High-speed Design Of High-resolution Dacs

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2009Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2009Bu çalışmada, yüksek çözünürlüklü akım yönlendirmeli sayısal-analog dönüştürücülerin (SAD) hızlı tasarımını sağlayan yöntemler incelenmekte ve yeni yaklaşımlar önerilmektedir. Veri dönüştürücüler analog ve sayısal dünyalar arasında bir köprü oluşturdukları için hızlı ve verimli bir şekilde gerçekleştirilmeleri yüksek derecede arzu edilmektedir. Yüksek hızlı (birkaç 100MHz) ve yüksek çözünürlüklü (10 bitten fazla) SAD için artan rağbet, akım yönlendirmeli SADların kullanımını zorunlu kılmaktadır. Yüksek performanslı akım yönlendirmeli SADların tasarımında ve gerçekleştirmesinde kesimleme (segmentation) yöntemi kullanılmaktadır. Bu yöntem, yüksek hız ve yüksek çözünürlük gerektiren uygulamaların çoğunda avantajlı olmasına rağmen uzun süreli tasarım zamanı, karmaşıklık ve yüksek maliyet yüzünden değer kaybetmektedir. Böylece, bazı uygulamalar için zaman ve maliyet açısından bu yöntemin kullanılması hızlı ve verimli olmayabilir. Bu problemlerin üstesinden gelmek için yüksek çözünürlüklü SADların yüksek hızlı tasarımını sağlayan hızlı ve verimli yöntemler dikkate alınmaktadır. Uygun bir tasarım yöntemi ve yeni bir yapı önerilmektedir. Akım yönlendirmeli SADlar gibi karmaşık karma yapılı sistemlerin tasarımı için davranışsal modelin oluşturulması zorunlu olmaktadır. Bu amaçla gerçekleştirilen modellerin çoğu sistemin davranışı hakkında istenilen eksiksiz manzarayı vermemektedir. Bu yüzden, transistor seviyesindeki tasarıma geçmeden önce, tasarımı hızlandırabilen ve sistemin davranışını doğru bir şekilde yansıtabilen modeller geliştirilmektedir. SIMULINK® kullanılarak bir davranışsal model kurulmakta ve modelin performansı benzetimlerle sınanmaktadır. Sonuç olarak, uygulanan yöntemin verimliliğini ve davranışsal modelin doğruluğunu sınamak için 0.35µm CMOS proses teknolojisi için tasarlanan bir 12 bitlik melez akım yönlendirmeli SAD kullanılmaktadır. Yapı bloklarında yapılan iyileştirmeler ve kullanılan farklı yöntemler, gerçekleştirilen SAD’ın serimindeki ilgili kısımlarda yer almaktadırlar. CADENCE Geleneksel Tümleşik Devre Tasarım Araçları kullanılarak serim sonrası benzetimleri yapılmakta ve SAD’ın performans karakteristikleri incelenmektedir.In this thesis, different problems related to the design speed-up of high-resolution current-steering digital-to-analog converters (DAC) are addressed and novel solutions are proposed. Since data converters form the bridge between the analog and digital world their efficient implementation is highly desirable. The increase in demand for high-speed (several 100MHz) and high-resolution (higher than 10-bit) DAC, forces the use of current-steering DACs. Segmentation method is used for the design and the implementation of high performance current-steering DACs. Although this methodology is advantageous in most of the applications requiring high-speed and high-resolution, it suffers from the prolonged design time, complexity and high cost. Thus, the use of this methodology for some applications is not efficient concerning the time and the cost. To overcome these problems efficient methodologies for the high-speed design of high-resolution DACs are considered. A proper design methodology and a novel architecture are introduced. Behavioral modeling is necessary for the design of complex mixed-mode systems like current-steering DACs. Most of the models constructed can not give a complete view of the system’s behavior. For this reason, models that speed up the design and reflect accurately the behavior of the system prior to transistor level implementation are developed. A SIMULINK® based behavioral model is developed and verified through simulations. To conclude, the efficiency of the applied methodology and the accuracy of the behavioral model are validated through the implementation of a 12-bit hybrid current-steering DAC in a 0.35µm CMOS process technology. The improvements in the building blocks and the different approaches used are reflected in the respective parts of the layout of the implemented DAC. Post-layout simulations are obtained using CADENCE Custom IC Design Tools and the performance metrics of the DAC are investigated.DoktoraPh