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数字模拟转换器朝高速方向上发展

近年来,超大规模集成电路的技术不断进步,造就了许多功能强大的数字信号处理电路,虽然数字技术发展一日千里,模拟电路的重要性并没有被取代。在自然界所产生的连续信号和数字电路处理的离散信号之间,需要有模拟数字转换器(Analog to digital converter)及数字模拟转换器(Digital to analog converter)作为模拟信号与数字信号之间的连接桥梁。在CMOS制程技术的推动下,模拟数字转换器及数字模拟转换器的设计趋势是朝高速及高分辨率发展。 

数字模拟转换器(Digital to Analog Converter)的功能是将输入的数字信号转换成具有模拟位准的信号,其应用包含了数字音响、通讯线路以及显示器等方面。一般来说,在数字模拟转换器后端通常会连接一个低通道滤波器来使波型平整,但是一般所讨论的数字模拟转换器是没有包含滤波器这个部份。简单的数字模拟转换器示意如表1所示,它代表着一个n-bit数字模拟转换器,其中B0~Bn-1为二进制数字输入信号,Vout为模拟输出信号,通常可以用下面的公式来表示,其中Rref可能代表的是一个参考电压或是电流。 

效能参数 

评断数字模拟转换器不可缺 

通常在设计数字模拟转换器时,需要一些参数来评断数字模拟转换器的特性,以下是一些常用到评断标准。[1][2]  

差模非线性失真(Differential nonlinearity) 

差模非线性失真定义为输出信号位准的最大差距与理想的位准差异之间的差值,如表2所示。 

整体非线性失真(Integral nonlinearity) 

整体非线性失真定义为输出信号与输入输出转移曲线的最大位准差异,如表2所示,而输入输出转移曲线为起点与终点的联机,如表2中的虚线所示。 

稳定时间(Settling Time)  

稳定时间的定义为当输出切换到最大值的时候,输出信号稳定到一定的误差范围内所需的时间。 

突波(Glitch Impulse) 

突波通常发生在输入信号发生改变的时候,会再输出产生一个类似脉冲的信号,如表3所示,通常我们会用它所涵盖的面积去计算突波的大小。 

无假信号动态范围 

(Spurious Free DynamicRange) 

无假信号动态范围在频谱分析上是一个重要的参数,定义为输出信号本身的频谱功率与最大谐波失真(Harmonic Distortion)频谱功率之间的比值,这个参数对于判断应用于通讯领域的数字模拟转换器是一个很重要的依据。 

高速数字模拟转换器的架构: 

二进制码、温度计码 

高速数字模拟转换器一般是应用在通讯领域,用来产生无线通讯的调变信号,其它的应用领域包含以太网络及数字电视。一般高速数字模拟转换器是使用电流切换式的架构去实现,这种架构以电流输出来产生模拟信号位准,并且可以直接驱动输出端的负载,不用在输出端加入额外的放大器,所以跟其它的架构比起来可以达到较高的速度,基本的架构可以分为下面两种: 

二进制码(binary code)数字模拟转换器 

二进制数字模拟转换器是直接以二进制码控制电流源的开关,如表4所示,但是在中间码转换时(0111111111-->1000000000),电流源会在转态的瞬间同时导通,所以会产生最大的突波而影响谐波失真及造成稳定时间增加,并且由于在数字输入递增或递减时,无法保证输出信号为递增或递减,所以此种架构的单调性也比较差。 

温度计码(Thermometer Code)数字模拟转换器 

此种架构是将二进制数字模拟转换器中所有的电流源拆成许多相等的电流源,如表5所示,在这里要将二进制码转换成温度计码,所以需要额外的译码电路,造成布局面积增大及电路复杂度增加,但是由于此种电流源切换方式是依序导通或关闭,所以不会有同时导通或截止的情形,可以减轻差模非线性失真及突波的产生,另外单调性方面的表现也比二进制数字模拟转换器要好。通常在设计高速数字模拟转换器的时候,会采用区段式架构(Segmented Architecture),其架构如表6所示,可知将M位的数字输入译码成温度计码,N-M位维持原来的二进制码,接着经过锁存电路(Latch)达到同步的效果,而电流开关(Switch)是用来控制电流源的导通或关闭。这种架构结合了前面所提到的两种架构,可以适当分配温度计码及二进制码,这样可以结合前面两种架构的优点,并且可以将两种架构的缺点降到最低,达到减少电路复杂度及较好的突波、差动非线性误差及单调性。 

