低功耗△∑ D/A转换器设计

论文摘要

数模转换器(DAC)将离散的二进制数字信号转换成与该数字信号成正比的模拟信号。传统的DAC受到模拟器件的约束,难以实现高精度。ΔΣD/A转换器采用过采样技术,具有高精度、高分辨率等优点,较传统数模转换器有很大优势,其应用领域已从传统的高精度音频服务扩展到高精度测量、远距离通信等方面。本课题的任务是设计一种应用于HART仪表的低功耗ΔΣD/A转换器。HART仪表是一种总线供电的现场总线仪表,对器件功耗有严格限制。现有ΔΣD/A转换器功耗相对较高,在满足电路功能的前提下,应尽可能降低电路功耗。电路设计参数是:分辨率16位、过采样率256,3V电源供电、输入数据转换速率不低于10Hz、工作电流低于0.45mA。本文分析了ΔΣD/A转换器的工作原理,研究了ΔΣD/A转换器的实现方法。ΔΣD/A转换器由数字部分和模拟部分组成,数字部分包括插值滤波器和ΔΣ调制器,模拟部分包括一位DAC和模拟低通滤波器。通过对各个部分的功耗分析表明,电路功耗主要由数字部分的全加器和寄存器产生。论文设计了数字部分和一位DAC。通过对多种全加器和寄存器的实现方法进行了比较研究,选择了功耗最低的全加器和寄存器。为验证电路功能的正确性,用硬件描述语言对数字部分进行了行为级仿真验证,在Hspice中完成了晶体管级电路仿真和功耗分析,通过仿真结果对比,证明了电路功能的正确性,并获得了较精确的功耗参数。版图设计采用TSMC 0.18μm高电压工艺,模拟部分用大尺寸来减小沟道调制效应的影响。版图通过了DRC和LVS验证。芯片面积为110×262μm~2,功耗0.912mW,平均电流0.304mA,满足设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 数模转换器的国内、外发展状况
• 1.3 本论文的主要研究工作
• 第二章 数模转换器原理
• 2.1 数模转换器概述
• 2.1.1 数模转换器原理
• 2.1.2 数模转换器性能参数
• 2.1.3 数模转换器常用结构
• 2.1.4 奈奎斯特型 DAC
• 2.2 过采样型 DAC
• 2.3 本章小结
• 第三章 算法级设计
• 3.1 插值滤波器
• 3.1.1 插值滤波器的基本工作原理
• 3.1.2 插值滤波器实现方法
• 3.1.3 微分器
• 3.1.4 积分器
• 3.1.5 参数确定
• 3.2 △∑调制器
• 3.2.1 △∑调制器原理
• 3.2.2 △∑调制器实现方法
• 3.3 本章小结
• 第四章 晶体管级电路设计
• 4.1 功耗分析
• 4.2 全加器选择
• 4.3 寄存器选择
• 4.4 数字部分整体电路
• 4.5 本章小结
• 第五章 一位 DAC设计
• 5.1 基准电压源原理
• 5.2 带隙基准电压源电路
• 5.3 一位DAC设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 整体电路仿真和版图设计
• 6.1 应用软件介绍
• 6.2 电路仿真结果
• 6.3 版图设计
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 附录A 插值滤波器和调制器Verilog描述
• 在学研究成果
• 致谢