动态随机均衡及自调谐电流舵数模转换器关键技术研究

In the field of wideband communications and high-speed video transmission, the current-steering Digital-to-Analog Converter (DAC) has been widely used for its high speed and high precision. However, due to the influence of non-ideal factors such as jitter and finite output impedance, the static and dynamic performance of current-steering DAC is greatly limited. To solve this problem, this paper proposes a new method of dynamic random equilibrium for current source selection and a new architecture of self-tuning output stage. Its core idea is: propose the selection scheme based on data comparison direction and position random equilibrium, and random equilibrium selection algorithm based on detection sequence, which convert noise to white noise when maintaining the low switching activity at the same time; presents a self-tuning output stage architecture based on parallel transistors, which uses clock modulation to generate transistor control signals. The mechanism can effectively reduce the power consumption and suppress the harmonic distortion produced by the output impedance. The main contents of this research include: (1) Theoretical research and implementation of an innovative current source dynamic random equilibrium algorithm; (2) The theory and implementation of clock modulation mechanism and self-tuning output stage. (3) Design and implementation of current-steering DAC based on two kinds of innovation theory.

在宽带通信、高速视频传输等领域中，电流舵数模转换器以其高速、高精度的特点，得到了广泛应用。但由于受到时钟抖动、有限输出阻抗等非理想因素的影响，电流舵数模转换器的静态和动态性能受到极大限制。针对该问题，本课题提出一种动态随机均衡的电流源选择算法和一种新架构的自调谐输出级电路。其核心思想是：提出“基于数据比对的方向性及方位随机均衡选择”以及“基于检测序列的随机均衡选择”算法，在维持低开关活动性的同时，将误差进行随机均衡，转换为白噪声；提出基于并联晶体管的自调谐输出级架构，利用时钟调制产生晶体管控制信号，该机制能有效降低功耗，压制输出阻抗产生的谐波失真。本课题的主要研究内容包括：（1）创新的电流源动态随机均衡算法的理论研究和实现；（2）时钟调制开关机理及自调谐输出级架构的理论探索与实现；（3）基于两类创新理论的电流舵数模转换器设计与芯片实现。

在宽带通信、高速视频传输等领域中，电流舵数模转换器以其高速、高精度的特点，得到了广泛应用。但由于受到时钟抖动、有限输出阻抗等非理想因素的影响，电流舵数模转换器的静态和动态性能受到极大限制。针对该问题，本课题提出一种动态随机均衡的电流源选择算法和一种新架构的自调谐输出级电路。其核心思想是：提出“基于数据比对的方向性及方位随机均衡选择”以及“基于检测序列的随机均衡选择”算法，在维持低开关活动性的同时，将误差进行随机均衡，转换为白噪声；提出基于并联晶体管的自调谐输出级架构，利用时钟调制产生晶体管控制信号，该机制能有效降低功耗，压制输出阻抗产生的谐波失真. 本课题采用SMIC 0.18um工艺进行设计，在1.8V电源电压，400MHz时钟频率和1.2MHz输入信号时，对电流舵数模转换器瞬态输出波形进行FFT分析，无杂散动态范围为90.1dB，功耗约为86mW；静态微分非线性和积分非线性分别为-0.23LSB/0.23LSB和-0.57LSB/0.57LSB。. 在数模转换器中，对CMOS 工艺偏差引起的静态误差、电流源阵列误差等进行优化和匹配的模拟设计思路受到工艺参数、温度、工艺角等方面的极大限制，即使加入复杂的电路结构，再通过增大晶体管尺寸增加电流源匹配性，也无法有效改善电路的静态和动态性能。而相比之下，传统的数字设计思路虽然较好的折中了静态和动态性能的优化，电流源可以使用较小的尺寸进行设计，降低了芯片面积成本，但涉及数模混合电路设计，增加了时序控制的不确定性，也并没有完全解决电流源随机性与开关活动性的矛盾，在提高输出动态性能方面仍需要较大改进。本课题基于数字设计思路，提出动态随机均衡的电流源选择算法和自调谐输出电路，优化谐波输出性能，增强了整体数模转换器的信噪失真比，有利于该电路在宽带、高速通信系统中的应用。