自适应模数数模转换器的毕业设计.docx
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自适应模数数模转换器的毕业设计
毕业设计
自适应模数/数模转换器的设计
姓名:
XXX
学号:
XXXXXXXX
班级:
XX信息工程X
专业:
电子信息工程
所在系:
电子信息工程系
指导教师:
XXX
自适应模数/数模转换器的设计
摘 要
随着SOC和混合信号集成电路的进展,关于芯片中数字部份与模拟部份接口电路的研究显得尤其重要。
在数字和模拟领域的接口研究中,数模转换器和模数转换器的应用不单单局限于听觉通路——如麦克风和扩音器,视觉通路——如照相机和其他一些显示设备,而且在有线或无线通道数据传输中也有很重要的用途。
典型的如数据信号依据某种机制被调制到载波上,和载波一路在有线或无线的通道中传输,接收器接收到信号再进行解调,可依照应用和可行性的不同在数字或模拟领域中解调,其应用之普遍可见一斑。
在高速数据转换电路中,速度、精度、功耗和芯片面积是四个关键的性能指标。
它们之间并非独立的,而是存在彼此联系、彼此制约的辨证关系。
任何设计都要依照具体的要求在这四个方面进行折衷。
本文要紧介绍了10位,100兆采样速度的电流型数模转换器的设计和仿真。
本文设计的数模转换器采纳“6+2+2”的分割结构——高6位和中间2位采纳彼此独立的温度计译码,低2位采纳二进制编码。
通过锁存器产生同步的开关操纵信号来操纵核心转换电路的开关管,从而操纵流经输出端负载电阻的电流总量,达到将输入的数字信号转换为输出模拟电压的目的。
本文设计的数模转换器的特点是采纳了分段编码的形式,使毛刺(glitch)误差减小,成功地将最大毛刺(glitch)抖动能量操纵在is。
另外,电流源采纳共源共栅的结构提高了转换精度。
关键词:
DAC;分割结构;温度计编码;二进制编码;锁存器
Adaptivemodules/digital-to-analogconvertersdesign
ABSTRACT
WiththedevelopmentofSOCandmixed-signalcircuits,theresearchontheinterfacesbetweenthedigitalandanalogdomainsbecomesmoreandmoreimportant.Withintheseinterfaces,wefindtheanalog-to-digitalconverter(ADC)anddigital-to-analogconverter(DAC).Thesedataconvertersarenotonlyusedforconversionofaudioviamicrophoneorloudspeakers,videoviacameraordisplay,intoinformationthatthecomputerordigitalsignalprocessor(DSP)canhandle.Thedataconvertersarealsousedfordatatransmissionviaachannel,wherethechanneliseitherwirelineorwireless(radio).Typically,thedata(signal)ismodulatedontoacarrieraccordingtosomescheme.Thesignalisthensentoverthechannelwiththecarrier.Thereceiverwilldemodulateandextractthedata(signal).Themodulationcanbedoneinboththedigitalandanalogdomaindependentonapplicationandfeasibility.
Inhigh-speeddataconversioncircuit,speed,accuracy,powerdissipationandchipareaarefourkeyperformancespecifications.Theyarenotindependent;instead,theyareinterrelatedandlimiteachother.Thereisalwaysatrade-offamongthesefouraspects.
Thisthesismainlyfocusesonthedesignandsimulationofthe10-bit100MSample/scurrent-steeringDAC.TheDAChasa“6+2+2”segmentedarchitecturefirst,thesixmostsignificantbits(MSB’s)arethermometerdecoded;second,theintermediatetwobitsarealsothermometerdecoded,butindependentlyfromtheMSB’s;third,thetwoleastsignificantbits(LSB’s)arebinaryweighted.Latchisusedtosynchronizetheswitchingcontrolsignals,andthencontrolthecurrentthroughtheload.Thesegmentedarchitecturehasanadvantageofachievingagoodglitchenergy.Theglitchenergyisreducedtois.Besides,thecurrentsourceusingcascodedPMOStransistorsimprovestheresolution.
