应用于视频中的R2R梯形电阻网络DAC

摘要：本文设计了一款用于视频中的R2R梯形电阻网络数模转换器。其电路结构包含8位R2R梯形电阻网络DAC、输出放大器、低电平转高电平电路、模拟开关、参考电压和锁存器电路。电路设计是基于CSM 0.11μm CMOS Logic工艺，经HSPICE仿真表明，DAC的积分非线性误差（INL）和微分非线性误差（DNL）分别小于1.65 LSB和0.23 LSB，功耗仅为3.86 mW。

关键词：R2R梯形电阻网络；输出放大器；积分非线性；微分非线性

Abstract: This paper presents a R2R ladder network Digital to Analog Converter suitable for video applications. The active circuit was implemented in CSM 0.11μm CMOS Logic technology. The whole DAC consists of R2R ladder network DAC、output amplifier、level shift circuits、reference voltage and latchs. The simulation results of this work with integral non-linearity （INL） and differential non-linearity （DNL） is less than 1.65LSB and 0.23LSB, respectively. The power consumption is only 3.86 mW.

Keywords: R2R ladder network、output amplifier、INL、DNL

1引言

随着微电子技术的发展，数字多媒体的应用变得越来越广泛，而且功能也变得越来越强大。然而，所有的自然界信号，例如：视频信号、音频信号等，都是模拟信号，所以为了加强处理视频信号的能力，许多视频系统都要求具有高速高分辨率的CMOS视频数模转换器。在这些应用中，CMOS视频数模转换器具有低功耗、低成本、小尺寸等优点，而且它能够与存贮器和数字信号处理IC集成到一块，从而能够实现多样化的视频应用[1]。

为了能够达到高的速度和好的线性度，高速数模转换器一般都采用电流陀的结构来实现。但是，由于工艺偏差、电流源的不匹配、电流切换毛刺和大的芯片面积等因素影响了电流陀数模转换器的静态和动态的性能[2]。基于上述描述，本文采用R2R梯形电阻网络DAC，图1为一个DAC结构框图。

图1中，DAC结构框图包含n位R2R梯形电阻网络DAC、n位模拟开关、输出放大器、参考电压和锁存器电路。其中，锁存器用于同步并锁存n位的数字输入码；参考电压用于给DAC作参考电压；n位模拟开关用于接通参考电压至R2R DAC的支路电阻或地电平；R2R DAC为梯形电阻网络数模转换器；输出放大器用于驱动后续电路并放大R2R DAC的模拟输出电压。本文首先对R2R DAC的原理进行了理论推导，得到DAC的模拟输出电压与n位数字输入码的关系。然后根据理论对DAC的各个子模块电路进行了设计，并给出了整个DAC的仿真结果，最后给出结论。

2R2R梯形电阻网络DAC理论推导

图2所示为一个n位电压模式R2R梯形电阻网络数模转换器[3]，假设所有的电阻均匹配且开关均为理想开关。从图中可以看到，R2R梯形电阻网络只由两种电阻组成，而不管它有几位。输入数字码（d0 ~dn -1：d0为低位，dn -1为高位）控制各个支路中的开关，当输入数码为1时，开关将接通2R电阻和参考电压Vref，反之接通地。因为参考电压Vref的内阻可以视为零，所以开关不管接Vref还是接地，从每个节点向左看的电阻值都为R[4]。

根据输入数字码接通到参考电压Vref或地电平，DAC的输出电压Vout在0~Vref之间变化。如果所有的输入数字码都接通到地，则DAC的输出电压为0；如果所有的输入数字码都接通到Vref，则DAC的输出电压接近Vref。如果最低位d0接到Vref，而其他位接到地电平，那么DAC的输出为：

3子模块设计

3.1 8位电压模式R2R梯形电阻网络数模转换器的设计

图3所示的电路为8位电压模式R2R梯形电阻网络数模转换器。在图2的理论推导中，开关都假设为理想的开关。但是在实际应用中，这些开关都是有导通电阻的，如图3所示，在一些CMOS工艺中，开关电阻的阻值可高达50Ω。由于开关是与2R串联的，所以开关的导通电阻Rsw将会影响2R支路的阻值，从而影响梯形电阻网络数模转换器的精度。本论文将计算开关的阻值，然后在2R支路中减去开关的导通电阻Rsw，那么经过开关补偿后的2R支路的阻值将为保持为2R，从而8位电压模式R2R梯形电阻网络数模转换器的精度将能得到保证[5]。

