0 引言

    進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，寬帶通信、高速視頻傳輸以及軍用領(lǐng)域高速雷達(dá)設(shè)備的高速發(fā)展，對電子設(shè)備工作頻率以及信號(hào)處理精度提出了更高的要求。在各類系統(tǒng)中，完成處理后的數(shù)字信號(hào)最終都需要轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)進(jìn)行發(fā)送或者接收。作為數(shù)字世界與模擬世界的橋梁，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的性能一直都是電子系統(tǒng)升級(jí)的重要瓶頸。在高速、高精度應(yīng)用中，電流舵數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Current-Steering Digital to Analog Converter，CS-DAC)具有工作頻率快、有效精度高的優(yōu)勢，因此得到了產(chǎn)業(yè)界的普遍關(guān)注和應(yīng)用^[1-3]。電流舵數(shù)模轉(zhuǎn)換器工作原理是：利用輸入基準(zhǔn)源電流作為參考，通過鏡像比例關(guān)系，得到各權(quán)重的電流源陣列，最終根據(jù)輸入數(shù)字碼選擇相應(yīng)權(quán)重的電流源陣列，完成模擬輸出。

    雖然電流舵數(shù)模轉(zhuǎn)換器具有天然的速度和精度優(yōu)勢，但也受到多種非理想因素的影響^[4-6]：(1)工藝有限精度以及工藝角偏差引起電流源陣列之間的失配，從而產(chǎn)生靜態(tài)誤差；(2)電流源陣列在充放電過程中產(chǎn)生諧波失真，即控制電流源陣列的開關(guān)在通斷瞬間產(chǎn)生尖峰毛刺；同時(shí)，各電流源陣列與輸出節(jié)點(diǎn)路徑不同導(dǎo)致的時(shí)間常數(shù)偏差也會(huì)產(chǎn)生一定的諧波，從而降低動(dòng)態(tài)輸出性能；(3)電流源陣列中有限的輸出阻抗隨著電流源陣列規(guī)模的擴(kuò)大而隨之減小，進(jìn)一步惡化了電流舵數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出諧波失真。雖然在設(shè)計(jì)中可以通過增加電流源以及開關(guān)的晶體管尺寸來提高匹配性，選取折中的傳輸時(shí)間常數(shù)，但消耗了巨大的芯片面積，無法實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的性能/成本比。為了解決這些問題，目前主要的解決方案是通過數(shù)字邏輯優(yōu)化電流源陣列的選擇機(jī)制，即實(shí)現(xiàn)電流源選取的隨機(jī)化，將隨機(jī)噪聲轉(zhuǎn)換為白噪聲，降低隨機(jī)諧波的影響，最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍的提高^[7-8]。

    本文基于提出的動(dòng)態(tài)隨機(jī)均衡算法，設(shè)計(jì)了一款14 bit/400 MHz電流舵數(shù)模轉(zhuǎn)換器。動(dòng)態(tài)隨機(jī)均衡算法通過數(shù)據(jù)比對的方向性及方位隨機(jī)均衡選擇，將隨機(jī)噪聲轉(zhuǎn)換為白噪聲，有效提高了輸出動(dòng)態(tài)范圍。電路采用SMIC 0.18 μm CMOS工藝進(jìn)行流片驗(yàn)證。測試結(jié)果表明，在電源電壓1.8 V、時(shí)鐘頻率400 MHz時(shí)，無雜散動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到90.1 dB，平均功耗為86 mW。

1 結(jié)構(gòu)分析

    本文設(shè)計(jì)的14 bit/400 MHz電流舵數(shù)模轉(zhuǎn)換器整體電路框圖如圖1所示，主要由同步寄存器、分段譯碼器、電流源陣列、參考源、動(dòng)態(tài)隨機(jī)均衡模塊、輸出負(fù)載組成。二進(jìn)制數(shù)字編碼首先經(jīng)過D觸發(fā)器組成的同步寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。為了減小電路規(guī)模，同時(shí)降低毛刺和編碼錯(cuò)誤，分段譯碼器將二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為溫度計(jì)碼，并與動(dòng)態(tài)隨機(jī)均衡模塊共同控制電流源陣列；參考源為電流源陣列提供基準(zhǔn)電流；最終輸出的電流源通過負(fù)載轉(zhuǎn)換為電壓，實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換功能。

    分段譯碼器是數(shù)模轉(zhuǎn)換器中非常重要的一個(gè)模塊，它決定了電流源陣列控制碼的規(guī)模和復(fù)雜度。在本設(shè)計(jì)中，輸入的14 bit二進(jìn)制數(shù)字碼按權(quán)重高低分為5 bit\4 bit\5 bit三段分別進(jìn)行編碼。其中最高位5 bit和次高位4 bit將輸入二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為溫度計(jì)碼，分別控制31個(gè)和15個(gè)電流源；低5 bit則直接利用二進(jìn)制碼進(jìn)行控制，分段譯碼器整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 帶隙基準(zhǔn)源

