CN119276266A - 一种高线性度的数模转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高线性度的数模转换器，所述数模转换器包括动态元件匹配电路、交叉点调整电路、电流源阵列、开关电路、比较器模块、负载电阻模块与反馈电阻模块；所述动态元件匹配电路将二进制码的所述数字输入信号转换为伪随机温度计码的控制信号，所述交叉点调整电路将所述控制信号调整后输入所述开关电路以控制所述开关电路。所述数模转换器将传统的电流值成二进制倍数关系的电流源阵列转换为电流值为单一值的电流源，并通过使用交叉点调整过的伪随机温度计码控制信号进行选择，使得电流失配相对较小，电流源间失配转化为伪随机噪声，进而有效的提高数模转换器的线性度。

Description

一种高线性度的数模转换器

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，特别涉及一种高线性度的数模转换器。

背景技术

数模转换器（Digital to Analog Converter，简称DAC）是将数字信号转换为模拟信号的信号转换器，广泛应用于信号处理领域。

数模转换器有多种类型，电流舵型数模转换器是其中较常见的一种结构，具有匹配精度高、响应速度快的优势，在高速且对匹配性要求较高的电路中有着广泛的应用，并且电流舵型数模转换器的能量利用率较高，当对输出信号进行差分利用时几乎能将所有的能量输出。

然而，常规的电流舵型数模转换器使用电流值成二进制倍数关系的电流源阵列，由于电流源受限于电阻值的匹配精度，由于工艺、光刻等原因导致电阻值并不完全相同的时候，进而不可避免的存在着失配，直接影响到数模转换的线性度。数模转换器所能达到的线性度，一定程度上取决于电流源的失配误差。因此，如何降低电流源阵列的电流失配，进而提高数模转换器的线性度是急需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种高线性度的数模转换器，通过引入动态元件匹配电路将二进制数字输入信号转换为伪随机温度计码控制信号输出，将传统的电流值成二进制倍数关系的电流源阵列转换为电流值为单一值的电流源，并用伪随机温度计码控制信号进行控制，由于上述数模转换器将传统的电流值成二进制倍数关系的电流源阵列转换为电流值为单一值的电流源，并通过使用交叉点调整过的伪随机温度计码控制信号进行选择，使得电流失配相对较小，电流源间失配转化为伪随机噪声，进而有效的提高数模转换器的线性度。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

本发明公开了一种高线性度的数模转换器，所述数模转换器包括动态元件匹配电路、交叉点调整电路、电流源阵列、开关电路、比较器模块、负载电阻模块与反馈电阻模块；

所述动态元件匹配电路的一端接入数字输入信号，所述动态元件匹配电路的另一端与所述交叉点调整电路的一端相连，所述交叉点调整电路的另一端与所述开关电路的一端相连，所述开关电路还与所述电流源阵列、所述负载电阻模块和所述比较器模块的反向输入端相连，所述比较器模块的输出端与所述反馈电阻模块的一端相连，所述反馈电阻模块的另一端分别与所述比较器模块的反向输入端和负载电阻模块的一端相连；

所述动态元件匹配电路将二进制码的所述数字输入信号转换为伪随机温度计码的控制信号，所述交叉点调整电路将所述控制信号调整后输入所述开关电路以控制所述开关电路。

可选的：所述二进制码的数字输入信号为D<i-1:0>，包括D<0>~ D<i-1>的i个信号，所述i为大于等于2的自然数。

可选的：所述动态元件匹配电路将i位二进制码的数字输入信号D<i-1:0>转换为2ⁱ-1位伪随机温度计码控制信号K<2ⁱ-1:1>，假设第m次转换后K<2ⁱ-1:1>的首次多个连续位为1，连续位的最后一位为K<j>，则在第m+1次转换时，若D<i-1:0>对应的十进制数为p，j+p小于等于2ⁱ-1时，K<2ⁱ-1:1>的K<j+1:j+p>位为1，其余位为0，j+p大于2ⁱ-1时，则K<2ⁱ-1:1>的K<j+1: 2ⁱ-1>及K<1: j+p-2ⁱ+1>为1，其余位为0，其中m为大于等于1的自然数。

