10bit数模转换器的设计与研究

论文摘要

伴随着微电子技术和数字技术的发展,先进的电子产品层出不穷。数模转换器（DAC）是其中不可或缺的模块,他的功能是将输入的数字信号转换成输出的模拟信号。微电子技术的发展现状要求DAC具有高速度,高分辨率,高集成度以及低功耗的要求,这使得转换器成为限制整个电子系统性能的瓶颈之一,所以数模转换器是当今重要的研究课题。为了满足高速与高分辨率的要求,本文基于GSMC 0.18μm CMOS工艺,设计一个10-bit、200MS/s的电流驱动型DAC。本文首先研究了DAC的性能指标,包括INL、DNL、毛刺、SFDR等。接着分析了温度计编码、二进制编码以及分段编码三种主要结构以及其随机误差、系统误差和动态特性。电流源矩阵设计采用“6-2-2”分段编码结构以获得较好的DNL,简化数字编码电路,减小面积等,其中高六位和中两位采用温度计编码,低两位采用二进制编码。根据INL、SFDR、良率以及输出阻抗要求来设计单位电流源,并通过同本地偏置电路来降低对电流源匹配的要求。采用锁存器来同步电流源开关控制信号,同时降低毛刺,改善了动态性能。电流源矩阵布局采用对称开关次序来减小系统误差。最后进行了大量的整体仿真,完成了版图设计,芯片面积为290μm*680μm。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景和研究内容
• 1.2 数模转换器的发展概述
• 1.3 本文的结构
• 第二章 数模转换器（DAC）概述
• 2.1 DAC功能概述
• 2.2 DAC性能参数
• 2.2.1 理想DAC的传输曲线
• 2.2.2 失调误差和增益误差
• 2.2.3 积分非线性和微分非线性
• 2.2.4 单调性与精度
• 2.2.5 输出毛刺
• 2.2.6 建立时间和采样速率
• 2.2.7 总谐波失真
• 2.2.8 信噪比、信噪失真比和无杂散动态范围
• 2.2.9 有效位数
• 2.3 DAC的主要类型
• 2.3.1 电阻分压型DAC
• 2.3.2 开关电容型DAC
• 2.3.3 电流驱动型DAC
• 第三章 电流驱动型DAC特性分析
• 3.1 单位电流源MOS管的匹配
• 3.2 进制编码
• 3.2.1 二进制编码DAC结构
• 3.2.2 二进制编码DAC的INL和DNL
• 3.3 温度计编码
• 3.3.1 温度及编码DAC结构
• 3.3.2 温度计编码DAC的INL和DNL
• 3.4 分段编码
• 3.4.1 分段编码DAC的结构
• 3.4.2 分段编码DAC的INL和DNL
• 3.5 三种编码结构的比较
• 3.6 积分非线性（INL）良率解析模型
• 3.6.1 Lakshimikumar Ⅰ模型
• 3.6.2 改进的Lakshimikumar模型（Lak-Ⅱ模型）
• 3.6.3 Bosch模型
• 3.7 系统误差分析
• 3.7.1 电流源输出阻抗与INL的关系
• 3.7.2 电流源输出阻抗与SFDR的关系
• 3.8 动态特性
• 第四章 10-bit电流驱动型DAC的设计及仿真
• 4.1 DAC的系统功能框图
• 4.2 分段编码结构的选择
• 4.3 电流源的设计
• 4.3.1 电流源匹配
• 4.3.2 电流源设计
• 4.3.3 电流源的仿真
• 4.3.4 电流源开关的设计
• 4.4 偏置电路的设计
• 4.4.1 带隙基准电压源的设计与仿真
• 4.4.2 全局偏置和本地偏置的设计与仿真
• 4.5 锁存器的设计及仿真
• 4.6 数字译码电路
• 4.7 输入寄存器
• 4.8 DAC电路整体仿真
• 第五章 DAC的版图设计
• 5.1 电流源矩阵的版图布局
• 5.2 整体版图实现
• 第六章 总结
• 附录 DAC整体仿真的Matlab代码
• 参考文献
• 致谢