    在高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，帶隙基準(zhǔn)源電路作為基準(zhǔn)電流源，它的精度直接決定了單位電流源的性能。本文設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)源電路如圖3所示，包括偏置電路、啟動(dòng)電路和帶隙基準(zhǔn)源主電路三部分。

    左側(cè)的偏置電路為跨導(dǎo)放大器的尾電流源提供偏置電壓。右側(cè)啟動(dòng)電路的工作原理為：當(dāng)電源電壓為零時(shí)，PMOS管PM9的柵極為零電平，PM9導(dǎo)通；當(dāng)電源電壓逐漸升高時(shí)，形成從電源到跨導(dǎo)放大器輸入端的通路，跨導(dǎo)放大器具有輸入共模直流電壓，開始工作。同時(shí)該通路對NMOS晶體管NM1形成的MOS電容進(jìn)行充電；當(dāng)電源電壓繼續(xù)升高，PMOS晶體管PM8導(dǎo)通，形成PM8經(jīng)過電阻R5的電流通路，PM9的柵極電壓逐漸升高，當(dāng)PM9的過驅(qū)動(dòng)電壓絕對值大于漏源電壓絕對值時(shí)，即|V_gs-V_th|>|V_DS|時(shí)，PM9截止。同時(shí)MOS電容充電完成，MOS電容上的電壓維持跨導(dǎo)放大器的輸入共模電壓，帶隙基準(zhǔn)源進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

2.2 譯碼器

    對于12 bit以上的高精度電流舵數(shù)模轉(zhuǎn)換器而言，如果采用傳統(tǒng)的二進(jìn)制編碼選通電流源，由于選通過程中出現(xiàn)的不同步現(xiàn)象，容易在編碼過程中產(chǎn)生毛刺，導(dǎo)致較大的編碼誤差^[8-10]，因此在本設(shè)計(jì)中采用分段編碼以及溫度計(jì)碼結(jié)合的方式，以降低毛刺對編碼準(zhǔn)確性的影響。相比于二進(jìn)制編碼存在競爭冒險(xiǎn)的可能，溫度計(jì)碼每計(jì)數(shù)一次只發(fā)生一位跳變；且二進(jìn)制編碼每一位的權(quán)重不同，如果高位編碼發(fā)生變化，則會(huì)產(chǎn)生極大的編碼錯(cuò)誤，而溫度計(jì)碼每位權(quán)重相同。但溫度計(jì)碼的主要缺陷在于編碼規(guī)模較大，所需電流源陣列遠(yuǎn)大于二進(jìn)制編碼。因此為了進(jìn)行折中設(shè)計(jì)，在譯碼器電路中采取5+4+5(高位至低位)三段譯碼的組合方式，其中最高5 bit和次高4 bit采用溫度計(jì)編碼方式，而最低5 bit仍然采用二進(jìn)制編碼方式。為了更進(jìn)一步減小電流源陣列規(guī)模，在最高5 bit和次高4 bit中采用行列分別譯碼、交叉選通的方式來實(shí)現(xiàn)溫度計(jì)碼。其中最高5 bit分為3 bit和2 bit行列選通，次高4 bit分為2 bit和2 bit行列選通。這樣只需要設(shè)計(jì)2 bit二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)3 bit溫度計(jì)碼，以及3 bit二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)7 bit溫度計(jì)碼兩種規(guī)模較小的譯碼電路。

2.3 電流源陣列

    在數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，輸出阻抗R_imp與積分非線性INL的關(guān)系為^[11]：

其中R_load為負(fù)載電阻，I_unit為單位電流源，N為電流源單元個(gè)數(shù)。由式(1)可知，增大輸出阻抗，可以有效減小積分非線性，優(yōu)化數(shù)模轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)性能。此外，電流源電路的輸出阻抗也直接決定了輸出轉(zhuǎn)換電壓的精度。因此為了增大輸出阻抗，本設(shè)計(jì)采用共源共柵結(jié)構(gòu)，如圖4所示。M_b為共柵晶體管，M_CS為共源共柵電流源輸出電流管，M_SW為選通開關(guān)。由于采用較大尺寸的晶體管，也增加了電流源的匹配性。

