MODELING AND IMPLEMENTATION OF DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTERS__Phd__論文

kevinwjs

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Digital-to-Analog Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Sampling and Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Pulse-Amplitude Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.3 Ideal Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.4 Reconstruction with Square Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.5 The Ideal DAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Telecommunication Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 Digital Subscriber Line Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 The Analog Front End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.3 Effects of Nonideal Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.4 DACs for DSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.1 Metrics in the Code Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 Metrics in the Frequency Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4 Converter Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.1 Nyquist-Rate and Oversampled Converters . . . . . . . . . . . 17
1.4.2 Current-Steering DACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.3 Charge-Redistribution DACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.4 R-2R Ladder DACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.4.5 Resistor-String DACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.4.6 ΔΣ DACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5 CMOS Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
vi
1.5.1 Large-Signal Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.5.2 Small-Signal Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.5.3 Parasitics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.5.4 Device Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.5.5 CMOS Transistors in Current-Steering DACs . . . . . . . . . 33
1.6 Outline of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.6.1 Chapter 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.6.2 Chapter 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.6.3 Chapter 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.6.4 Chapter 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.7 Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.7.1 Journal Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.7.2 Conference Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.7.3 Theses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.7.4 Patents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.8 Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Chapter 2
Modeling of Current-Steering DACs . . . . . . . . . . . . . 45
2.1 Evaluation of Performance Metrics for Static Errors . . . . . . 46
2.2 Modeling of Matching Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.2.1 Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.2.2 Modeling of Random Matching Errors . . . . . . . . . . . . . . 48
2.2.3 Modeling of Linearly Graded Matching Errors . . . . . . . . 51
2.3 Modeling of Finite Output Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3.1 Finite Output Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3.2 Finite Output Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.4 Modeling of Glitches due to Rise/Fall Asymmetry . . . . . . . . . 68
2.4.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.4.2 Model Derivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.4.3 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.4.4 Glitches in the Differential Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Chapter 3
Digital Encoding in Current-Steering DACs . . . . . . . 93
3.1 Binary-Weighted DACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.2 Segmented DACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
vii
3.3 Decomposed DACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.3.1 1-Layer Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.3.2 Multi-Layer Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.3.3 Properties of Decomposed DACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.4 Partially Decomposed DACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.5 Other Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.6 Comparison of Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.6.1 Influence of Matching Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.6.2 Influence of Glitches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.6.3 Simulation Result Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.7 Encoder Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.7.1 Decomposition Encoder Implementation . . . . . . . . . . . . 114
3.7.2 Binary-to-Thermometer Encoder Implementation . . . . . 115
Chapter 4
Correction and Compensation of Errors . . . . . . . . . 117
4.1 Dynamic Element Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.1.1 Generalized DEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.1.2 DEM Utilizing Switching Trees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.1.3 Mismatch-Shaping DEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.1.4 DEM in Decomposed DACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.2 Distributed Biasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.3 Modulation of Expected Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.3.1 Basic Idea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.3.2 Spectral Shaping of Output Impedance Related Errors . 131
4.3.3 Yield Enhancement of Binary-Weighted DACs . . . . . . 132
Chapter 5
Test-Chip Implementations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.1 Design and Measurement Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.1.1 Design Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.1.2 Measurement Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.2 A 14-bit Segmented DAC in 0.35 μm CMOS . . . . . . . . . . . . 144
5.2.1 Chip Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.2.2 Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.3 A 14-bit PRDEM DAC in 0.35 μm CMOS . . . . . . . . . . . . . . 147
5.3.1 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
viii
5.3.2 Simulations and Comparison with Measurements . . . . . 148
5.4 A 14-bit Dual DAC in 0.25 μm CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.4.1 Architecture and Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.4.2 Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.5 A 12-bit Configurable DAC in 0.35 μm CMOS . . . . . . . . . . 155
5.5.1 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.5.2 Pcell-Based Design Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.5.3 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.5.4 Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

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