CN101771415A - Dac变量跟踪校准 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种校准数模转换器(DAC)的方法。DAC包括最低有效位(LSB)块，和与LSB块相邻的虚拟LSB块。DAC具有最高有效位(MSB)块，其包括MSB温度计宏。该方法包括测量虚拟LSB块以获得虚拟LSB总和；以及校准MSB块，使得每个MSB温度计宏提供与虚拟LSB总和基本相同的电流。

Description

DAC变量跟踪校准

技术领域

本发明一般地涉及数模转换器，更具体地涉及数模转换器的结构及其校准方法。

背景技术

数据转换器，例如，数模转换器(DAC)和模数转换器(ADC)，普遍应用于涉及现实世界信号的数字信号处理，如通信系统、装置以及音频和视频处理系统中的数字信号处理。

DAC设计的两个主要问题是单调性和分辨率。单调性意味着随着数字值增大，转换的模拟值也必须增大。很多DAC构件块需要在保持适度元件速率和适度设计复杂度的同时保证单调性。示例包括PLL环路中的数控振荡器中的DAC，或自动频率控制环中的数控晶体振荡器中的DAC。通常需要不同DAC元件之间匹配以保证单调性能。随着集成电路制造工艺的尺寸缩小，DAC元件的物理尺寸变得更小，控制DAC元件的尺寸使其匹配以实现单调性变得更加困难。所以，DAC元件的物理尺寸被匹配条件所限制，从而DAC没有受益于工艺缩小。

可以保证单调性的DAC的一种类型是温度计DAC。它被这样命名是因为它类似于水银温度计，其中水银柱总是上升到适合的温度，在该温度之上没有水银。通常，输入数字信号是二进制的，二进制码被转换为温度计码。然后温度计码用于控制温度计元件以生成模拟信号。对于温度计DAC，元件都是同样的尺寸，这样元件的匹配可以变得比在二进制情况下更加简单。考虑到传递函数，温度计转换器设计为单调的。这是因为当输入值增加时，比特仅仅从0变化到1。因此，元件匹配的条件在温度计DAC中能够放宽，并且单调性得到保证。

在传统的DAC中，温度计码可以与二进制码相结合以实现对于转换范围内的任何数字的数模转换。例如，对于12比特DAC，12比特被分为6个最高有效位(MSB)和6个最低有效位(LSB)。MSB被转换为63比特温度计码，每个比特(温度计比特)对应一个宏。每个宏能够提供对应于64倍单位电流的电流，其中单位电流是表示LSB的最低位的电流。从而每个MSB宏需要准确地提供64倍的单位电流。因此，MSB宏需要被校准。

通常，DAC的校准在DAC的开启时进行。在校准过程中，测量能够由LSB提供的总电流(称为LSB总和)。在上述的例子中，LSB总和应当是接近64倍单位电流的值，可能具有微小变量。然后测量到的LSB总和用于校准每个MSB温度计比特，这样由每个MSB比特提供的电流等于LSB总和。

然而，传统的校准工艺存在缺陷。在使用DAC期间，可能发生温度和电压导致的变化，LSB总和可能漂移。因此，每个MSB比特可能不再提供与漂移的LSB总和相同的电流。因此，不能再维持LSB和MSB之间的单调性。因此，需要新的校准方法解决上述的问题。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种校准数模转换器(DAC)的方法。DAC包括最低有效位(LSB)块，以及与LSB块相邻的虚拟LSB块。DAC具有最高有效位(MSB)块，其包括MSB温度计宏。该方法包括测量虚拟LSB块以获得虚拟LSB总和；以及校准MSB块，这样每个MSB温度计宏提供与虚拟LSB总和基本相同的电流。

