本发明专利技术采用全模拟电路设计，基于一种新的电路实现结构，提供了一种精度８位、速率２ＧＨｚ的超高速数模转换器，全部采用ＣＭＯＳ工艺设计实现。该数模转换器的主体部分由以下几部分组成：低压差分信号接收器、行温度译码器、列温度译码器、前级锁存器、选通单元矩阵、后级锁存器、电流源矩阵、时钟树。本发明专利技术适应超高速输入的数字信号量；解决信号歪斜问题，同时增加带载能力；直接输出电压信号，同时提高Ｉ－Ｖ转换速率；加强设计的对称性，提高输出信号精度；电流源矩阵中加入伪开关，提高Ｉ－Ｖ转换精度。本发明专利技术在军用和民用方面都有重要的用途，例如：深空探测、电子对抗、无线电导航、精确制导、移动通信以及高清晰数字电视等。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于集成电路领域，具体涉及一种数模转换器。技术背景数模转换器(Digital-to-Analog Converter,简称DAC)是一种能把数字信号转换成 相应模拟信号的器件。DAC将经过数字信号处理器处理的数字信号转换成相应的模拟信号， 是数字系统和模拟系统的接口，是信号处理系统的重要组成部分。超高速数模转换器DAC 是信号处理系统中重要的组成部分，在深空探测、电子对抗、无线电导航、精确制导、移动 通信以及高清晰数字电视等军用以及民用领域中的应用都非常广泛。一般来说，DAC芯片按实现原理分为电阻权网络(resistor string)和电流导引型 (current steering)两大类。速率在100MHz以上的超高速DAC大多釆用电流导引型结构， 常见的电流导引型又分为一元控制模型、二元控制模型和混合控制l莫型。 一元控制模型采用 温度译码器以及电流源矩阵，输入字一般分为高、低两组，分别输入到行、列温度译码器， 由外部时钟同步后，产生行选通信号和列选通信号，经过选通单元矩阵，再经过锁存器，至 电流源矩阵。一元控制模型的每个电流源输出电流相等,大大减小了微分非线性(Differential Nonlinearity，简称DNL);伹由于采用了译码锁存机制，且电流源数目增多，且功耗增大。 在这种设计中，译码器的传输速率大大影响着芯片的速率，锁存器间的匹配和同步性、每单 元两条电流路径之间以及各单元之间的匹配程度、电流源输出阻抗等因素共同决定了芯片的 噪声能量、积分非线性(Integral Nonlinearity,简称INL)以及无杂散动态范围 (Spurious-free Dynamic Range,简称SFDR)，它们都成为设计的难点。二元控制模型 的每一位直接控制一个模拟开关，接通或关断一个电流源，每一位控制的电流大小是其相邻 低位的二倍。虽然釆用二元控制模型的方案原理简单，不需要输入译码器，且可节省面积， 降低功耗，伹由于高位控制的电流与最低位控制的单位电流之间差距太大，难以精确控制其 电流。且随着位数的增加，DNL将急剧变坏；同时由于高位导通电流较大，若处理不慎，则在通断转换时产生的过冲噪声也会较大，这些对高精度的要求很不利。混合控制模型综合了 二元控制模型和一元控制模型的特点，具有原理简单、面积小以及精度高等优点，是对两种 方案的一种权衡。混合控制模型比较适合于位数高于IO位的中高精度DAC转换器的实现； 而对于8位DAC来说，若将其分成两种控制模型，则无论从前端电路还是后端版图都较难 实现两者之间的匹配，所以还是采用一元控制模型比较合适。一般的低速或中速DAC，其中的温度译码器、锁存器、选通单元矩阵、时钟树一般都是 直接用数字集成电路设计工具综合得到的；基于目前的工艺技术发展水平，直接用数字集成 电路设计工具综合得到的电路速度很难满足2GHz的速度要求。本专利技术为了适应2GHz的超 高速要求，采用了全模拟电路设计。专利技术 内 容本专利技术的目的在于，采用全模拟电路设计，基于一种新的电路实现结构，通过对一元控 制模型DAC内部某些模块的实现方法进行优化、创新，提供一种精度达8位、釆样速率达 2GHz、采用CMOS工艺设计实现的超高速数模转换器。该DAC的主体部分由低压差分信号(Low Voltage Differential Signaling,简称LVDS) 接收器、行温度译码器、列温度译码器、前级锁存器、选通单元矩阵、后级锁存器、电流源 矩阵、时钟树所构成。其中，八位数字信号以差分输入的方式与LVDS接收器的十六个信号 输入端相连，LVDS接收器的八个信号输出端分别与行温度译码器的四个信号输入端及列温 度译码器的四个信号输入端相连；行温度译码器的十五个信号输出端与一个前级锁存器的十 五个信号输入端相连，列温度译码器的十五个信号输出端与另一个前级锁存器的十五个信号 输入端相连； 一个前级锁存器的十五个信号输出端与选通单元矩阵中与其对应的十五个信号 输入端相连，另一个前级锁存器的十五个信号输出端与选通单元矩阵中与其对应的另十五个 信号输入端相连；选通单元矩阵的256对差分信号输出端分别与后级锁存器的256对差分 信号输入端相连；后级锁存器的256对差分信号输出端分别与电流源矩阵的256对差分信 号输入端相连；电流源矩阵输出最终的两路差分电压信号；时钟树有两组输出信号，其中一组与一个前级锁存器和另一个前级锁存器相连，另一组与后级锁存器相连。