一種應(yīng)用于SoC的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器的設(shè)計
[導(dǎo)讀]本文提出了一種應(yīng)用于SoC的高速高精度DAC的設(shè)計，并在深亞微米CMOS工藝下實現(xiàn)了IP硬核形式的設(shè)計。該設(shè)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(lǐng)域的SoC系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用需求。
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(shù)字信號處理的諸多優(yōu)點以及近年來數(shù)字集成電路性能的提高與成本的下降，數(shù)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(shù)字信號轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實世界中對應(yīng)的物理量，因此數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）成為SoC系統(tǒng)中不可缺少的重要模塊。隨著數(shù)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(lǐng)域，高速DAC都有廣泛的應(yīng)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(shè)計，對于實現(xiàn)良好的高性能SoC系統(tǒng)的設(shè)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(xiàn)了一個10位的高速DAC。該DAC可作為SoC設(shè)計中的IP硬核，在多種不同應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計中實現(xiàn)復(fù)用。[1]
2 高速DAC的設(shè)計
2.1 高速DAC的結(jié)構(gòu)
高速高精度DAC設(shè)計普遍采用電流驅(qū)動型結(jié)構(gòu)，以10位電流驅(qū)動型DAC為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 10位電流驅(qū)動型DAC的結(jié)構(gòu)圖
在電流驅(qū)動型DAC中，如果在內(nèi)部使用溫度計碼代替二進制碼進行開關(guān)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(qū)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(shù)高精度電流驅(qū)動型DAC選擇分段編碼結(jié)構(gòu)，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(shè)計選擇了7+3的分段編碼結(jié)構(gòu)，即輸入信號的高7位轉(zhuǎn)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(shè)計
當(dāng)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(shù)字電路設(shè)計方法雖然有利于簡化譯碼電路，但難以實現(xiàn)高速譯碼，特別是當(dāng)譯碼器位數(shù)較多時就更是如此[3]。為了有效的進行高速譯碼器的設(shè)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(shè)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(shè)計工作。
高速譯碼器與延時器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中標(biāo)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(shè)計中高速譯碼器與延時器的具體設(shè)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(wǎng)單，并進行門級后仿真；接下來使用Silicon Ensemble工具完成標(biāo)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(shè)計方法，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)
2.3 開關(guān)單元的設(shè)計
開關(guān)單元的設(shè)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(shè)計來說，不僅要求DAC能夠達到很高的轉(zhuǎn)換速度，而且要求DAC在高轉(zhuǎn)換速度下能夠?qū)崿F(xiàn)良好的性能，因此開關(guān)單元的設(shè)計在高速DAC設(shè)計中占據(jù)著重要的地位。
圖3 電流源單元與開關(guān)單元的電路圖
本文的DAC設(shè)計采用的開關(guān)單元如圖3所示。開關(guān)單元主要包括同步鎖存器和電流開關(guān)兩部分。其中同步鎖存器的主要功能是使DAC中各個開關(guān)單元中的電流開關(guān)的切換都與時鐘同步，從而盡量減小由延時誤差產(chǎn)生的輸出雜散。此外，通過調(diào)節(jié)其中ML3、ML4與ML5、ML6的尺寸比，同步鎖存器還能實現(xiàn)調(diào)節(jié)開關(guān)控制信號（一對差分信號）的交叉點電位，保證不會出現(xiàn)一對開關(guān)同時關(guān)斷的情況，從而減小由此產(chǎn)生的輸出毛刺[4]。本文的同步鎖存器將時鐘控制的MOS開關(guān)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(xiàn)。
開關(guān)單元中的電流開關(guān)由MSW1-MSW4組成。與常用的電流開關(guān)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(shù)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(nèi)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(shè)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?qū)崿F(xiàn)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(shè)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(yīng)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(jù)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(jù)芯片制造商提供的具體工藝數(shù)據(jù)進行計算。
3 仿真結(jié)果
本文的DAC設(shè)計在SMIC 0.18μm CMOS工藝下實現(xiàn)，使用Cadence的Spectre軟件進行仿真。仿真結(jié)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(shù)值也接近所有corner下SFDR的平均結(jié)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(jié)論
本文提出了一種應(yīng)用于SoC的高速高精度DAC的設(shè)計，并在深亞微米CMOS工藝下實現(xiàn)了IP硬核形式的設(shè)計。該設(shè)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(lǐng)域的SoC系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用需求。
本文作者創(chuàng)新點：
