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基于0.18μmCMOS工艺的6位高速DAC研究与设计
摘要
本文针对基于0.18μmCMOS工艺的6位高速数字模拟转换器（DAC）的研究与设计展开了探讨。首先介绍了数字模拟转换技术的基本原理，然后阐述了DAC的设计要求和常用的DAC架构，接着对基于0.18μmCMOS工艺的6位高速DAC进行具体设计，包括电路框图、电路实现和仿真验证。最后总结了本文的研究成果和展望。
关键词：DAC、0.18μmCMOS、6位、高速、设计
Abstract
Thispaperdiscussestheresearchanddesignofa6-bithigh-speeddigital-to-analogconverter(DAC)basedon0.18μmCMOSprocess.Firstly,thebasicprincipleofdigital-to-analogconversiontechnologyisintroduced,thenthedesignrequirementsandcommonDACarchitectureareelaborated.Followingthat,thespecificdesignofa6-bithigh-speedDACbasedon0.18μmCMOSprocess,includingcircuitdiagram,circuitimplementationandsimulationverification,isdiscussed.Finally,theresearchachievementsandprospectsofthispaperaresummarized.
Keywords:DAC,0.18μmCMOS,6-bit,high-speed,design
1.引言
数字模拟转换技术是当今集成电路设计中广泛应用的技术之一，其将数字信号转换为模拟信号，是数字信号处理和模拟信号处理之间的桥梁。数字模拟转换器（DAC）是数字模拟转换技术中的重要组成部分，可以将数字信号转换为模拟电压或电流输出。在诸如音频信号处理、通信系统、仪表测量等领域，DAC扮演着重要的角色。
DAC的性能指标包括分辨率、速度、精度、线性度等，不同应用场景对其性能指标需求不同。以速度和分辨率为重点的6位高速DAC是数字信号处理和通信系统中常见的应用场景。基于0.18μmCMOS工艺的6位高速DAC在功耗、面积和速度等方面取得了明显优势，因此在实际应用中被广泛采用。
本文主要探讨基于0.18μmCMOS工艺的6位高速DAC的设计过程和实现，通过仿真验证，验证其性能指标与设计目标的符合程度。
2.DAC基本原理
DAC的工作原理是将数字数据按照一定规则转换成模拟电压或电流输出。其中，数字数据通常以二进制补码的形式表示，即将所需模拟量量化为数字量，然后将数字量转换为相应的模拟量输出。
DAC的输出电压或电流值由数字输入序列的各位赋予。在K位DAC中，数字输入可以是由K位二进制组成的数字码。数字码可以通过字码控制等多种方式进行输入，输出的模拟电压或电流在对应电路的作用下，与各位输入的比例有关。
常见的DAC架构包括：
1）R-2R型DAC：R-2R型DAC是最常用的DAC架构之一。该架构采用了一个电阻阵列，输入的数字二进制代码控制各个电阻开关的通断情况，进而得到对应的输出电压。该架构的优点是简单、容易实现，但其缺点也很明显，当位数增多时，要求电阻匹配得越来越好，实际实现困难。
2）栅型DAC：栅型DAC利用了场效应管的特性来实现数字模拟转换。栅型DAC具有线性度高、能耗低等优点，但其缺点在于由于MOS管输出电阻较大，所以必须加重负载。若负载过大，则必须加以缓冲和反馈电路。
3）串型DAC：串型DAC主要用于高分辨率的应用。串型DAC的最大优点是可以进行裁剪和分段操作，以便于在不同的转换段中进行不同的电平输出。
3.6位高速DAC的设计过程
基于0.18μmCMOS工艺的6位高速DAC的设计过程如下：
3.1设计目标
本文所设计的6位高速DAC需满足以下设计目标：
1）分辨率为6位；
2）采用基于0.18μmCMOS工艺实现；
3）工作电源电压为1.8V；
4）最大输出速度为500MS/s。
3.2电路框图设计
按照设计目标，本文将采用栅型DAC进行设计。电路框图如下：
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3.3电路实现
电路实现如下：
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六位比较器实现
六位比较器由六个阻抗和同步电路组成。同步电路中的信号源由同步电路而非外部电源获得。
阻抗如图所示，由串联电阻和热噪声发生器构成。
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匹配电容主要用于调整驱动电压，使之符合预期输出值。
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3.4仿真验证
在电路实现完成后，需进行仿真验证，以确认设计的DAC能够满足所需的性能指标。
本文采用