KeyWords:
DAC;SegmentedArchitecture;Thermometerdecoded;Binarydecoded;Glitch
目 录
第一章 引言
1.1研究的背景、方向和意义
今天,电子产品在人们的生活中扮演着举足轻重的角色。
电视机、电脑、网络、无线通信设备等电子工具,给人们带来了丰硕多彩的娱乐享受,而采纳电子系统操纵的新一代家电,如冰箱、空调、电饭锅、汽车等使咱们的生活加倍便利。
这些现代电子设备多采纳数字电路的方式来实现,但咱们生活的自然界却是模拟的,关于咱们——自然界中的人类来讲,感知外界的方式也是模拟的。
因此,这些电子系统需要把外部的模拟信号搜集进来,并把它转换成数字信号,然后通过DSP或CPU等数字信号处置器,对其进行处置,最终取得的结果往往需要再变回到模拟形式,以便操纵各类机电设备,或作为各类家电设备的输出,来知足人们视听的享受。
这种把模拟数据搜集进来并转换成数字数据,或把数字数据转换成模拟数据的功能是通过模数和数模转换器实现的。
模数和数模转换器作为数字信号和模拟信号的接口如下图。
图模数和数模转换器作为数字和模拟信号的接口
Fig.Adcanddacasdigitalandanaloginterface
目前,可内嵌的高速、高精度、低功耗数据转换器成为模拟集成电路领域中的研究热点。
其缘故是,一、与模拟信号相较,数字信号具有便于存储、转移、保真度和靠得住性高等优势,因此,在过去的20年,各国的研究机构对数字技术的进展超级重视,另外,随着CMOS工艺水平的长足进步和数字系统设计软件的日趋成熟,使数字系统不管是在处置能力仍是处置速度上都取得了飞速的进展。
相对而言,模拟和数模接口电路的设计在过去的几十年没有取得足够的重视,加上模拟设计软件也不够成熟,使模拟尤其是数模接口电路的进展掉队于数字电路的进展,因此,在一些包括数模接口的电子系统,象数字视频系统和数字通信系统中,接口电路的性能(如速度、精度)成为限制整个系统性能的瓶颈;二、由于靠电池供电的便携式设备日趋普及,也要求在达到高速、高精度的前提下,消耗尽可能小的功耗,以维持较长的待机时刻;3、随着单片系统集成的快速进展,要求接口电路和数字系统集成在一块芯片上,这对降低本钱、提高性能具有很重要的意义。
从上面的介绍能够看到,目前发达国家对高速数据转换电路的研究开发已经达到了很高的水平,由于各类缘故,我国在这方面的研发水平与国外相较还十分掉队,这严峻限制了我国在集成电路设计尤其是系统集成方面的进展。
为了缩短与国外先进水平之间的差距,咱们急需增强在那个领域的研究。
本文以高速、高精度数模转换器的设计为研究方向,学习了高速数据转换电路的设计理论和设计方式,希望这些学习体会对自己以后的研究生活能够有必然的帮忙。
要紧工作
在本文工作期间,我查阅了大量有关数据转换方面的资料,较系统地研究了各类数据转换器的结构和性能,并在周成华教师的指导下,设计了一个10位,100兆采样速度的数模转换器。
为了使电路达到最优的性能,我在设计仿真期间,又查阅了许多相关的资料,并与指导教师进行了一些讨论。
数模转换器的性能对版图的依托性比较强,关于本文设计的10位,100兆采样速度的数模转换器的版图设计。
论文的组织结构
本文要紧介绍数模转换器的设计。
论文的结构安排大致如下:
第二章简单介绍数模转换器的工作原理、一些大体概念和几种经常使用的拓扑结构;
第三章要紧介绍本文设计所采纳的结构和具体的实现方式;
第四章详细表达10位,100兆采样速度电流型数模转换器的设计和仿真进程;
第五章主若是依照仿真结果进行分析和讨论;
第六章要紧介绍芯片的版图设计。
第二章 数模转换器的简介
概述
数模转换器(Digital-to-AnalogConverter,以下简称DAC)确实是将数字信号转换成模拟信号的电路,数模转换器的模拟输出包括电压输出和电流输出。
转换的进程有很多种实现方式,别离适用于各类不同的场合。
在本章咱们将论述数模转换器的工作原理和大体概念,然后再介绍实现数模转换器的各类拓扑结构,并分析比较它们的特点。
DAC工作原理
DAC的工作原理能够用图所示的框图表示。