可选的：所述交叉点调整电路将伪随机温度计码控制信号K<2ⁱ-1:1>通过级联的N管和P管构成反相电路的交叉点调整电路转换为同相控制信号Q<2ⁱ-1:1>及反相控制信号QB<2ⁱ-1:1>，且输出信号Q<2ⁱ-1:1>和QB<2ⁱ-1:1>的交叉点低于共模电压。

可选的：所述电流源阵列包括2ⁱ-1个电流值相同的电流源I，所述开关电路包括2ⁱ-1对开关，每个所述电流源I的一端接每对开关，每对开关分别用控制信号Q<n>和QB<n>控制，所述用控制信号QB<n>控制的开关的另一端相连并与负载电阻R00相接，所述用控制信号Q<n>控制的开关的另一端相连并与负载电阻R0和所述比较器模块的反向输入端相接，所述n为1到2ⁱ-1的自然数。

可选的：所述比较器模块包括基于运算放大器的比较器，所述比较器包括正相输入端、反相输入端与输出端，其中正向输入端接入参考电压Vref，反相输入端分别与开关电路、反馈电阻模块的一端和负载电阻模块的一端相连。

可选的：所述负载电阻模块包括电阻阻值相等的负载电阻R0和负载电阻R00，所述负载电阻R0一端分别与所述开关电路和所述比较器的反向输入端相连，所述负载电阻R00的一端与所述开关电路相连，所述负载电阻R0和所述负载电阻R00的另一端接地。

可选的：所述反馈电阻模块包括反馈电阻R1，所述反馈电阻R1的一端与所述比较器的输入端相连，所述反馈电阻R1的另一端与所述比较器的反向输入端相连。

可选的：所述数模转换器的输出电压Vout为：

其中，为参考电压的电压值，为反馈电阻R1的电阻值，为负载电阻R0的电阻值，为电流源I的电流值，为数字输入信号D<n>的数值，n为从0到i-1的自然数。

本发明的有益效果如下：

本发明提出了一种高线性度的数模转换器，该数模转换器包括动态元件匹配电路、交叉点调整电路、电流源阵列、开关电路、比较器模块、负载电阻模块与反馈电阻模块，动态元件匹配电路一端接入数字输入信号，动态元件匹配电路的另一端与交叉点调整电路的一端相连，交叉点调整电路的另一端与开关电路的一端相连，开关电路的一端与电流源阵列相连，一端接负载电阻中的一个，另一端与比较器模块的反向输入端相连，比较器模块的输出端与反馈电阻模块的一端相连，反馈电阻模块的另一端分别与比较器模块的反向输入端和负载电阻模块的一端相连，动态元件匹配电路将二进制码的数字输入信号转换为一种伪随机温度计码控制信号，并经过交叉点调整电路后用于控制开关电路。上述数模转换器将传统的电流值成二进制倍数关系的电流源阵列转换为电流值为单一值的电流源，并通过使用交叉点调整过的伪随机温度计码控制信号进行选择，使得电流失配相对较小，电流源间失配转化为伪随机噪声，进而有效的提高数模转换器的线性度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提出的一种高线性度的数模转换器的电路结构图；

图2为本发明实施例提出的一种高线性度的数模转换器的电路原理图；

图3为本发明实施例提出的交叉点调整电路对控制信号的交叉点调整示例；

附图标记：

1、动态元件匹配电路；2、交叉点调整电路；3、电流源阵列；4、比较器模块；5、开关电路；6、负载电阻模块；7、反馈电阻模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

如图1所示，本发明实施例提出了一种高线性度的数模转换器，该数模转换器包括动态元件匹配电路1、交叉点调整电路2、电流源阵列3、比较器模块4、开关电路5、负载电阻模块6与反馈电阻模块7。

