随着信息时代的到来,越来越多的电子产品和工业设备趋向于数字化,模拟设备被抗干扰能力更强、可靠性更高的数字设备所代替。数模转换器(DAC)是一种将数字信号转换为模拟信号的设备,是众多电子设备中不可或缺的组成部分。在当今数字化高速发展的情况下,数模转换器的研究方向趋于高精度、高速度和低成本,数模转换器的研究与设计是当下模拟集成电路设计中的热门课题。本文设计了一款应用于MEMS陀螺仪中的高精度R-2R型数模转换器。MEMS即微机电系统,是一种可以将微小的物理变化量转化为可供检测的电压量的装置。在MEMS陀螺仪中,数模转换器用于提供一个微小频率变化范围内的正弦波信号,使硅片一直保持在谐振状态。当陀螺仪震动或受到干扰时,陀螺仪振动轴上的变化会耦合到检测轴,将角速率的变化转化为位移的变化,检测可变电容两端的电压就可以得到陀螺仪的角速率,这就是MEMS陀螺仪的工作原理。在此应用背景下,数模转换器提供的正弦波信号频率变化范围很小,接近于固定频率,因此,更强调数模转换器的窄带应用。文中首先介绍了数模转换器的工作原理,总结了数模转换器的分类,将数模转换器按照每位的权重分为一元DAC、二进制DAC以及多种结构组合而成的分段DAC,并分析了各种结构的优缺点。分段DAC具备良好的单调性,同时占用的面积不是太大,因此高精度R-2R型数模转换器采用温度计结构和R-2R结构相结合的分段结构。文中探讨了分段DAC的最优占比问题,确定了高精度数模转换器采用“14+6”的分段结构。讨论了R-2R型DAC的开关架构,包括传统的开关架构,包含桥接电阻的开关架构,以及抵消开关电阻的开关架构。文中还提出了采用组合电阻的方案来改善数模转换器的温度特性。本文设计的芯片主要包括三个部分,分别为参考电压源、加权网络和驱动电路。参考电压由低压差线性稳压器(LDO)提供,加权网络包括电阻网络、模拟开关以及译码器电路,模拟开关使用导通电阻更低、传输速度更快的CMOS开关,译码器可以将6位二进制码转换为63位温度计码。驱动电路由一个两级运算放大器组成,保证数模转换器具有一定的驱动能力。文中在完成了芯片各个模块的电路设计与仿真后,依照本文提出的模拟版图设计原则对数模转换器进行了版图设计,并通过了DRC验证和LVS验证。版图设计完毕后,进行了版图寄生参数提取与芯片后仿真,仿真结果与前仿结果一致,表明了后端设计完成,版图无需进行后期修改与完善,可以直接送至代工厂生产。仿真结果显示,10s工作时间内,输出直流电压的波动小于1.15μV。-50℃至100℃温度范围内,数模转换器可以正常工作,输出信号的温度漂移小于10.2ppm/℃。输出单频正弦波信号的频谱显示,信号的SNDR为86dB,数模转换器的实际精度可以达到14位,完全可以满足MEMS系统中的窄带应用。