高清视频CMOS电流舵数/模转换器的设计

　　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。

　　图2是一个说明8位分段式电流舵基本结构的例子。图中采用6+2分段结构，高6位数字信号通过行译码器(Rows Decoders)、列译码器(Columns Decod-ers)转换为温度计码，分别控制26-1=63个单位电流源，构成8×8电流源矩阵。多余的一个电流源作为Dummy器件，63个单位电流源和低2位二进制加权电流源的电流之和形成了阵列中整体电流源的电流。

　　2 译码逻辑电路

　　在DAC设计中，电流源单元、译码器和消除毛刺(噪声)结构是重要部分，DAC的性能由这些部分决定。为了改进在高频率动态线性，在此提出由传输门和晶体管组成组合逻辑译码电路。

　　2．1 传输门逻辑

　　因为NMOS管可以通过逻辑变量0传输，PMOS管可以通过逻辑变量1传输，用这两个MOS平行放置构成互补结构。在此，可以得到传输门(TG)，并且对于TG，逻辑变量0，1都可以很好的传输。大家都知道，译码器之间的延迟时间是毛刺发生的主要原因，并且与全部使用CMOS逻辑电路比较，用TG设计的逻辑电路性能更好，延迟更小。经过验证，所有二输入逻辑门的可由传输门和反相器组成。作为一个事例，实现与非门逻辑，全部CMOS技术要求6只晶体管，但采用TG结构只需要5只晶体管。在内在DAC芯片上，它有两个信号，并且有翻转信号，因此没有反相器的需要，因而二只晶体管被减少。实验结果说明，芯片面积和功耗的大大减少了。

　　2．2 逻辑译码电路

　　为减小功耗和减少延时，应该设计最少逻辑水平的行和列译码，运用TG逻辑电路组成3～8位行、列译码器。如此从高3位得到行译码器和从中间3位输入得到列译码器。运用TG的行译码器电路如图3所示。