其中各模块的功能介绍如下:
Processing(数字信号处置模块):
要紧对输入的数字信号进行预处置,将信号转换成为一种更易被D/AInterface
处置的信号形式;
AInterface(数/模接口模块):
这是DAC的核心电路,通过那个模块后输出的确实是模拟信号,关于该模块将在后
面详细介绍;
Filter(重建滤波器):
该滤波器主若是对上个模块取得的模拟信号进行处置,取得需要的有效的模拟信号。
图DAC的工作原理框图图理想的N位分辨率DAC
Fig.TheworkingprincipleofDACblockdiagramFig.TheidealNaresolutionDAC
DAC中的大体概念
理想的N位分辨率DAC如下图。
Bin为N位数字输入数据,假设采纳二进制形式,即:
bii(i=0,1,…N−1)为1或0。
咱们概念bN−1为最高位(MSB),概念b0为最低位(LSB)。
关于一个给定的数字Bin,模拟电平输出为:
下面简要介绍DAC中通用的术语。
分辨率,DAC中的分辨率概念为在不同的输入数字码值下所有可能输出的模拟电平的个数,N位分辨率意味着DAC能产生2N−1个不同的模拟电平,一样情形下它就指输入数字码的位数。
失调和增益误差,失调概念为当输入0码值时实际输出的模拟信号的值,增益误差概念为当扣除失调后理想的满量程输出的值和实际输出的值的差,如下图。
精度,DAC中的精度分为绝对精度和相对精度。
绝对精度概念为理想输出和实际输出之间的差,包括各类失调和非线性误差在内。
相对精度概念为最大积分非线性误差(下面将讲述那个概念)。
精度表示为满量程的比例,用有效位数来表示。
例如8-bit精度表示DAC的误差小于DAC输出满量程的128。
注意精度那个概念和分辨率不相关。
一个12-bit分辨率的DAC可能精度只有10-bit;而一个10-bit分辨率的DAC可能有12-bit的精度。
精度大于分辨率意味着DAC的传输响应能够被比较精准地操纵。
积分线性误差(INL-IntegralNonlinearity),当除去失调和增益误差后,积分线性误差就概念为实际输出传输特性曲线对理想传输特性曲线(一条直线)的偏离。
如下图。
微分线性误差(DNL-DifferentialNonlinearity),在理想的DAC中,每次模拟输出转变最小为1LSB,微分线性误差概念为每次模拟输出转变最小时对1LSB的偏离(将增益误差和失调除外)。
咱们概念的DNL是对每一个数字输入码值而言的,有时也有效最大的DNL来概念整个DAC的DNL。
理想的DAC关于每一个数字输入其微分线性误差均为0,而一个具有最大DNL为的DAC的每次最小转变输出在到之间。
如下图。
图DAC的失调和增益误差图DAC的积分和微分线性误差
Fig.DACdisorderandgainerrorFig.DACpointsanddifferentiallinearerror
抖动能量(GlitchImpulseArea),输入信号转变以后在输出端显现的抖动下的最大面积。
成立时刻(SettlingTime),在最终值的一个特定的误差范围之内,输出经历满幅转换所需要的时刻。
单调性,一个单调的DAC指随着输入数字码值增加输出模拟电平一直增加DAC。
若是最大的DNL操纵在之内,那么DAC的单调性自然能取得保证。
伪动态范围(SFDR),SFDR确实是SpuriousFreeDynamicRange,即无噪声和谐波的动态范围。
噪声和谐波都称为伪信号(Spurious)。
DAC系统中有两个重要的动态参数:
线性度和噪声性能。
一样来讲,系统线性度的性能制约了系统内最大的有效信号,而系统的噪声性能制约着系统的最小有效信号,将二者结合起来,咱们就取得了系统的动态范围。
DAC中经常使用的编码方式
输入的数字信号能够转换成不同的编码形式,经常使用的有Decimal,Binary,Thermometer和1-of-n,如表所示。
表DAC经常使用的编码形式
TableDACcommonforms
其中Binary和Thermometer更为经常使用,且能用较简单的方式进行转换。
