采用數(shù)字校準技術(shù)的單片12位D／A轉(zhuǎn)換器

劉國權(quán)，代雪峰，唐 寧

（1.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032；2.東北大學(xué)理學(xué)院物理系，沈陽110004）

采用數(shù)字校準技術(shù)的單片12位D／A轉(zhuǎn)換器

劉國權(quán)1，代雪峰2，唐 寧1

（1.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032；2.東北大學(xué)理學(xué)院物理系，沈陽110004）

闡述了一種分段式R-2R階梯結(jié)構(gòu)的D／A轉(zhuǎn)換器電路。它利用數(shù)字碼控制熔絲電阻網(wǎng)絡(luò)，有效改善了工藝、溫度以及電壓等外界因素引起的R-2R階梯結(jié)構(gòu)匹配特性。依據(jù)CSMC的0.5μm，25V，BCD工藝模型進行設(shè)計，仿真結(jié)果表明12位D／A轉(zhuǎn)換器的INL值為0.21LSB、DNL值為0.35LSB。

D／A轉(zhuǎn)換器；數(shù)字校準；分段式R-2R階梯

1 引 言

近些年，高速、高分辨率D／A轉(zhuǎn)換器在現(xiàn)代先進電子設(shè)備與系統(tǒng)中起到了十分重要的作用。由于R-2R階梯結(jié)構(gòu)的低成本、面積利用率高的特點，被廣泛應(yīng)用于D／A轉(zhuǎn)換器中。受限于傳統(tǒng)電壓工藝、溫度以及電壓等外界因素影響，R-2R階梯結(jié)構(gòu)的D／A轉(zhuǎn)換器分辨率僅能做到10位，對于12位及以上采用該結(jié)構(gòu)的D／A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，可以選擇基于薄膜電阻的激光微調(diào)技術(shù)工藝［1］來實現(xiàn)；或者選擇基于R-2R階梯網(wǎng)絡(luò)輔助子電阻網(wǎng)絡(luò)進行補償［2］。由于它們生產(chǎn)成本高、修調(diào)測試復(fù)雜等缺點，均不是最合適的方法。

提出了一種基于分段R-2R階梯結(jié)構(gòu)的單片D／A轉(zhuǎn)換器，利用片上數(shù)字校準技術(shù)實現(xiàn)12位分辨率。首先，闡述了D／A轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與主要單元設(shè)計。然后給出了芯片的仿真結(jié)果。最后，作出了對這種新型DAC電路的總結(jié)。

2 D／A轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計

如圖1所示，對D／A轉(zhuǎn)換器中核心單元R-2R階梯網(wǎng)絡(luò)進行分段處理，高5位從階梯網(wǎng)絡(luò)中分離出來，其中高4位采用2進制加權(quán)并聯(lián)方式，通過第7位與剩余的低7位R-2R階梯網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)權(quán)重匹配。低7位的匹配精度靠工藝水平保證，高5位電阻結(jié)構(gòu)輔助熔絲電阻組成的子D／A網(wǎng)絡(luò)，利用片上數(shù)字修調(diào)技術(shù)補償匹配特性。

（1）R-2R階梯網(wǎng)絡(luò)開關(guān)設(shè)計

從圖1可知，用于連接Vref或GND的開關(guān)阻值應(yīng)該相等，對于此處電路設(shè)計采用圖2的結(jié)構(gòu)，M12、M13管作為連接Vref的開關(guān)，M14作為連接GND的開關(guān)，電阻R表示階梯網(wǎng)絡(luò)中電阻的阻值。利用差分差值放大器［3］（DDA）組成的負反饋系統(tǒng)中，若開環(huán)增益足夠大，那么：

圖1 D／A轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)架構(gòu)

由于流過M12、M13與M14的電流相等，那么M12、M13與M14的導(dǎo)通電阻相等。解決了開關(guān)連接Vref或GND的阻值匹配問題。

圖2 R-2R階梯網(wǎng)絡(luò)中開關(guān)單元電路圖

（2）熔絲電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

如圖3所示，修調(diào)電路的設(shè)計是基于熔絲電阻網(wǎng)絡(luò)對高5位電阻匹配的補償。電阻R的兩端連接修調(diào)焊接點。依據(jù)數(shù)字修調(diào)碼D＜0：5＞，近300mA的電流燒斷熔絲，實現(xiàn)修調(diào)電阻的配置。

第12-10位的熔絲電阻網(wǎng)絡(luò)如圖3（a）所示。然而隨著電阻R以2進制加權(quán)比例增長，修調(diào)電阻的值將過大，因此第8、9位的熔絲電阻采用分段網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖3（b）所示。

圖3 電阻網(wǎng)絡(luò)

3 仿真結(jié)果

電路基于CSMC的0.5μm，25V，BCD工藝模型進行仿真驗證，在電阻匹配容差為1%的條件下，進行200次蒙特卡洛分析。在最差情況下，應(yīng)用校準算法進行了修調(diào)，如圖4顯示。修調(diào)后的INL值為0.21LSB，DNL值為0.35LSB。仿真結(jié)果證明在比較差的電阻匹配容差下，該電路修調(diào)技術(shù)可以補償高分辨率D／A轉(zhuǎn)換器性能的退化。

圖4 校準后電路仿真結(jié)果

表1 主要性能指標仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

提出了一種分段式R-2R結(jié)構(gòu)D／A轉(zhuǎn)換器，利用熔絲電阻修調(diào)網(wǎng)絡(luò)對高5位2進制加權(quán)配置的電阻進行修調(diào)補償，有效抑制了工藝、溫度以及電壓等外界因素對高分辨率D／A轉(zhuǎn)換器中電阻匹配精度造成的影響。仿真結(jié)果顯示完全滿足12位分辨率的性能要求。

［1］J.Naylor.A complete high-speed，voltage output 16bit monolithic DAC［J］.IEEE.J.Solid-State Circuits，1983，18（6）：729-735.

［2］D S karadimas.A digitally calibrated R-2R ladder architecture for high performance DAC［J］.ISCAS，2006：4778-4782.

［3］H Alzaher.A CMOS fully balanced differential difference amplifier and its applications［J］.IEEE.Trans.Circuits Syst.Ⅱ，2001，48（6）：614-620.

A Monolithic 12-bit D／A Convertor Digitally Calibrated

LIU Guo-quan1，DAIXue-feng2，TANG Ning1
（1.The47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China；2.Physics Department，Collage of Sciences，Northeast University，110004，Shenyang，China；）

The paper presents a segmented R-2R ladder digital to analog convertor.Based on the design of fuse resistor network，it can digitally calibrate thematch tolerance performance of R-2R ladder structure，which caused by the factors of process，temperature and voltage.The paper simulates it with 0.5μm，25V，BCD processmodel in CSMC.The results show that the value of INL is0.24LSB and DNL is 0.35LSB.

Digital to analog convertor；Digitally calibration；Segmented R-2R ladder

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.04.006

TN492

：A

：1002-2279（2014）04-0019-02

劉國權(quán)（1964-），男，遼寧臨海人，高級工程師，主研方向：混合信號集成電路和功率集成電路的設(shè)計研究。

2013-12-03