CN102006079B

CN102006079B - 数模转换器

Info

Publication number: CN102006079B
Application number: CN2010105995450A
Authority: CN
Inventors: 任俊彦; 程龙; 杨海峰; 叶凡; 许俊; 李宁; 李巍
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-12-22
Also published as: CN102006079A

Abstract

本发明属于微电子技术领域，具体为一种数模转换器结构。它包含温度计编码器、电流源阵列、电流源分流结构以及相应的数字校准模块等。其中，温度计编码器，用于将输入的数字信号码流转换成温度计码；电流源阵列，用于输出模拟信号；电流源分流结构将一个高位的电流源通过分流结构形成低位的电流源；数字校准模块包括比较器、开关阵列以及电流源补偿电路。数字校准电路是在随机时钟控制下进行工作，对高位电流源以及电流源分流结构进行校准。本发明采用电流源分流结构以及相应的数字校准电路，可减少电路实现的面积成本，提高数模转换精度。

Description

数模转换器

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种具有校准功能的数模转换器结构。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，特别是3G/4G、家庭基站等技术的不断涌现，对模拟器件的性能提出了更高的要求。宽带、高速、高精度的数模转换器（DAC）是实现新一代宽带无线移动通信基站系统的核心技术。由于电流舵型数模转换器结构（Current Steering DAC）具有高速高精度的特点，所以该结构成为应用于通信领域中的DAC的首选结构。

一般情况下，电流舵型DAC主要包含温度计编码器和单位DAC电流源阵列。它的工作原理是将二进制数字码流通过温度计编码器转换成温度计码，然后利用温度计码携带的温度计码控制信号控制单位DAC电流源阵列的开启，从而得到模拟信号。DAC电流源阵列一般采用分段式结构，分成高位电流源（Most significant Bit, MSB），中低位电流源（Upper Least significant Bit, ULSB）和低位电流源（Lower Least significant Bit, LLSB）。例如一个14位DAC可以分成6位MSB，6位ULSB和2位LLSB。采用分段式结构可以优化电流源阵列的结构，减小电流源的面积，同时可以优化校准结构。

由于集成电路在制造过程中，存在很多非理想因素，造成芯片上的载流子、栅氧厚度等分布的不均匀。同时，工作中受到的焊接线（bonding wire）的压力、温度、电源线和地线，以及时钟线的分布的影响，都会对DAC模拟电路造成误差。这些误差大大地降低了DAC的动态性能SFDR（spurious-free dynamic range）。

高性能DAC需要校准电路才能消除误差对性能的影响。消除DAC中系统性和随机性误差分布主要有三种方法，分别为工艺调整（trimming），动态元件匹配（DEM，Dynamic Element Matching）和校准电路（calibration）。工艺调整是在工艺制造中额外添加工序，或者在制造完成后进行调整修正，虽然工艺调整可以消除误差分布，但是需要较高的成本，不适合大量生产应用。动态元件匹配（DEM）通过随机化误差分布，将谐波转化为噪声，提高DAC的动态性能。DEM算法有多种实现形式，例如全随机化DEM，部分随机化DEM等。类似DEM的数据权重平均（Data Weighted Average，DWA）技术同样基于随机化失配误差来提高SFDR。但DEM算法的引入会造成毛刺的增加。这时需要引入其他技术，如毛刺自归零（Return-to-Zero），约束DEM算法等技术。虽然随着数字综合技术的发展，在数字模块中可以实现DEM算法，但是DEM算法的复杂性使得数字模块的面积和功耗过大。而且，实现复杂DEM算法的数字模块对数模转换器的转换速度产生较大制约。校准电路是通过引入辅助电路，以某种方式消除电流源阵列间的误差。例如，基于浮动电流源的模拟后台自校准，基于最小均方（LMS）算法数字后台校准方法等等。校准电路相对于工艺调整和DEM，具有低复杂度和高速的特点。但校准电路可能过多的引入辅助电路和冗余的电流源阵列，引起面积和功耗的问题，且校准工作时可能会引入杂散噪声（spur）。所以，校准电路需要考虑与电流源阵列结合的方式以减小面积和提高效率；同时，要求校准工作不能引人杂散。

因此，本发明提出的DAC校准结构采用电流源分流技术代替冗余电流源阵列，并且在随机时钟的控制下进行校准工作。本发明的DAC结构具有小面积，同高校准效率等优点，能够应用于宽带无线移动通信基站、显示面板、消费类电子等等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的数模转换器，其结构不仅能消除系统性误差和随机性误差，不引入杂散噪声，而且能优化电流源阵列面积。

