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研究生: 陳信安
Hsin-Ann Chen
論文名稱: 1.8伏差動式電壓輸出數位至類比轉換器
1.8V Differential Voltage Output Digital-to-Analog Converter
指導教授: 連振炘
Chen-Hsin Lien
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 電子工程研究所
Institute of Electronics Engineering
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 56
中文關鍵詞: 數位至類比轉換器
外文關鍵詞: Digital-to-Analog Converter
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  •   本研究提出一種數位至類比轉換器電路的架構,電路僅使用單一種低電壓源 1.8V,八位元解析度可操作在 110MHz 取樣頻率之差動式類比電壓輸出。

      本數位至類比轉換器電路特點在於全部由 CMOS 元件所組成。無電阻、電容與電感等被動元件,也沒有二極體、雙載子電晶體等主動元件,可以以純 CMOS 邏輯製程來實現本電路,達到低製造成本目標。本電路為差動式電壓模式輸出,其具有 Class A 輸出級的特性,可直接推動 10k 歐姆的電阻並聯 10p 法拉的電容之負載。以 HSPICE 提供的指令,自行撰寫理想的類比至數位轉換器電路與理想的取樣與保持電路程式,來模擬驗證電路各項參數性能,可大幅降低電路模擬驗證時所需的複雜數位輸入訊號。本數位至類比轉換器電路大致上分為 4 個子區塊,其中包括輸入緩衝器電路、 DFF 電路、Decoder 電路與 DAC 核心電路。其中因為數位至類比轉換器電路通常會放在與數位電路非常靠近的地方,為了避免數位電路或系統以外的其它雜訊干擾,所以將數位至類比轉換器的輸出取為差動式輸出,如此可大幅降低共模雜訊的干擾,避免電路誤動作。

      經由 HSPICE 模擬驗證且使用 TSMC 0.18um Mixed Signal SALICIDE 製程,在溫度 0℃∼70℃ 且 TT(Typical NMOS Typical PMOS)於 10kΩ 並聯 10pF 負載之下,可得最差結果(Worst Case):上升時間為1.2ns、下降時間為1.2ns、穩定時間為6.3ns、微分非線性為0.01LSB、積分非線性為0.19LSB、突波能量為17.93pVs 與功率消耗為160mW。


    摘要 Ⅰ 誌謝 Ⅱ 目錄 Ⅲ 圖目錄 Ⅴ 表目錄 Ⅵ 第一章 緒論 2 1.1 前言 2 1.2 DAC 的應用 2 1.3 研究回顧 2 第二章 DAC 靜態與動態參數 2 2.1 DAC 靜態參數 2 2.2 DAC 動態參數 10 第三章 電路架構 16 3.1 DFF 電路架構 16 3.2 Decoder 電路架構 16 3.3 DAC 核心電路架構 24 3.4 DAC 整體電路架構 27 第四章 模擬方式與結果 29 4.1 穩定時間、上升時間與下降時間模擬方式與結果 29 4.1.1 穩定時間、上升時間與下降時間模擬方式 29 4.1.2 穩定時間、上升時間與下降時間模擬結果 34 4.2 積分非線性、微分非線性、突波能量與電壓源 變化模擬方式與結果 37 4.2.1 積分非線性、微分非線性與突波能量模擬方式 37 4.2.2 積分非線性、微分非線性與突波能量模擬結果 38 4.2.3 電壓源變化模擬方式與結果 42 4.3 Monte Carlo 模擬方式與結果 44 4.3.1 Monte Carlo 模擬方式 44 4.3.2 Monte Carlo 模擬結果 45 4.4 SFDR 模擬方式與結果 46 4.4.1 SFDR 模擬方式 47 4.4.2 SFDR 模擬結果 49 第五章 結論與未來研究方向 50 5.1 結論 50 5.2 未來研究方向 52 參考文獻 53 圖目錄 編號 頁數 圖1.1 (a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h) DAC 的應用 5 圖2.1 DAC 靜態參數 8 圖2.2 Rise Time 11 圖2.3 Fall Time 12 圖2.4 Settling Time 13 圖2.5 Glitch Energy 14 圖2.6 SFDR 15 圖3.1 DFF 電路架構 17 圖3.2 矩陣架構 19 圖3.3 行與列解碼器電路架構 22 圖3.4 Cell Selector 電路架構 23 圖3.5 反相器轉移曲線 25 圖3.6 核心電路整體架構圖 26 圖3.7 DAC 整體架構簡化系統方塊圖 28 圖4.1 模擬系統方塊圖 30 圖4.2 Ideal ADC 輸入與輸出訊號 31 圖4.3 (a)Vclear;(b)Vin;(c)Vclk 輸入波形 32 圖4.4 (a)Vclear;(b)Vin;(c)Vclk 輸入波形 33 圖4.5 (a)Vclear;(b)Vin;(c)Vclk 輸入波形 38 圖4.6 輸出波形 42 圖4.7 減少增益誤差方法一 43 圖4.8 減少增益誤差方法二 44 圖4.9 (a)完整輸出;(b)中間碼 45 圖4.9 (c)高位元碼;(d)低位元碼 46 圖4.10 (a)輸入與輸出訊號;(b)時脈訊號 48 圖4.11 模擬系統方塊圖 48 圖4.12 SFDR@fout=30.273MHz & 25℃ TT 49 圖5.1 具自我校正功能 DAC 52 表目錄 編號 頁數 表1.1 研究回顧 7 表3.1 DFF 真值表 18 表3.2 行與列解碼器真值表 20 表4.1 輸出結果@25℃ 34 表4.2 輸出結果@70℃ 35 表4.3 輸出結果@0℃ 36 表4.4 輸出結果@25℃且 fclk=110MHz 39 表4.5 輸出結果@70℃且 fclk=110MHz 40 表4.6 輸出結果@0℃且 fclk=110MHz 41 表4.7 增益變化結果 43 表4.8 SFDR@25℃&TT 49 表5.1 綜合結果@TT、0℃∼70℃且 fclk=110MHz 50 表5.2 文獻研究比較 51

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