Binary编码是一种比较直观的编码方式。
Binary编码的数模转换器事实上确实是由输入的N位数字信号直接操纵相对应的模拟量,然后相加输出。
而Thermometer编码的数模转换器那么是先将输入N位转换成2N−1位数据,然后由这2N−1位数字信号来操纵模拟量到输出,使输出的模拟信号等量地线性增加。
由于Binary和Thermometer编码对glitch、面积等指标有不同的阻碍,综合考虑这几个指标后,此刻对很多分辨率在8位以上的DAC来讲,采纳的都是分段编码,也确实是说高几位采Thermometer编码,低几位采纳Binary编码。
具体缘故将在下面论述。
DAC的各类拓扑结构
1.电阻型
结构如下图。
图所示的是一个R-2R阶梯网络型的转换器。
其优势在于能实现专门好的线性度,由于所有的电流源都是等值的,咱们能够用特殊的附加技术使它们间误差较小,与电阻分压相较其结构简单得多。
缺点是电阻老是非线性的,还包括着和信号有关的寄生电容,要做到完全匹配较难。
同时速度受到输出缓冲器的限制,速度做不到很高。
2.电容型
结构如下图。
最高位的电容CN是最低位电容C1的2N−1倍。
优势是功耗较小,匹配精度比电阻高。
要紧的限制因素是电容的不匹配,开关的导通电阻,较大RC延迟和放大器有限带宽对DAC速度的阻碍。
电荷分派型DAC的一个要紧缺点是CMOS工艺中的电容实现起来要占专门大的芯片面积。
最后由于CMOS工艺中的电容本质是非线性的,总的DAC的线性度将受到抑制。
适用于中宽带高精度。
图电阻型DAC的结构图图电容型DAC的结构图
Fig.ThestructureofDACresistanceFig.ThestructureofDACcapacitance
3.电流型
结构如下图。
其优势是当精度小于10位时能将面积做得很小,速度不受放大器带宽和较大RC延迟的限制,可达到很高的速度,由于所有的电流都直接流向输出端,因此能量的利用效率很高,且容易实现。
缺点是对器件不匹配性的灵敏和有限的电流源输出阻抗。
适合高速宽带的要求。
输出时也能够不采纳运算放大器,直接利用负载电阻将电流转换成电压输出,如下图。
这种形式使得DAC的速度能够不受运放带宽的限制。
DAC的电流型拓扑结构
上面简单的给出了电阻型、电容型和电流型DAC的拓扑结构,并简单的分析了它们的优缺点。
考虑到本文的要求是设计一个高速的DAC,因此设计时采纳的是电流型的结构。
在此对电流型的结构进行较详细的介绍。
电流型的结构能够细分为电流分派型和电流驱动型。
电流分派型DAC通过将一个给定的参考电流源分派在几个晶体管中,然后再选中
其中一些作为输出来实现转换。
结构如下图。
图电流型DAC的结构图图输出直接利用负载电阻进行转换
Fig.ThestructureofDACcapacitanceFig.Outputusingdirectlyloadresistance
图电流分派型DAC的结构图
Fig.CurrentFenPeiXingDACofstructure
这种结构有两个要紧的缺点。
第一在IREF和电源之间的电流分派晶体管的存在使输出电压的动态范围下降,这在低工作电压情形下实现起来会很困难。
第二,由于IREF是所有电流分派晶体管中流过的电流的总和,因此实现IREF的管子的尺寸会专门大。
由于以上这些缺点,这种结构此刻也较少地采纳。
电流驱动DAC是目前高速DAC中的主流结构。
它与电流分派型DAC结构的区别在于前者是拷贝型参考电流源取得输出而后者是分派参考电流源取得输出。
电流驱动型DAC中最经常使用的有三种结构:
二进制编码型DAC,温度计编码型DAC和分段编码型DAC。
三种结构各有其优缺点。
那个地址以一个3位的DAC为例,给出其电流驱动型的三种结构:
a.二进制编码电流驱动型结构——如下图。
b.温度计编码电流驱动型结构——如下图。
c.分段编码的电流驱动型结构——如下图。
三种电流驱动型结构的比较:
下面本文将就这三种结构的优缺点进行探讨,比较的方面要紧集中在两点:
芯片面积和线性度。
为了比较三种结构的线性度,咱们第一介绍一个DAC中普遍引用的概念:
毛刺(glitch)。