本专利技术中的行温度译码器、列温度译码器、前级锁存器、选通单元矩阵、后级锁存器、时钟树均属于数字电路，本专利技术为了适应2GHz的超高速要求，采用了全模拟电路设计。本专利技术为了适应高速输入的数字信号量，将LVDS接收器集成在芯片内部，大大提高了信号的传输速率。本专利技术为了解决信号歪斜问题，主体部分采用"双锁存"结构--般的高速DAC转换器只在选通单元矩阵和电流源矩阵之间加入一级锁存器，以同步各路信号；而本专利技术为了 适应2GHz的超高速，在选通单元矩阵前，即行温度译码器和列温度译码器之后，又分别加 入了一个前级锁存器，可以解决在超高速情况下的信号歪斜问题，并可同时增加带载能力。本专利技术为了加强设计的对称性，提高输出信号精度，在电流源矩阵的设计中釆用了 "对 角线"结构，将电流源矩阵中各单元输出电流平均至电流源矩阵的每一行和每一列；同时， 采用"对角线"结构可进一步解决数字控制信号歪斜问题。每一个选通单元相应控制了一个电流源单元的电流路径。由于从LVDS接收器输出的两 组信号中，高四位信号输入行温度译码器，而低四位信号输入列温度译码器，因此，选通单 元矩阵的每个输出选通信号将由其所在行、所在列以及上一行的信号共同确定，即选通优先 级依次为上一行信号、本行信号、本列信号，即"行优先级"策略。所以，可以使用一个 或与非门(Or-and-inverter,简称OAI)电路来实现。本专利技术在设计时根据选通单元矩阵中的"行优先级"策略，合理地分配了电流源矩阵中 各电流源单元的位置。由于在选通单元的OAI里行的优先级较高，如果将选通单元矩阵中的 每一行不做任何变化地对应至电流源矩阵的每一行，则会造成两个不利因素第一，电流源 矩阵内某些区域电流总是一个方向，而另外某些区域电流总是另一个方向，引起输出噪声的 增加；第二，由选通单元矩阵的每一行输出的选通信号传输到电流源矩阵的每一行的平均距 离差距较大，使得数字控制信号歪斜问题再次变得严重。为合理解决上述两个问题，本专利技术 在电流源矩阵的设计中釆用了 "对角线"结构，即将每一行对应至每一条斜对角线，将电流 源矩阵的各单元输出电流平均到电流源矩阵的每一行和每一列。本专利技术主体部分的电流源矩阵将电阻集成在芯片内部，且分散到每个电流源单元中，即 总电阻是所有256个电阻的并联，使得DAC芯片可直接输出电压信号，避免传统电流导引 型DAC中由于各电流源单元的电流到达管脚距离不相等而引起信号歪斜，且可提高I-V转 换速率。传统电流导引型DAC在片外使用电阻或者跨导放大器将电流转化为电压信号。电 流源矩阵面积较大，而输出管脚的位置是一定的，若釆用电流输出，则各路输出电流到达输 出管脚的路径不一致，会导致在芯片外部转化的电压信号歪斜，且速本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种数模转换器，该数模转换器的主体部分包括行温度译码器、列温度译码器、选通单元矩阵、后级锁存器、电流源矩阵、时钟树，其特征在于：该数模转换器的主体部分还包括低压差分信号接收器；该数模转换器的主体部分还包括前级锁存器； 该数模转换器的主体部分采用全模拟电路设计实现，即低压差分信号接收器、行温度译码器、列温度译码器、前级锁存器、选通单元矩阵、后级锁存器、电流源矩阵以及时钟树均采用模拟电路设计实现；八位数字信号以差分输入的方式与低压差分信号接收器（１） 的十六个信号输入端相连，低压差分信号接收器（１）的八个信号输出端分别与行温度译码器（２）的四个信号输入端及列温度译码器（３）的四个信号输入端相连；行温度译码器（２）的十五个信号输出端与一个前级锁存器（４）的十五个信号输入端相连，列温 度译码器（３）的十五个信号输出端与另一个前级锁存器（５）的十五个信号输入端相连；一个前级锁存器（４）的十五个信号输出端与选通单元矩阵（６）中与其对应的十五个信号输入端相连，另一个前级锁存器（５）的十五个信号输出端与选通单元矩阵（６） 中与其对应的另十五个信号输入端相连；选通单元矩阵（６）的２５６对差分信号输出端分别与后级锁存器（７）的２５６对差分信号输入端相连；后级锁存器（７）的２５６对差分信号输出端分别与电流源矩阵（８）的２５６对差分信号输入端相连； 电流源矩阵（８）输出最终的两路差分电压信号；时钟树（９）有两组输出信号，其中一组与一个前级锁存器（４）和另一个前级锁存器（５）相连，另一组与后级锁存器（７）相连。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张晓林，张展，宋丹，夏温博，张彦仲，李怀周，余涵，方绍峡，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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