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。

行译码器结构与列译码器基本相同，但没有电源节点。使用TG逻辑译码器的另一巨大好处是可以减少晶体管的数量。在静态逻辑，译码器由84 只晶体管组成，但用TG结构组成的行和列译码器有30只晶体管，并且总数是60。这意味着芯片面积可能也被减少。较少的晶体管级数也帮助减少延时。另一方面，使用TG结构的逻辑门最大级数可减少到2级；不使用传输门结构的全CMOS结构的最高门级数是3，以上充分说明使用TG结构更有利减少延时和改进工作频率。表1给出相关的参量对比。

2．3 工作原理

用行列译码器进行译码，单位电流源是导通还是截止，共有三种情况。第一种是所在行和下一行都是"1"，在这种情况下，无论列控制信号是否为"1"，该电流源均被选中。也就是说，对应的电流源开关状态为接通状态。第二种情况是所在的行控制信号为"1"，但是下一行的控制信号为"0"，这时，电流源是否被选中，要根据列控制信号来决定。如果列控制信号为"1"，则该电流源被选中；如果列控制信号为"0"，则该电流源不被选中，处于截止状态。第三种情况是所在行和下一行的控制信号均为"0"，那么不管其所在列的控制信号为多少，此电流源不会被选中，处于截止状态。TG构成的开关电路如图4所示。