一种高精度DAC芯片的设计

刘锡锋，王津飞，陆佳莉

（江苏信息职业技术学院，江苏 无锡 214153）

0 引 言

数模转换器（Digital To Analog Converter），是一种将输入的数字信号转换成模拟信号输出的电路，通常被应用于数字信号的采集和处理，以及多媒体技术等领域中[1-2]。随着科技的发展，DAC越来越凸显其重要的应用意义。

1 DAC电路设计

基于速度和功耗权衡考虑，本设计采用电容式DAC架构[3-4]。电容式DAC的优点是功耗低，速度较快；缺点是对于高精度应用场合，容易产生偏差。在本文设计中对精度要求不是很高，故采用该种结构设计能够充分利用其低功耗、高速的优点。电容式DAC主要是采用电容整列结构，开关根据输入8位数字信号从“00000000”至“11111111”之间进行改变，随着输入数字信号的改变，电容整列的电荷发生在分布，从而改变其模拟输出电压。图1为本文设计的电容式DAC总体结构图（由于图片大小关系此处仅显示3位）。

图1中的整体电路共分3个部分，首先是图的左上方为电容整列。考虑到工艺兼容性，在本设计中用MOS电容替代普通电容，好处是能够节约芯片面积。但考虑到MOS电容的特别性，这里要求MOS均采用NMOS，衬底接地。图的右上方是一个二级运算放大器，这里主要是通过它来对DAC输出结果进行电压跟随，电容式DAC本身不具备输出驱动能力，因此为了方便输出信号的使用，电压跟随器部分是必须要有的模块。图中左下方是复位电路和CMOS传输门开关，这部分能够通过数字开关控制电容整列复位，即置位“00000000”。通过CMOS传输门，控制电容整列的连接信号，达到改变电容阵列电荷分布的目的。

图1 电容式DAC电路图

电容阵列式DAC除了需要电源电压和地电压外，还需要一个标准的参考电压，这个电压要求要能够输出非常稳定的电压值作为参考使用。在本设计中我们采用标准带隙基准来作为参考电压提供源。电路结构如图2所示。

该结构为一种普通带隙基准电路，能够提供1.2 V的稳定电压。

图2 本文所用的带隙基准电路结构图

2 信号仿真

图3为该电容式DAC的总体仿真结果图。

图3 电容式DAC仿真结果图

仿真时间周期为520 μs，图3中下方为8位输入信号，在时间0时刻，输入信号从高位到低位均为0，到520 μs处走完一个周期，8位输入信号均为1。即从“00000000”逐次增加到“11111111”，增量步长为1，共256步。图3中上方斜线为DAC输出电压值。从图3中可以明显看到，随着输入8位信号的逐步增加，输出信号呈现明细那逐步上升态势，且线性度良好，斜率稳定。

根据实际数据与理想曲线非线性误差，可得微分非线性公式（DNL）有：

其中，x(q)为输入信号码的实际台阶高度，对于每个输入信号，DNL都有：

而微分非线性误差积分总量即积分非线性INL公

式如下：

且有：

此外，DAC还具备静态误差和分辨率，其最小值为1LSB。动态特性反映了DAC对于数字输入信号的响应速度快慢。

3 版图设计

完成了电路设计并通过仿真确认设计正常之后，还需要将所设计的电路转化为版图才能用于集成电路生产。图4为根据本文所设计DAC电路绘制的版图[5-6]。

图4 电容式DAC版图

4 结 论

芯片版图完成后，经过流片测试。结果表明，该DAC芯片能够实现8位二进制数字信号的转化[7]，即将内部1.2 V基准电压按256等分均匀输出各阶电压，具备较高采样速度，且功耗较低，达到设计要求。