第一章引言 本文主要介绍DAC的设计，大体结构如下： 第二章：DAC的原理简介； 第三章：DAC各部分的设计和仿真； 第四章：DAC的整体设计和仿真； 第五章：DAC设计的分析与总结
第一章 引言 6 本文主要介绍 DAC 的设计，大体结构如下： 第二章：DAC 的原理简介; 第三章：DAC 各部分的设计和仿真； 第四章：DAC 的整体设计和仿真; 第五章：DAC 设计的分析与总结
第二章DAC原理简介 第二章DAC原理简介 2.1电流型(Current Steering)DAC结构 DAC的结构有电流型(Current Steering)DAC,电荷分布型(Charge -Redistribution)DAC,R-2R阶梯(R-2 R Ladder)DAC,电阻串型 (Resistor--String)DAC,开关电流算法(Switched-Current Algorithmic)DAC。 由于电流型(Current Steering)DAC在高速高精转换器的设计中应用最广泛， 下面仅对这种结构的DAC原理进行简单介绍。 电流型(Current Steering)DAC的参考单元是电流源，求和单元就是导线 的连结，开关是MOS晶体管或传输门。一个一般性的二进制码型的DAC如图 2.1所示。 LSE Io(t) R 图2.1N位二进制电流型DAC 开关由输入位b(m=1,2,…N,N是位数)控制。b是LSB且与其对应的电流 源直流值是I。电流源被bn控制，例如，第个电流源是将2m-LSB电流源 并在一起，MSB电流源直流值是IsB=2-·1s。由于单位电流源的应用使得可 以利用版图技术改善电流源之间的匹配以提高性能。图2.1中I表达式如下： 1om(X)=2N-1s8bw+…+21sBb2+1sb=1s8·X 其中X是数字输入：
第二章 DAC 原理简介 7 第二章 DAC 原理简介 2.1 电流型（Current Steering）DAC 结构 DAC 的结构有电流型（Current Steering）DAC，电荷分布型（Charge –Redistribution ） DAC ， R-2R 阶梯（ R-2R Ladder ） DAC ，电阻串型 （Resistor-String）DAC，开关电流算法（Switched-Current Algorithmic）DAC。 由于电流型（Current Steering）DAC 在高速高精转换器的设计中应用最广泛， 下面仅对这种结构的 DAC 原理进行简单介绍。 电流型（Current Steering）DAC 的参考单元是电流源，求和单元就是导线 的连结，开关是 MOS 晶体管或传输门。一个一般性的二进制码型的 DAC 如图 2.1 所示。 LSB I ( ) out I t Nb N 1 b − 1 b 2 2N LSB I 1 − 2N LSB I − R 图 2.1 N 位二进制电流型 DAC 开关由输入位 ( 1, 2, , ) mb m NN = … 是位数 控制。 1 b 是 LSB 且与其对应的电流 源直流值是 LSB I 。电流源被 mb 控制，例如，第 m 个电流源是将 1 2m− LSB 电流源 并在一起，MSB 电流源直流值是 1 2N MSB LSB I I − = ⋅ 。由于单位电流源的应用使得可 以利用版图技术改善电流源之间的匹配以提高性能。图 2.1 中 out I 表达式如下： 1 2 1 ()2 2 N out LSB N LSB LSB LSB I X I b I bI bI X − = ⋅ + + ⋅+ ⋅= ⋅ … 其中 X 是数字输入：
第二章DAC原理简介 X=2-.b+…+2-b,+h=2m-1b 电流型(Current Steering)DAC的优点是当精度在10位以下时速度很快。 缺点是对器件的不匹配十分敏感且电流源输出电阻有限。这种结构的另一个优点 是有很高的能量效率。所以在仔细改进匹配和输出电阻后电流型(Current Steering)结构适合用于高速，宽带的应用中。 为了保证单调性，减小毛刺的影响及降低对失配的敏感度，DAC可以分割 成粗(coarse)细(fine)两部分。MSBs采用温度计译码而LSBs采用二进制 码。二进制码，温度计码及分割型DAC的结构分别如图2.2a,b,c所示。 2 4 D D D39 DN- 图2.2a B B 图2.2b 1⊙ 41 2N-M- 2N-MK 2-M D D. DN-M B B 图2.2c 图2.2DAC结构a二进制码型b温度计码型c分割型
