1 引言

片上集成系統(tǒng)（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)點以及近年來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(tǒng)中的地位越來越重要。由于人們總是需要將數字信號轉換為現實世界中對應的物理量，因此數模轉換器（DAC）成為SoC系統(tǒng)中不可缺少的重要模塊。隨著數字信號處理速度的不斷提高，SoC系統(tǒng)對高速DAC的需求也更加迫切。在通信、測量、自動控制、多媒體等諸多領域，高速DAC都有廣泛的應用，并且其性能對系統(tǒng)的整體性能有重要的影響。高速DAC的設計，對于實現良好的高性能SoC系統(tǒng)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，實現了一個10位的高速DAC。該DAC可作為SoC設計中的IP硬核，在多種不同應用領域的系統(tǒng)設計中實現復用。[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型結構，以10位電流驅動型DAC為例，其結構如圖1所示。



圖1 10位電流驅動型DAC的結構圖

在電流驅動型DAC中，如果在內部使用溫度計碼代替二進制碼進行開關控制，可以大大提高DAC的線性度與無雜散動態(tài)范圍（SFDR）性能。但對于10位或更高精度的電流驅動型DAC來說，如果使用全溫度計碼，譯碼電路的面積和功耗會太大。大多數高精度電流驅動型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(guī)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位直接使用二進制碼。

2.2 高速譯碼器的設計

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

高速譯碼器與延時器的電路結構如圖2所示，圖中標有‘D’的方框表示時鐘邊沿觸發(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位二進制碼延時單元均被放置在D觸發(fā)器之間，從而所有的輸入－輸出路徑均可明確寫出時序約束，這就為自動綜合工具的使用創(chuàng)造了必要條件。本設計中高速譯碼器與延時器的具體設計流程為：首先使用Verilog HDL語言編寫RTL級代碼；然后編寫時序約束文件，使用Design Compiler工具完成譯碼器與延時器電路的自動綜合，得到門級網單，并進行門級后仿真；接下來使用Silicon Ensemble工具完成標準單元的自動布局布線，并在布局布線過程中使用Pearl軟件進行靜態(tài)時序分析；最后使用Calibre軟件對最終版圖進行DRC和LVS檢查，驗證版圖的正確性。通過以上設計方法，實現了最高譯碼速度達到300MHz的7位譯碼器。



圖2 高速譯碼器與延時器的電路結構

2.3 開關單元的設計

開關單元的設計對DAC在高速情況下的性能有重要的影響。對于一個高速DAC設計來說，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現良好的性能，因此開關單元的設計在高速DAC設計中占據著重要的地位。



圖3 電流源單元與開關單元的電路圖

本文的DAC設計采用的開關單元如圖3所示。開關單元主要包括同步鎖存器和電流開關兩部分。其中同步鎖存器的主要功能是使DAC中各個開關單元中的電流開關的切換都與時鐘同步，從而盡量減小由延時誤差產生的輸出雜散。此外，通過調節(jié)其中ML3、ML4與ML5、ML6的尺寸比，同步鎖存器還能實現調節(jié)開關控制信號（一對差分信號）的交叉點電位，保證不會出現一對開關同時關斷的情況，從而減小由此產生的輸出毛刺[4]。本文的同步鎖存器將時鐘控制的MOS開關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工藝下的實現。

開關單元中的電流開關由MSW1-MSW4組成。與常用的電流開關相比，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(jié)點電壓的影響作用，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現很高的輸出阻抗，不僅有利于提高DAC靜態(tài)工作時的線性度，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線性度的要求。本文使用Monte Carlo方法對電流源進行建模，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足：

                               （1）

根據式（1）和MOS管失配特性公式（2）[5]

                          （2）

就可以計算MCS1管的最小尺寸。式（2）中與
均與MCS1管的面積成反比，并根據芯片制造商提供的具體工藝數據進行計算。

3 仿真結果

本文的DAC設計在SMIC 0.18μm CMOS工藝下實現，使用Cadence的Spectre軟件進行仿真。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，能夠有效滿足通信、測量、自動控制、多媒體等領域的SoC系統(tǒng)設計的應用需求。

本文作者創(chuàng)新點：

通過采用同步電路設計原則以及自動綜合與布局布線的設計方法，實現了高速的溫度計碼譯碼電路。通過改進開關單元以及合理設計共源共柵電流源的尺寸，保證了DAC良好的線性度以及在高速條件下的良好性能。