本发明提供一种数模转换器，它包含温度计编码器、电流源阵列、电流源分流结构以及相应的数字校准模块等。其中，温度计编码器，用于将输入的数字信号码流转换成温度计码；电流源阵列，用于输出模拟信号；电流源分流结构将一个高位的电流源通过分流结构形成低位的电流源，该结构可以减小电流源阵列面积；数字校准模块包括比较器、开关阵列以及电流源补偿电路。

进一步的，电流源分流结构是将一个与MSB电流源相同的电流源进行分流，分流是通过并联多个MOS管实现的。

进一步的，通过电流源分流形成ULSB和LLSB电流。

进一步的，每个MSB电流源都与一个电流源补偿电路并联。

进一步的，电流源分流结构中有两个与MSB电流源相同的电流源，其中当一个电流源用于提供ULSB和LLSB电流时，另一个进行校准；并在校准控制下，两个电流源进行轮换。

进一步的，电流源分流结构中有两个与MSB电流源相同的电流源，每个电流源分别与一个电流源补偿电路并联。

进一步的，校准电路是在随机时钟控制下进行工作。

进一步的，校准电路中的比较器可以是电流比较器也可以是电压比较器。

进一步的，校准电路不仅对每个MSB电流源进行校准，而且对电流源分流结构中的电流源进行校准。

根据本发明的一个实施例，提供了一个14位的数模转换器（DAC）。该DAC包括：14位数字输入信号，同步锁存器，编码及校准控制模块，锁存器及开关阵列，电流源阵列，电流源分流模块以及校准模块。其中，编码模块将14位分成6位MSB，6位ULSB和2位LLSB结构，并将6位MSB和6位ULSB分别转化为温度计码。校准模块是在随机时钟控制下进行工作，并对63个MSB电流源和电流源分流模块中的电流源进行校准。通过校准模块，MSB、ULSB以及LLSB电流源的电流值大小都得到了修正，大大提高了DAC的性能。并且随机时钟可以避免校准模块引人的杂散噪声。

因而，本发明可以实现高速高精度DAC。本发明的数模转换器结构简单，能较大缩小DAC模拟部分的面积，达到降低数模转换器制造成本的效果。

附图说明

图1为本发明的DAC结构示意图。

图2 为根据本发明的实施例14位DAC结构示意图。

图3为ULSB和LLSB开关阵列示意图。

图4为电流源补偿电路的一种实现方式。

图5 为校准时序图。

图6为随机时钟电路的一种实现方式。

具体实施方式

以下将配合附图详细说明本发明的数模转换器。然而，应该想到，本发明提供了可以在多种特定环境中被具体化的多种可应用发明思想。所述的实施例仅示出了制造和使用本发明的特定方式，而不限制本发明的范围。

如图1所示，为根据本发明的一个具体实施例14位数模转换器(DAC)。包括：电流源阵列 100，校准模块 200，编码及校准控制模块 300，锁存器和开关阵列 400，同步锁存器 500，以及电流源分流结构 600。数字输入信号通过同步锁存器 500与DAC内部时钟进行同步。编码模块 300将14位分成6位MSB、6位ULSB和2位LLSB，并将6位MSB和6位ULSB分别转换成63位的温度计码，通过锁存器和开关阵列 400对电流源进行控制。MSB电流源共65个，其中63个提供MSB电流值，另外两个提供给电流源分流结构 600，通过分流机制形成ULSB和LLSB电流。用两个电流源是为了进行校准，即一个电流源处在工作中，另一个进行校准。校准模块 200包含一个比较器，在校准控制模块 300的控制下，将65个MSB电流源分别与一个基准电流值进行比较，修正65个MSB电流源值。校准控制模块 300在随机时钟的控制下工作。

如图2所示，为14位DAC的部分结构图，包括：MSB电流源单元 101~163，MSB开关阵列 410，ULSB与LLSB开关阵列 420，电流源分流结构 600和校准模块 200。如图2中所示，该实例采用的MOS管由PMOS管组成，同理，采用NMOS管同样可以实现本发明。对于MSB电流源单元 101，由电流源管M_S1、cascode管M_C1以及电流源补偿电路 701组成。对于MSB电流源单元 102，由电流源管M_S2、cascode管M_C2以及电流源补偿电路 702组成。同理，第63个MSB电流源单元 163由电流源管M_S63、cascode管M_C63以及电流源补偿电路 763组成。偏置电压VB1和VB2分别为电流源管M_S1~ M_S65和cascode管M_C1~ M_C63提供偏压。

