0 引 言

　　在信號采集處理、數(shù)字通信,、自動檢測和多媒體技術(shù)等領(lǐng)域,，數(shù)／模轉(zhuǎn)換器往往是不可缺少的部分。近年來,，電子通信市場的快速發(fā)展,，尤其是高清晰電視 (HDTV)和無線通信網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)應(yīng)用，大大增加了對轉(zhuǎn)換器速度和精度的要求,。高清晰電視逐漸在人們的生活中普及,，為了使HDTV得到更好的性能，就要有更高速和更高精度的DAC,，因為高速更有利于減少圖像閃爍和眼部疲勞,，高精度可使圖像更清晰。同時還要求設(shè)計的DAC面積小,，功耗低,。然而現(xiàn)在人們生活中常用的HDTV用DAC的分辨率一般為8位或者更高，采樣率為500 MHz左右,。這里介紹一個適用于HDTV應(yīng)用的新型8位DAC,，采樣率達到1．5 GHz，功耗為21 mW,。

　　在一般的數(shù)／模轉(zhuǎn)換器的設(shè)計中,，譯碼結(jié)構(gòu)通常采用分段結(jié)構(gòu)。在一般的設(shè)計中,，為了減少延時,，通常使用鎖存器，同時配合復(fù)雜電流源結(jié)構(gòu),，這種結(jié)構(gòu)通常需要較大的能耗,，并且采樣率不是足夠高。為了得到更高的采樣率和更好的線性度,，在此基于TG結(jié)構(gòu),，設(shè)計了單位電流單元矩陣和譯碼器電路，同時采用簡單的電流單元電路設(shè)計,。

　　1 結(jié)構(gòu)選擇

　　在此,，采用電流舵型DAC設(shè)計,。這是因為電壓型DAC所需元器件多，開關(guān)層數(shù)也較多,，一般用于低速轉(zhuǎn)換器內(nèi),；電荷型DAC隨精度的升高，面積急劇增大,，而且對寄生電容敏感,；電流型DAC具有高速的優(yōu)勢，但不適用于低壓電路,。電流舵型DAC是對電流型DAC的改進,，常用于分段電路中。

　　數(shù)／模轉(zhuǎn)換器的譯碼方式一般分為二進制,、溫度計和分段式,。溫度計譯碼方式相對二進制譯碼方式，在減小DNL和INL方面有很大的優(yōu)勢,，但是它的缺點是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,。將二進制碼和溫度碼結(jié)合起來，就產(chǎn)生了分段結(jié)構(gòu),。在對匹配要求、高精度的高位采用溫度計譯碼方式,；低位采用二進制碼方式,，可以減少面積。這種分段結(jié)構(gòu)既有二進制碼結(jié)構(gòu)簡單的長處,，又有溫度碼良好的線性特性,。在這個設(shè)計中，提出使用電流源矩陣邏輯電路構(gòu)成的高速8位DAC,，根據(jù)Lin和Bult做了面積與分段比的關(guān)系圖(見圖1),，為了在速度、分辨率,、功耗,、芯片面積、電路性能等多個方面得到一個折衷結(jié)果,，分段的高6位采用溫度計譯碼結(jié)構(gòu)和低2位采用二進制譯碼結(jié)構(gòu),。整個CS-DAC的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2是一個說明8位分段式電流舵基本結(jié)構(gòu)的例子,。圖中采用6+2分段結(jié)構(gòu),，高6位數(shù)字信號通過行譯碼器(Rows Decoders)、列譯碼器(Columns Decod-ers)轉(zhuǎn)換為溫度計碼,，分別控制26-1=63個單位電流源,，構(gòu)成8×8電流源矩陣,。多余的一個電流源作為Dummy器件，63個單位電流源和低2位二進制加權(quán)電流源的電流之和形成了陣列中整體電流源的電流,。

　　2 譯碼邏輯電路

　　在DAC設(shè)計中,，電流源單元、譯碼器和消除毛刺(噪聲)結(jié)構(gòu)是重要部分,，DAC的性能由這些部分決定,。為了改進在高頻率動態(tài)線性，在此提出由傳輸門和晶體管組成組合邏輯譯碼電路,。

　　2．1 傳輸門邏輯

　　因為NMOS管可以通過邏輯變量0傳輸,，PMOS管可以通過邏輯變量1傳輸，用這兩個MOS平行放置構(gòu)成互補結(jié)構(gòu),。在此,，可以得到傳輸門(TG)，并且對于TG,，邏輯變量0,，1都可以很好的傳輸。大家都知道,，譯碼器之間的延遲時間是毛刺發(fā)生的主要原因,，并且與全部使用CMOS邏輯電路比較，用TG設(shè)計的邏輯電路性能更好,，延遲更小,。經(jīng)過驗證，所有二輸入邏輯門的可由傳輸門和反相器組成,。作為一個事例,，實現(xiàn)與非門邏輯，全部CMOS技術(shù)要求6只晶體管,，但采用TG結(jié)構(gòu)只需要5只晶體管,。在內(nèi)在DAC芯片上，它有兩個信號,，并且有翻轉(zhuǎn)信號,，因此沒有反相器的需要，因而二只晶體管被減少,。實驗結(jié)果說明,，芯片面積和功耗的大大減少了。