根据本发明的另一个方面，在校准DAC的方法中，首先提供DAC。DAC包括LSB块；与LSB块相邻的虚拟LSB块；以及具有MSB温度计宏的MSB块。该方法包括测量LSB块以获得LSB总和；以及测量虚拟LSB块以获得第一虚拟LSB总和。在第一虚拟LSB总和不等于LSB总和的情况下，虚拟LSB块被校准，使得虚拟LSB块的第二虚拟LSB总和等于LSB总和。MSB块被校准，使得每个MSB温度计宏提供与LSB总和基本相同的电流。在校准MSB块的步骤之后，测量虚拟LSB块以获取第三虚拟LSB总和。校准MSB块，使得每个MSB温度计宏提供与第三虚拟LSB总和基本相同的电流。

根据本发明的又一个方面，DAC包括LSB块；以及与LSB块相邻的虚拟LSB块。虚拟LSB块是可配置的，从而虚拟LSB块的虚拟LSB总和能够被调整为基本等于LSB总和，该LSB总和随工艺、温度和电压的变化而波动。

由于MSB比特的连续校准以及LSB总和变化的连续跟踪，本发明的有益特征包括DAC的性能改进。从而本发明的实施例较少受到工艺、电压和温度变化的影响。

附图说明

为了更加全面地理解本发明及其有益效果，下面结合附图进行描述，其中：

图1示出了本发明的一个实施例，其包括数模转换器(DAC)的最低有效位(LSB)块和虚拟LSB块；

图2示出了可配置块，其包括主板面和可配置的子板面，其中可配置块可以用于最高有效位(MSB)和/或虚拟LSB块；

图3示出了DAC校准过程的流程图；以及

图4示出了由温度计比特(宏)的阵列形成的最高有效位(MSB)块的示意图。

具体实施方式

下面详细讨论本发明的实施例的制造和使用。应当理解的是，无论如何，示出的实施例提供了很多可在广泛多种场景中实施的适用的发明构思。所讨论的特定的实施例仅是制造和使用本发明的特定方法，并不是对本发明的范围的限制。

提供了一种新型的数模转换器(DAC)实施例和用于校准该DAC的校准方法。讨论了实施例的变型。在本发明的各个附图和示出的实施例中，相同的数字用于标注相同的元件。

在下面的描述中，除非另外说明，可以被分为7个最高有效位(MSB)和7个最低有效位(LSB)的14比特DAC，用作解释本发明的构思的一个示例。然而，本发明可以应用于具有其他任何比特数目的DAC，MSB比特和LSB比特可以被不同地分隔，例如，分为6个MSB比特和8个LSB比特。MSB比特被转换，并通过MSB温度计码表示，如果MSB比特的数目为7，则其具有128比特(此后称为MSB温度计比特)。另一方面，LSB比特，可以表示为温度计类型，即LSB比特也被转换为例如128温度计比特。可选择地，LSB比特可以使用两个x1单位单元，一个x2单位单元，一个x4单位单元，一个x8单位单元......以及一个x64单位单元表示为二进制形式，分别指示能够提供1倍、2倍、4倍、8倍......以及64倍单位电流的对应的单位单元。单位电流表示LSB比特的最低位。

图1示出了本发明的一个实施例。一种DAC电路包括LSB块和LSB虚拟块。LSB块包括为LSB比特提供电流的单位单元。在图1所示的示例性的实施例中，LSB比特被转换为温度计码，并由128个单位单元(每个为x1单位单元)表示，其可以形成为阵列。虽然网格中仅仅一列示出为具有晶体管，但是实际上LSB块中的网格的每一个都与其他的相同。128个x1单位单元中的每一个对应一个温度计比特。因此，LSB块能够提供高达128倍(或127倍)的单位电流。在下面的描述中，LSB块提供的总电流称为LSB总和。因此，虽然在实际情况中会有漂移，但是LSB总和预期设计为128。在可选择的实施例中，LSB比特以二进制形式实现。在示例的实施例中，LSB块包括两个x1单位单元、一个x2单位单元、一个x4单位单元、一个x8单位单元......以及一个x64单位单元。在另外的实施例中，LSB块可以具有任何其他适用的设计。LSB块和MSB块(参考图4)有助于作为D-A转换结果的模拟信号，例如，电流。

