第22卷 第3期电子测量与仪器学报
V ol 122 N o 13
・78 ・
JOURNAL O F EL ECTRON IC M EASURE M EN T AND I N STRUM EN T
2008年6月
本文于2007年6月收到。
基金项目：国家部委预研项目资助。
14位200M S PS 三段式电流舵D /A 转换器的设计 梁上泉1
尹勇生1
高明伦
1,2
(11合肥工业大学微电子设计研究所，合肥230009;21南京大学微电子设计研究所，南京210093)
摘 要：为满足现代通信系统和混合信号领域的要求，本文设计了一款14位、200MSPS 的D /A 转换器。通过对线性度、动态性能、功耗和面积的折中考虑并对二进制加权电流源与单位电流源的优化组合，设计采用了三段式电流舵结构。文中重点讨论了关键电路的设计，并基于S M I C 0135μm M ixed Signal 2P3M 工艺模型对电路进行了仿真验证。仿真结果表明D /A 转换器的非线性误差和无杂散动态范围都达到了设计指标的要求。 关键词：三段式电流舵，温度计译码器，开关驱动器，单位电流源，带隙基准源中图分类号:T N402,T N431.1 文献标识码:A D esi gn of 142b it 200M SPS Three 2segm en ted Curren t 2steer i n g D /A Converter
L iang Shangquan 1
Yin Yongsheng 1
Gao M inglun
1,2
(11I nstitute of VLSI design,Hefei University of Technol ogy,Hefei,230009,China;
21I nstitute of VLSIDesign,Nanjing University,Nanjing,210093,China )
Abstract:A 142bit,200MSPS digital 2t o 2anal og converter was designed f or high 2perf or mance co mmunicati on syste m s and m ixed 2signal fields .Considering the trade 2off a mong linearity,chi p area,dyna m ic perfor mance and power consu mp ti on,the p r oposed D /A converter adop ts three 2seg mented current 2steering structure t o achieve op ti 2mum combinati on bet w een unit current s ources and binary weighted current s ources .The paper focuses on the de 2sign of several key circuits .H s p ice si m ulati on verificati on was carried out based on the S M I C 0.35m m ixed signal 2P3M C MOS p r ocess model .Si m ulati on results de monstrate that the nonlinear err ors and SF DR of the p r oposed cir 2cuit meet the design require ments .
Keywords:three 2seg mented current 2steering,ther mometer decoder,s witching driver,unit current s ource,bandgap reference 1
1 引 言
在现代通信系统和混合信号应用领域中，高速度、高精度D /A 转换器是必不可少的器件。高精度、高采样率的D /A 转换器大部分采用B i polar 和B i C MOS 工艺实现，但是随着C MOS 工艺技术的不断发展和DAC 结构的不断创新，亚微米和深亚微米C MOS 工艺也能很好地实现高速、高精度D /A 转换器。C MOS D /A 转换器具有集成度高、功耗低、兼容性强等优点，目前得到了广泛的应用。文献[1][2]基于B i polar 工艺提出了电流舵结构的DAC，但是功
耗很大，不适于S OC 应用。文献[3][4][5]基于C MOS 工艺设计了14位分段式电流舵DAC (分段方式有所不同)，具有较低的线性误差，但动态性能较差，并且功耗和芯片面积较大。
