一種應用于SoC的高速數模轉換器的設計

摘要：  數模轉換器（DAC）是片上集成系統（SoC）中的重要模塊。本文提出了一種應用于SoC的高速高精度DAC設計。該設計使用電流驅動(dòng)型結構，在SMIC 0.18μm CMOS工藝下實(shí)現，其分辨率為10位，最高采樣率可達到300MS/s。在采樣率為200MS/s，輸入信號為20.8MHz時(shí)，DAC的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）可達到66.27dB，此時(shí)DAC總功耗僅為22.7mW。

關(guān)鍵詞： 數模轉換器；片上集成系統；無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍；高速

　　1 引言

　　片上集成系統（SoC）是集成電路發(fā)展的重要方向。由于數字信號處理的諸多優(yōu)點(diǎn)以及近年來(lái)數字集成電路性能的提高與成本的下降，數字電路在SoC系統中的地位越來(lái)越重要。由于人們總是需要將數字信號轉換為現實(shí)世界中對應的物理量，因此數模轉換器（DAC）成為SoC系統中不可缺少的重要模塊。隨著(zhù)數字信號處理速度的不斷提高，SoC系統對高速DAC的需求也更加迫切。在通信、測量、自動(dòng)控制、多媒體等諸多領(lǐng)域，高速DAC都有廣泛的應用，并且其性能對系統的整體性能有重要的影響。高速DAC的設計，對于實(shí)現良好的高性能SoC系統的設計具有重要的意義。

　　本文選擇了SoC芯片廣泛使用的深亞微米CMOS工藝，實(shí)現了一個(gè)10位的高速DAC。該DAC可作為SoC設計中的IP硬核，在多種不同應用領(lǐng)域的系統設計中實(shí)現復用。[1]

　　2 高速DAC的設計

　　2.1 高速DAC的結構

　　高速高精度DAC設計普遍采用電流驅動(dòng)型結構，以10位電流驅動(dòng)型DAC為例，其結構如圖1所示。

圖1 10位電流驅動(dòng)型DAC的結構圖

　　在電流驅動(dòng)型DAC中，如果在內部使用溫度計碼代替二進(jìn)制碼進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，可以大大提高DAC的線(xiàn)性度與無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）性能。但對于10位或更高精度的電流驅動(dòng)型DAC來(lái)說(shuō)，如果使用全溫度計碼，譯碼電路的面積和功耗會(huì )太大。大多數高精度電流驅動(dòng)型DAC選擇分段編碼結構，以兼顧提高DAC性能和控制譯碼電路規模的需求。[2]本文的DAC設計選擇了7+3的分段編碼結構，即輸入信號的高7位轉換為溫度計碼，低3位直接使用二進(jìn)制碼。

　　2.2 高速譯碼器的設計

　　當DAC速度越來(lái)越快時(shí)，溫度計碼譯碼器的速度往往成為DAC速度的瓶頸。使用傳統的數字電路設計方法雖然有利于簡(jiǎn)化譯碼電路，但難以實(shí)現高速譯碼，特別是當譯碼器位數較多時(shí)就更是如此[3]。為了有效的進(jìn)行高速譯碼器的設計，本文將譯碼器與延時(shí)器組成一個(gè)統一的同步電路，按照同步電路的設計原則，使用自動(dòng)綜合與布局布線(xiàn)工具，完成高速譯碼器與延時(shí)器的設計工作。

　　高速譯碼器與延時(shí)器的電路結構如圖2所示，圖中標有‘D’的方框表示時(shí)鐘邊沿觸發(fā)的D觸發(fā)器。從圖2中可以看到，7位溫度計碼譯碼電路和3位二進(jìn)制碼延時(shí)單元均被放置在D觸發(fā)器之間，從而所有的輸入－輸出路徑均可明確寫(xiě)出時(shí)序約束，這就為自動(dòng)綜合工具的使用創(chuàng )造了必要條件。本設計中高速譯碼器與延時(shí)器的具體設計流程為：首先使用Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)RTL級代碼；然后編寫(xiě)時(shí)序約束文件，使用Design Compiler工具完成譯碼器與延時(shí)器電路的自動(dòng)綜合，得到門(mén)級網(wǎng)單，并進(jìn)行門(mén)級后仿真；接下來(lái)使用Silicon Ensemble工具完成標準單元的自動(dòng)布局布線(xiàn)，并在布局布線(xiàn)過(guò)程中使用Pearl軟件進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析；最后使用Calibre軟件對最終版圖進(jìn)行DRC和LVS檢查，驗證版圖的正確性。通過(guò)以上設計方法，實(shí)現了最高譯碼速度達到300MHz的7位譯碼器。

圖2 高速譯碼器與延時(shí)器的電路結構

　　2.3 開(kāi)關(guān)單元的設計

　　開(kāi)關(guān)單元的設計對DAC在高速情況下的性能有重要的影響。對于一個(gè)高速DAC設計來(lái)說(shuō)，不僅要求DAC能夠達到很高的轉換速度，而且要求DAC在高轉換速度下能夠實(shí)現良好的性能，因此開(kāi)關(guān)單元的設計在高速DAC設計中占據著(zhù)重要的地位。   

