CN1014289B

CN1014289B - 数-模转换器

Info

Publication number: CN1014289B
Application number: CN88108917A
Authority: CN
Inventors: 亨德利卡斯·约翰内斯·舒文纳尔斯; 德克·伍特·约翰内斯·格罗恩内维尔德
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1987-12-24
Filing date: 1988-12-21
Publication date: 1991-10-09
Also published as: CN1034293A; KR890011227A; DE3865191D1; NL8703128A; JPH01204527A; EP0322965A1; EP0322965B1; US4935740A

Abstract

本发明的数-模转换器包括：

——输入端子(1)，

——输出端(2)，

——电流源电路(3)，用以在N个输出端(3.1至3.N)上产生电流强度大致相等的N个电流；

——组合电路(4)。

要将在某一时间间隔期间(Ta)将数字信号D转换时，将该时间间隔再细分成至少两个子时间间隔(Td₁，Td₂)。

此时组合电路(4)就适宜于每次在一子时间间隔期间以这样的方式组合电流源的电流，使得在处在该时间间隔的各子时间间隔内，每次组合N个电流源中的不同组合的d个电流源的电流，d是数字信号D的十进制表示。

Description

本发明涉及一种用以将数字输入信号转换成模拟输出信号的数-模转换器，该数-模转换器包括：

-输入端子，用以接收数字输入信号;

-输出端子，用以提供模拟输出信号;

-电流源电路，具有N个电流源，适宜于在N个输出端上按明确规定的比值产生N个电流;

-组合电路，用以将从在电流源电路的各输出端上得到的电流，组合成一个作为数字输入信号的函数的模拟信号，所述组合电路具有N个耦合到电流源电路的N个输出端的输入端、另一个耦合到输入端子用以接收数字输入信号的输入端和一耦合到输出端子的输出端。

从已出版的公开提供公众查阅的荷兰专利申请8，003，948（PHN.9788）中可以了解到这种类型的数-模转换器的情况。

这类数-模转换器中采用了可以美国专利3，982，172、（PHN7513）和美国专利4，125，803（PHN.8376）中了解到的动态排列原理（本说明书结合了这二个专利以供参考）。根据该原理，通过按循环排列将大致上相等的电流耦合到各输出端上，从而在电流源电路中产生具有精确的互相强度比值的电流。公知的电流源电路包含了用于此用途的一排列电路。由于循环排列的原因，各原来所产生的电流相对于一平均值的偏差经常同样地出现在各输出电流的每个周期中。因此各输出电流具有一相对于原来所产生的电流的平均值因而也相对于其它输出电流的各直流分量有非常精确的强度比值的直流分量。原来所产生的各电流之间的相互偏差作为交流分量出现在这些输出电流中，该交流分量可以是具干扰性的或不具干扰性的，这视乎对于最高信号频率的排列频率和视乎原来所产生的各电流的相互强度比值而定。

在那些交流分量可能具干扰性的情况下，可以在电流源电路各输出端上增设一个平均电路将交流分量滤掉。这使借助于组合电路和借助于由此产生的直流电流毫无问题地进行数-模转换成为可能。上述强度比值每次为2。然后将待转接的电流借助于数字信号的有关二进制位直接转接，以便产生对应于数字信号的模拟信号。

为获取具有明确规定比值的电流，电流源电路采用了若干移位寄存器，移位寄存器的数目随着要在电流源电路中产生的电流的数目的增加而增加。这导致的该公知的数-模转换器中的功耗很大。

本发明的一个目的是提供一种更简单和所需元件更少的数-模转换器，以便可以降低功耗但同时能补偿电流中的不均衡性。

因此本发明的数-模转换器的特征在于，电流源电路适宜于产生N个电流强度大致相等的电流;要在某一时间间隔内将提供给输入端子的数字信号D进行转换时，将此时间间隔再细分为至少两个子时间间隔;且组合电路适宜于每次在一子时间间隔期间以这样的方式组合d个电流源的电流，使得每次N个电流源中的不同组合的d个电流源的电流在处于该时间间隔内的各子时间间隔内被组合，其中d为数字信号D的十进制表示。