MSB开关阵列 410由63组开关管组成，分别控制电流源管M_S1~ M_S63--中的电流。其中，MOS管M_T1~M_T63的电压由电压信号VM1~VM63进行控制，电压信号VM1~VM63由校准控制模块 300提供。例如，当VM1为低电平时，电流源管M_S1中的电流通过MOS管M_T1，同理，当VM63为低电平时，电流源管M_S63中的电流通过MOS管M_T63。

电流源分流结构 600中的电流源由两个电流源管M_S64和M_S65，以及补偿电流电路764和765组成。cascode管M1~M4的偏置电压Vc和Vcb由电压控制模块 610提供。Vc和Vcb电压值的范围为VB2至电源电压VDD。电压控制模块是在电压信号Vcalu的上升沿被触发，以改变Vc和Vcb的电压值，电压信号Vcalu由校准控制模块 300提供。例如，开始时Vc的电压值为VB2时，Vcb电压值为VDD，当Vcalu的上升沿触发时，Vc的电压值变为VDD时，Vcb电压值变为VB2，当Vcalu的上升沿再次触发时，Vc与Vcb电压值进行互换。模块 620位电流选通器，即当Vcalu为高电平时M5管关闭，电流流经M6管，当Vcalu为低电平时M6管关闭，电流流经M5管。

电流源分流结构 600可以将电流源管M_S64或M_S65中的电流通过cascode管M1至M4中的一个管子流入ULSB和LLSB开关阵列 420中，以形成ULSB和LLSB电流。如图3所示为ULSB和LLSB开关阵列 420，包括：63对ULSB开关管ULSB1~ULSB63，以及3对LLSB开关管LLSB1、LLSB2、LLSB3以及1对LLSB冗余管DUMMY。通过开关管对电流源管M_S64或M_S65中的电流进行分流，形成63个ULSB电流和3个LLSB电流。

图2中的模块 200为图1中的校准模块 200，由比较器和开关阵列组成。其中，比较器可以由电压比较器或电流比较器组成。开关阵列是由校准控制模块 300进行控制，在每个校准周期内，将比较器的输出信号分别与一个电流源补偿电路 701~765相连接。比较器的输出信号控制电流源补偿电路 701~765中的电流大小，用于修正电流源M_S1~ M_S65-的电流值。如图4所示，为电流源补偿电路 701~765的一种实现方式 700，其中包括一个电流管M_A和一个电容C_A，电容C_A连接到校准模块 200，用于存储电压信号，对电流管的栅源电压进行控制，从而修正电流源M_S1~ M_S65-的电流值。

如图5所示，为校准时序示意图。校准控制模块 300提供的电压信号VM1~VM63以及Vcalu在每个时钟周期时依次变成低电平，并持续一个时钟周期。在校准周期701时，电压信号VM1变为低电平，同时MSB开关阵列 410中相应的开关对管关闭，电流源M_S1的电流和补偿电路 701中的补偿电流一起通过M_T1管，进入校准模块 200中，其中的比较器对此电流和基准电流进行比较得到一个控制电压值，通过开关阵列，反馈到补偿电路 701中的电容C_A上，电流管M_A的栅源电压发生改变，直到电流源M_S1的电流和补偿电路 701中的补偿电流之和与基准电流相等时，反馈回路中的控制电压值稳定。此过程即是通过电流值的比较而产生的控制电压对补偿元件进行控制的过程，目的是使补偿元件中的电流值来修正单位电流源。

在校准周期702时，电压信号VM2变为低电平，同时MSB开关阵列 410中相应的开关对管关闭，电流源M_S2的电流和补偿电路 702中的补偿电流一起通过M_T2管，进入校准模块 200中，其中的比较器对此电流和基准电流进行比较得到一个控制电压值，通过开关阵列，反馈到补偿电路 702中的电容C_A上，电流管M_A的栅源电压发生改变，直到电流源M_S2的电流和补偿电路 702中的补偿电流之和与基准电流相等时，反馈回路中的控制电压值稳定。