精度高于10位，采样率大于200MSPS 的D /A 转换器通常会采用电流舵结构，原因是电流舵D /A 转换器不需要额外的放大器进行电流-电压转换，同时还能有效降低功耗。考虑到DAC 的转换速度取决于译码器及电流开关的转换时间，而DAC 的精度则取决于电流源之间的匹配精度，本设计采用了三段式电流舵结构，在实现高采样率的同时使非线性误差最小化。在三段式结构中，输入信号的高5
第3期14位200MSPS 三段式电流舵D /A 转换器的设计・79 ・
位和中间4位分别采用温度计码控制单位电流源，低5位则直接控制二进制加权电流源。为改善动态
性能，论文为高5位与中间4位信号设计了简洁的译码电路，并提出了一种新型高速开关驱动电路。另外，还设计了与工艺和温度无关的带隙基准源，保证输出电流的高精度。
2 14位三段式电流舵D /A 转换
器的结构及其设计
如图1所示,D /A 转换器由带隙基准源、温度计译码及锁存器、开关驱动器、差分电流源开关及P MOS 电流源阵列等电路组成。14位数字信号输入译码电路(温度计译码器和二进制伪译码器)后，经过开关驱动电路产生输出电平，从而控制电流源阵列
。
图1 14位三段式电流舵DAC 结构图单位电流源型DAC 具有匹配要求低、转换精度高等优点,14位D /A 转换器需要2
14
=16384个单
发烟筒
位电流源，即使采用常见的8+6分段式结构，高8位仍然需要28
水玻璃铸造
=256个电流源。综合考虑布局复杂度、芯片面积及线性度等因素，文中采用5+4+5的三段式电流舵结构。2.1带隙基准源的设计
带隙基准具有输出阻抗低、温度稳定性高、电源抑制比高、长期稳定等优点，并且与C MOS 工艺兼容。文中设计的带隙基准源电路如图2所示，用以产生与工艺和温度无关的基准电压，保证DAC 的输出具有良好的温度特性和高精度[6]。图2中，具有低失调、高增益的运算放大器通过负反馈保证运放的输入端b42、b33上的电压相等，当电路平衡时电阻R1产生的PT AT 电流大小为
:
图2 带隙基准电压源电路
I PTA T =
2(V B E 1-V B E 2)
R 1
=
2・V T I n N
R 1带隙基准
(1)
其中,V T =kT/q，室温下约为26mV;N 为两条
支路的双极型晶体管Q2、Q1的发射极面积之比。
双极型晶体管Q5产生具有负温度系数的电压，通过2倍镜像的PT AT 电流在电阻R3、R4上产生具有正温度系数的电压，叠加得到基准电压V REF 。
V R EF =V B E +2・I PTA T ・(R 3+R 4)
=V B E +4・R 3R 1
+
R 4R 1
・V T I n N10 18 100 101
(2)
式(2)中,R3与R1采用P 型有源电阻，具有相同温度系数，其比值与温度无关;R4采用多晶电阻，与R1的比值随温度变化而变化。这样，通过利用不同材料电阻的温度特性的不同，抵消V B E 的高阶项，实现曲率校正，减小基准电压的温度漂移。
为保证基准源上电后脱离“简并”偏置点，将M181、M1、M2、M4组成启动电路。电路上电后，栅
极接地的P MOS 管M181导通,b36的电压被拉高,M2管导通，其漏端电压b23被降至低电平，基准源
电路开始工作。电路正常工作后,M4导通,M2的栅电压b36被拉低,M2截止，启动电路关断。
工艺误差引起的失配、噪声等因素会导致运放产生失调，因此电路中采用了级联双P NP 结构减小失调，
提高输出电压的精度。阻值相等的电阻R0、R2用以提高b22、b12的电压，使其接近b33、b42的
电压值，保证各条支路电流的精确镜像。另外，设计了旁路电容C0用于消除外部干扰。2.2温度计译码器的设计
温度计译码器的作用是将输入二进制码转换成温度计码，依序控制电流源开关的导通与关闭。本文设计的行、列译码器能简洁快速地控制二进制码到温度计码的转换,DB8、DB7输入行译码器(Ro w
・80 ・电子测量与仪器学报2008年
Decoder )产生三位行控制信号，对应逻辑分别为ROW [2]=DB8+DB7、ROW [1]=DB7、ROW [0]=DB8・DB7；同理,DB6、DB5输入列译码器(Column Decoder )产生列控制信号COL [2]=DB6+DB5、COL [1]=DB5、COL [0]=DB6・DB5。论文采用了
与或非门实现状态选通功能，这样控制信号ROW [i]、ROW [i -1]、COL [j]经过状态选通器控制单位
电流源的导通或截止，如图3所示。可以看出，简单的“与”、“或”逻辑和状态选通器实现了从二进制码到温度计码的转换，有效提高了数据转换的速度。此外，论文还设计了二进制伪译码器，保证二进制加权电流源的控制信号与温度计译码器的输出信号同步，提高DAC 整体的动态性能
。
图3 行、列译码及状态选通示意图
2.3开关驱动器和单位电流源的设计
信号译码输出后通过开关驱动器控制电流开关的导通和截止，驱动器的设计是影响DAC 动态性能的关键。针对诸多影响动态性能的因素，如译码器