图二进制编码电流型DAC结构图图分段编码电流型DAC结构图
Fig.Binarycodingcurrent-modeDACstructureFig.Binarycodingcurrent-modeDAC
图温度计编码电流型DAC结构图
Fig.Thethermometercodingcurrent-modeDACstructure
glitch是DAC高速工作时精度的要紧制约因素,它是由于操纵电流源的开关的工作延时不同而引发的,如下图,电流源I1和I2开关时刻的不同步,致使了输出显现短时波形转变(glitch)。
在温度计编码型DAC中,所有的电流源都相同,如此总共需要2N−1个电流源。
当温度计编码输出每转变1LSB时,电流源阵列中就有一个电流源打开或关断,故它的单调性是自然取得保证的。
在数字码处在整个输入范围的中间转变时,电流源阵列中转变的电流源仍然只有一个。
而关于二进制编码DAC来讲,情形就完全不一样了:
当数字码在整个输入范围的中间转变时,MSB和其它位的转变方向相反(例如二进制011到100转换,对应十进制值3到4的转换),这时输出转变的幅度最大,往往会超过1LSB,如此会带来专门大的短时波形转变(glitch),因此在单调性要求很高的场合,温度计编码的优越性远远大于二进制编码。
温度计编码DAC较二进制编码DAC的另一个优越性体此刻对器件的匹配要求上。
对温度计编码DAC而言,若是DAC的电流源单元不匹配程度在50%之内,那么整个系统的DNL从理论上仍是能够操纵在之内的,而关于二进制编码DAC而言,在中间码值情形最坏。
温度计编码的第三个优越的地方体此刻glitch对整个DAC的线性度性能并无阻碍。
每次转换发生时,总的glitch的大小与转换的开关个数成正比。
当输出转变幅度较小时(例如1LSB),glitch很小;当输出转变幅度较大时(例如4LSB),glitch大一些。
如下图。
但是由于转换的开关的个数与信号的转变幅度成正比,总的glitch的大小就正比于输出信号转变的幅度。
因此关于温度计编码DAC而言,glitch与输出的模拟信号的线性度无关。
图开关工作延时不同引发glitch
Fig.Switchtimedelaycausedbydifferentworkglitch
图输出转变1LSB和4LSB时glitch的比较
Fig.2.14Andwhen1LSBoutputvariation4LSBglitch
下面本文对电流驱动型DAC的三种实现方式的芯片面积和精度的关系做一下分析,那个地址本文引用文献[3]的分析结果,如表所示。
从表中咱们能够看出,关于两种拓扑结构INL均相同,而关于DNL那么有区别,二进制编码DAC明显要差于温度编码DAC。
咱们还能够看出,两种结构达到一样的INL需要相同的芯片面积(为简单起见,咱们仅计算模拟部份面积而忽略数字译码部份面积);而为了达到相同的DNL,二进制编码DAC需要的模拟部份面积为温度计编码DAC的模拟部份面积的1024倍。
关于DNL,对三种编码进行比较[7]:
设每一个单一电流源的标准差是σ(),台阶差是σ∆(),σ∆()是对DNL的一个专门好的近似。
1.二进制编码DAC
二进制编码DAC具有较大的glitch能量和较大的DNL。
在这种结构中,最坏情形发生在半满量程码值输入时,现在MSB(相当于2N−1个单位电流源)打开而其它的电流源(相当于2N−1−1个单位电流源)关断,于是输出转变的方差为:
2.温度设计码DAC
这种结构有较小的DNL误差和较小的动态开关误差,因为这种编码每次只有一名从0转变为1,采纳类似的方式取得:
上式看出温度计编码结构的DNL误差要明显小于二进制编码结构。
表电流型DAC二进制和温度计编码的比较
TableThecurrentmodelDACbinarycomparisonofcodingandthermometer
3.分割结构——分段编码DAC
假定分段编码DAC中低B位采纳二进制编码,高(N-B)位采纳温度计编码,那么仿照前
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