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數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器朝高速方向上發(fā)展

近年來,，超大規(guī)模集成電路的技術(shù)不斷進(jìn)步，造就了許多功能強大的數(shù)字信號處理電路,，雖然數(shù)字技術(shù)發(fā)展一日千里,，模擬電路的重要性并沒有被取代。在自然界所產(chǎn)生的連續(xù)信號和數(shù)字電路處理的離散信號之間,，需要有模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog to digital converter)及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(Digital to analog converter)作為模擬信號與數(shù)字信號之間的連接橋梁,。在CMOS制程技術(shù)的推動下，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的設(shè)計趨勢是朝高速及高分辨率發(fā)展,。 

數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter)的功能是將輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成具有模擬位準(zhǔn)的信號,，其應(yīng)用包含了數(shù)字音響、通訊線路以及顯示器等方面,。一般來說,，在數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器后端通常會連接一個低通道濾波器來使波型平整，但是一般所討論的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器是沒有包含濾波器這個部份,。簡單的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器示意如表1所示,，它代表著一個n-bit數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，其中B0~Bn-1為二進(jìn)制數(shù)字輸入信號,，Vout為模擬輸出信號,，通常可以用下面的公式來表示，其中Rref可能代表的是一個參考電壓或是電流,。 

效能參數(shù) 

評斷數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器不可缺 

通常在設(shè)計數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器時，需要一些參數(shù)來評斷數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的特性,，以下是一些常用到評斷標(biāo)準(zhǔn),。[1][2]  

差模非線性失真(Differential nonlinearity) 

差模非線性失真定義為輸出信號位準(zhǔn)的最大差距與理想的位準(zhǔn)差異之間的差值，如表2所示,。 

整體非線性失真(Integral nonlinearity) 

整體非線性失真定義為輸出信號與輸入輸出轉(zhuǎn)移曲線的最大位準(zhǔn)差異,，如表2所示，而輸入輸出轉(zhuǎn)移曲線為起點與終點的聯(lián)機(jī),，如表2中的虛線所示,。 

穩(wěn)定時間(Settling Time)  

穩(wěn)定時間的定義為當(dāng)輸出切換到最大值的時候，輸出信號穩(wěn)定到一定的誤差范圍內(nèi)所需的時間,。 

突波(Glitch Impulse) 

突波通常發(fā)生在輸入信號發(fā)生改變的時候,，會再輸出產(chǎn)生一個類似脈沖的信號，如表3所示,，通常我們會用它所涵蓋的面積去計算突波的大小,。 

無假信號動態(tài)范圍 

(Spurious Free DynamicRange) 

無假信號動態(tài)范圍在頻譜分析上是一個重要的參數(shù)，定義為輸出信號本身的頻譜功率與最大諧波失真(Harmonic Distortion)頻譜功率之間的比值,，這個參數(shù)對于判斷應(yīng)用于通訊領(lǐng)域的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器是一個很重要的依據(jù),。 

高速數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)： 

二進(jìn)制碼、溫度計碼 

高速數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器一般是應(yīng)用在通訊領(lǐng)域,，用來產(chǎn)生無線通訊的調(diào)變信號,，其它的應(yīng)用領(lǐng)域包含以太網(wǎng)絡(luò)及數(shù)字電視。一般高速數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器是使用電流切換式的架構(gòu)去實現(xiàn),，這種架構(gòu)以電流輸出來產(chǎn)生模擬信號位準(zhǔn),，并且可以直接驅(qū)動輸出端的負(fù)載，不用在輸出端加入額外的放大器,，所以跟其它的架構(gòu)比起來可以達(dá)到較高的速度,，基本的架構(gòu)可以分為下面兩種： 

二進(jìn)制碼(binary code)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器 

二進(jìn)制數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器是直接以二進(jìn)制碼控制電流源的開關(guān)，如表4所示,，但是在中間碼轉(zhuǎn)換時(0111111111-->1000000000),，電流源會在轉(zhuǎn)態(tài)的瞬間同時導(dǎo)通，所以會產(chǎn)生最大的突波而影響諧波失真及造成穩(wěn)定時間增加,，并且由于在數(shù)字輸入遞增或遞減時,，無法保證輸出信號為遞增或遞減，所以此種架構(gòu)的單調(diào)性也比較差,。 