　　2．2 邏輯譯碼電路

　　為減小功耗和減少延時,，應(yīng)該設(shè)計最少邏輯水平的行和列譯碼,，運用TG邏輯電路組成3～8位行、列譯碼器,。如此從高3位得到行譯碼器和從中間3位輸入得到列譯碼器,。運用TG的行譯碼器電路如圖3所示,。

　　行譯碼器結(jié)構(gòu)與列譯碼器基本相同，但沒有電源節(jié)點,。使用TG邏輯譯碼器的另一巨大好處是可以減少晶體管的數(shù)量,。在靜態(tài)邏輯，參考文獻[9]的譯碼器由84 只晶體管組成,，但用TG結(jié)構(gòu)組成的行和列譯碼器有30只晶體管,，并且總數(shù)是60。這意味著芯片面積可能也被減少,。較少的晶體管級數(shù)也幫助減少延時,。另一方面，使用TG結(jié)構(gòu)的邏輯門最大級數(shù)可減少到2級,；不使用傳輸門結(jié)構(gòu)的全CMOS結(jié)構(gòu)的最高門級數(shù)是3,，以上充分說明使用TG結(jié)構(gòu)更有利減少延時和改進工作頻率。表1給出相關(guān)的參量對比,。

　　2．3 工作原理

　　用行列譯碼器進行譯碼,，單位電流源是導(dǎo)通還是截止，共有三種情況,。第一種是所在行和下一行都是“1”,，在這種情況下，無論列控制信號是否為“1”,，該電流源均被選中,。也就是說，對應(yīng)的電流源開關(guān)狀態(tài)為接通狀態(tài),。第二種情況是所在的行控制信號為“1”，但是下一行的控制信號為“0”,，這時,，電流源是否被選中，要根據(jù)列控制信號來決定,。如果列控制信號為“1”,，則該電流源被選中；如果列控制信號為“0”,，則該電流源不被選中,，處于截止狀態(tài)。第三種情況是所在行和下一行的控制信號均為“0”,，那么不管其所在列的控制信號為多少,，此電流源不會被選中，處于截止狀態(tài),。TG構(gòu)成的開關(guān)電路如圖4所示,。

　　3 電流源電路及減少毛刺電路

　　電流源電路是DAC的重要部分,，同時為了減小毛刺反應(yīng)，下面將介紹減少毛刺的電路,。

　　3．1 電流單元

　　一般常用的設(shè)計均采用減少電路噪聲和降低電流源的復(fù)雜結(jié)構(gòu),。例如，差分電路,、偏置電路,、參考電流等需要很多數(shù)量的晶體管。在這個設(shè)計中,，使用一個簡單的電流單元結(jié)構(gòu),，并且電流源采用由二只晶體管組成的電流源單元。與其他芯片相比,，電路的面積可以大大減小,，如圖5所示。

　　根據(jù)圖6所示梯度誤差與對稱誤差的對比,，在單位電流源矩陣中采用層次式對稱開關(guān)序列的布局,，很好地減少了誤差。

　　3．2 減少毛刺的電路

　　在基本的電流源單元,，輸出信號將是比較穩(wěn)定的,。在這個設(shè)計中電流源由開關(guān)電路輸出信號控制，但輸出信號不是足夠的準確,。因此,，為了補償這個缺點，同時改進電路的SNR,，需要使用減少毛刺電路,，如圖7所示。

　　4 實驗結(jié)果

　　該文設(shè)計的DAC基于O．25 μm CMOS技術(shù),，8位高速DAC適用于高清晰視頻使用,，并且使用TG晶體管和電路級數(shù)的數(shù)量可以明顯減少，同時使用TG結(jié)構(gòu)也可使電路延遲時間有效地減少,，且毛刺也被大大減少,。結(jié)果顯示：這個設(shè)計可以達到1．5 GHz采樣率和21 mW低功耗。

　　具體參數(shù)指標如表2所示,。

　　5 結(jié) 語

　　本文提出基于新型傳輸門(TG)結(jié)構(gòu)組成的電流源單元矩陣,、譯碼邏輯電路和一種適用于高清晰視頻使用的高速8位CMOS電流舵數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(CS- DAC)。應(yīng)用電流源單元矩陣結(jié)構(gòu)和傳輸門結(jié)構(gòu)的譯碼電路能有效減少毛刺等干擾信號,；采用TG結(jié)構(gòu)設(shè)計的電路,，可使晶體管數(shù)量和電路的延時顯著減少；基于 0．25μmCMOS技術(shù)的DAC電路設(shè)計，功耗僅為21 mW,，采樣率達到1．5 GHz,。仿真結(jié)果表明，電路的積分線性誤差(INL)范圍為-2～+2 LSB,，微分線性誤差(DNL)為-1～+4 LSB,。