本发明是基于这样一个认识提出的，即数-模转换器也可以以与荷兰专利申请8，003，948所述的不相同的方法来实施。事实上，从电流强度大致相等（但由于非线性性和由于电流源安置在衬底上的不同位置而具有非均衡性）的原电流可以直接组成为加到输入端子上的数字信号D的模拟表示的模拟信号。因此在这种情况下，公知的电流源电路中现存的排列电路变得多余了。通过每次在位于所述时间间隔内的子时间间隔中控制电流源的不同的组合，并通过可能的话将一平均电路配置在组合电路输出端与输出端子之间，可以获得电流强度的不均匀性得到补偿了的模拟输出信号。

本数-模转换器的特征还在于，当将标号X（X是整数，且1≤X≤N）加到电流源时，组合电路适宜于在位于所述时间间隔内的J个子时间间隔的第j个子时间间隔内将具有标号｛（j-1）′N+J）/J至｛（j-1）·N+d·J｝/J（包括｛（j-1）·N+J｝/J和｛（j-1）·N+d·J｝/J，（当j为奇数时）的电流源的电流组合，如果j为偶数时，则适宜于将具有标号（j·N-d·J+J）/J·至j·N/J（包括（j·N-d·J+J）/J和j·N/J）的电流源的电流组合，其中j在1至J的范围内，并且如果按上述一个式子计算出来的标号X的数值大于N或小于1时，则不取该标号而取标号X′其中X′与X及N具有下列关系：

X′＝XmodN

特别是在电流源系在一衬底上排列成行的数-模转换器中，组合电路可以适宜于在第一子时间间隔内将具有标号1至d（包括1和d）的电流源的电流组合，而在第二子时间间隔内将具有标号N+1-d至N（包括N+1-d和N）的电流源的电流组合。

这样一种转换器使补偿N个电流源的诸电流强度的线性梯度成为可能。若组合电路也适宜于在第三子时间间隔内将具有标号为N/2+1至N/2+d（包括N/2+1和N/2+d）的电流源的电流组合，并且若组合电路适宜在第四子时间间隔内将具有标号为N/2+1-d至N/2（包括N/2+1-d和N/2）的电流源的电流组合的话，则它有可能补偿N个电流源的诸电流强度的梯度，该梯度相对于中心是对称的。

现在参看附图通过举例更详细地说明本发明的内容。附图中：

图1是第一个实施例的示意图;

图2的图2a中示出了N个电流源的电流强度，图2b中示出了在第一子时间间隔内耦合到组合电路输出端的电流源的电流强度，图2c中示出在第二子时间间隔耦合到组合电路输出端的电流源的电流强度;

图3是第二个实施例的示意图;

图4是第三个实施例的示意图;

图5是将时间间隔再细分为J个子时间间隔的示意图;

图6示出了在诸电流强度上出现高阶梯度的N个电流源的电流强度和在一时间间隔的四个子时间间隔内耦合到组合电路输出端的电流源的电流强度。

图1示出了根据本发明的数-模转换器的第一个实施例，该数-模转换器包括一输入端子1用于接收数字输入信号D，一输出端子2用于提供模拟输出信号，一电流源电路3，它包括N个电流源，用以提供电流强度大致相等的N个电流I₁至I_N，一组合电路4和一平均电路5。电流源电路3的N个输出端3.1至3.N各个分别耦合到组合电路4的有关输入端4.1至4.N上。组合电路4具有另一个耦合到输入端子1上的输入端6，和一耦合到平均电路5的输入端8的输出端7，平均电路5的输出端9则耦合到输出端子2上。

组合电路4还包括N个开关元件S₁至S_N，各开关元件具有一输入端10.1、一输出端10.2和一控制信号输入端10.3。这些标号示出开关元件S₁的各有关部分，但它们也适用于开关元件S₂至S_N。组合电路4的各输入端4.1至4.N耦合到开关元件S₁至S_N之一的一有关输入端10.1上。

开关元件S₁至S_N的所有输出端10.2都耦合到输出端7上。此外还设有控制信号发生器15。控制信号发生器15具有一耦合到组合电路的输入端6上的输入端16，和N各耦合到开关元件S₁至S_N之一的一有关控制信号输入端10.3上的输出端17.1至17.N。

