模拟集成电路设计系列博客——6.3.1 温度计码电流模式DAC

6.3.1 温度计码电流模式DAC

另一种实现D/A转换器的方式是将输入值数字上重编码为温度计码，温度计码与二进制码的主要区别是，二进制码通过\(2^N-1\)个数字输入来表达\(2^N\)个不同的数字值。显然，温度计码相比二进制表示消耗更多的编码位数，同样是对\(2^N\)个数字值，二进制码只需要\(N\)个数字输入。但是，我们接下来会看到，温度计码相比二进制码会存在一些优势，包括降低差分非线性噪声，保证单调性，以及降低毛刺噪声。

典型情况下，一个温度计码表示中，其编码中1的数量对应了其十进制值。例如，对于一个3-bit二进制输入，十进制值4被编码为二进制值100，而其对应的温度计码为0001111。剩余的其他3-bit值的编码表示如下表所示：

一种D/A转换器的实现方式就是使用温度计码输入来构建一个\(2^N-1\)个相等尺寸的电阻以及连接到放大器虚地点的开关，如下图所示：

注意此处单调性得到了保证，因为当二进制输入切换到下一个更大的值时，温度计码会再有一位翻转为高，使得额外的电流从虚地点流出，并使得放大器的输出进而变得更高（反正绝不会变低）。这对于二进制编码的D/A转换器来说并不总是成立，因为各个元素之间的失配可能会在输入码变大的时候输出反而降低。

可能更重要的是，一个基于温度计码的D/A转换器，相比二进制的D/A转换器可以极好的最小化毛刺，因为在输出仅仅发生如1LSB的轻微变化时，各组的电阻不会发生交换。还需要注意的是，锁存器可以被用在二进制码到温度计码转换的数字电路中，使得数字温度计码中不出现毛刺，并且可以使用流水化可以用于保持高吞吐率。

此外一个有趣的点是使用温度计码相比二进制权重码，并不会增大模拟电路的面积。在3-bit二进制权重中，电阻值需要设置为R，2R和4R，总体的阻值为7R。这个总体值和上图中的3-bit温度计码DAC是一致的，由于在集成电路中，电阻所消耗的面积正比例于其阻值，这两种方式的面积是一致的（如果忽略互连线的话）。同样的讨论对于晶体管开关也成立，两种方式的晶体管开关的尺寸也是一致的，在二进制权重中，开关需要等比例的缩放来适应不同的电流密度。所有的温度计码DAC中的晶体管开关尺寸都是相同的，因为它们通过的电流相同。最后，需要注意的是二进制码DAC也可以通过电荷重分布的方式来实现，如下图所示：

一个基于温度计码的电流模式D/A转换器如下图所示，很多设计是以此为基的，例如[Miki, 1986; Chi, 1986; Letham, 1987]。此处，温度计码解码器同时被用于行解码和列解码，使得电路具有固有的单调性和良好的DNL错误特性。当一个单元的行线和列线均为高时，其电流会被导到输出。此外，在高速应用中，输出会被直接反馈到片外的50欧姆或75欧姆电阻，而不是输出放大器。注意此处的Cascode电流源被用于减少由于输出信号\(V_{out}\)电压变化导致的电流源的偏差。

注意此处需要精确的时钟边缘\(d_i\)和\(\bar{d_i}\)。如果两个逻辑电平同时为高，那么会出现\(V_{out}\)对地短路。如果两个逻辑电平同时为低，那么\(Q_3\)的漏极被拉低，电路需要更久才能响应。为了避免使用两个逻辑驱动电压，\(Q_2\)的栅极可以连接到一个直流偏置电压上，如下一小节的描述。