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高速高精度数字-模拟转换器(digital to analog converter DAC)广泛应用与无线通信领域和视频信号处理领域。高时钟频率和高分辨率精度对DAC的无杂散动态范围(Spurious-Free Dynamic Range,SFDR)和非线性误差(Nonlinearity)都提出了较高的需求。电流导向型DAC(current steering DAC,CS-DAC)由于其较快的工作速度和较高的匹配性,在当前的设计研究领域得到了较为广泛的应用。 随着CMOS工艺技术的不断进步,特征尺寸等比例缩小,来自工艺制造过程的随机失配较为显著,电流源之间的匹配成为提升DAC线性度和分辨率的一个瓶颈。动态元素匹配(Dynamic Element Matching)通过随机的选择输出的电流源组合,将与输入信号有关的谐波能量转化为与输入信号无关的白噪声,因而可以在有较大的失配存在的情况下实现较高的线性度;通过采用数字电路实现动态随机的过程,不需要反馈的调校,可以实现较高的工作速度并且可以实现SFDR.与输入信号的频率基本无关的。所以本文中的高速高精度DAC设计即是基于动态元素匹配技术的电流导向型DAC。 本文的实现了一种应用了DEM编码技术的14位电流导向型DAC的设计。对于电流源阵列部分,考虑了工艺的误差以确定了单元的参数。对于DAC中普遍存在的不同位切换时候的时钟同步问题,采用了一种归零输出级,避免了模拟信号切换时的毛刺(glitch)对于输出信号频谱的影响。在Cadence环境下搭建整体电路,并且完成版图的设计。对整体电路进行仿真,采样时钟为333MHz频率时,SFDR可达89dB,验证了整体DAC的电学性能。该设计在SMIC CMOS130rim工艺下流片,对其进行测试,采样时钟为50MHz时,SFDR约为53dB。 本文提出了一种新的DEM编码方法,在MATLAB下对该编码方法进行6位电流源DAC设计建模,与流行的一些DEM编码方法进行比较和分析。相比传统的DEM编码,可以在保证最佳的SFDR性能(56.5dB)的前提之下,提升了静态性能(DNL0.25LSB和INL0.45LSB);其次,通过修改了每次数字信号切换时选择的模拟电流源的逻辑,加快了转换速度,提升了DAC的工作速度。本文应用了该编码方法进行10位电流导向型DAC的设计,采用修改过的电流源阵列和归零输出级,并且加入了片内的带隙基准源和锁相环以提供电流偏置和时钟,此设计在SMIC65nm工艺下流片。