3.2 输出放大器

由于视频信号的输出范围要求很宽，所以数模转换器的输出范围也要求很宽。本论文中的电源电压为3.3 V，参考电压Vref为2 V，而且要求经过输出放大器后的输出电压范围为3 V，所以，在比较各种放大器的结构类型之后，本论文采用轨到轨输出级的运算放大器，如图4（a）所示，该结构能够提供很宽的输出电压范围。

图4（a）中，流过晶体管M14和M18的电流都为Ib，该电流通过晶体管M15和M8镜像、晶体管M20和M9镜像，且用晶体管M15和M20的栅电压去偏置共栅晶体管M8和M9，在稳态情况下，流过晶体管M8和M9的电流都为Ib，即流过晶体管M7的支路的电流为2Ib。

假设：

由图4（b）可知，当放大器的输入电压Vout降低时，即图4（a）的VIP降低时，则V1和V2的电压将升高，在这种条件下，晶体管M9将截止，晶体管M8将流过2Ib的电流，由于此时V1电压很高，那么晶体管M22将截止；而且V2的电压也很高，晶体管M23将完全导通，从而使得输出降低。同理，当放大器的输入电压Vout升高时，即图4（a）的VIP升高时，则V1和V2的电压将下降，在这种条件下，晶体管M8将截止，晶体管M9将流过2Ib的电流，由于此时V2电压很低，那么晶体管M23将截止；而且V1的电压也很低，晶体管M22将完全导通，从而使得输出升高[6]。

4整体仿真结果

在前文子电路分析与设计的基础上，采用CSM 0.11μm CMOS Logic模型，用Hspice对整体电路进行了仿真。差分非线性误差小于0.23 LSB，如图5（a）所示，积分非线性误差小于1.65 LSB，如图5（b）所示。输入采样时钟为27 MHz、输入数字码为13.5 Mbps的情况下的功耗为3.86 mW。图6为3路RGB的DAC版图，3路DAC的版图面积仅为0.1935 mm2。

5总结

本文以“自顶而下”的方法设计了一款用于视频中的R2R梯形电阻网络数模转换器。首先从n位电压模式R2R梯形电阻网络数模转换器的理论入手，缜密地推导出了数模转换器的输出电压和输入数字码的关系；接着详细分析了构成数模转换器的各个子电路：8位R2R梯形电阻网络DAC、输出放大器等。最后将整个DAC进行了整体仿真。仿真结果表明，差分非线性误差小于0.23 LSB，积分非线性误差为小于1.65 LSB，在输入采样时钟为27 MHz、输入数字码为13.5 Mbps的情况下的功耗仅为 3.86 mW。设计完全可以满足视频DAC的要求。

参考文献

[1] Tien-Yu Wu, Ching-Tsing Jih, Jueh-Chi Chen, and Chung-Yu Wu, “A low glitch 10-bit 75-MHz CMOS video D/A converter,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, Volume 30, Issue 1, pp.68 -72, Jan. 1995.

[2] Ionascu, C. and Burdia, D, “Design and imple- mentation of video DAC in 0.13/spl mu/m CMOS technology,” IEEE SCS 2003.International Symposium on Signals, Circuits and Systems, Volume2, 10-11 July 2003, pp.381-384.

[3] 陆志梁，模一数和数一模转换器，西安：电子工业出版社，1988．

[4] 许丽娜，十位数模转换器的设计，沈阳工业大学，硕士学位论文，2007

[5] David Marche, Yvon Savaria，“An Improved Switch Compensation Technique for Inverted R-2R Ladder DACs,” IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS, REGULAR PAPERS, VOL. 56, NO. 6, JUNE 2009.

[6] Behzad Razavi．Design of Analog CMOS Integrated Circuit, Xian：Xian JiaotongUniversity Press，2003．

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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