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一种12位500MS/s电流舵DAC的设计
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戴澜闫强强
摘要:基于中芯国际SMIC0.18μm标准CMOS1P6M工艺,在CadenceEDA平台下设计完成了一款12位、采样率500MHz的电流舵DAC。电路主体结构采用5+3+4的分段方式,其中模拟部分采用3.3V电源供电,数字部分采用1.8V供电,满量程电流20mA,单端负载为25Ω,在时钟信号500MHz、输入信号1.586914MHz的条件下,测得SFDR为91dB,电路的INL为±0.25LSB、DNL为±0.15LSB,整体功耗为75.6mW。
关键词:电流舵DAC;带隙基准;电流源;SFDR
0??引言
数模转换器,简称DAC,顾名思义,它是一种将数字信号转换为模拟信号的芯片,承担着数字域与模拟域桥梁的作用,其重要性不言而喻。近几年,随着5G通信的兴起、4k超清视屏、超高速实时监控、高速雷达,物联网等领域快速发展,对数模转换器的要求越来越高,集中体现在两个方面:一是高速,二是高精度。例如,在5G基站的建设之中,就需要高速高精度的DAC负责将基带数字信号转化为模拟信号,接着由载波信号调制成高频信号,最后由功率放大器发射出去。在基站的设计中,DAC的性能至关重要,正是有了高速、高精度、宽范围的DAC,才能形成各种复杂的波形。
在众多DAC类型中,电流舵DAC有着与生俱来的高速高精度特点,正是在这种应用背景与需求下,设计一款优秀的电流舵DAC就显得很有必要。
1??电流舵DAC的整体架构
本文设计的12bit/500MHz电流舵DAC的整体架构如图1所示,主体采用了5+3+4的分段结构,即高5位和中间3位采用温度计编码,低4位采用二进制编码,满量程输出电流为20mA,单端负载为25Ω,单端输出摆幅为0.5V,差分输出摆幅为1V,主要电路模块有带隙基准、V-I转换电路、电流源阵列、输入寄存器、二进制码转温度计码电路、锁存低交叉点开关电流源驱动电路等。
图1的工作过程如下:时钟CLK频率为500MHz,输入的12位数字码先经过输入寄存器同步,同步后的12位数字信号被分成3路作相应处理,高5位和中间3位二进制信号经过译码电路被译成31路和7路温度计码信号,低4位二进制信号经过buffer延时即可,处理后的42路信号经过低交叉点开关电流源驱动电路后转换为84路开关驱动信号,最后去控制相应权重差分开关的开通与关断,于是,不同权重的电流源将根据输入数字码的不同,流过相应的权重差分开关,最后流经负载产生电压输出。
2??关键电路设计与仿真
2.1??带隙基准的设计与仿真
带隙基准是电流舵DAC中的关键电路,本文设计的基准电路及仿真结果如图2、图3所示。从图中可以看出,温度从-40℃增加到125℃时,带隙电压变化约为2mV,由此可以计算出基准电压的温度系数为10.4×10-6。
2.2??电流源阵列偏置电路的设计
图4是电流源阵列的偏置电路,R0、R1为外接精密电阻,M3、M5构成低压共源共栅电流源,共栅管M3的偏置由M2、M4组成的电流源提供,通过调节R0、R1的大小,可以将VCS和VCAS偏置在合适的电压。图4所设计的偏置电路具有高输出阻抗、高电源抑制比、宽摆幅的特点。
2.3??单位开关电流源的设计
开关电流源阵列是电流舵DAC中最重要的电路,本文设计的单位开关电流源电路如图5所示。设计单位开关电流源主要考虑失配和有限的输出阻抗。式(1)和(2)反映了单位电流源失配的相对方差与电流源面积的关系[1]。
σ2
=2
2=Aβ2+
(1)
≤???(2)
式中,Aβ、A是与工艺有关的常数;C与芯片的良率有关[2],通常选取C=2.8。
低频下,电流舵DAC的INL对单位电流源的输出阻抗有如下要求[3]:
INL=???????(3)
式中,Iunit、Runit为单位电流源的电流和输出阻抗;RL为负载;N为单位电流源的个数。
高频下,电流舵DAC的SFDR与单位电流源的输出阻抗有如下关系[3]:
SFDR=40lgRratio-12(N-2)?????(4)
式中,Rratio=Runit/RL;N为分辨率。
本设计中,选取电流源的过驱动电压为500mV,通常要求INL70dB,结合式(1)~(4),可以确定图5中各MOS管的尺寸。图6为单位开关电流源的输出阻抗仿真,可以看出,低频下输出阻抗约为13.5GΩ,高频下输出阻抗下降到了1.49MΩ。
2.4??带锁存功能的开关电流源驱动电路设计
为了防止图5中的M3和M4同时关断[4],本文设计了一种带锁存功能的低交叉点开关驱动电路,如图7所示,通过调整传输门TG1和反相器INV1的PMOS管和NM
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