溫度計碼(Thermometer Code)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器 

此種架構(gòu)是將二進(jìn)制數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器中所有的電流源拆成許多相等的電流源,，如表5所示，在這里要將二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成溫度計碼，所以需要額外的譯碼電路,，造成布局面積增大及電路復(fù)雜度增加,，但是由于此種電流源切換方式是依序?qū)ɑ蜿P(guān)閉，所以不會有同時導(dǎo)通或截止的情形,，可以減輕差模非線性失真及突波的產(chǎn)生,，另外單調(diào)性方面的表現(xiàn)也比二進(jìn)制數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器要好。通常在設(shè)計高速數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的時候,，會采用區(qū)段式架構(gòu)(Segmented Architecture),，其架構(gòu)如表6所示，可知將M位的數(shù)字輸入譯碼成溫度計碼,，N-M位維持原來的二進(jìn)制碼,，接著經(jīng)過鎖存電路(Latch)達(dá)到同步的效果，而電流開關(guān)(Switch)是用來控制電流源的導(dǎo)通或關(guān)閉,。這種架構(gòu)結(jié)合了前面所提到的兩種架構(gòu),，可以適當(dāng)分配溫度計碼及二進(jìn)制碼，這樣可以結(jié)合前面兩種架構(gòu)的優(yōu)點,，并且可以將兩種架構(gòu)的缺點降到最低,，達(dá)到減少電路復(fù)雜度及較好的突波、差動非線性誤差及單調(diào)性,。 

高速數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的設(shè)計考慮 

分配區(qū)段式架構(gòu)二進(jìn)制碼與溫度計碼 

對于區(qū)段式數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器來說,，可以采用以下的方法來決定如何分配二進(jìn)制碼及溫度計碼，由表7[3]及表1[3]來做一個初步的估計,，因為電流源的不匹配與其面積有著下面的關(guān)系,，A代表電流源面積，σ代表電流源相對標(biāo)準(zhǔn)差,。表1中的Aunit代表完全溫度計碼模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器在差動非線性失真為0.5LSB時的電流源面積,，可透過差動非線性失真為0.5LSB及整體非線性失真為1LSB曲線交點 

來判斷何處是最佳區(qū)段化的地方，但因為考慮到若將交點水平地往右移,、增加溫度計碼的位數(shù),，則可以改善突波及差模非線性失真。在將此交點往右移的過程中,，必須再考慮一項因素,，也就是數(shù)字電路的面積也會隨著增加溫度計碼而呈現(xiàn)指數(shù)上升，所以在表中也劃出數(shù)字電路增加的趨勢線,，因為不希望數(shù)字電路的面積占的比例太多,。當(dāng)這條線跟我們之前所平移的點交會時，此時電流源的面積與數(shù)字電路的面積大約相等,，由這點所對應(yīng)的區(qū)段化百分比就可以決定要如何分配二進(jìn)制碼及溫度計碼,。 

電流源的匹配程度 

左右數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器靜態(tài)表現(xiàn) 

電流源的匹配程度對電流切換式數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)表現(xiàn)有非常嚴(yán)重的影響，電流源的不匹配主要是由兩個因素所造成，Vth與β的不匹配,，并且可以知道這兩個因素跟WL大小有關(guān)[4],，關(guān)系如公式(1)(2)，其中AVt及Aβ為制程的不匹配參數(shù),。在設(shè)計的時候,，通常要依照數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器所需要達(dá)到的規(guī)格來決定，其中代表每一個電流源的相對標(biāo)準(zhǔn)差,，所以根據(jù)MOS晶體管電流公式及前面提到影響電流不匹配的兩個式子，可以得到電流源面積及不匹配因素之間的關(guān)系[7],，如公式(3),，如此一來可以根據(jù)這個關(guān)系來設(shè)計適當(dāng)?shù)碾娏髟吹拈L寬大小。 

.....(1)  

.....(2)  