第二章 DAC 原理简介 8 1 1 2 1 0 222 N N m N m m X b bb b − − = = ⋅ + + ⋅ +⋅ = ⋅ … ∑ 电流型（Current Steering）DAC 的优点是当精度在 10 位以下时速度很快。 缺点是对器件的不匹配十分敏感且电流源输出电阻有限。这种结构的另一个优点 是有很高的能量效率。所以在仔细改进匹配和输出电阻后电流型（Current Steering）结构适合用于高速，宽带的应用中。 为了保证单调性，减小毛刺的影响及降低对失配的敏感度，DAC 可以分割 成粗（coarse）细（fine）两部分。MSBs 采用温度计译码而 LSBs 采用二进制 码。二进制码，温度计码及分割型 DAC 的结构分别如图 2.2a，b，c 所示。 D0 D1 D2 D3 DN−1 I 2I 4I 8I 1 2N I − out I VDD 图 2.2 a B0 B1 B2 B3 2 1 B N − I I I I I out I VDD 图 2.2 b D0 D1 D2 DN M− −1 I 2I 4I 1 2N M I − − VDD B0 2 1 B N M− − 2N M I − 2N M I − out I 图 2.2 c 图 2.2 DAC 结构 a 二进制码型 b 温度计码型 c 分割型
第二章DAC原理简介 表2.1各种编码形式 十进制 0 2 3 二进制 00 01 10 11 0 0 0 0 温度计编码 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 2.2各种结构DAC的DNL和INL性能比较 1)二进制码结构 DNL二进制码的DAC在中间码转换时具有最大的DNL,假设有N位，则 在中间码转换时最高位2-1个单位电流源打开，低位21-1个单位电流源关断， 此时产生最大的DNL,其输出变化的方差表达表达式如下： σ2(a1)=σ2[2-1-(2--1)] =2-σ2(I)+(2--10o2(I0 =(2-1)o2(I) 所以DNL=a(A)=√2-i()=V2-i0(LSB) INL计算NL时，选取经过输出曲线首末两点的直线为理想输出，且乐观的 认为最大积分非线性发生在中间码转换时，利用如下公式计算NL: o2(△0=σ2(21) =2σ2(I) 所以INL=a(a)=}V2oLSB 2)温度计码结构 DNL由于采用温度计码时，每次只有一位从0到1变化，所以这种结构的 9
第二章 DAC 原理简介 9 表 2.1 各种编码形式 十进制 0 1 2 3 二进制 00 01 10 11 温度计编码 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 2.2 各种结构 DAC 的 DNL 和 INL 性能比较 1）二进制码结构 DNL 二进制码的 DAC 在中间码转换时具有最大的 DNL，假设有 N 位，则 在中间码转换时最高位 1 2N − 个单位电流源打开，低位 1 2 1 N− − 个单位电流源关断， 此时产生最大的 DNL，其输出变化的方差表达表达式如下： 所以 DNL= ( ) ( ) 2 1() 2 1 ( ) N N I I I LSB I σ σ σ + =− =− INL 计算 INL 时，选取经过输出曲线首末两点的直线为理想输出，且乐观的 认为最大积分非线性发生在中间码转换时，利用如下公式计算 INL： 2 2 2 ( ) (2 ) 2 () N N I I I σ σ σ = = + 所以 INL= 1 () 2 2 N I I LSB I σ σ + = 2）温度计码结构 DNL 由于采用温度计码时，每次只有一位从 0 到 1 变化，所以这种结构的 2 21 1 12 1 2 2 ( ) [2 (2 1) ] 2 ( ) (2 1) ( ) (2 1) ( ) N N N N N I I I I I I σ σ σ σ σ − − − − = −− = +− = − +
第二章DAC原理简介 DNL最小， DNL=a(a1)-(D(LSB) NL与二进制码结构的分析相同 INL-a(l)LsB 3)分割结构 DNL=a(1)=2-(D(LSB) INL=a(1)=2gILSB 分割结构是在编码复杂度和总版图面积与毛刺能量和DNL之间作了一个权 衡，本文中的设计采用的是这一结构。 o
第二章 DAC 原理简介 10 DNL 最小， DNL= ( ) () ( ) I I LSB I σ σ + = INL 与二进制码结构的分析相同 INL= 1 () 2 2 N I I LSB I σ σ + = 3）分割结构 DNL= 1 ( ) () 2 1 ( ) B I I LSB I σ σ + + = − INL= 1 () 2 2 N I I LSB I σ σ + = 分割结构是在编码复杂度和总版图面积与毛刺能量和 DNL 之间作了一个权 衡，本文中的设计采用的是这一结构