以此类推，直到校准周期763结束时，电流源M_S63得到补偿。下一校准周期对电流源分流结构 600中的电流源进行补偿。其过程如下：在校准周期701~763时，控制电压Vcalu为高电平，电压Vc值为VB2，Vcb值为VDD，电流源M_S64通过M1管和M6管接地，而电流源M_S65通过M4管进入ULSB和LLSB开关阵列 420为ULSB和LLSB提供电流。在校准周期764时，控制电压Vcalu为低电平，M5管和M6管的状态发生变化，即电流源M_S64通过M1管和M5管进入校准模块 200，于是补偿电路 764进入校准状态。当校准周期764结束且进入763~701校准状态时，控制电压Vcalu出现上升沿，电压控制模块 610被触发，电压Vc和Vcb的状态发生变化，即电压Vc值为VDD，Vcb值为VB2，电流源M_S65通过M1管和M6管接地，而电流源M_S64通过M4管进入ULSB和LLSB开关阵列 420为ULSB和LLSB提供电流。在校准周期765时，控制电压Vcalu为低电平，M5管和M6管的状态发生变化，即电流源M_S65通过M1管和M5管进入校准模块 200，于是补偿电路 765进入校准状态。当校准周期765结束时，控制电压Vcalu出现上升沿，电压控制模块 610被触发，电压Vc和Vcb的状态再次发生变化，电流源M_S64通过M1管和M6管接地，而电流源M_S65通过M4管进入ULSB和LLSB开关阵列 420为ULSB和LLSB提供电流。至此，一个校准周期结束。

校准周期一开始对补偿电路 701进行校准，下一个时钟周期对补偿电路 702进行校准，以此类推，在第63个时钟周期时，对补偿电路 763进行校准。再下一个时钟周期时，电流源分流结构 600中的补偿电路 764进入校准状态，而电流源分流结构 600中另一个电流源处在工作的状态。再下一个时钟周期时，补偿电路701~763又分别进入一轮校准状态。隔63个时钟周期后，电流源分流结构 600中的补偿电路 765进入校准状态，而另一个电流源处在工作的状态。在一个校准周期中，电流源管M_S1~ M_S65电流值依次得到补偿电路 701~765的修正。本领域的技术人员将明白，在一个校准周期中，电流源管都将得到校准，但是校准的次序和次数可以任意设置。

在该实例中，如图5所示，校准时钟为一个固定周期，但是如果采用随机时钟作为校准时钟，可以消除校准过程引入的杂散噪声。所谓的随机时钟即是时钟周期不固定，为一个随机变化的量。

如图6所示，为一种随机时钟实现方式。该实施例中的随机时钟主要包含线性反馈位移寄存器（LFSR）和计数器。LFSR输出数与一个可调的固定数进行加和，求和后传给计数器，作为计数器的预存数。计数器在一个固定周期的时钟控制下进行计数。当计数值达到预存数时，计数器变产生一个上升沿脉冲，宽度为固定周期时钟的周期宽度。

本发明中的编码及校准控制模块 300和随机时钟模块，均可通过硬件描述语言VerilogHDL代码编写，并通过数字综合的方式来实现；也可以采用全定制的方式实现。

本发明的实施例DAC是一种实时的后台校准电路，校准的同时不打断DAC的正常工作，而且后台校准能够克服工作芯片温度变化的影响。当然，本发明可以采取前台校准的方式实现，即再DAC工作之前，通过设置补偿电路以达到校准的目的。

本发明的数模转换器通过引入电流源分流技术优化了电流源阵列，减小了电流源的实现面积。同时，采用校准技术对电流源进行校准以消除匹配误差，大大提高DAC的性能。并且可以采用随机时钟消除校准过程引人的杂散噪声。

虽然已经详细描述了本发明及其优点，但是，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，在此可以做出多种改变、替换和修改。例如，可以以软件、硬件或固件或其结合来实现上述多个特征和功能。而且，本发明的范围不限于在说明书中描述的处理、机器、制造、物质成分、装置、方法和步骤的特定实施例。如本领域技术人员根据本发明的公开内容、现有或后来开发的处理、机器、制造、物质成分、装置、方法和步骤能够容易地想到的，可以根据本公开利用执行基本上与本文中所描述的对应实施例相同的功能或者基本实现与本文所描述的对应实施例相同的结果。因此，所附权利要求包括在这样的处理、机器、制造、物质成分、装置、方法或步骤的范围内。