.....(3)    

透過迭接組態(tài) 

提高輸出阻抗 

電流源輸出阻抗對于數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的影響,，由[1]可知： 

其中ILSB代表一個電流源的電流大小,，RL代表輸出端的負(fù)載，N代表電流源的個數(shù),，RCS代表一個電流源的輸出阻抗,，由這個式子可以看出電流源的輸出電阻跟整體非線性誤差的關(guān)系，由此可知電流源的輸出阻抗越大越好,，所以電流源的架構(gòu)方面使用迭接組態(tài)可以大幅提高輸出阻抗,。由表9比較兩種架構(gòu)的輸出阻抗，MS1及MS2組成差動電流源開關(guān),，由差?？刂菩盘杹砜刂疲琈C為迭接晶體管,，MCS是電流源,，接著由表10可以比較兩種架構(gòu)的輸出阻抗，可以明顯看出迭接組態(tài)的輸出阻抗較大,。 

鎖存電路同步功能避免諧波失真 

另外,，必須考慮控制電流開關(guān)的差模數(shù)字信號，因為控制信號的不同步會造成不可預(yù)期的突波現(xiàn)象,，進(jìn)而造成諧波失真,，所以需要設(shè)計一鎖存電路以控制信號同步。在此以NMOS電流源為例,，當(dāng)控制信號正處于轉(zhuǎn)態(tài)中間的時候,，會發(fā)現(xiàn)此時電流源會有同時截止的現(xiàn)象發(fā)生，這是我們所不希望看到的情形,，因為此時電流開關(guān)的源極會放電到地,，接下來當(dāng)轉(zhuǎn)態(tài)結(jié)束時就必須花一段長時間重新對源極充電，這樣會造成穩(wěn)定時間變長以及輸出端的突波現(xiàn)象，所以必須使兩個反相的控制信號的交會點高于VDD/2來達(dá)到避免電流開關(guān)同時截止的情形,，一般的作法是把控制交會點的功能做在閘門電路里面,，如此可避免發(fā)生電流源同時關(guān)閉所造成穩(wěn)定時間變長及突波的產(chǎn)生。 

電源流切換為并聯(lián)補償制程的梯度效應(yīng) 

一般來說,，由于電流切換式數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器所需的電流源非常多,，造成布局面積通常相當(dāng)大，所以制程上的梯度效應(yīng)及溫度差異會使電流源產(chǎn)生誤差,，這些誤差很有可能會隨著電流源導(dǎo)通數(shù)目的增加而逐漸累加起來,，如此一來便會對整體非線性失真造成影響，對于這種現(xiàn)象,，我們可以采用適當(dāng)?shù)那袚Q順序來補償[5],，如表11所示，我們將一個電流源分成四個小的電流源并聯(lián),，并且將這四個電流源分別放置于四個區(qū)塊內(nèi),，并且采用共質(zhì)心(Common centroid)的對稱方式，這樣可以補償制程所產(chǎn)生的梯度效應(yīng),，而在電流源旁邊黑色的區(qū)塊為模仿晶體管(dummy transistors),，可以使每個電流源所看到的環(huán)境大約相同來減少不匹配的情形。 

電流源切換區(qū)段適用高速數(shù)字比轉(zhuǎn)換器 

對于設(shè)計一個高速數(shù)字比轉(zhuǎn)換器來說,，最適合的架構(gòu)就是電流源切換區(qū)段式,，適當(dāng)?shù)姆峙涠M(jìn)制碼及溫度計碼可以得到較小的突波，較佳的差動非線性誤差及諧波失真,。根據(jù)制程的不匹配參數(shù),，可以得到與電流源面積的關(guān)系，進(jìn)而推算適當(dāng)?shù)碾娏髟创笮?。布局方法對高速?shù)字模擬轉(zhuǎn)換器有非常嚴(yán)重的影響,，使用適當(dāng)?shù)那袚Q順序及共質(zhì)心的布局方法可以減少電流源的不匹配以及避免錯誤的累加，經(jīng)過這些步驟的考慮之后,，使設(shè)計出來的電路可以達(dá)到最高的效能,。