Pengubah digital ke analog yang presisi

Penerapan rangkaian analog pada teknologi IC masa depan akan semakin sulit, karena sebetulnya kinerja rangkaian analog akan makin memburuk dengan teknologi IC yang lebih baru [1]. Dalam rangka 'merasakan' makin sulitnya hal tersebut, hal yang saya kerjakan pada awal PhD saya adalah membantu membuat rangkaian pengubah digital ke analog (digital to analog converter, DAC) dengan akurasi 16-bit tapi hanya memiliki 8 tingkat kuantisasi (3 bit). Umumnya, benda ini dibuat dengan teknik current-steering, yaitu memanfaatkan current mirror banyak dengan ukuran sama yang bisa dinyalakan dan dimatikan, nanti dampaknya adalah arus yang dialirkan ke Rbeban bisa ditambah atau dikurangi tergantung kode input digital. Kurang lebih ini bisa digambarkan sebagai berikut (Gambar 1):

Gambar 1  Model small-signal current steering DAC

Gambar 1 di atas adalah pemodelan small-signal analysis, perhatikan tidak ada Vdd. Untuk itu saya mohon maaf. Mestinya lebih jelas kalau model DC, yaitu ground yang sebelah atas itu adalah Vdd. (maklum, malas menggambar lagi, kemarin sempatnya gambar baru yang ini).

Lalu yang menjadi masalah adalah membuat current mirror dengan hambatan output (Rout) yang sebesar mungkin. Tanpa hambatan output yang sangat besar, dikhawatirkan pola outputnya tidak linier, tidak bagus, tidak sebanding lurus sesuai input, melainkan melengkung, step output makin mengecil dengan kode input yang meningkat, seperti di gambar mirip anak tangga berikut ini (Gambar 2). Perhatikan tinggi anak tangga terbawah besarnya 73,84 mV, lumayan jauh lebih besar daripada ukuran anak tangga paling atas sebesar 60,78 mV. Hal ini menandakan adanya ketidaklinieran.

Gambar 2.  Ukuran step yang tidak sama, menjadikan keluaran tidak linier

Rangkaian paling mendasar untuk meningkatkan hambatan output current mirror adalah cascode current mirror (Gambar 3).

Gambar 3  Rangkaian cascode current mirror

Tapi sayangnya rangkaian pada Gambar 3 tidak cukup untuk keperluan kita, sehingga akhirnya dipilihlah rangkaian cascode-regulated current mirror yang menggunakan penguat dan feedback untuk berusaha mem-fix tegangan drain pada transistor Q2 di atas. Rangkaian ini diambil dari buku [2], lalu disimulasikan di Cadence, dengan menyesuaikan ukuran-ukuran transistornya serta menambah saklar-saklar untuk kebutuhan kita. Setelah simulasi oke, dibuat layout IC-nya berikut ini (Gambar 4), menggunakan teknologi CMOS 0,18um:

Gambar 4.  Layout pengubah digital ke analog 8 tingkat

(semoga bersambung)

Referensi:
[1] Robert Bogdan Staszewski, "Digital RF and Digitally-Assisted RF" in "Digitally-Assisted Analog and RF CMOS Circuit Design for Software-Design Radio", 2011