平均电路5适宜于每次在时间间隔Ta内对组合电路4的输出信号进行均化，这稍后即可搞清楚。平均电路对本发明来说既非必不少的也不是主要的。

要对数字信号D（它由n位“1”和“0”的数字组成）进行转换时，将系为平均电路5的平均周期的时间间隔再细分为至少两个子时间间隔，并将数字信号D在所述时间间隔Ta内加到输入端子1上。

这时组合电路适宜于每次在处在时间间隔Ta内的一子时间间隔Tdi期间以这样的方式组合d个电流源的电流，使得每次N个电流源I₁至I_N中的不同组合的d个电流源的电流在各子时间间隔内被组合，其中d为数字信号D的十进制表示。

现在参看图2更详细地介绍图1实施例的具体工作情况。

图2a示出了在N个电流源I₁至I_N的电流分布I₀电流强度I在垂直轴上标出，电流源的标号数X在水平轴上标出。从图2a可以明显地看出，诸电流源的电流强度成线性变化。举例说，这发生在如果电流源集成化且是成行排列在衬底上的情况下。符号 I表示所有电流强度的平均电流强度。控制信号发生器15在第一子时间间隔内在输出端17.1至17.d产生开关信号，这取决于加到输入端子16上的数字信号D。在这些开关信号的影响之下，开关元件S₁至Sd都闭合，就是说，它们使输入端10.1与输出端10.2之间接通。图1中示出了开关元件S1和S2的这一情况。这时电流强度等于

I₁+I₂+……+I_d-1+Id

的电流经由输出端7流动。这在图2b中用阴影区表示。

在第二子时间间隔中，控制信号发生器15在输出端17.N+1-d至17.N产生控制信号，这也取决于数字信号D。这就是说开关元件S 至S 闭合。这时电流强度等于

I_N+1-d+……+I_N-1+I_N

的电流经由输出端7流动。这在图2C中以阴影区表示。

两电流强度在平均电路5中的均化意味着对于每一个数字信号D的值在输出端子2上均供有大小等于d· I的电流强度。显然这样就可以校正整个电流强度中的线性变化。

举例说，平均电路可以是一低通滤波器。

耦合到开关元件S₁至S_N的输出端10.4上的端子18是用来消除不接通的电流源的电流，这就是说，有关的开关元件是处在其输入端10.1耦合到输出端10.4的情况。

图3是第二个实施例的示意图，该实施例与图1的实施例极为相似。N（＝7）个电流源是采用七个npn型晶体管T_4.1至T_4.7来实施，所有晶体管的发射极都接地，基极都接收电压V_ref1。各晶体管的集电极构成电流源电路3′的输出端3.1至3.7。

控制信号发生器15′包括转换器30，转换器30将加到其输入端31.1、31.2、31.3的（3位）数字信号转换成所谓温度计代码。这就是说，根据对应于加到输入端31上的数字信号D的十进制值d，d个输出端（即输出端32.1至32.7中的输出端32.1至32.d）变成“高”电平，即“逻辑1”状态。输出端32.1至32.7各个都耦合到7个npn型晶体管T_1.1至T_1.7中的一有关npn型晶体管的基极上。这些晶体管T_1.i的发射极各个耦合到npn型晶管T_2.1至T_2.7中的一有关晶体管T_2.i的发射极上，其中i在1至7的范围内。晶体管T_1.i至T_2.i的耦合了的发射极耦合到电流源电路3′的输出端3.i上。晶体管T_2.1至T_2.7的所有基极都接收电压V_ref2。

两晶体管T_1.i和T_2.i构成第一开关元件S_1.i，开关元件S_1.i具有一输入端（为耦合了的发射极）、一控制信号输入端（为晶体管T_1.i的基极）和第一和第二输出端（分别由晶体管T_1.i和T_2.i的集电极构成）。所有第一输出端（晶体管T_1.i至T_1.7的集电极）都耦合到一公共端子33.1上。所有第二输出端（晶体管T_2.1至T_2.7的集电极）都耦合至公共端子33.2上。此两端子构成第二开关元件34的第一和第二输入端，第二开关元件34具有一控制信号输入端35和一输出端36，输出端36则耦合到组合电路4′的输出端7上。