输出信号不同步、电流开关同时关断、时钟馈通效应等，文中提出了一种新型的电流开关驱动器，如图4(a )所示。译码输出信号经过时钟同步锁存器产生两组互补控制信号D 和DN 、DS 和DS N 。当D 为低电平时,M0、M3、M5管导通,S W 直接从高电平变到低电平,S WN 的电平从低电平变到高电平时,V GS3会逐渐变小直至M3管截止。I D S0约为I D S3的1/6～1/4倍,S WN 转换为高电平的速度会随着I D S3的减小而降低，从而降低两路控制电压的交叉点，使两个互补的电流开关不同时关断，波形如图4(b )所示。开关驱动电路还采用了1.8V 的限幅电源，限制开关信
号的高电平摆幅，一方面减少控制信号通过寄生电容C G D 产生的馈通效应，降低开关过程产生的瞬态
毛刺，另一方面加快电流开关管的切换速度，提高芯片的转换速率
。
(a )电流开关驱动器
(b )低交叉点波形图
图4
采用N 阱C MOS 工艺,P MOS 管做在N 阱中可
以较好地避免电路的噪声干扰，因此，所设计的开关管及电流源均由P MOS 管构成。电流源的输出阻抗值对DAC 的静态、动态性能都有影响，如式(3)、(4):
I NL =
I UN IT R 2
L N
2
4R OU T
(3)SFDR =40lg
R OU T
R L
-12(N -2)
(4)
式中,R L 是DAC 的负载电阻。若电流源的等效输出阻抗R OUT 太小,DAC 会产生较大的非线性误差，奇次谐波失真会导致SF DR 下降。因此，电流源采用Cascode 结构，一方面增大电流源的输出阻抗，提高输出电流的线性度，另一方面Cascode 管的屏蔽效应能同时减小开关管共源端电平扰动对电流源的影响，提高转换器的动态性能。
D /A 转换器的输出采用差分形式产生电流I O UT A 、I O UT B ，消除单端模式下的噪声、
失调、失真等误差，同时能给负载提供的能量是单端输出的两倍，如
第3期14位200MSPS 三段式电流舵D /A 转换器的设计・81 ・
图5所示。考虑到V B S 对V TH 的调制作用，设计中的P MOS 管衬底电平V BULK 电平接到1.65V 电压上。
这样减小阈值电压V THP 也能起到降低开关驱动信
号交叉点的作用，同时增加开关管的切换速度
。
图5 差分开关管及P MOS 电流源
3 电路仿真
本设计基于S M I C 0.35
μm C MOS 工艺模型，利用H s p ice 进行了各项指标的仿真验证。瞬态仿真后计算得DNL =±2.0LS B 、I N L =±2.7LS B ，如图6(a )所示，满足设计指标的要求。图6(b )是采样频率为200MHz 、输出信号为49.6MHz 的正弦信号的频谱分析图，测量得SF DR =75.1dB ，表1给出了不同采样速率和输出频率SF DR 的统计值。14位
200MSPS DAC 的版图面积为2×2mm 2
，如图6(c )。表2是DAC 在室温、典型模型下的设计结果总结，各项指标均达到设计要求
。
(a )DAC
微分非线性误差和积分非线性误差
(b )
输出正弦信号的频谱图
(c )14位200MSPS DAC 的版图
图6
表1 14位DAC 的SFDR
Sa mp le Rate (MSPS )Out put Frequency
(MHz )SF DR (d B )65
1.485.3651075.3652
2.77
3.9130
4.883.913010.481.4130158020020.78
5.520025.483125
49.6
75.1
表2 DAC 设计指标总结精度14位
DNL
±2.0LS B I N L
±2.7LS B
最高采样率
200MHz 输出电流2mA ～20mA 版图面积2×2mm
2
功耗
112.2mW
・82
・电子测量与仪器学报2008年
4 结 论
文中设计了一种三段式电流舵结构的14位、200MSPS的C MOS D/A转换器。该DAC内置带隙基准源电路，采用5+4+5的三段结构实现二进制加权电流源与单位电流源的优化组合，简洁的温度计译码器以及新型电流源开关驱动器有利于DAC 动态性能的提高。仿真结果说明该DAC足以满足在移动通信、仪器仪表等方面应用的要求，目前该芯片已交付数据参加MP W流片。希望所给出的该高速度、高精度DAC的结构及其关键电路的设计考虑与实现方法对其它DAC电路的设计有一定的参考价值。
参考文献:
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作者简介:
梁上泉：女,1983年出生于甘肃省文县，博士研究生。2005年7月毕业于合肥工业大学理学院，获学士学位，主要研究方向为数模混合及低功耗集成电路设计。
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