圖3 電流源單元與開(kāi)關(guān)單元的電路圖

　　本文的DAC設計采用的開(kāi)關(guān)單元如圖3所示。開(kāi)關(guān)單元主要包括同步鎖存器和電流開(kāi)關(guān)兩部分。其中同步鎖存器的主要功能是使DAC中各個(gè)開(kāi)關(guān)單元中的電流開(kāi)關(guān)的切換都與時(shí)鐘同步，從而盡量減小由延時(shí)誤差產(chǎn)生的輸出雜散。此外，通過(guò)調節其中ML3、ML4與ML5、ML6的尺寸比，同步鎖存器還能實(shí)現調節開(kāi)關(guān)控制信號（一對差分信號）的交叉點(diǎn)電位，保證不會(huì )出現一對開(kāi)關(guān)同時(shí)關(guān)斷的情況，從而減小由此產(chǎn)生的輸出毛刺[4]。本文的同步鎖存器將時(shí)鐘控制的MOS開(kāi)關(guān)ML1、ML2管串接在ML3-ML6之前，從而降低了同步鎖存器對電源電壓的要求，有利于電路在深亞微米CMOS工藝下的實(shí)現。

　　開(kāi)關(guān)單元中的電流開(kāi)關(guān)由MSW1-MSW4組成。與常用的電流開(kāi)關(guān)相比，加入MSW3和MSW4能夠起到兩方面的作用：一方面它們減小了數字控制信號通過(guò)MSW1、MSW2的Cgd直接饋通到輸出端的毛刺電壓，另一方面它們減小了輸出電壓變化對電流源內部節點(diǎn)電壓的影響作用，從而從兩方面提高了DAC在高速條件下的SFDR性能。

　　2.4 電流源單元的設計

　　本文的電流源單元采用了共源共柵電流源電路，如圖3中所示。共源共柵電流源能夠實(shí)現很高的輸出阻抗，不僅有利于提高DAC靜態(tài)工作時(shí)的線(xiàn)性度，而且對提高SFDR也有作用。電流源單元的尺寸設計對DAC各項性能都有重要的影響。在圖3所示電路中，MCS1管應具有足夠的面積，使電流源單元之間的匹配精度能夠保證10位DAC線(xiàn)性度的要求。本文使用Monte Carlo方法對電流源進(jìn)行建模，計算出如果要使10位DAC的良率（INL和DNL均小于0.5LSB的百分比）大于99%，則電流源單元之間的失配必須滿(mǎn)足：

　　3 仿真結果

　　本文的DAC設計在SMIC 0.18μm CMOS工藝下實(shí)現，使用Cadence的Spectre軟件進(jìn)行仿真。仿真結果表明，該DAC的最高采樣率可達到300MS/s（所有corner最壞情況）。在200MS/s采樣率、20.8MHz輸入信號條件下（1.8V電源電壓、TT corner），DAC的輸出信號的頻譜如圖4所示。從圖中可以看到，此時(shí)DAC的SFDR可以達到66.27dB，這一數值也接近所有corner下SFDR的平均結果。在SS corner下DAC的SFDR最低，但也超過(guò)了60dB。

　　Monte Carlo仿真表明，該DAC的INL和DNL均小于0.5LSB的百分比大于99%。該DAC的電源電壓為1.8V，最大輸出電壓為1.5Vpp（差分），在采樣率為200MS/s時(shí)功耗僅為22.7mW，IP硬核的面積約為0.55mm2。

圖4 200MS/s采樣率、20.8MHz輸入信號下DAC的輸出頻譜（TT corner）

　　4 結論

　　本文提出了一種應用于SoC的高速高精度DAC的設計，并在深亞微米CMOS工藝下實(shí)現了IP硬核形式的設計。該設計在高速條件下具有良好的性能，且功耗與面積都較小，能夠有效滿(mǎn)足通信、測量、自動(dòng)控制、多媒體等領(lǐng)域的SoC系統設計的應用需求。

　　本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：

　　通過(guò)采用同步電路設計原則以及自動(dòng)綜合與布局布線(xiàn)的設計方法，實(shí)現了高速的溫度計碼譯碼電路。通過(guò)改進(jìn)開(kāi)關(guān)單元以及合理設計共源共柵電流源的尺寸，保證了DAC良好的線(xiàn)性度以及在高速條件下的良好性能。

 　　參考文獻

　　[1] 楊剛, 楊晞, 汪道輝. SOC與芯片設計方法[J]. 微計算機信息, 2003, 19(2): 56-57,72.

　　[2] Gustavsson M, Wikner J, Tan N. CMOS data converters for communications[M]. Boston, MA : Kluwer, 2000.

　　[3] 劉凡, 吳金, 黃晶生, et al. 一種高速10位溫度計碼DAC的設計[J]. 電子器件, 2007, 30(1): 283-286.

　　[4] Bastos J, Marques A, Steyaert M, et al. A 12-bit intrinsic accuracy high-speed CMOS DAC[J]. IEEE J. of Solid-State Circuits, 1998, 33(12): 1959-1969.

　　[5] Pelgrom M, Duinmaijer A, Welbers A. Matching properties of MOS transistors[J]. IEEE J. of Solid-State Circuits, 1989, 24(5): 1433-1440.