第二开关元件34包括四个npn型晶体管T_3.1至T_3.4。晶体管T_3.1和T_3.2的发射极都耦合到端子33.1上。晶体管T_3.3和T_3.4的发射极都耦合到端子33.2上。晶体管T_3.1和T_3.4的基极都耦合到控制信号输入端35上。晶体管T_3.2和T_3.3的基极都接收电压V_ref3。晶体管T_3.2和T_3.4的集电极耦合到输出端36上。晶体管T_3.1和T_3.3的集电极都耦合到端子18上。

3位数字信号D系加到输入端6上。

三个二进制位中的各个位经由单独的引线加到“异一或”门38.1至38.3的第一输入端37.1至37.3上。三个“异一或”门38的输出端39.1至39.3耦合到转换器30的输入端31.1至31.3上。

控制信号输入端40系耦合到输入端35并分别耦合到“异一门”38.1;\38.2和38.3的第二输入端41.1、41.2和41.3上。

在处在时间间隔Ta的第一子时间间隔Td1期间，第一控制信号（是个“逻辑0”或“低”电平信号）被加到输入端40上。“异一门”38让数字信号D不改变形式地通过。这就是说，转换器30的d个输出端32.1至32.d处于“高”电平状态。这导致电流源T_4.1至T_4.d经由成为导通的晶体管T_1.1至T_1.d被耦合到输出端33.1上，由于在晶体管T_3.1和T_3.4的基极上有“低”电平控制信号和在晶体管T_3.2和T_3.3的基极上有信号V_ref3，因而使晶体管T_3.2和T_3.3导通，而其它的晶体管截止。因此对应于图2b中曲线I下面的阴影区的电流强度的电流流经输出端36。

在位于时间间隔Ta内的第二子时间间隔Td₂期间，为“逻辑1”或“高”电平信号的第二控制信号被加到输入端40上。这时“异一或”门38通过为数字信号D的倒相的数字信号，即 D。这意味着转换器30的输出端32.1至32.N-d处于“高”电平状态。这导致电流源T_4.1至T_4.N-d经由变成导通的晶体管T_1.1至T_1.N-d被耦合到输出端33.1上。于是对应于图2C 中曲线I下面的非阴影区的电流强度的电流就流经该输出端。

由于转换器30的输出端32.N+1-d至32.N处于“低”电平状态，因而晶体管T2.N+1-d至T_2.N导通。因此对应于图2C中曲线I下面的阴影区的电流强度的电流流经输出端33.2。

由于晶体管T_3.1和T_3.4的基极上加有逻辑“高”电平信号，因而这两个晶体管导通，而晶体管T_3.2和T_3.3截止。这时输入端33.2耦合到输出端36上。因此对应于图2C中曲线I下面的阴影区的电流强度的电流流经该输出端36。

于是在平均电路5中的均化作用导致在端子2处有d· I的模拟输出信号。

图1和图3的实施例特别适宜于补偿整个电流强度上线性变化着的梯度。这些实施例较不适宜于补偿整个电流强度上较高阶的梯度，例如相对于中心对称变化的那种梯度。

图4的实施例较适宜于校正那些不是以线性形式变化的梯度。图4的实施例与图1的实施例极为相似。在时间间隔Ta期间，控制信号发生器15″经由输入端16接收数字信号D，并经由输入端40接收第一控制信号C。控制信号C确保时间隔Ta被细分为J个子时间间隔T_dj，同时确保控制信号发生器15″在每个这些J个子时间间隔内在N个输出端17中的d个输出端产生d个开关信号。

在各子时间间隔中，每次都给N个输出端中不同组合的d个输出端提供d个开关信号。在加到控制信号输入端10.3的开关信号的影响下，开关元件（如开关元件S）会取与图示不相同的位置，这就是说，每次在各子时间间隔内不同组合方式的d个电流源被耦合到输出端7上。

