0.18μm CMOS 12位300MS/s分段电流舵DAC的研究与设计

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数模转换器(DAC)在雷达、电子战争、有线或无线通信等很多领域都发挥着极其重要的作用。在通信领域中,它作为发射机系统的关键一环更是严重制约着整个系统性能的提升。为了紧跟数字信号处理系统的发展脚步,高速高精度DAC的研究与设计俨然成为了一个重要的发展潮流。众所周知,二进制码DAC结构简单、速度较快,但线性度较差,而温度计码DAC线性度较好,但结构复杂、转换速度慢。为了同时满足高速和高精度的要求,通常采用分段式电流舵DAC结构,以兼顾两种译码电路的优点。在此基础上,本文提出了分段模式为“8 MSBs+4 LSBs”、采样率为300MS/s的12位电流舵DAC。对于传统的分段式电流舵DAC,低有效位数常常通过二进制码DAC来实现,而高有效位数则采用温度计码DAC。首先,因为二进制码DAC在中码转换时所有开关均参与变化,导致DAC输出的毛刺很大,影响系统的非线性,所以本文DAC的4 LSBs部分采用分裂码DAC进行替代。分裂码DAC不仅能够弥补二进制码DAC上面提到的缺点,相较于温度计码DAC,还拥有简单的译码电路。其次,为了进一步改善系统的动态性能,还对分裂码译码电路的输出使用基于随机旋转的二进制加权选择(RRBS)技术,从而在不改变每一个分裂码所对应的电流源权重的基础上,将开关活动进行随机化,增加了低有效位数电流源的匹配性。再者,由于传统的二进制码-温度计码译码电路的结构复杂、传输延时高,因而对其真值表进行全新解读,即以二进制输入码为参考由高位向低位进行二分操作,并设计出一个新的向温度计码转换的译码电路。最终,通过锁存电路对不同的译码电路进行时序上的同步,以避免DAC的输出出现误码的现象。同时,开关采用差分对的形式以抑制偶数阶谐波,而电流源则采用PMOS cascode结构以增加输出阻抗。为了设计的电流源接近理想状态,还专门为电流源阵列设计一个宽摆幅、高输出阻抗的偏置电路,包括带隙基准电路、电压转电流电路和电流源偏置电路。最后,采用0.18μm CMOS工艺对系统的静态性能和动态性能进行后仿真验证。结果表明,本文DAC的DNL和INL分别是±0.08LSB和-0.1~1LSB。当正弦波输入信号的频率为1.098633MHz 时,该 DAC 的 SFDR、ENOB、SNDR 以及 THD 分别为 81.44dB、11.22bit、69.33dB和-80.68dB。当输入信号频率等于149.9268MHz时,SFDR、ENOB、SNDR以及THD分别为64.97dB,10.38bit,64.27dB和-64.89dB。在单端负载电阻为50Ω、电源电压为1.8V的情况下,平均功耗为51.43mW。
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