An ultra wide temperature range R-2R based 8 BIT D/A converter for 90NM CMOS technology

Abstract

Dijital-analog dönüştürücüler depolanmış dijital ses sinyallerinin dönüştürülmesinden bilgi edinme ve işleme sistemlerine kadar çok geniş bir kullanım alanına sahiptir. Birbaşka uygulama alanı da soğutulmuş veya soğutulmamış okuma entegre devrelerinde (ROIC) yardımcı devre elemanı olarak kullanılmalarıdır. Bu yönüyle, çok geniş sıcaklık aralığında çalışabilme yeteneği hem tasarımcıya hem de son kullanıcıya özgürlük sağlamaktadır.Bu tez çalışmasında, 8-bit R-2R tabanlı, çok geniş bir sıcaklık aralığında (-200?C to 120?C) çalışabilen bir dijital-analog dönüştürünün 90nm CMOS teknolojisi ile, halen sürmekte olan ve kızılötesi görüntüleme sistemlerinde kullanılacak olan bir dijital okuma entegre devresinde (DROIC) kullanılmak üzere tasarımı gerçekleştirilmiştir. Çok geniş aralıklı çalışma kabiliyeti sıcaklık kompanzasyonu gerçekleştirilen ve sadece MOSFET?lerden oluşan bir gerilim refereans devresi ile temin edilmiştir. Dirençlerin eşleştirilmesini iyileştirmek maksadıyla devrenin direnç çekirdeğine proses gradyanlarını elimine eden common-centroid serim tekniği uygulanmıştır. Tasarımda TSMC firmasının 90nm 1 poly, 9 metal Mixed ? Signal RF technolojisi ve 1.2V?luk besleme gerilimi kullanılmıştır. Doğruluk için en iyi performans oda sıcaklığında elde edilirken en hızlı çalışma frekansına ise kriyojenik sıcaklıklarda hassaslıktan ödün vermek suretiyle ulaşılmıştır. Devre, oda sıcaklığında ±0.3LSB ve 120?C?de ±0.45LSBlik DNL ve INL performansına ulaşmaktadır. DAC, 20MSps hızına kadar çalışabilmektedir. Devre, tam ölçekli çıkışta kriyojenik sıcaklıkta sadece 0.43mW ve oda sıcaklığında 1.1mW güç tüketmektedir. Çip sadece 0.015mm2?lik alan kaplamaktadır.

Digital-to-analog converters have a wide range of applications from converting stored digital/audio signals to data processing and to data acquisition systems. Another application area could be a supporting building block in either cooled or un-cooled Read-out integrated circuits (ROICs). For this aspect, the capability of ultra wide temperature range operation may prove useful providing freedom to the designer and the consumer.In this thesis, design of an 8-bit, fully binary R-2R based digital-to-analog converter is realized with 90nm CMOS technology to operate in a wide temperature range (-200?C to 120?C) to be used in an ongoing Digital Read-out Integrated Circuit (DROIC) for infrared (IR) imaging systems. UWT range of operation is obtained via a temperature compensated voltage reference generator circuit consisting of only MOSFETs. In order to aid the matching of the resistors, a common-centroid layout technique is applied to the resistor core of the circuit which eliminates the process gradients. TSMC?s 90nm 1 poly, 9 metal Mixed ? Signal RF technology and a power supply of 1.2V are used for this design. For accuracy, the best performance is obtained at the room temperature where the fastest operation is possible at cryogenic temperatures at the expense of precision. It has a DNL and INL of ±0.3LSB at room temperature and ±0.45LSB at 120?C. The DAC can operate up to 20MHz. The circuit dissipates only 0.43mW in full scale range at cryogenic temperatures where 1.1mW at room. It occupies a chip area of only 0.015mm2.