Claims

1.一种数模转换器，包含：

电流源阵列，包括电流源分流结构和电流源补偿电路，用于输出模拟信号；所述电流源分流结构，将电流源阵列中的一个高位的电流源通过分流结构形成中低位和低位的电流源；

校准模块，包括比较器以及连接比较器和电流源补偿电路的开关阵列，用于校准电流源阵列中电流源的失配；

编码及校准控制模块，用于将输入的数字信号码流分成高位、中低位和低位，并将高位和中低位分别转换成温度计码，并控制校准模块工作；

锁存器和开关阵列，前者用于锁存信号进行信号的同步，后者控制电流源阵列输出的开启与关闭；

同步锁存器，用于将输入信号初步锁存；

其特征在于，所述数模转换器的校准模块用于校准高位电流源；同时，电流源分流结构用于优化中低位和低位电流源，并具有被校准的功能，通过编码及校准控制模块对校准模块的控制，对电流源分流结构中的电流源进行校准，这样中低位和低位电流源阵列的电流值也得到了修正。

2.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，电流源分流结构包含两个电流源，一个为中低位及低位提供电流，同时另一个处于校准状态。

3.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，电流源分流结构包含多个电流源，一个或多个提供工作电流，同时另一个或多个处于校准状态。

4.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，电流源分流结构通过控制电流源上串联的MOS管，使电流源分流结构中电流产生不同流向，使电流源处于校准或工作等不同状态中。

5.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，校准模块提供校准的控制信号，通过比较器，对电流源阵列中的电流源补偿电路进行控制，以修正电流源阵列的失配误差。

6.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，比较器由电压比较器或电流比较器组成。

7.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，校准控制模块提供控制信号，控制开关阵列中开关的开启和关闭，由此决定哪个电流源进入校准状态。

8.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，电流源补偿电路由一个MOS管和电容组成，电容控制MOS管的栅源电压以改变MOS管的电流。

9.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，校准模块在一个校准周期中，不仅对高位的电流源进行校准，而且对电流源分流结构中的电流源进行校准，即对中低位及低位的电流源进行校准。

10.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，编码及校准控制模块在一个随机时钟的控制下进行工作。

11.一种14位数模转换器，包含14位数字输入信号，同步锁存器，编码及校准控制模块，锁存器及开关阵列，电流源阵列，以及校准模块；所述电流源阵列包括电流源分流结构和电流源补偿电路；其中：

所述编码及校准控制模块中的编码模块将14位数字输入信号分成6位高位电流源，6位中低位电流源和2位低位电流源结构，并将6位高位电流源和6位中低位电流源分别转化为温度计码；

所述电流源阵列，由65个电流源组成，其中63个为高位提供电流，另2个通过电流源分流结构，转换成为低位的电流源，即为6位中低位和2位低位提供电流；

同步锁存器，用于将输入信号初步锁存；

电流源分流结构，将电流源阵列中的一个高位的电流源通过分流结构形成中低位和低位的电流源；

其特征在于，所述校准模块产生64个控制信号，其中63个控制63个高位电流源进入校准状态，另1个控制电流源分流结构中的两个电流源，使其中一个处于校准或接地的状态，一个为中低位和低位提供电流；该校准模块校准高位电流源；同时，电流源分流结构优化低位电流源的结构，并具有校准的功能，通过对校准模块的控制对电流源分流结构中的电流源进行校准，使低位电流源阵列的电流值也得到修正。

12.如权利要求11所述的数模转换器，其特征在于，电流源分流结构通过控制电流源上串联的MOS管，使电流源分流结构中电流产生不同流向，使电流源处于校准或工作等不同状态中。

13.如权利要求11所述的数模转换器，其特征在于，校准模块提供校准的控制信号，通过比较器，对电流源阵列中的电流源补偿电路进行控制，以修正电流源阵列的失配误差。

14.如权利要求11所述的数模转换器，其特征在于，比较器由电压比较器或电流比较器组成。

15.如权利要求11所述的数模转换器，其特征在于，校准控制模块提供控制信号，控制开关阵列中开关的开启和关闭，由此决定哪个电流源进入校准状态。

16.如权利要求11所述的数模转换器，其特征在于，电流源补偿电路由一个MOS管和电容组成，电容控制MOS管的栅源电压以改变MOS管的电流。

17.如权利要求11所述的数模转换器，其特征在于，校准模块在一个校准周期中，不仅对高位的电流源进行校准，而且对电流源分流结构中的电流源进行校准，即对低位的电流源进行校准。

18.如权利要求11所述的数模转换器，其特征在于，编码及校准控制模块在一个随机时钟的控制下进行工作。