所述动态元件匹配电路1的一端接入数字输入信号，所述动态元件匹配电路1的另一端与所述交叉点调整电路2的一端相连，所述交叉点调整电路2的另一端与所述开关电路5的一端相连，所述开关电路5还与所述电流源阵列3、所述负载电阻模块6和所述比较器模块4的反向输入端相连，所述比较器模块4的输出端与所述反馈电阻模块7的一端相连，所述反馈电阻模块7的另一端分别与所述比较器模块4的反向输入端和负载电阻模块6的一端相连。

所述动态元件匹配电路1将二进制码的所述数字输入信号转换为伪随机温度计码的控制信号，所述交叉点调整电路2将所述控制信号调整后输入所述开关电路5以控制所述开关电路5。

本申请动态元件匹配电路1将二进制码的数字输入信号转换为一种伪随机温度计码控制信号，并经过交叉点调整电路2后用于控制开关电路5。上述数模转换器将传统的电流值成二进制倍数关系的电流源阵列3转换为电流值为单一值的电流源，并通过使用交叉点调整过的伪随机温度计码控制信号进行选择，使得电流失配相对较小，电流源间失配转化为伪随机噪声，进而有效的提高数模转换器的线性度。

示例性的，所述动态元件匹配电路将i位二进制码的数字输入信号D<i-1:0>转换为2ⁱ-1位伪随机温度计码控制信号K<2ⁱ-1:1>，假设第m次转换后K<2ⁱ-1:1>的首次多个连续位为1，连续位的最后一位为K<j>，则在第m+1次转换时，若D<i-1:0>对应的十进制数为p，j+p小于等于2ⁱ-1时，K<2ⁱ-1:1>的K<j+1:j+p>位为1，其余位为0，j+p大于2ⁱ-1时，则K<2ⁱ-1:1>的K<j+1: 2ⁱ-1>及K<1: j+p-2ⁱ+1>为1，其余位为0，其中m为大于等于1的自然数，可根据实际需求设置m的上限值。

在可选的实施方式中，交叉点调整电路2将伪随机温度计码控制信号K<2ⁱ-1:1>通过级联的大宽长比N管和小宽长比P管构成反相电路的交叉点调整电路转换为同相控制信号Q<2ⁱ-1:1>及反相控制信号QB<2ⁱ-1:1>，且输出信号Q<2ⁱ-1:1>和QB<2ⁱ-1:1>下降沿较快，上升沿较慢，使得交叉点低于共模电压。其中，大宽长比N管和小宽长比P管可根据实际情况选择，使得选择的N管和P管可实现相应的功能即可，本申请对此并不作限定。

在可选的实施方式中，电流源阵列3及开关电路5，包括2ⁱ-1个电流值相同的电流源I及2ⁱ-1对开关，每个所述电流源I的一端接每对开关，每对开关分别用控制信号Q<n>和QB<n>控制，所述用控制信号QB<n>控制的开关的另一端相连并与负载电阻R00相接，所述用控制信号Q<n>控制的开关的另一端相连并与负载电阻R0和所述比较器模块4的反向输入端相接，所述n为1到2ⁱ-1的自然数。

在可选的实施方式中，比较器模块4包括基于运算放大器的比较器，包括正相输入端、反相输入端与输出端，其中正向输入端接入参考电压Vref，反相输入端分别与开关电路5、反馈电阻模块7的一端、负载电阻模块6的一端相连，输出端输出相应电压。

在可选的实施方式中，负载电阻模块6包括负载电阻R0和R00，负载电阻R0的一端与比较器模块4的反向输入端相接，负载电阻R0的另一端接地，负载电阻R00的另一端接地，两个电阻阻值相等。具体的，负载电阻R1的电阻值为R，R的具体数值需要根据实际情况而具体设定，在此仅作为一个标识。