控制信号发生器15″可以适合于这种情况，即在第j个子时间间隔T_dj内，标号X为｛（j-1）·N+J｝/J至｛（j-1）N+d·J｝/J的电流源I_x被耦合到输出端7上，其中j为奇数;或者，标号X等于（j·N-d、J +J）/J至J·N/J的电流源I被耦合到输出端7上，其中j为偶数。

j＝2时也适用于图1或图3的实施例。

现在参看图6更详细地介绍J＝4的一个实施例。假定电流源电路3″包括十六个电流源。图6中，假设横贯十六个电流源的梯度由第一阶（线性）梯度和第二阶（对称）梯度组成。

在第一子时间间隔（j＝1）中，电流源I₁至Id系耦合到输出端7上。如图6中所假设的那样，d＝3，这意味着，头三个电流源I₁、I₂和I₃系耦合到输出端7上，参看图6中从左底下至右上端的粗线阴影部分。

在第二子时间间隔（j＝2）中，标号为N/2-d+1至N/2的电流源耦合到输出端7上。这意味着是电流源I₆、I₇和I₈，见图6中从左上侧至右底下的粗线阴影部分。

在第三子时间间隔（j＝3）中，标号为N/2+1至N/2+d的电流源即电流源I₉至I₁₁，耦合到输出端7上，见图6中从左底下至右上侧的细线阴影部分。

在第四子时间间隔（j＝4）中，系数为N-d+1至N的电流源，即电流源I₁₄、I₁₅和I₁₆，耦合到输出端7上，见图6中从侧至右底下的细线阴影部分。

在连接到输出端7的平均电路（图中未示出）中进行均化之后，在数一模转换器的输出端上产生有电流强度d· I，其中 I是16个电流强度的平均值。

当然不言而喻，（四个）子时间间隔的顺序可以是不同的。

若d大于N/2，则j为奇数时的上限｛（j-1）N+d·J｝/J产生可能大于N的标号数。同样，j为偶数时的下限（j·N-d·J+J）/J产生可能小于或等于零的标号数。

这时控制信号发生器15″适合于这样的情况，即取标号数1、2、3等作为标号数N+1、N+2、N+3等（就是说，从该标号数减去 N值），且取标号数16、15、14等作为标号数0、1、2等。

或者：X′＝XmodN。

应该指出的是，本发明并不局限于所示的诸实施例。本发明也可用于那些在与本发明无关的方面与所示诸实施例不相同的实施例中。

Claims

1、一种用以将数字输入信号转换成模拟输出信号的数-模转换器，它包括：

--输入端子，用以接收数字输入信号；

--输出端子，用以提供模拟输出信号；

--电流源电路，具有N个电流源，适宜于以明确规定的比值在N个输出端上产生N个电流；

--组合电路，用以将从电流源电路的各输出端上得到的电流组合成一个作为数字输入信号的函数的模拟信号，所述组合电路具有N个耦合到电流源电路的N个输出端上的输入端、另一个组合到输入端子用以接收数字输入信号的输入端，和一耦合到输出端子上的输出端；

该数-模转换器的特征在于，电流源电流适宜于产生N个电流强度大致相等的电流，且要在某一时间间隔内将加到输入端子上的数字信号D进行转换时，将该时间间隔再细分成至少两个子时间间隔，并且组合电路适宜于每次在一个子时间间隔期间以这样的方式组合d个电流源的电流，使得每次N个电流源中不同组合的d个电流源的电流在位于所述时间间隔内的各子时间间隔中被组合，其中d是数字信号D的十进制表示。

2、如权利要求1所述的数-模转换器，其特征在于，当将标号X（X为整数，且1≤X≤N）加给各电流源时，该组合电路适宜于在处于所述时间间隔内的J个子时间间隔的第j个子时间间隔中，如j为奇数时将具有标号为｛（j-1）N+J｝/J至｛（j-1）N+dJ｝/J（包括｛（j-1）N+J｝/J和｛（j-1）N+dJ}/J）的诸电流源的电流组合，并且如j为偶数时将具有标号为（j.N-dJ+J）/J至jN/J（包括（jN-dJ+J）/J和jN/J）的电流源的电流组合，其中j在1至J的范围内，并且如果按以上其中一个式子计算出来的标号X的值大于N或小于1时，则不取该标号而取标号X′，其中X′与X及N具有下列关系：

X′＝XmodN.