    目前基于模擬設(shè)計(jì)思想的電流源陣列電路改進(jìn)方法已經(jīng)較為完備。但模擬設(shè)計(jì)方法主要關(guān)注于修正電路的靜態(tài)誤差，而對電流舵數(shù)模轉(zhuǎn)換器最為重要的諧波失真改善有限。尤其是在目前工藝尺寸快速縮小的設(shè)計(jì)環(huán)境下，模擬器件模型以及電源、溫度等參數(shù)的不確定性，很難進(jìn)一步提高電路性能。而以數(shù)字設(shè)計(jì)思想為核心的改進(jìn)策略則因其工藝可靠性，成為提升電流舵數(shù)模轉(zhuǎn)換器靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)選方案?；诖耍疚奶岢鲆环N動(dòng)態(tài)隨機(jī)均衡的電流源選擇算法，其目的在于將隨機(jī)誤差轉(zhuǎn)換為白噪聲，進(jìn)而提高輸出信號(hào)的無雜散動(dòng)態(tài)范圍。其核心思想是：設(shè)置寄存器R₁和R₂分別保存選擇電流源單元的起始和終止地址；再設(shè)置一位隨機(jī)數(shù)發(fā)生器R₃指導(dǎo)電流源的選擇方向，同時(shí)設(shè)置多位隨機(jī)數(shù)發(fā)生器R₄決定選擇的起點(diǎn)位置。以3 位電流源陣列為例，設(shè)它們分別為I₁、I₂、I₃、I₄、I₅、I₆、I₇，同時(shí)電流源各單元地址首尾相連。依據(jù)各隨機(jī)條件的優(yōu)先級(jí)高低，本課題提出的算法原理如下：(1)起點(diǎn)位置隨機(jī)選取，當(dāng)電路上電完成后，多位隨機(jī)數(shù)發(fā)生器R₄選擇電流源起點(diǎn)位置，而一位隨機(jī)數(shù)發(fā)生器R₃決定電流源的選擇方向。且R₃ 的不同賦值決定了兩類選擇方向，即當(dāng)R₃為“1”時(shí)，算法從起點(diǎn)位置開始“從大到小”依次選擇電流源的單元數(shù)；當(dāng)R₃為“0”時(shí)，算法從起點(diǎn)位置開始“從小到大”依次選擇電流源的單元數(shù)。(2)基于固定數(shù)字碼的隨機(jī)選取當(dāng)電流舵數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字碼全為“1”時(shí)(或者全為“0”時(shí))，選取所有的電流源單元(不選取任何一個(gè)電流源單元)。而當(dāng)數(shù)字碼發(fā)生變化時(shí)，動(dòng)態(tài)隨機(jī)選取任何一個(gè)起始地址，同樣由一位隨機(jī)數(shù)發(fā)生器R3決定電流源的選擇方向。(3)基于數(shù)字碼比較的隨機(jī)選取，當(dāng)前時(shí)刻輸入的數(shù)字碼等于或者小于上一周期中的輸入數(shù)字碼時(shí)，電流源的隨機(jī)選取范圍限定在上一周期使用過的電流源中。假設(shè)上一周期輸入的數(shù)字碼為5，意味著選取的電流源分別為I₃、I₄、I₅、I₆、I₇；如當(dāng)前輸入的數(shù)字碼為3，則選擇電流源的范圍為(I₃、I₄、I₅)、(I₄、I₅、I₆)、(I₅、I₆、I₇)中的任一組合。因此本算法首先通過指定電流源選取起始位置以及調(diào)整選擇方向，進(jìn)一步增加了電流源選擇的隨機(jī)性，有利于白噪聲化。其次，通過限制選取范圍和方向性，降低了高位電流源的選擇概率，一定程度上減少了開關(guān)活動(dòng)性。

3 測試結(jié)果

    本文設(shè)計(jì)的14 bit/400 MHz數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用 SMIC 0.18 μm CMOS 工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。芯片照片如圖5所示，核心面積為1.95 mm×1.55 mm。

    流片完成后，首先對動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行測試。圖6所示為1.8 V電源電壓，400 MHz時(shí)鐘頻率和1.2 MHz輸入信號(hào)時(shí)，對瞬態(tài)輸出波形進(jìn)行8 192個(gè)點(diǎn)采樣后的頻譜圖。結(jié)果顯示無雜散動(dòng)態(tài)范圍為90.1 dB，功耗約為86 mW。由此可以看出本文設(shè)計(jì)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器在精度和功耗方面獲得了較好的折衷。

    再輸入低頻信號(hào)測試靜態(tài)性能，測試結(jié)果如圖7所示，靜態(tài)微分非線性和積分非線性分別為-0.23LSB/0.23LSB和-0.57LSB/0.57LSB。

    整體測試結(jié)果總結(jié)如表1所示，本設(shè)計(jì)在動(dòng)態(tài)性能、靜態(tài)性能和功耗都獲得了較優(yōu)的結(jié)果。

4 結(jié)論

    電流舵數(shù)模轉(zhuǎn)換器作為高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵男酒诿裼煤蛧李I(lǐng)域具有重要的意義。本文基于提出的“數(shù)據(jù)比對的方向性及方位隨機(jī)均衡選擇”動(dòng)態(tài)隨機(jī)均衡算法，采用SMIC 0.18 μm CMOS工藝設(shè)計(jì)了一款14 bit/400 MHz電流舵數(shù)模轉(zhuǎn)換器。通過動(dòng)態(tài)隨機(jī)均衡算法，有效抑制了隨機(jī)噪聲的影響。流片測試結(jié)果顯示，在1.8 V電源電壓，400 MHz時(shí)鐘頻率和1.2 MHz輸入信號(hào)時(shí)，無雜散動(dòng)態(tài)范圍為90.1 dB，靜態(tài)微分非線性和積分非線性分別為-0.23LSB/0.23LSB和-0.57LSB/0.57LSB，功耗約為86 mW，具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

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作者信息:

陳鋮穎，王  譯

(廈門理工學(xué)院 光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門361024)