反馈电阻模块7包括反馈电阻R1，反馈电阻R1的一端与比较器模块4的反相输入端相连，另一端与比较器模块4的输出端相连。

上述高线性度的数模转换器，引入动态元件匹配电路1将二进制数字输入信号转换为伪随机温度计码控制信号输出，将传统的电流值成二进制倍数关系的电流源阵列3转换为电流值为单一值的电流源，并用伪随机温度计码控制信号进行控制，由于上述数模转换器将传统的电流值成二进制倍数关系的电流源阵列3转换为电流值为单一值的电流源，并通过使用交叉点调整过的伪随机温度计码控制信号进行选择，使得电流失配相对较小，电流源间失配转化为伪随机噪声，进而有效的提高数模转换器的线性度。

在可选的实施方式中，如图2所示，数模转换器的输出电压Vout为：

其中，为参考电压的电压值，为反馈电阻R1的电阻值，为负载电阻R0的电阻值，为电流源I的电流值，为数字输入信号D<n>的数值，n为从0到i-1的自然数。

需要说明的是，在实际应用中，本领域技术人员可根据实际需求设置本申请的Vref、I、R0和R1等元器件数值，让数模转换器的模拟输出电压处于所需要的范围，本申请在此并不作限定。

表1示出了本发明高线性度的数模转换器的一个具体例子。该具体例子公开了动态元件匹配电路1在4位数据输入信号时的转换示例。

表1

如表1所示，数字输入信号为D<3:0>，D<3:0>包括D<0>、D<1>、D<2>和D<3>四个信号，则D<3:0>可取1000、1001、1010…0111的2⁴=16个形式的信号。则D<3:0>可以转换得到K<1>~K<15>的15位伪随机温度计码的控制信号K<15:1>。例如，假设第m次转换后数据输入信号1000对应的K<1>~K<8>位为1，K<9>~K<15>位为0，连续位的最后一位为K<8>，则在第m+1次转换时，1000之后输入的数据输入信号1001对应的十进制数为9，j+p=8+9=17，17大于15，即j+p>2ⁱ-1，则K<2ⁱ-1:1>的K<j+1: 2ⁱ-1>及K<1: j+p-2ⁱ+1>为1，即K<9: 15>及K<1: 2>为1，其余为0。由此，1001对应的15位伪随机温度计码的控制信号中，K<1>~K<2>以及K<9>~ K<15>为1，其余为0，其中m为大于等于1的自然数，可根据实际需求设置m的上限值。

如图3所示，为本发明实施例提出的交叉点调整电路2对控制信号的交叉点调整示例，其中n为1到2ⁱ-1的自然数。从图3中可以看出，交叉点调整电路2的输出信号交叉点低于共模电压。

综上，本发明提出了一种高线性度的数模转换器，该数模转换器包括动态元件匹配电路1、交叉点调整电路2、电流源阵列3、开关电路5、比较器模块4、负载电阻模块6与反馈电阻模块7，动态元件匹配电路1一端接入数字输入信号，动态元件匹配电路1的另一端与交叉点调整电路2的一端相连，交叉点调整电路2的另一端与开关电路5的一端相连，开关电路5的一端与电流源阵列3相连，一端接负载电阻中的一个，另一端与比较器模块4的反向输入端相连，比较器模块4的输出端与反馈电阻模块7的一端相连，反馈电阻模块7的另一端分别与比较器模块4的反向输入端和负载电阻模块6的一端相连，动态元件匹配电路1将二进制码的数字输入信号转换为一种伪随机温度计码控制信号，并经过交叉点调整电路2后用于控制开关电路5。上述数模转换器将传统的电流值成二进制倍数关系的电流源阵列3转换为电流值为单一值的电流源，并通过使用交叉点调整过的伪随机温度计码控制信号进行选择，使得电流失配相对较小，电流源间失配转化为伪随机噪声，进而有效的提高数模转换器的线性度。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种高线性度的数模转换器，其特征在于：所述数模转换器包括动态元件匹配电路、交叉点调整电路、电流源阵列、开关电路、比较器模块、负载电阻模块与反馈电阻模块；