高速数字模拟转换器的设计考虑 

分配区段式架构二进制码与温度计码 

对于区段式数字模拟转换器来说,可以采用以下的方法来决定如何分配二进制码及温度计码,由表7[3]及表1[3]来做一个初步的估计,因为电流源的不匹配与其面积有着下面的关系,A代表电流源面积,σ代表电流源相对标准差。表1中的Aunit代表完全温度计码模拟数字转换器在差动非线性失真为0.5LSB时的电流源面积,可透过差动非线性失真为0.5LSB及整体非线性失真为1LSB曲线交点 

来判断何处是最佳区段化的地方,但因为考虑到若将交点水平地往右移、增加温度计码的位数,则可以改善突波及差模非线性失真。在将此交点往右移的过程中,必须再考虑一项因素,也就是数字电路的面积也会随着增加温度计码而呈现指数上升,所以在表中也划出数字电路增加的趋势线,因为不希望数字电路的面积占的比例太多。当这条线跟我们之前所平移的点交会时,此时电流源的面积与数字电路的面积大约相等,由这点所对应的区段化百分比就可以决定要如何分配二进制码及温度计码。 

电流源的匹配程度 

左右数字模拟转换器静态表现 

电流源的匹配程度对电流切换式数字模拟转换器的静态表现有非常严重的影响,电流源的不匹配主要是由两个因素所造成,Vth与β的不匹配,并且可以知道这两个因素跟WL大小有关[4],关系如公式(1)(2),其中AVt及Aβ为制程的不匹配参数。在设计的时候,通常要依照数字模拟转换器所需要达到的规格来决定,其中代表每一个电流源的相对标准差,所以根据MOS晶体管电流公式及前面提到影响电流不匹配的两个式子,可以得到电流源面积及不匹配因素之间的关系[7],如公式(3),如此一来可以根据这个关系来设计适当的电流源的长宽大小。 

.....(1)  

.....(2)  

.....(3)    

透过迭接组态 

提高输出阻抗 

电流源输出阻抗对于数字模拟转换器的影响,由[1]可知: 

其中ILSB代表一个电流源的电流大小,RL代表输出端的负载,N代表电流源的个数,RCS代表一个电流源的输出阻抗,由这个式子可以看出电流源的输出电阻跟整体非线性误差的关系,由此可知电流源的输出阻抗越大越好,所以电流源的架构方面使用迭接组态可以大幅提高输出阻抗。由表9比较两种架构的输出阻抗,MS1及MS2组成差动电流源开关,由差模控制信号来控制,MC为迭接晶体管,MCS是电流源,接着由表10可以比较两种架构的输出阻抗,可以明显看出迭接组态的输出阻抗较大。 

锁存电路同步功能避免谐波失真 

另外,必须考虑控制电流开关的差模数字信号,因为控制信号的不同步会造成不可预期的突波现象,进而造成谐波失真,所以需要设计一锁存电路以控制信号同步。在此以NMOS电流源为例,当控制信号正处于转态中间的时候,会发现此时电流源会有同时截止的现象发生,这是我们所不希望看到的情形,因为此时电流开关的源极会放电到地,接下来当转态结束时就必须花一段长时间重新对源极充电,这样会造成稳定时间变长以及输出端的突波现象,所以必须使两个反相的控制信号的交会点高于VDD/2来达到避免电流开关同时截止的情形,一般的作法是把控制交会点的功能做在闸门电路里面,如此可避免发生电流源同时关闭所造成稳定时间变长及突波的产生。 

电源流切换为并联补偿制程的梯度效应 

一般来说,由于电流切换式数字模拟转换器所需的电流源非常多,造成布局面积通常相当大,所以制程上的梯度效应及温度差异会使电流源产生误差,这些误差很有可能会随着电流源导通数目的增加而逐渐累加起来,如此一来便会对整体非线性失真造成影响,对于这种现象,我们可以采用适当的切换顺序来补偿[5],如表11所示,我们将一个电流源分成四个小的电流源并联,并且将这四个电流源分别放置于四个区块内,并且采用共质心(Common centroid)的对称方式,这样可以补偿制程所产生的梯度效应,而在电流源旁边黑色的区块为模仿晶体管(dummy transistors),可以使每个电流源所看到的环境大约相同来减少不匹配的情形。 

电流源切换区段适用高速数字比转换器 

对于设计一个高速数字比转换器来说,最适合的架构就是电流源切换区段式,适当的分配二进制码及温度计码可以得到较小的突波,较佳的差动非线性误差及谐波失真。根据制程的不匹配参数,可以得到与电流源面积的关系,进而推算适当的电流源大小。布局方法对高速数字模拟转换器有非常严重的影响,使用适当的切换顺序及共质心的布局方法可以减少电流源的不匹配以及避免错误的累加,经过这些步骤的考虑之后,使设计出来的电路可以达到最高的效能。 

 

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