基于RRBS的12位电流舵DAC设计

发布时间：2020-07-11 22:14

【摘要】：在无线通信系统中,提高数据传输速率和增大信号带宽已成为发展趋势,数模转换器(Digital to Analog Converter,DAC)作为系统中重要的组成部分,其能够处理的信号带宽以及频域性能需要满足无线通信系统的要求。电流舵DAC由于其结构本征的高速特性和较强的驱动能力等优点,被广泛应用在无线通信系统中,但随着采样时钟频率以及输入信号频率的增大,电流舵DAC的动态性能受时序误差、输出波动效应以及开关瞬态非线性的影响变差。因此,在满足高速宽带的条件下,提高DAC的无杂散动态范围(Spurious Free Dynamic Range,SFDR)势在必行。本文首先从无线通信芯片的实际应用角度出发,分析了电流舵DAC中SFDR下降的因素,然后基于随机旋转二进制译码(Random Rotation-Based Binary-weighted Selection,RRBS)方式,设计了一种适应于无线通信芯片的12位电流舵DAC。本文采用的RRBS译码电路通过对DAC的输入信号每次随机选择不同位置的单位电流源来完成对应的电流输出,使得输入信号与电流源误差之间的固定关系被随机化,则与输入信号相关的谐波被转变为随机噪声,从而达到提高电流舵DAC的SFDR的目的;同时与其他相关校正技术相比,RRBS译码方式具有低逻辑复杂度、版图面积小的优点。本文基于SMIC 0.18μm CMOS工艺,采用Cadence公司的Virtuoso平台完成了12位电流舵DAC的电路设计、版图设计以及后仿真,整体版图面积为0.69×0.41 mm~2。后仿结果表明,整体电路的建立时间为4ns,微分非线性的误差范围为±0.38LSB,积分非线性的误差范围为±0.85LSB;在采样时钟频率为100MHz和输入信号频率为1MHz时,DAC的SFDR为83.74dB;在输入信号频率约为49MHz时,SFDR仍能达到65dB以上;满足无线通信芯片对DAC的频域需求。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN792
【图文】：

伪随机信号,仿真结果,译码电路,时钟周期

图 3-5 伪随机信号仿真结果为验证 RRBS 译码电路的随机译码效果，下面将对低 4 位 RRBS 译码电路进行仿真。仿真方法为，首先给理想的 ADC(由 VerilogA 编写)输入一个从 0 线性变化到1.8V 的斜坡电压进行模数转换，从而输出 4 位全码段的数字二进制码送给 DAC 的低4 位 RRBS 电路进行随机译码。4 位二进制输入码对应的十进制值为 0-15，将 4 位二进制输入码全部译码一次记为一个 T1时钟周期。RRBS 译码电路在 T1时钟周期内的仿真结果如图 3-6 所示，从图中可看出与电流源{W15,W14, ,W2,W1}对应的 15 位开关控制信号在 T1时钟周期内呈现随机特性，表明低 4 位 RRBS 译码电路实现了随机译码的功能。

序列,电路仿真,时钟周期,二进制加权

23图 3-6 低 4 位 RRBS 电路仿真结果同理得到 RRBS 电路在 T2和 T3时钟周期内的仿真结果，并将 RRBS 电路在连续三个周期 T1、T2和 T3内产生的 15 位输出信号汇总成表 3-3。由表 3-3 可知，在 PRNG产生的伪随机控制信号下，RRBS 译码电路在连续三个时钟周期内都实现了对二进制加权电流源的序列进行随机移位的功能。

波形,开关控制信号,差分,开关驱动

图 3-7 开关驱动电路结构图3-8 显示的是开关驱动电路的仿真结果，将输出信号的波形局部放大，可以看到开关驱动电路产生的差分开关信号的上升时间明显慢于分开关信号的摆幅为 1.8V，而其相交的位置在电压幅值为 400mV设计的开关驱动电路降低了差分开关信号的交叉点。由仿真可知 P极电压为1.5V左右，PMOS开关管在交叉点的栅源电压V =1.5-0.4V > V ，其中V 为 PMOS 管的阈值电压，因此避免了 PMOS 差控制信号切换的过程中出现同时关断的情况。DCLKQQNWCLKWNWP

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