一种双通道16位串行数模转换器电路设计

康明超，孔祥艺，黄立朝，丁 宁，时晨杰

（中科芯集成电路有限公司，江苏无锡 214072）

1 引言

数模转换器（Digital to Analog Converter，DAC）在通信系统、音频系统和混合信号系统等众多领域具有广泛的应用，其主要功能是将数字信号转换成与之对应的模拟信号，在手持式电子产品中，不仅要求数模转换器具有很低的功耗，还要有很高的信噪比，为适应快速发展的电子产品的需求，数模转换器的性能也要不断提高[1]。

数模转换器有很多种架构，常见的架构包括R-2R倒梯形电阻网络型、串电阻型、电流舵型（Current-Steering）以及电荷再分布型[2]。R-2R倒梯形电阻网络型数模转换器功耗低、面积较小，但是速度较慢[3]。串电阻型数模转换器具有高分辨率、高精度的优点，但是电阻数目会随着分辨率的提高逐渐增多，导致电路面积增大[4]。电流舵型数模转换器工作速率快，但是功耗大，精度相对较低[5]。电荷再分布型数模转换器具有较高的分辨率，但该结构对电路中电容的精度要求较高，同时会增大电路面积[6]。本设计提出电流舵与电阻网络混合型DAC。电流舵中的电流源采用共源共栅架构，有效提高了输出阻抗，在保持较低功耗和面积的同时达到较高的精度。

2 混合型DAC结构设计

2.1 DAC整体架构设计

本设计是一款混合型双通道数模转换器。其系统结构框图如图1所示，该DAC主要由24位串转并移位寄存器模块、数据缓冲模块、寄存器模块、输出缓冲放大器模块、逻辑控制模块、下电控制模块等组成。

图1 数模转换器结构框图

VREF为系统提供稳定的参考电压。24位串转并移位寄存器模块将DIN串行输入数据转换成并行数据，其中高8位作为逻辑控制位，有通道选择和寄存器选择的作用。低16位作为数据位，将数字码传输到对应的数据缓存器后输入到DAC译码电路，进行数字信号到模拟信号的转换。输出缓冲放大器输出轨到轨的模拟信号。同时，该DAC电路支持上电复位和Power-Down模式。

2.2 译码电路设计

译码电路主要包括低6位温度计译码、中6位电阻网络译码和高4位电阻网络译码电路。温度计译码电路中，每一个开关控制的电流源权重的大小相同，当输入数字信号中有1位信号发生改变的时候，其所相应的开关单元中也只有一对差分开关发生状态改变，输出的电流源就像温度计一样逐格上升或下降发生变化。译码电路图如图2所示。

在译码电路中，高4位数据位将0 V～VREF/2用1024个相同阻值电阻串联分压，通过数字逻辑构成16选1的逻辑（S1，...，S16），将VREF/2分成16等份，每组包含64个串联电阻，使每一份电压包含64个台阶，任意输出端用Hi（i=1，...，64）表示。中6位数据位通过数字逻辑构成64选1的逻辑，其输出为开关阵列，开关阵列共有64组开关，每组开关对应高4位输出的64个台阶电压中的一个，任意输出用Mi（i=1，...，64）表示，由于是NMOS开关，故输出开关信号为高电平有效。低6位译码器为64位的温度计译码器，高电平有效，其64个温度计译码输出控制图2右侧64个带有相同尾电流源的差分输入对开关阵列，每个开关传递的电压为高10位的输出电压。随着输入码元的增加，温度计译码器输出的有效高电平越多，差分对和电流源导通的更多，这样就把台阶电压再次细分成64份。综上，经过高4位、中6位和低6位译码电路，就把VREF/2的电压分成16×64×64=65536份，实现了模拟量的译码。

图2 译码电路原理图

2.3 输出缓冲放大器设计

该电路与译码电路的输出端相连，能够隔离电路负载端对线性电阻网络的干扰，具有输出缓冲的作用，同时可以输出稳定的电压，电路图如图3所示。

图3 放大器电路原理图

该放大器的输入为开关电阻网络的输出，范围为0～VREF/2，该运放闭环增益为2，输出端为轨到轨，范围为0～VREF。

为了得到较高的转换线性度和增益，放大器第一级采用折叠式共源共栅结构，该结构具有较高的增益，其输出摆幅的最小值为：

输出摆幅最大值为：

因此第一级运放的输出摆幅为：

第二级为带电阻R3负反馈的共源级单级放大器，可进一步提高运放的整体增益，但是输出仍无法达到轨到轨。为了增大电路的输出摆幅，第三级放大器采用推挽式反相器，达到输出端轨到轨的目的，由于该运放输出端需要驱动大电流负载，且电路整体的功耗较小，因此第三级输出级的MOS管工作于亚阈值区，提供的增益较小，运放的增益主要来自前两级。为了保证输出级的大面积NMOS管工作于亚阈值区，需要将第二级的放大管NMOS漏级电压的静态电压设置于NMOS管VTH以下，而为了保证输出级PMOS管工作于亚阈值区，需要额外增加一个有源电阻来抬高静态电位，图3中的有源电阻是通过一对CMOS开关的导通电阻来实现的，它可以把输出端PMOS管栅级电压抬高到接近正电源轨，使得PMOS管也处于亚阈值区工作。运放第一级的差分输入端正向端接收译码电路输出电压，而负向端接收运放负反馈电阻的反馈电压，若运放增益高，使得运放工作于深度负反馈时，输出电压VOUT与输入台阶电压VIN之间的关系为VOUT=2VIN。为了使放大器有良好的频率响应特性，采用Miller电容补偿技术。

3 电路仿真结果

本次设计的电路、版图和仿真验证都是基于0.5μm CMOS工艺，版图布局如图4所示，通过对DAC功能与参数特性进行分析仿真，仿真结果表明DAC功能正常，参数达标。

图4 DAC版图布局

在5 V工作电压、tt工艺角、25℃环境下，设置输入信号频率约为20 MHz、采样频率为200 MHz时对电路进行整体仿真，仿真结果如图5所示。

图5 仿真结果图

表1给出了几种典型温度下DAC动态参数的仿真结果，可以看出在高温和低温情况下对DAC输出结果产生微弱影响，动态参数仍保持较好的特征。

表1 DAC动态参数仿真结果

表2给出了本文中混合型DAC和文献[6]中同类型DAC的动态参数仿真结果的对比情况，其中温度为25℃，tt典型工艺条件，可以看出本文提出的DAC结构具有更好的动态参数性能。

表2 本文与之前研究成果的性能对比

4 结论

本文基于0.5μm CMOS工艺设计了一款16位混合型数模转换器，通过电阻阵列译码和电流舵温度计译码电路、输出缓冲放大器提高DAC的精度和线性度，降低了电路的功耗和面积。通过电路仿真，该款DAC电路在200 MHz采样频率、25℃、tt典型工艺条件下，有效位数为15.19位，信噪比为93.21 dB，总谐波失真为68.00 dB，无杂散动态范围为94.49 dB。

在代工厂生产加工芯片的时候，可能会因为加工设备不能达到生产要求、工艺落后等一系列非理想因素的存在，使得电流源阵列中每个单位电流源电流的大小与理想中存在失配。电流源的控制开关在进行开关动作时会产生瞬态响应。器件在版图中的摆放位置、方向等因素会导致器件尺寸、掺杂、氧化层厚度等参数发生微小变化。以上因素会导致DAC的输出信号噪声增大、输出波形毛刺增多、非线性误差增大等现象，对DAC动态参数性能产生影响，可以通过校正算法和版图合理布局等方法对参数的不足进行改善。