DAC电路还包括与LSB块相邻设置的虚拟LSB块。在优选的实施例中，虚拟LSB块设置于接近LSB块，其间没有其他的电路。更优选地，虚拟LSB块尽可能地物理上接近LSB块。虚拟LSB块能够提供基本等于LSB总和的总电流。需要注意的是，由于电流是模拟信号，所以电流可能彼此不完全相等。在本说明书中，当电流称作“等于”另一电流或电流总和时，可能意味着它们彼此基本相等，具有小于由LSB的最低位表示的单位电流的一半的偏差(意味着它们的数字表示相同)。也就是说，虚拟LSB块能够提供等于LSB总和的虚拟LSB总和。然而，与LSB块不同，虚拟LSB块不有助于作为D-A转换结果的电流。

在一个实施例中，虚拟LSB块可能复制LSB块的布局，这样它们具有相同的结构。在可选择的实施例中，虚拟LSB块可能具有与LSB块不同的设计和布局，这样它可能占用比LSB块更小的芯片面积，但是仍然能够提供与LSB总和相等的虚拟LSB总和。这可以通过，例如，形成x4、x8单位单元(代替x1单位单元)等等，以及通过调整单位单元的W/L比以减小它们的尺寸而实现，其中W/L比是单位单元中的晶体管的栅宽和栅长之比。

图1也示出虚拟LSB块和LSB块中的单位单元的栅极可以互连，这样它们在相同的参考电压下运行。有利地，如果参考电压有任何漂移，其导致虚拟LSB总和的漂移和LSB总和的漂移，则虚拟LSB总和的漂移和LSB总和的漂移预期为在相同的方向，并且有希望保持基本彼此相等。

虽然虚拟LSB块被设计为使得虚拟LSB总和可能等于LSB总和，但是由于工艺、电压和温度变化(尤其是工艺变化)，测量到的虚拟LSB总和可能不等于LSB总和。从而虚拟LSB块需要校准。图2示出了显示虚拟LSB块可以如何被校准的虚拟LSB块的示例性的电路原理图。虚拟LSB块包括主板面，其可以提供粗略匹配、但是小于LSB总和的总和，以及可配置的子板面，用于精细调整虚拟LSB总和，以更精确地匹配LSB总和。主板面用晶体管表示，其实际上可以包括虚拟LSB块中的多个单位单元，多个单位单元彼此互连以提供高电流。在示例性的实施例中，主板面提供124的总和(等于124倍的单位电流的总电流)。另一方面，子板面包括单位单元子板面0到子板面7，能够提供16倍的单位电流。在各自DAC电路的开启时，子板面设计为使得其仅提供8倍单位电流，这样主板面和子板面的总和为128。在测量LSB块的总和以及虚拟LSB块的总和之后，如果虚拟LSB总和大于LSB总和，则子板面配置为，使得子板面中更少的单位单元被开启，直到虚拟LSB的总和与LSB的总和相匹配。然而，如果虚拟LSB总和小于LSB总和，则子板面被配置为使得子板面中更多的单位单元被开启直到虚拟LSB的总和与LSB的总和相匹配。需要注意的是，子板面可以为温度计形式，包括八个x1单位单元，或为二进制形式，包括，例如，两个x1单位单元、一个x2单位单元和一个x4单位单元。可以理解的是，上述描述中提供的数目仅仅是示例，对于不同的DAC设计可以发生变化。

在校准虚拟LSB之后，虚拟LSB总和基本与LSB总和匹配。因为虚拟LSB块位置接近LSB块，所以可预期的是，如果发生任何变化(特别是温度和电压变化)而导致LSB总和漂移，则虚拟LSB总和也在相同的方向漂移以匹配LSB总和，这样虚拟LSB总和与LSB总和之间的差值保持在可忽略的值。换言之，虚拟LSB总和是LSB总和的镜像。因此，在DAC的运行中，可以测量虚拟LSB总和以确定LSB总和。这在当DAC在使用中，LSB总和不能被直接测量时，是特别需要的。

