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高速高精度DAC设计研究

作　者: 付志博
导　师: 戴澜; 孙海燕
学　校: 北方工业大学
专　业: 电路与系统
关键词: 数模转换器电流舵分段方式 verilog-A 带隙基准源
分类号: TN792
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着计算机领域、信号处理领域、集成电路领域等的迅速发展,通信系统的性能也随着越来越高。而数模转换器是通信系统中数字和模拟信号转换的重要部件。它的精度和速度直接影响了通信系统的精度和速度,其对计算机、信号处理等领域的发展有重要的影响。近几年,国内向数模转换器领域投入很大,本文基于此环境下完成下述数模转换器设计。本文设计了一款14bit200M高速高精度DAC,工作电源电压3.3V,满量程电流20mA,应用SMIC0.18um工艺。本文首先分析了DAC的基本结构：DAC的转换方式根据缩放方式进行分类,可分为：电荷按比例缩放、电压按比例缩放和电流按比例缩放,分析三种结构的优缺点,选择电流按比例缩放方式。本文选择分段式电流舵型结构,这种结构综合了较好线性度和较小面积的优点。本文分析比较了电流舵结构分段方式对芯片面积、电路设计的复杂程度、性能指标的优劣等各方面的影响,选择了5+4+5的分段方式,达到了温度计码和二进制码电流源的最优组合。论文还基于verilog-A语言完成了DAC的非理想模型,简单的分析了电流源的失配、有限输出阻抗和电路噪声等非理想因素对DAC性能的影响,指导DAC电路的设计。本文通过对DAC误差模型的分析,选择优化电路结构和电路尺寸的方法来减小各种非理想因素对DAC的影响。本文完成了一款高性能带隙基准源电路,为DAC提供一个稳定的电压源,确保单位电流源的输出电流产对工艺、温度不敏感。本设计基于SMIC的0.18umCMOS工艺,利用CADENCE, Verilog, Matlab等EDA软件进行仿真,完成电路前仿真。设计的DAC分辨率达到了14Bit,转换速度达到200MHz,SFDR可达到90dB@1MHz, INL/DNI在1.5LSB范围内。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
引言  7-8
第一章数模转换器的研究现状和技术概述  8-12
  1.1 课题的研究背景  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-10
  1.3 课题的研究意义  10-11
  1.4 课题的研究内容和论文的组织结构  11-12
第二章数模转换器概述  12-20
  2.1 数模转换器基本原理  12-13
  2.2 数模转换器基本结构  13-16
    2.2.1 电流型DAC  13-14
    2.2.2 电压型DAC  14-15
    2.2.3 电荷型DAC  15-16
  2.3 数模转换器性能参数  16-20
    2.3.1 静态性能  16-18
    2.3.2 动态性能  18-20
第三章 14位数模转换器误差分析  20-34
  3.1 数模转换器误差分析  20
  3.2 电流源的匹配误差  20-26
    3.2.1 单个MOS管误差分析  21-22
    3.2.2 电流源失配对非线性误差的影响  22-24
    3.2.3 电流源失配对无杂散动态范围的影响  24-26
  3.3 电流源有限输出阻抗  26-29
    3.3.1 电流源有限输出阻抗误差模型  26-28
    3.3.2 有限的输出阻抗对INL、DNL、SFDR造成的影响  28-29
  3.4 开关电路误差  29-32
    3.4.1 开关不同步带来的误差  29-30
    3.4.2 开关时钟馈通效应  30-31
    3.4.3 开关管的导通电阻  31-32
  3.5 电路中的噪声  32-34
第四章数模转换器的模型设计和误差补偿分析  34-45
  4.1 带隙基准源  34-35
  4.2 模拟开关  35-36
  4.3 译码器  36
  4.4 电流源  36-37
  4.5 理想DAC模拟仿真  37-40
  4.6 误差补偿的分析  40-45
    4.6.1 自补偿算法  41-42
    4.6.2 电路实现  42-44
    4.6.3 matlab仿真测试  44-45
第五章 14位200MSPS数模转换器的设计  45-68
  5.1 DAC总体结构设计  45-46
  5.2 分段比的划分  46-49
    5.2.1 二进制码电流舵DAC  46-47
    5.2.2 温度计码电流舵型DAC  47-48
    5.2.3 分段式电流舵型DAC  48-49
  5.3 数字电路  49-55
    5.3.1 温度计码译码电路设计  49-50
    5.3.2 行列译码器  50-53
    5.3.3 逻辑选择电路  53-55
  5.4 开关同步和限幅电路设计  55-57
    5.4.1 时钟同步  55-56
    5.4.2 幅度限制  56-57
  5.5 电流源阵列及偏置电路  57-59
    5.5.1 电流源尺寸设计  57-58
    5.5.2 电流源阵列  58-59
    5.5.3 电流源偏置  59
  5.6 带隙基准源设计  59-66
    5.6.1 电源无关电路  60-61
    5.6.2 启动电路  61-62
    5.6.3 温度无关电路  62-63
    5.6.4 运放电路  63-64
    5.6.5 带隙基准源电路仿真  64-66
  5.7 总电路仿真结果  66-68
第六章总结与展望  68-69
参考文献  69-73
在校研究成果  73-74
致谢  74

高速高精度DAC设计研究

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