所述动态元件匹配电路的一端接入数字输入信号，所述动态元件匹配电路的另一端与所述交叉点调整电路的一端相连，所述交叉点调整电路的另一端与所述开关电路的一端相连，所述开关电路还与所述电流源阵列、所述负载电阻模块和所述比较器模块的反向输入端相连，所述比较器模块的输出端与所述反馈电阻模块的一端相连，所述反馈电阻模块的另一端分别与所述比较器模块的反向输入端和负载电阻模块的一端相连；

所述动态元件匹配电路将二进制码的所述数字输入信号转换为伪随机温度计码的控制信号，所述交叉点调整电路将所述控制信号调整后输入所述开关电路以控制所述开关电路。

2.如权利要求1所述的高线性度的数模转换器，其特征在于：所述二进制码的数字输入信号为D<i-1:0>，包括D<0>~ D<i-1>的i个信号，所述i为大于等于2的自然数。

3.如权利要求2所述的高线性度的数模转换器，其特征在于：所述动态元件匹配电路将i位二进制码的数字输入信号D<i-1:0>转换为2ⁱ-1位伪随机温度计码控制信号K<2ⁱ-1:1>，假设第m次转换后K<2ⁱ-1:1>的首次多个连续位为1，连续位的最后一位为K<j>，则在第m+1次转换时，若D<i-1:0>对应的十进制数为p，j+p小于等于2ⁱ-1时，K<2ⁱ-1:1>的K<j+1:j+p>位为1，其余位为0，j+p大于2ⁱ-1时，则K<2ⁱ-1:1>的K<j+1: 2ⁱ-1>及K< 1: j+p-2ⁱ+1>为1，其余位为0，其中m为大于等于1的自然数。

4.如权利要求3所述的高线性度的数模转换器，其特征在于：所述交叉点调整电路将伪随机温度计码控制信号K<2ⁱ-1:1>通过级联的N管和P管构成反相电路的交叉点调整电路转换为同相控制信号Q<2ⁱ-1:1>及反相控制信号QB<2ⁱ-1:1>，且输出信号Q<2ⁱ-1:1>和QB<2ⁱ-1:1>的交叉点低于共模电压。

5.如权利要求4所述的高线性度的数模转换器，其特征在于：所述电流源阵列包括2ⁱ-1个电流值相同的电流源I，所述开关电路包括2ⁱ-1对开关，每个所述电流源I的一端接每对开关，每对开关分别用控制信号Q<n>和QB<n>控制，所述用控制信号QB<n>控制的开关的另一端相连并与负载电阻R00相接，所述用控制信号Q<n>控制的开关的另一端相连并与负载电阻R0和所述比较器模块的反向输入端相接，所述n为1到2ⁱ-1的自然数。

6.如权利要求1-5中任一项所述的高线性度的数模转换器，其特征在于：所述比较器模块包括基于运算放大器的比较器，所述比较器包括正相输入端、反相输入端与输出端，其中正向输入端接入参考电压Vref，反相输入端分别与开关电路、反馈电阻模块的一端和负载电阻模块的一端相连。

7.如权利要求6所述的高线性度的数模转换器，其特征在于：所述负载电阻模块包括电阻阻值相等的负载电阻R0和负载电阻R00，所述负载电阻R0一端分别与所述开关电路和所述比较器的反向输入端相连，所述负载电阻R00的一端与所述开关电路相连，所述负载电阻R0和所述负载电阻R00的另一端接地。

8.如权利要求7所述的高线性度的数模转换器，其特征在于：所述反馈电阻模块包括反馈电阻R1，所述反馈电阻R1的一端与所述比较器的输入端相连，所述反馈电阻R1的另一端与所述比较器的反向输入端相连。

9.如权利要求8所述的高线性度的数模转换器，其特征在于：所述数模转换器的输出电压Vout为：

其中，为参考电压的电压值，为反馈电阻R1的电阻值，为负载电阻R0的电阻值，为电流源I的电流值，为数字输入信号D<n>的数值，n为从0到i-1的自然数。