摘 要： 提出了一种采用0.13um CMOS工艺的12位100MHz电流舵数模转换器的设计。系统由温度计译码模块、行列逻辑选择模块、锁存模块、输入寄存器、电流源开关阵列与偏置电路构成。设计采取“8+4”分段编码式电流舵结构来实现，SPICE仿真结果显示：电路失调误差、增益误差、微分非线性误差与积分非线性误差分别为7.5%、5.0%、7.0LSB和8.3LSB，建立时间为20ns，输出电流范围为1.5mA-22.5mA，平均功耗为81mW，属于高速低功耗数模转换器，可广泛应用于精密电子设备中。

关键词：数模转换器 电流舵 分段编码 SPICE

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.116

1 引言

随着集成电路技术的发展，高性能CMOS数模转换器（Digital Analog Converter，简称DAC）设计引起研究者广泛关注[1]。主流DAC采用電流舵结构来实现。电流舵DAC编码有二进制码和温度计码两种。二进制码电流舵DAC通过二进制开关控制2N-1个电流源的通断来实现，优点是无需译码电路，电路较简单、转换速度快；缺点是二进制对应的电流源很难完美匹配，DAC输出单调性较差，非线性误差较大。温度计码电流舵DAC包含2N-1个大小相等的电流源，优点是不需要精确的电流源匹配即可达到很好的微分非线性误差，中间码切换过程也不会产生较大的毛刺；缺点是需要配合译码电路来实现电路，电路分辨率越高，电路结构越复杂，转换速度越低。本设计采用两种编码形式混合的方式即分段编码结构[2-4]。

2 分段编码结构的选取

当分段中二进制码占100%时，DAC电路面积为模拟部分面积，随着分段中温度计码比例提高，DAC电路面积随之减小，当温度计码占总分段60%-70%时，此时获得最小的微分非线性误差和积分非线性误差；当温度计编码比例持续升高，温度计编码的数字部分面积也随之增加，此时DAC的总面积也增大，积分非线性误差增大[2，5]。根据DAC设计电路的复杂程度、版图设计和芯片面积折中考虑，本设计采用“8+4”分段结构，即高8位为温度计编码，低4位为二进制编码，用来减小设计误差。

3 电流舵DAC原理

图1所示是N位分段电流舵型DAC的设计结构图，由二进制码与温度计码分段构成，DAC高位采用温度计码以获取较高的匹配性，从而获取较好的线性度；DAC低位采用二进制码以减小DAC的面积，从而降低DAC版图设计的复杂度[4，6-8]。

4 电路设计与仿真

系统电路由温度计译码模块、行列逻辑选择模块、锁存模块、输入寄存器、电流源开关阵列与偏置电路构成，如图2所示，其中B1-B12为输入端口，IOUTP和IOUPN为输出端口，CLK为时钟信号。系统高8位数据通过译码电路译成温度计码，控制行列逻辑选择电路产生电流源阵列控制信号；低4位数据进入直接锁存，锁存信号用以控制比例电流源开关。电流源偏置电路用以保证输出一致；锁存器确保控制信号能够同步进入电流源开关阵列中。

时钟信号CLK为100 MHz，当输入为“000000000000”时，输出电流波形如图3（a）所示，理想输出为0 mA，由于系统失调误差影响，实际仿真电流为1.5 mA；当输入信号为“111111111111”时，输出电流波形如图3（b）所示，理想输出为20 mA，由于系统失调误差和增益误差影响，实际仿真电流为22.5 mA，系统失调误差和增益误差分别为7.5 %和5.0%。

当输入信号以步距1逐渐从“000000000000”动态变化至“111111111111”时，电流舵DAC分辨率为1/4096 LSB，平均功耗为81 mW，DNL为7.0 LSB，INL为8.3 LSB，建立时间约为20 ns，可以满足转换速度要求。

5 结论

本文提出了一种12位100MHz的分段式电流舵DAC。系统电路采用“8+4”分段式编码结构实现设计。电路经过SPICE软件仿真可知其性能较好，属于高速低功耗CMOS集成电路，可广泛应用于精密电子设备中。

参考文献：

[1]王日炎.CMOS电流舵数模转换器的研究与设计[D].厦门：厦门大学，2008（05）.

[2]李鹏.12位80MHz电流舵数模转换器设计[D].西安：西安电子科技大学，2011（01）.

[3]余丁.专用高速DAC电路研究与设计[D].成都：电子科技大学，2004（04）.

[4]孙肖子.CMOS 集成电路设计基础[M].科高等教育出版社，2008（12）.

[5]毛立龙.一种基于0.18umCMOS工艺的电流舵D/A转换器的设计[D].重庆：重庆大学，2010（04）.

[6]韩建宁.高清视频CMOS电流舵数/模转换器的设计[J].现代电子技术，2009（10）：27-30.

[7]茹纪军.8bit CMOS高速电流型数模转换器设计[J].IC工程，2004（10）：0054-0055.

[8]陈立新.100MHz 10bit CMOS电流型DAC设计[J].集成电路，2003（10）.

作者简介：石圣羽，男，河北秦皇岛人，硕士研究生，研究方向：检测技术与自动化装置。