3、如权利要求1所述的数-模转换器，其特征在于，各电流源系成行排列在一衬底上，且当将标号X（X是整数且≤N）加给各电流源时，其中标号1分配给其中一个较外面的电流源，其后的各标号分配给接着的毗邻的电流源，且最大的标号分配给另一个较外面的电流源，该组合电路适宜于在第一子时间间隔内将具有标号1至d（包括1和d）的电流源的电流组合，且适宜于在第二子时间间隔内将具有标号是N+1-d至N（包括N+1-d和N）的电流源的电流组合。

4、如权利要求3所述的数-模转换器，其特征在于，N为偶数，并且组合电路也适宜于在第三子时间间隔内将具有标号N/2+1至N/2+d（包括N/2+1和N/2+d）的电流源的电流组合，且适宜于在第四子时间间隔内将具有标号N/2+1-d至N/2（包括N/2+1-d和N/2）的电流源的电流组合。

5、如前述任一权利要求所述的数-模转换器，其特征在于，组合电路包括N个开关元件和一控制信号发生器，各开关元件具有一输入端、一控制信号输入端和一输出端，控制信号发生器具有一输入端和N个输出端，并且组合电路的N个输入端各个都耦合到N个开关元件之一的一有关输入端上，N个开关元件的所有输出端都耦合到组合电路的输出端上，且组合电路的另一输入端系耦合到控制信号发生器的输入端上以便接收数字输入信号，而且控制信号发生器的N个输出端各个都耦合到N个开关元件中的一个开关元件的一有关控制信号输入端上，且控制信号发生器适宜于根据加到输入端的数字信号D产生d个开关信号，并每次在处于所述时间间隔的各子时间间隔内将所述d个开关信号加到控制信号发生器的不同组合的d个输出端上，且各开关元件适宜于在加到有关控制信号输入端的一开关信号的影响下将其输入端耦合到其输出端上。

6、如权利要求3所述的数-模转换器，其特征在于，组合电路包括N个第一开关元件、一个第二开关元件和一控制信号发生器，N个第一开关元件各个具有一输入端、一控制信号输入端和第一和第二输出端，第二开关元件具有第一和第二输入端、一控制信号输入端和一输出端，控制信号发生器则具有一输入端和N个输出端，且组合电路的N个输入端各个都耦合到N个第一开关元件中的一个开关元件的一有关输入端上，所有N个第一开关元件的第一输出端都耦合到第二开关元件的第一输入端上，所有N个第一开关元件的第二输出端都耦合到第二开关元件的第二输入端上，第二开关元件的输出端耦合到组合电路的输出端上，组合电路的另一输入端经由具有一控制信号输入端的转换器元件耦合到控制信号发生器的输入端上，控制信号发生器的N个输出端各个都耦合到N个第一开关元件中的一个开关元件的一有关控制信号输入端上，该转换器元件适宜于在第一子时间间隔期间在加到转换器元件的控制信号输入端的第一控制信号的影响下将数字信号D传到控制信号发生器的输入端上，并在第二子时间间隔期间在加到转换器元件的控制信号输入端的第二控制信号的影响下，将倒相数字信号 D传到控制信号发生器的输入端上，控制信号发生器适宜于在第一子时间间隔期间根据加到其输入端的数字信号D，产生d个第一开关信号和N-d个第二开关信号，并将所述第一开关信号加到第一d个输出端上，并将所述第二开关信号加到其余的N-d个输出端上，控制信号发器还适宜于在第二子时间间隔期间根据加到其输入端上的数字信号 D产生N-d个第一开关信号和d个第二开关信号，并将所述第一开关信号加到第一N-d个输出端上，将所述第二开关信号加到其余的输出端上，各个第一开关元件适宜于在第一开关信号的影响下将其输入端耦合到其第一输出端上，并在第二开关信号的影响下将其输入端耦合到其第二输出端上，所述第二开关元件适宜于在第一控制信号的影响下将其第一输入端耦合到其输出端上，且适宜在第二控制信号的影响下将其第二输入端耦合到输出端上，所述第一和第二控制信号分别在第一和第二子时间间隔期间加到第二开关元件的控制信号输入端上。

7、如前述任一权利要求所述的数-模转换器，其特征在于，在组合电路的输出端与输出端子之间配置有一平均电路，所述平均电路适宜于每次在一时间间隔上对组合电路的输出信号进行均化。