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數(shù)字模擬轉換器朝高速方向上發(fā)展

近年來,，超大規(guī)模集成電路的技術不斷進步,，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)字轉換器(Analog to digital converter)及數(shù)字模擬轉換器(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制程技術的推動下,，模擬數(shù)字轉換器及數(shù)字模擬轉換器的設計趨勢是朝高速及高分辨率發(fā)展,。 

數(shù)字模擬轉換器(Digital to Analog Converter)的功能是將輸入的數(shù)字信號轉換成具有模擬位準的信號，其應用包含了數(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)字模擬轉換器是沒有包含濾波器這個部份,。簡單的數(shù)字模擬轉換器示意如表1所示，它代表著一個n-bit數(shù)字模擬轉換器,，其中B0~Bn-1為二進制數(shù)字輸入信號,，Vout為模擬輸出信號，通?？梢杂孟旅娴墓絹肀硎?，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)字模擬轉換器不可缺 

通常在設計數(shù)字模擬轉換器時,，需要一些參數(shù)來評斷數(shù)字模擬轉換器的特性,，以下是一些常用到評斷標準。[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的最大差距與理想的位準差異之間的差值,，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移曲線的最大位準差異，如表2所示,，而輸入輸出轉移曲線為起點與終點的聯(lián)機,，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)對于判斷應用于通訊領域的數(shù)字模擬轉換器是一個很重要的依據,。 

高速數(shù)字模擬轉換器的架構： 

二進制碼,、溫度計碼 

高速數(shù)字模擬轉換器一般是應用在通訊領域,，用來產生無線通訊的調變信號，其它的應用領域包含以太網絡及數(shù)字電視,。一般高速數(shù)字模擬轉換器是使用電流切換式的架構去實現(xiàn),，這種架構以電流輸出來產生模擬信號位準，并且可以直接驅動輸出端的負載,，不用在輸出端加入額外的放大器,，所以跟其它的架構比起來可以達到較高的速度，基本的架構可以分為下面兩種： 

二進制碼(binary code)數(shù)字模擬轉換器 

二進制數(shù)字模擬轉換器是直接以二進制碼控制電流源的開關,，如表4所示,，但是在中間碼轉換時(0111111111-->1000000000)，電流源會在轉態(tài)的瞬間同時導通,，所以會產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,，所以此種架構的單調性也比較差,。 

溫度計碼(Thermometer Code)數(shù)字模擬轉換器 

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

高速數(shù)字模擬轉換器的設計考慮 

分配區(qū)段式架構二進制碼與溫度計碼 

對于區(qū)段式數(shù)字模擬轉換器來說，可以采用以下的方法來決定如何分配二進制碼及溫度計碼,，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系，A代表電流源面積,，σ代表電流源相對標準差,。表1中的Aunit代表完全溫度計碼模擬數(shù)字轉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,，由這點所對應的區(qū)段化百分比就可以決定要如何分配二進制碼及溫度計碼。 

電流源的匹配程度 

左右數(shù)字模擬轉換器靜態(tài)表現(xiàn) 

電流源的匹配程度對電流切換式數(shù)字模擬轉換器的靜態(tài)表現(xiàn)有非常嚴重的影響,，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[4],，關系如公式(1)(2),，其中AVt及Aβ為制程的不匹配參數(shù)。在設計的時候,，通常要依照數(shù)字模擬轉換器所需要達到的規(guī)格來決定,，其中代表每一個電流源的相對標準差，所以根據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系[7],，如公式(3)，如此一來可以根據這個關系來設計適當?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比較兩種架構的輸出阻抗，MS1及MS2組成差動電流源開關,，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的差模數(shù)字信號,，因為控制信號的不同步會造成不可預期的突波現(xiàn)象,，進而造成諧波失真，所以需要設計一鎖存電路以控制信號同步,。在此以NMOS電流源為例,，當控制信號正處于轉態(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,，因為此時電流開關的源極會放電到地，接下來當轉態(tài)結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來達到避免電流開關同時截止的情形，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)生電流源同時關閉所造成穩(wěn)定時間變長及突波的產生,。 

電源流切換為并聯(lián)補償制程的梯度效應 

一般來說，由于電流切換式數(shù)字模擬轉換器所需的電流源非常多,，造成布局面積通常相當大,，所以制程上的梯度效應及溫度差異會使電流源產生誤差，這些誤差很有可能會隨著電流源導通數(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?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,，并且采用共質心(Common centroid)的對稱方式,，這樣可以補償制程所產生的梯度效應,，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)字比轉換器 

對于設計一個高速數(shù)字比轉換器來說,，最適合的架構就是電流源切換區(qū)段式，適當?shù)姆峙涠M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,。根據制程的不匹配參數(shù)，可以得到與電流源面積的關系,，進而推算適當?shù)碾娏髟创笮?。布局方法對高速?shù)字模擬轉換器有非常嚴重的影響，使用適當?shù)那袚Q順序及共質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,，經過這些步驟的考慮之后,，使設計出來的電路可以達到最高的效能。