高清视频CMOS电流舵数／模转换器的设计

摘 要：高清晰电视(HDTV)和无线通信网络的发展，对转换器速度和精度提出了更高的要求。基于新型传输门(TG) 结构组成的电流源单元矩阵和译码逻辑电路，提出一种适用于高清晰视频使用的高速8位CMOS电流舵数／模转换器(CS-DAC)。应用电流源单元矩阵结构和传输门结构的译码电路，有效减少了毛刺等干扰信号；TG结构设计的电路使晶体管数量和电路的延时显著减少；基于O．25 μm CMOS技术的DAC电路设计，功耗仅为21 mW，采样率达到1．5 GHz。仿真结果表明，电路的积分线性误差(INL)范围为-2～+2 LSB；微分线性误差(DNL)为-1～+4 LSB。
关键词：高速；数／模转换器；电流舵；CMOS

0 引 言
在信号采集处理、数字通信、自动检测和多媒体技术等领域，数／模转换器往往是不可缺少的部分。近年来，电子通信市场的快速发展，尤其是高清晰电视 (HDTV)和无线通信网络的开发应用，大大增加了对转换器速度和精度的要求。高清晰电视逐渐在人们的生活中普及，为了使HDTV得到更好的性能，就要有更高速和更高精度的DAC，因为高速更有利于减少图像闪烁和眼部疲劳，高精度可使图像更清晰。同时还要求设计的DAC面积小，功耗低。然而现在人们生活中常用的HDTV用DAC的分辨率一般为8位或者更高，采样率为500 MHz左右。这里介绍一个适用于HDTV应用的新型8位DAC，采样率达到1．5 GHz，功耗为21 mW。
在一般的数／模转换器的设计中，译码结构通常采用分段结构。在一般的设计中，为了减少延时，通常使用锁存器，同时配合复杂电流源结构，这种结构通常需要较大的能耗，并且采样率不是足够高。为了得到更高的采样率和更好的线性度，在此基于TG结构，设计了单位电流单元矩阵和译码器电路，同时采用简单的电流单元电路设计。

1 结构选择
在此，采用电流舵型DAC设计。这是因为电压型DAC所需元器件多，开关层数也较多，一般用于低速转换器内；电荷型DAC随精度的升高，面积急剧增大，而且对寄生电容敏感；电流型DAC具有高速的优势，但不适用于低压电路。电流舵型DAC是对电流型DAC的改进，常用于分段电路中。
数／模转换器的译码方式一般分为二进制、温度计和分段式。温度计译码方式相对二进制译码方式，在减小DNL和INL方面有很大的优势，但是它的缺点是电路结构复杂。将二进制码和温度码结合起来，就产生了分段结构。在对匹配要求、高精度的高位采用温度计译码方式；低位采用二进制码方式，可以减少面积。这种分段结构既有二进制码结构简单的长处，又有温度码良好的线性特性。在这个设计中，提出使用电流源矩阵逻辑电路构成的高速8位DAC，根据Lin和Bult做了面积与分段比的关系图(见图1)，为了在速度、分辨率、功耗、芯片面积、电路性能等多个方面得到一个折衷结果，分段的高6位采用温度计译码结构和低2位采用二进制译码结构。整个CS-DAC的结构如图2所示。