图3示出了DAC校准过程的流程图。在DAC电路开启之后(步骤10)，LSB总和被测量和存储在寄存器20中。接下来，测量虚拟LSB总和，如步骤22中所示，并与LSB总和相比较(步骤23)。虚拟LSB总和可以，或者可不等于LSB总和。在虚拟LSB总和不等于LSB总和的情况下，进行虚拟块校准以使得虚拟LSB总和等于LSB总和(步骤24)。可以使用图2所示的结构和步骤进行校准。然而，如果虚拟LSB总和等于LSB总和，则可以跳过校准步骤，进行步骤26。步骤20、22、23和24可以是前置步骤，优选为在DAC投入使用之前进行。可选择地，步骤20、22、23和24可以是后台步骤，不干扰DAC的使用。

接下来，如步骤26所示，测量第一MSB温度计比特的电流。该电流与存储在寄存器中的LSB总和相比较(步骤28)。如果第一MSB温度计比特的电流不等于LSB总和，则进行MSB比特校准(步骤30)直到第一MSB温度计比特提供等于LSB总和的电流。第一MSB温度计比特(以及所有其他的MSB温度计比特)的宏也可以使用图2所示的电路原理图示出。然而，MSB温度计宏的布局可以与虚拟LSB块不同。另外，每个MSB温度计宏可以包括主板面和可配置的子板面。然而，如果第一MSB温度计比特的电流等于LSB总和，则跳过步骤30，进行检测(步骤32)以查明当前的MSB温度计比特是否是MSB温度计阵列的最后比特。因为当前的比特是第一MSB温度计比特，所以工艺流程返回步骤26以检测第二MSB温度计比特(也请参考图4)。通过循环经过步骤26、28、30和32，所有的MSB温度计比特被测量并针对存储在寄存器28中的LSB总和进行校准。

在128个MSB温度计比特都已经被测量和校准之后，工艺进行到步骤34。在步骤34中，虚拟LSB块被再次测量。可以理解的是，从进行步骤22的时间到进行步骤34的时间，LSB总和可能由于例如电压和温度变化而从初始值漂移了。然而，由于LSB块可以用于D-A转换，测量LSB总和是不可行和不合需要的。如前文所述，虚拟LSB总和是LSB总和的镜像，从而通过测量虚拟LSB总和，可以得知LSB总和。新的虚拟LSB总和(其等于新的LSB总和)被保存在寄存器20中，替代步骤10中存储的LSB总和。接下来，再次进行步骤26、28、30和32以测量和校准MSB温度计比特的电流。然而，在这个步骤中，MSB温度计比特再次针对虚拟LSB总和进行校准。

需要注意的是，步骤26、28、30、32和34也形成了一个循环，其中虚拟LSB总和被测量，所有的MSB温度计比特根据新测量的虚拟LSB总和进行校准。该循环在后台工艺中进行，优选为只要DAC电路的电源开启就持续运行。通过这样的后台校准，LSB和MSB之间的单调性可以不受温度和电压变化的影响而得到维持。

参考图4，MSB温度计包括备用比特。从而得到的MSB温度计比特序列仅包括127比特可以有助于作为D-A转换结果的电流。因为后台校准循环必然通过所有的MSB温度计比特，所以可能会发生在MSB温度计比特被测量和校准时，对于D-A转换也需要相同的MSB温度计比特，并需要被开启。例如，在图4中，D-A转换可能需要第一和第二MSB温度计比特开启，同时后台校准工艺也同时对第二MSB比特进行校准。在这种情况下，第二MSB比特可以与D-A转换的当前路径断开连接，同时备用MSB温度计比特连接到当前路径中以提供用于第二MSB温度计比特的电流。在这种情况下，仍然有两个温度计比特提供电流，D-A转换不受影响。

本发明的实施例包括几个有益特征。通过进行校准过程，MSB温度计比特被动态校准以补偿导致LSB总和漂移的工艺、电压和温度变化。从而改善了DAC的性能和单调性。然而，这样的连续校准不会干扰D-A转换。

