12位100MHz電流舵數模轉換器的設計

摘 要： 提出了一種采用0.13um CMOS工藝的12位100MHz電流舵數模轉換器的設計。系統由溫度計譯碼模塊、行列邏輯選擇模塊、鎖存模塊、輸入寄存器、電流源開關陣列與偏置電路構成。設計采取“8+4”分段編碼式電流舵結構來實現，SPICE仿真結果顯示：電路失調誤差、增益誤差、微分非線性誤差與積分非線性誤差分別為7.5%、5.0%、7.0LSB和8.3LSB，建立時間為20ns，輸出電流范圍為1.5mA-22.5mA，平均功耗為81mW，屬于高速低功耗數模轉換器，可廣泛應用于精密電子設備中。

關鍵詞：數模轉換器 電流舵 分段編碼 SPICE

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.116

1 引言

隨著集成電路技術的發展，高性能CMOS數模轉換器（Digital Analog Converter，簡稱DAC）設計引起研究者廣泛關注[1]。主流DAC采用電流舵結構來實現。電流舵DAC編碼有二進制碼和溫度計碼兩種。二進制碼電流舵DAC通過二進制開關控制2N-1個電流源的通斷來實現，優點是無需譯碼電路，電路較簡單、轉換速度快；缺點是二進制對應的電流源很難完美匹配，DAC輸出單調性較差，非線性誤差較大。溫度計碼電流舵DAC包含2N-1個大小相等的電流源，優點是不需要精確的電流源匹配即可達到很好的微分非線性誤差，中間碼切換過程也不會產生較大的毛刺；缺點是需要配合譯碼電路來實現電路，電路分辨率越高，電路結構越復雜，轉換速度越低。本設計采用兩種編碼形式混合的方式即分段編碼結構[2-4]。

2 分段編碼結構的選取

當分段中二進制碼占100%時，DAC電路面積為模擬部分面積，隨著分段中溫度計碼比例提高，DAC電路面積隨之減小，當溫度計碼占總分段60%-70%時，此時獲得最小的微分非線性誤差和積分非線性誤差；當溫度計編碼比例持續升高，溫度計編碼的數字部分面積也隨之增加，此時DAC的總面積也增大，積分非線性誤差增大[2，5]。根據DAC設計電路的復雜程度、版圖設計和芯片面積折中考慮，本設計采用“8+4”分段結構，即高8位為溫度計編碼，低4位為二進制編碼，用來減小設計誤差。

3 電流舵DAC原理

圖1所示是N位分段電流舵型DAC的設計結構圖，由二進制碼與溫度計碼分段構成，DAC高位采用溫度計碼以獲取較高的匹配性，從而獲取較好的線性度；DAC低位采用二進制碼以減小DAC的面積，從而降低DAC版圖設計的復雜度[4，6-8]。

4 電路設計與仿真

系統電路由溫度計譯碼模塊、行列邏輯選擇模塊、鎖存模塊、輸入寄存器、電流源開關陣列與偏置電路構成，如圖2所示，其中B1-B12為輸入端口，IOUTP和IOUPN為輸出端口，CLK為時鐘信號。系統高8位數據通過譯碼電路譯成溫度計碼，控制行列邏輯選擇電路產生電流源陣列控制信號；低4位數據進入直接鎖存，鎖存信號用以控制比例電流源開關。電流源偏置電路用以保證輸出一致；鎖存器確保控制信號能夠同步進入電流源開關陣列中。

時鐘信號CLK為100 MHz，當輸入為“000000000000”時，輸出電流波形如圖3（a）所示，理想輸出為0 mA，由于系統失調誤差影響，實際仿真電流為1.5 mA；當輸入信號為“111111111111”時，輸出電流波形如圖3（b）所示，理想輸出為20 mA，由于系統失調誤差和增益誤差影響，實際仿真電流為22.5 mA，系統失調誤差和增益誤差分別為7.5 %和5.0%。

當輸入信號以步距1逐漸從“000000000000”動態變化至“111111111111”時，電流舵DAC分辨率為1/4096 LSB，平均功耗為81 mW，DNL為7.0 LSB，INL為8.3 LSB，建立時間約為20 ns，可以滿足轉換速度要求。

5 結論

本文提出了一種12位100MHz的分段式電流舵DAC。系統電路采用“8+4”分段式編碼結構實現設計。電路經過SPICE軟件仿真可知其性能較好，屬于高速低功耗CMOS集成電路，可廣泛應用于精密電子設備中。

參考文獻：

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作者簡介：石圣羽，男，河北秦皇島人，碩士研究生，研究方向：檢測技術與自動化裝置。