一种16位20MS/s分段式电流舵结构CMOS D/A转换器的设计

摘要

D/A转换器是连接数字信号世界和模拟信号世界的一座桥梁，它是现代通信与数字信号处理系统中不可或缺的一个重要组成部分。随着 CPU的飞速发展直接提升了DSP系统的精度和速度，同时也对 D/A转换器的精度和速度提出了更加高的要求，而随着近些年便携式掌上设备的迅猛发展，又对 D/A转换器提出了更低功耗的要求，所以高精度、高采样率、低功耗已经成为现今和未来 D/A转换器三大重要的研究方向。
　　本论文采用 TSMC0.18μm1P6M CMOS工艺库设计了一款16-bit20MS/s分段式电流舵结构 CMOS D/A转换器，其中分段方式采用3-6-7分段，低位3-bit采用二进制编码控制电流源结构，中位6-bit和高位7-bit采用温度计编码控制电流源结构，差分输出形式，模拟部分供电电压和数字部分供电电压均为1.8V，满量程输出模拟电流为17.15mA。
　　为了减小输出模拟量的毛刺和增大输出阻抗，单位电流源结构加入了Dummy管结构；为了提高带隙基准电压源的温度系数，加入了6-bit分段式电阻可修调结构；为了降低功耗和提高后期流片测试阶段的可测性，加入了外接 Iref端口。
　　利用 Cadence模拟电路设计平台设计 D/A转换器的整体电路结构，Spectre仿真电路的特性，使用 Matlab数据处理可以得到 D/A转换器的静态特性参数值和动态特性参数值，最终的版图绘制利用 Virtuoso完成。利用全“0”到全“1”跳变的阶跃信号仿真得到建立时间为41.8ns；利用斜波仿真，可得到静态特性参数 INL≤±0.5LSB，DNL≤±0.2LSB；利用正弦波仿真，在采样频率为20MS/s下可得到动态特性参数 SFDR=102.1dB，SNR=91.3dB，ENOB=14.8。仿真 D/A转换器的整体功耗，在1MS/s采样频率下功耗为31.732mW，在20MS/s采样频率下功耗为31.879mW，其中模拟部分的功耗占绝大比例。最终绘制出整体版图有效面积约为1.51mm×2.71mm。