尽管详细描述了示出的实施例及其有益效果，但是应当理解的是，在不偏离限定在附加的权利要求中的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种变化、替代和改造。此外，本申请的保护范围不限于本说明书中描述的工艺、设备、制造、物质的组成、装置、方法和步骤的具体实施例。由于本领域的普通技术人员将很容易从本发明所公开的内容得到启示，因此根据本发明的内容，目前存在的或之后开发出的、与这里所描述的相关实施例发挥基本相同的作用或达到基本相同的效果的工艺、机器、制造、物质的成分、装置、方法或步骤可能被利用。因此，所附的权利要求目的在于把工艺、机器、制造、物质的成分、装置、方法或步骤包括在其范围之内。

Claims (15)

1.一种校准数模转换器(DAC)的方法，所述方法包括：

提供所述DAC，包括：

最低有效位(LSB)块；

与所述LSB块相邻的虚拟LSB块；以及

包括MSB温度计宏的最高有效位(MSB)块；

测量所述虚拟LSB块以获取第一虚拟LSB总和；以及

校准所述MSB块以使得每个MSB温度计宏提供与所述第一虚拟LSB总和基本相同的电流。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括重复从测量所述虚拟LSB块的步骤开始直到以及包括校准所述MSB块的步骤，其中测量所述虚拟LSB块的步骤和校准所述MSB块的步骤通过后台工艺进行。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：

测量所述LSB块以获取LSB总和；以及

校准所述虚拟LSB块以使得所述虚拟LSB块的第二虚拟LSB总和等于所述LSB总和；

其中校准所述虚拟LSB块的步骤在测量所述虚拟LSB块以获取所述第一虚拟LSB总和的步骤和校准所述MSB块的步骤之前进行。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一虚拟LSB总和不同于所述第二虚拟LSB总和。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述MSB块包括备用MSB温度计宏和多个MSB温度计宏，其中所述方法还包括在校准一个所述MSB温度计宏的步骤中，开启所述备用MSB温度计宏以提供用于所述一个MSB温度计宏的电流。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述LSB块不包括任何可配置的子板面，其中所述虚拟LSB块包括可配置的子板面。

7.一种校准数模转换器(DAC)的方法，所述方法包括：

提供DAC，包括：

最低有效位(LSB)块；

与所述LSB块相邻的虚拟LSB块；以及

包括MSB温度计宏的最高有效位(MSB)块；

测量所述LSB块以获取LSB总和；

测量所述虚拟LSB块以获取第一虚拟LSB总和；

校准所述虚拟LSB块以使得所述虚拟LSB块的第二虚拟LSB总和等于所述LSB总和；

校准所述MSB块以使得每个所述MSB温度计宏提供与所述LSB总和基本相同的电流；

在校准所述MSB块的步骤之后，测量所述虚拟LSB块以获取第三虚拟LSB总和；以及

校准所述MSB块以使得每个所述MSB温度计宏提供与所述第三虚拟LSB总和基本相同的电流。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括，在DAC被开启的全部时间，重复测量所述虚拟LSB块以获取所述第三虚拟LSB总和的步骤到校准所述MSB块以使得每个所述MSB温度计宏提供与所述第三虚拟LSB总和基本相同的电流的步骤，以及其间的步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述重复的步骤通过后台工艺进行。

10.根据权利要求8所述的方法，其中在重复步骤期间，所述虚拟LSB块和/或所述LSB块不被校准。

11.一种数模转换器(DAC)，包括：

最低有效位(LSB)块；以及

与所述LSB块相邻的虚拟LSB块，其中所述虚拟LSB块的虚拟LSB总和是可配置的。

12.根据权利要求11所述的DAC，其中所述虚拟LSB块包括主板面和与所述主板面连接的可配置的子板面，其中所述虚拟LSB总和可在介于大于所述LSB块的LSB总和的第一值到小于所述LSB总和的第二值之间的范围内配置。

13.根据权利要求11所述的DAC，其中所述LSB块不包括可配置的子板面。

14.根据权利要求11所述的DAC，其中所述虚拟LSB块和所述LSB块具有相同或不同的布局。

15.根据权利要求11所述的DAC，还包括MSB块，其包括相同的温度计宏，其中每个所述相同的温度计宏是可配置的。

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