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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(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)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(hào)和數(shù)字電路處理的離散信號(hào)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(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的連接橋梁。在CMOS制程技術(shù)的推動(dòng)下，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)趨勢(shì)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(hào)轉(zhuǎn)換成具有模擬位準(zhǔn)的信號(hào)，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(huì)連接一個(gè)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(gè)部份。簡(jiǎn)單的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器示意如表1所示，它代表著一個(gè)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(hào)，Vout為模擬輸出信號(hào)，通常可以用下面的公式來表示，其中Rref可能代表的是一個(gè)參考電壓或是電流。 

效能參數(shù) 

評(píng)斷數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器不可缺 

通常在設(shè)計(jì)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器時(shí)，需要一些參數(shù)來評(píng)斷數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的特性，以下是一些常用到評(píng)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(hào)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(hào)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(diǎn)與終點(diǎn)的聯(lián)機(jī)，如表2中的虛線所示。 

穩(wěn)定時(shí)間(Settling Time)  

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

突波(Glitch Impulse) 

突波通常發(fā)生在輸入信號(hào)發(fā)生改變的時(shí)候，會(huì)再輸出產(chǎn)生一個(gè)類似脈沖的信號(hào)，如表3所示，通常我們會(huì)用它所涵蓋的面積去計(jì)算突波的大小。 

無假信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍 

(Spurious Free DynamicRange) 

無假信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍在頻譜分析上是一個(gè)重要的參數(shù)，定義為輸出信號(hào)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(gè)參數(shù)對(duì)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(gè)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(jì)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(hào)，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(shí)現(xiàn)，這種架構(gòu)以電流輸出來產(chǎn)生模擬信號(hào)位準(zhǔn)，并且可以直接驅(qū)動(dòng)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(shí)(0111111111-->1000000000)，電流源會(huì)在轉(zhuǎn)態(tài)的瞬間同時(shí)導(dǎo)通，所以會(huì)產(chǎn)生最大的突波而影響諧波失真及造成穩(wěn)定時(shí)間增加，并且由于在數(shù)字輸入遞增或遞減時(shí)，無法保證輸出信號(hào)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(jì)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(jì)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(huì)有同時(shí)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(jì)高速數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的時(shí)候，會(huì)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(jì)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(jì)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(diǎn)，并且可以將兩種架構(gòu)的缺點(diǎn)降到最低，達(dá)到減少電路復(fù)雜度及較好的突波、差動(dòng)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(jì)考慮 

分配區(qū)段式架構(gòu)二進(jìn)制碼與溫度計(jì)碼 

對(duì)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(jì)碼，由表7[3]及表1[3]來做一個(gè)初步的估計(jì)，因?yàn)殡娏髟吹牟黄ヅ渑c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(duì)標(biāo)準(zhǔn)差。表1中的Aunit代表完全溫度計(jì)碼模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器在差動(dòng)非線性失真為0.5LSB時(shí)的電流源面積，可透過差動(dòng)非線性失真為0.5LSB及整體非線性失真為1LSB曲線交點(diǎn) 

來判斷何處是最佳區(qū)段化的地方，但因?yàn)榭紤]到若將交點(diǎn)水平地往右移、增加溫度計(jì)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(diǎn)往右移的過程中，必須再考慮一項(xiàng)因素，也就是數(shù)字電路的面積也會(huì)隨著增加溫度計(jì)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(shì)線，因?yàn)椴幌Ｍ麛?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(diǎn)交會(huì)時(shí)，此時(shí)電流源的面積與數(shù)字電路的面積大約相等，由這點(diǎn)所對(duì)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(jì)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(duì)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(gè)因素所造成，Vth與β的不匹配，并且可以知道這兩個(gè)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(jì)的時(shí)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(gè)電流源的相對(duì)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(gè)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(gè)關(guān)系來設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)碾娏髟吹拈L(zhǎng)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(duì)于數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的影響，由[1]可知： 

其中ILSB代表一個(gè)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(gè)數(shù)，RCS代表一個(gè)電流源的輸出阻抗，由這個(gè)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(dòng)電流源開關(guān)，由差模控制信號(hào)來控制，MC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(hào)，因?yàn)榭刂菩盘?hào)的不同步會(huì)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(jì)一鎖存電路以控制信號(hào)同步。在此以NMOS電流源為例，當(dāng)控制信號(hào)正處于轉(zhuǎn)態(tài)中間的時(shí)候，會(huì)發(fā)現(xiàn)此時(shí)電流源會(huì)有同時(shí)截止的現(xiàn)象發(fā)生，這是我們所不希望看到的情形，因?yàn)榇藭r(shí)電流開關(guān)的源極會(huì)放電到地，接下來當(dāng)轉(zhuǎn)態(tài)結(jié)束時(shí)就必須花一段長(zhǎng)時(shí)間重新對(duì)源極充電，這樣會(huì)造成穩(wěn)定時(shí)間變長(zhǎng)以及輸出端的突波現(xiàn)象，所以必須使兩個(gè)反相的控制信號(hào)的交會(huì)點(diǎn)高于VDD/2來達(dá)到避免電流開關(guān)同時(shí)截止的情形，一般的作法是把控制交會(huì)點(diǎn)的功能做在閘門電路里面，如此可避免發(fā)生電流源同時(shí)關(guān)閉所造成穩(wěn)定時(shí)間變長(zhǎng)及突波的產(chǎn)生。 

電源流切換為并聯(lián)補(bǔ)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(huì)使電流源產(chǎn)生誤差，這些誤差很有可能會(huì)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(huì)對(duì)整體非線性失真造成影響，對(duì)于這種現(xiàn)象，我們可以采用適當(dāng)?shù)那袚Q順序來補(bǔ)償[5]，如表11所示，我們將一個(gè)電流源分成四個(gè)小的電流源并聯(lián)，并且將這四個(gè)電流源分別放置于四個(gè)區(qū)塊內(nèi)，并且采用共質(zhì)心(Common centroid)的對(duì)稱方式，這樣可以補(bǔ)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(gè)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(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)碼可以得到較小的突波，較佳的差動(dòng)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　２季址椒▽?duì)高速數(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(cuò)誤的累加，經(jīng)過這些步驟的考慮之后，使設(shè)計(jì)出來的電路可以達(dá)到最高的效能。