高速高精度数模转换器静态失配误差分析

发布时间：2020-06-30 04:10

【摘要】：当代数字电路的速度增长迅速,数据转换器(ADC/DAC)作为连接数字信号和模拟信号的接口,对它的速度和性能也有了更高的要求,成为一个研究的热点。而且数据转换器在无线通信、高清视频等多个领域内被广泛使用,是影响系统性能的重要模块。本论文针对电流源静态失配误差对DAC静态性能以及动态性能的影响,采用中芯国际(SMIC)40nm工艺设计一款10位10GSPS D/A转换器,调研已知的电流源阵列布局方案,通过仿真设计最优化的电流源阵列布局,除此之外还包括动态元素校准(DEM)的学习与应用,利用DEM技术消除输出误差与输入数字码之间的相关性,以求利用DEM优化DAC的输出结果,最后讲述了其他对静态失配误差有减弱或消除作用的校准方法,如自校准、随机时钟全校准等。文章的最后介绍了DAC实现中不可少的电路的设计,如译码电路、单位电流源电路、开关驱动电路。本论文首先介绍了DAC的工作原理;选择了当下使用较为广泛的电流舵型的DAC;其次作为确定静态失配误差模型的前提,研究分段对DAC性能的影响后,对10位的DAC进行了分段,在通过MATLAB建模、仿真和分析以及综合考虑了DAC的INL、DNL、毛刺以及面积等关键因素的基础上,最终选择了4+3+3的分段,分段的译码方式不同;本文的重点是研究静态失配误差对DAC主要指标的影响,它分为系统性误差与随机性误差,分别对DAC的性能有着不同程度的影响;为更好地理解静态失配误差的来源,本文对电流源的设计方法进行了研究,在Cadence中进行晶体管级的电流源电路结构的仿真,得到想要的的电流源输出电流,设计高交叉点开关驱动电路;MATLAB搭建模型主要是对不同电流源阵列排布、不同系统误差和随机误差设置的情况下对“4+3+3”分段的DAC进行了仿真,从仿真结果中得到DNL、INL、SFDR与ENOB等特性参数,从而分析找到最优化的电流源排布结构;由于电流源布局确定,所以固定的数字码输入就固定了输出,也具有固定的误差,这使得误差与输入相关,本文研究了DEM技术以求优化DAC的性能,除此之外还简单介绍了其他校准方法对静态失配误差的消除或减弱;最终简单介绍了构成DAC的其他电路模块的设计,综合起来完成对10位DAC的实现。最终得到一种优化的电流源阵列布局,并实现DEM随机化,对结合这两个方面优化的DAC进行仿真,得到的结果能够达到预期效果,具有优化性能的作用。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN792
【图文】：

均匀分布,数模转换器,基本工作原理

图 2.1 数模转换器的基本工作原理图 2.1 为 DAC 的基本工作原理。DAC 输入的是二进制码，经过带有参二进制加权网络，对应二进制输入码的每一位分配输出，最终输出模拟的的转换类似一种映射。理想情况下，这样的映射应该是线性的，即数射点能够均匀地落在某个模拟域内，例如二进制的 011 映射为 2.5 到 3某个实数值，并均匀分布，别的输入码以此类推，我们希望。对于一 DAC，输入数字码12210b b bbbN N ，给定基准电流元RefI ，输出模拟信号 1m0m0m0221outRef1b2b2b2)2bNNNNNI I（（在 DAC 里，经常提到 LSB（Least Significant Bit）与 MSB（Most Sign的概念。其中，LSB 为在理想 DAC 中数字输入码最低位变化导致的对的变化，被称为一个最小有效位，其值为：

曲线,输入输出特性,曲线,参数数

图 2.2 3 位 DAC 的理想输入输出特性曲线器的特性参数数用于说明 DAC 的性能，以下是其中一些较为重性参数和动态参数。静态性能描述的是 DAC 的输入由 DAC 的频率响应和速度决定。性能参数

【参考文献】