10位200MSPS流水线DAC的研究和设计

论文摘要

数字模拟转换器（Digital-Analog Converter,DAC）在数模混合系统,如图像信号处理系统、有线与无线通信系统中有着广泛的应用。数字技术的快速发展,也对DAC提出了更高的要求,高速高精度、低压低功耗是DAC的发展方向。通过阅读大量文献,较为全面地概括了DAC的国内外动态。总结了DAC的基本原理和参数,分析了几种典型的DAC结构,比较了各种典型结构的优缺点,根据指标要求确定了采用流水线（Pipeline）DAC进行设计。基于开关电容技术,流水线DAC根据输入数字码存储电荷,利用多相不交迭时钟控制相邻的采样电容进行电荷重分配实现了高低位的加权求和,并将计算结果依次向高位传递,并转化为电压输出。整个DAC由采样电容阵列、输入时序调整、输出缓冲和多相时钟生成等模块组成。分析了影响输出精度和速度的主要非理想因素后,进行了三项探索性的研究开发和分析讨论。为了提高线性度,改进了采样电容阵列的结构,增加了常开常闭的dummy管阵列,减小了寄生电容的影响;为了提高高频输入下的SFDR,在输出缓冲模块中增加了保持周期,实现了不归零（NRZ）的DAC;采用延迟锁相环（DDL）实现了多相不交迭时钟,可以与其他电路共用一个时钟模块。在此基础上,通过分析综合,实现了10位200MS/s的流水线DAC。在TSMC 0.25μm CMOS工艺模型下,该DAC的仿真结果表明:微分非线性（DNL）小于0.25LSB,积分非线性（INL）小于0.8LSB,在0～0.5fs范围内SFDR均在65dB以上,且输出平稳度优于相同指标下的电流舵DAC。而功耗只有40～50mW,明显小于相同指标下的电流舵DAC。与电流舵DAC相比,流水线DAC具有高线性度和低功耗的特点,并且具有低成本优势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 DAC的基本原理
• 1.3 DAC的系统分析
• 1.4 国内外研究动态
• 1.5 论文的主要内容
• 第二章 DAC的基本参数与架构
• 2.1 DAC的性能参数
• 2.1.1 静态参数
• 2.1.1.1 精度
• 2.1.1.2 分辨率
• 2.1.1.3 失调误差
• 2.1.1.4 增益误差
• 2.1.1.5 积分非线性误差
• 2.1.1.6 微分非线性误差
• 2.1.2 动态参数
• 2.1.2.1 建立时间
• 2.1.2.2 无杂散动态范围
• 2.1.2.3 总谐波失真
• 2.1.2.4 信噪比
• 2.2 DAC的基本结构
• 2.2.1 电流定标型DAC
• 2.2.1.1 R-2R梯形电阻网络DAC
• 2.2.1.2 电流舵DAC
• 2.2.2 电压定标型DAC
• 2.2.3 电荷定标型DAC
• 2.3 各种架构的比较
• 第三章 流水线式DAC的基本架构
• 3.1 流水线式DAC的系统模型
• 3.2 流水线DAC的基本架构
• 3.2.1 采样电容阵列的单元结构
• 3.2.2 输入时序调整
• 3.2.3 输出缓冲
• 3.2.4 多相时钟
• 3.3 流水线DAC的基本分析
• 3.3.1 开关电容的基本原理
• 3.3.2 开关电容电路的精度与速度
• 3.3.3 流水线DAC基本架构的误差分析
• 3.3.3.1 沟道电荷注入
• 3.3.3.2 时钟馈通
• 3.3.3.3 KT/C噪声
• 3.3.3.4 梯度误差和对称误差
• 3.3.3.5 电容失配
• 第四章 流水线DAC的架构改进
• 4.1 改进的采样电容阵列
• 4.1.1 开关的选择
• 4.1.2 采样电容阵列
• 4.2 时钟发生电路
• 4.2.1 鉴相器
• 4.2.2 电荷泵和低通滤波器
• 4.2.3 电压控制延迟线
• 4.2.4 启动电路
• 4.2.5 两相不交迭时钟
• 4.2.6 时钟发生电路总体电路和仿真结果
• 4.3 输出缓冲
• 4.3.1 改进的输出缓冲结构
• 4.3.1.1 开关电容放大器的精度
• 4.3.1.2 储存电荷的形式改进
• 4.3.2 高速高增益运放的结构选择
• 第五章 10位200MS/s流水线DAC设计
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻硕期间取得的成果