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基于CMOS0.13μm工艺的1.2V电流舵型DAC设计
概述
电流驱动数字-模拟转换器（DAC）是数字电路体系结构的重要组成部分。它们可以被用于各种应用，包括音频信号处理、通信系统、传感器和应用于图像处理的数字电路。这篇论文将描述一个1.2V电流驱动DAC的设计，其基于CMOS0.13μm工艺。
DAC的设计目的是制定一种数字信号通过电流输出字符集来进行模拟输出的方法。与传统的电压输出DAC电路相比，电流驱动DAC可以节约能量和空间。此外，电流驱动器的输出阻抗小、带宽高、噪声小，易于集成，使它成为了最适合用于一些精密工程的控制电路中。
设计流程
在本次DAC设计中，采用R-2R网络和电流数模转换器来产生输出电流模拟信号。板块框图如下图所示。
图1.电流驱动式DAC框图
电流数模转换电路（IDAC）的输出由N通道和P通道MOSFET的组合来确定。输入数字信号Zi决定了输出结构上的输出电流Io。根据这个数字信号，跨形的MOSFET（PMOS和NMOS）的宽度将以不同的方式进行切换。
下面的电路图显示了DAC的关键部分。
图2.R-2RDAC电路
如上图所示，R-2RDAC电路主要由R1和R2两种电阻组成，其他部分由栅极驱动电路组成。输入的数字信号可以表示为二进制，数码信号（Z1，Z2…Zn）与阻值R1,R2对应。
输出Iout是由电流数模转换器（IDAC）控制的。从输入端Zi到输出端Iout可以形成从数字到电流的转换。如果Zi为高电平，通过切换M1、M3，就能产生一个IP的电流。如果Zi是低电平，通过切换M2、M4，就能产生一个IN的电流。如果Vref和GND间的阻值比为2，那么电压损失就会在每个等比分压位的中间量级。
在该DAC的整个工作阶段中，其电压均为1.2V。此时，在输出Iout的负载电阻端，可以获得不同幅值的电流信号。
各部件的设计决策指标
1.输入端：该DAC的输入电压为1.2V，当输入端工作于1.2V电压下时，数字输入信号可以在输入节点产生一个约20μA的电流。在本次设计中，需要完成输出电流的调整，因此，将通过调节栅极电压和电流来实现，使它们产生公正的输出。
2.栅极驱动：栅极驱动电路中由NMOSFET上述NMOSFET（M1/M2)将MP4/M5的放电掉，以保证M1和M3两侧的电压差不超过-0.7V（也就是NMOSFET死区的避免）。
3.输出端：将通过调整输出端的电压来进一步调整输出电流。接下来在IDAC输出接地的情况下，设置下表所示的栅压和栅源电压。
表1.栅压和栅源电压表。
通过调整各部分的参数，得到最终的设计：
图3.1.2V电流驱动DAC的设计
电路性能和评估
在进行电路的模拟分析时，采用的是TannerEDA，使用BSIM4.7板块模型的PDK，电路时钟频率设定为400MHz，电源电压为1.2V，并使用HSPICE进行仿真。输出阻抗约为340欧，并且在1.7μs的测试时间内，其总谐波失真为-73.8dB。
图4.ADC输出的信噪比
图中显示了该DAC的理论性能输出结果。如图所示，在1VFS的情况下，这个DAC的信噪比为69.98dB。这意味着在1VFS下，该DAC的输入信号的噪声很小，它的输出结果精确度较高。
结论
该论文展示了基于CMOS0.13μm工艺的1.2V电流舵型DAC的设计。在该技术中，输出电流由电流数模转换器（IDAC）和R-2R网络产生，并遵循确定的电压和电流比例。通过改变数字输入信号和输出电压之间的关系，该DAC可以产生在1VFS下高精度的电流模拟信号。此外，通过调整一些通用参数和在TannerEDA下进行仿真，可以获得一些协调的电路指标。最终的设计不仅适用于各种精密工业应用，而且可以为应用领域提供能量和空间效益。