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12位160MHz双通道分段式电流舵DAC的研究与设计

张泽伟  
【摘要】:数模转换器(DAC)是连接数字系统与模拟系统的重要接口器件,随着无线通信领域的快速发展,对DAC的转化速率要求越来越高,高速DAC的性能制约着整个通信收发系统信号处理的速度。因此研究和设计高速高精度DAC芯片具有重要的实用价值和现实意义。本文基于110nmCMOS(互补金属氧化物半导体)工艺设计了一款电流舵的双路12位高速数模转器(DAC),主要完成了以下工作和创新:(1)研究了数模转换器的工作原理,在分析各种结构DAC电路性能优缺点及设计指标的基础上,确定了“6+6”分段电流舵结构作为本次设计的DAC电路结构,其中,低六位数字输入码使用二进制译码,高六位使用温度计译码。(2)DAC模拟模块主要用于提供稳定精确的电流源,主要包括带隙基准电压源、电压跟随器、电压—电流转换电路、电流源和电流源开关信号电路等电路。带隙基准电压源采用PTAT结构,并加入启动电路防止整个电路工作在零点状态;电压跟随器采用二级运算放大器结构,并加入米勒补偿电路避开工作极点和增加相位裕度;电压—电流转换电路是由二级运放外接一个负反馈形成闭环来实现电压—电流转换;电流源采用共源共栅结构来提高输出阻抗;电流源开关信号电路是将带隙基准电压源的输出电压通过电阻分压的方式获得所需的电压,再经过电压跟随器为电流源开关提供栅压,保证开关工作时处于饱和状态。(3)数字模块主要用于控制电流源的开关,主要包括通道选择电路、缓冲器电路、分段译码电路、同步锁存器和限幅低交叉电路等电路。通道选择电路采用MOS管作为开关,选择是否为电流源提供偏置电压;缓冲器电路利用由非门和传输门组成的主从触发器来实现输入数字信号的时序控制;分段译码电路实现高6位二进制输入到温度计译码,通过逻辑代数的变换来减少逻辑门种类的使用,实现相同逻辑门共用,使得高6位译码计算完成的延迟时间尽量相同,减少毛刺的产生;同步锁存器是由两个反相器组成的环路,输入的数据在环路中进行锁存;限幅低交叉电路将低电平拉伸到所需的电压,保证差分电流源开关不能同时处于断开状态,并且开关在闭合时工作于饱和区。(4)将本文设计的数模转换器在Spectre中进行仿真测试工作,并在版图编辑器中完成电路版图的绘制,利用Calibre和Assura软件进行了设计规则检查和一致性验证。仿真结果表明该双路12位分段式电流舵数模转换器,在160MHz的时钟频率下,负载150Ω电阻,各个模块正常工作下,DNL(微分非线性)为±0.75LSB,INL(积分非线性)为±1.1LSB,在信号频率为10MHz时SFDR(无杂散动态范围)达到-72dB,达到了设计要求,可以应用到车载语音控制系统中。


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