

2.2 数模转换器的拓扑结构及其特点

2.2.1 电阻串联型数模转换器

2.2.2 R-2R梯型数模转换器

2.2.3 二进制电流源型数模转换器

2.2.4 单位电流源型数模转换器

2.3 数模转换器的基本特点

2.3.1 静态特性

2.3.2 动态特性

第三章 数模转换器结构的选择及行为级建模

3.1 DAC结构的选择

3.1.1 DAC结构的比较与选择

3.1.2 分段比的确定

3.2 DAC行为级建模

3.2.1 分段式电流舵数模转换器的架构

3.2.2 二进制数据产生电路的行为模型

3.2.3 温度计编码电路的行为模型

3.2.4 四位二进制加权子DAC行为模型

3.2.5 四位温度计码子DAC行为模型

3.2.6 理想分段式电流舵DAC整体行为模型

第四章 数模转换器的电路设计及其仿真

4.1 高精度带隙基准的设计

4.1.1 CMOS带隙基准的基本原理

4.1.2 CMOS带隙基准的非理想因素

4.1.3 带隙基准电路的设计

4.1.4 带隙基准电路的仿真

4.2 电流源开关驱动电路的设计

4.3 电流源的设计

4.4 电流源开关的设计

4.5 DAC总体电路仿真

第五章 数模转换器的版图设计及测试结果

5.1 版图设计要点

5.1.1 运算放大器的版图设计

5.1.2 双极晶体管、电阻版图设计

5.1.3 电流源阵列的版图设计

5.2 DAC总体布局及芯片实现

5.3 芯片测试

5.4 性能对比

第六章 总结和展望

致谢

参考文献

附录A:作者在攻读硕士学位期间发表的论文

附录B:Matlab代码