通過采用同步電路設(shè)計原則以及自動綜合與布局布線的設(shè)計方法，實現(xiàn)了高速的溫度計碼譯碼電路。通過改進開關(guān)單元以及合理設(shè)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。
片上集成系統(tǒng)（SoC）是集成電路發(fā)展的重要方向。由于數(shù)字信號處理的諸多優(yōu)點以及近年來數(shù)字集成電路性能的提高與成本的下降，數(shù)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(shù)字信號轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實世界中對應(yīng)的物理量，因此數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）成為SoC系統(tǒng)中不可缺少的重要模塊。隨著數(shù)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(lǐng)域，高速DAC都有廣泛的應(yīng)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(shè)計，對于實現(xiàn)良好的高性能SoC系統(tǒng)的設(shè)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(xiàn)了一個10位的高速DAC。該DAC可作為SoC設(shè)計中的IP硬核，在多種不同應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計中實現(xiàn)復(fù)用。[1]
2 高速DAC的設(shè)計
2.1 高速DAC的結(jié)構(gòu)
高速高精度DAC設(shè)計普遍采用電流驅(qū)動型結(jié)構(gòu)，以10位電流驅(qū)動型DAC為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 10位電流驅(qū)動型DAC的結(jié)構(gòu)圖
在電流驅(qū)動型DAC中，如果在內(nèi)部使用溫度計碼代替二進制碼進行開關(guān)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(qū)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(shù)高精度電流驅(qū)動型DAC選擇分段編碼結(jié)構(gòu)，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(shè)計選擇了7+3的分段編碼結(jié)構(gòu)，即輸入信號的高7位轉(zhuǎn)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(shè)計
當(dāng)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(shù)字電路設(shè)計方法雖然有利于簡化譯碼電路，但難以實現(xiàn)高速譯碼，特別是當(dāng)譯碼器位數(shù)較多時就更是如此[3]。為了有效的進行高速譯碼器的設(shè)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(shè)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(shè)計工作。
高速譯碼器與延時器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中標(biāo)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(shè)計中高速譯碼器與延時器的具體設(shè)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(wǎng)單，并進行門級后仿真；接下來使用Silicon Ensemble工具完成標(biāo)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(shè)計方法，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)
2.3 開關(guān)單元的設(shè)計
開關(guān)單元的設(shè)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(shè)計來說，不僅要求DAC能夠達到很高的轉(zhuǎn)換速度，而且要求DAC在高轉(zhuǎn)換速度下能夠?qū)崿F(xiàn)良好的性能，因此開關(guān)單元的設(shè)計在高速DAC設(shè)計中占據(jù)著重要的地位。
圖3 電流源單元與開關(guān)單元的電路圖
本文的DAC設(shè)計采用的開關(guān)單元如圖3所示。開關(guān)單元主要包括同步鎖存器和電流開關(guān)兩部分。其中同步鎖存器的主要功能是使DAC中各個開關(guān)單元中的電流開關(guān)的切換都與時鐘同步，從而盡量減小由延時誤差產(chǎn)生的輸出雜散。此外，通過調(diào)節(jié)其中ML3、ML4與ML5、ML6的尺寸比，同步鎖存器還能實現(xiàn)調(diào)節(jié)開關(guān)控制信號（一對差分信號）的交叉點電位，保證不會出現(xiàn)一對開關(guān)同時關(guān)斷的情況，從而減小由此產(chǎn)生的輸出毛刺[4]。本文的同步鎖存器將時鐘控制的MOS開關(guān)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(xiàn)。
開關(guān)單元中的電流開關(guān)由MSW1-MSW4組成。與常用的電流開關(guān)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(shù)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(nèi)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(shè)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?qū)崿F(xiàn)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(shè)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(yīng)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(jù)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(jù)芯片制造商提供的具體工藝數(shù)據(jù)進行計算。
3 仿真結(jié)果
本文的DAC設(shè)計在SMIC 0.18μm CMOS工藝下實現(xiàn)，使用Cadence的Spectre軟件進行仿真。仿真結(jié)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(shù)值也接近所有corner下SFDR的平均結(jié)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(jié)論
本文提出了一種應(yīng)用于SoC的高速高精度DAC的設(shè)計，并在深亞微米CMOS工藝下實現(xiàn)了IP硬核形式的設(shè)計。該設(shè)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(lǐng)域的SoC系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用需求。
本文作者創(chuàng)新點：
通過采用同步電路設(shè)計原則以及自動綜合與布局布線的設(shè)計方法，實現(xiàn)了高速的溫度計碼譯碼電路。通過改進開關(guān)單元以及合理設(shè)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。
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