CN102545907B - 数模转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数模转换器，包括：基准电流源；基准电压源；基准晶体管，连接于基准电流源；若干电流源晶体管，与所述基准晶体管构成镜像电流源阵列；与电流源晶体管数目相同的开关装置，分别与对应的电流源晶体管连接，每个开关装置根据数字输入代码把与它连接的电流源晶体管的电流输出至求和电路；求和电路，包括第一运算放大器和电阻；第二运算放大器，其反相输入端与第一运算放大器的同相输入端共接后连接基准电压源，同相输入端与基准晶体管的漏极共接，所述第二运算放大器的输出端分别与基准晶体管和电流源晶体管的栅极连接。本发明的数模转换器，大大提高了输出的线性范围，更好的利用了电源电压。

Description

数模转换器

技术领域

本申请涉及集成电路设计技术领域，特别是涉及一种数模转换器，用以将数字输入代码转换成模拟信号输出。

背景技术

随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、图像等)，要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路--模数和数模转换器。

数模转换器的原理在于：数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的位权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其位权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字-模拟转换。

n位数模转换器的方框图如图1所示。数模转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压几部分组成。数字量以串行或并行方式输入、存储于数码寄存器中，数字寄存器输出的各位数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为1的位在位权网络上产生与其权值成正比的电流值，再由求和电路将各种权值相加，即得到数字量对应的模拟量。

按解码网络结构不同，数模转换器有倒T形电阻网络数模转换器、T形电阻网络数模转换器和权电流数模转换器等。

倒T形电阻网络数模转换器中的模拟开关，存在导通电阻和导通电压，它们的存在无疑会引起求和电流的误差。为进一步提高数模转换器的精度可采用全电流型数模转换器。

N位权电流数模转换器的传统电路10如图2所示。图中，具有电流负反馈的NMOS管组成恒流源电路。

N位权电流数模转换器的传统电路10包括：基准电流源，用以提供基准电流I_ref；基准电压源，用以提供基准电压V_ref，基准电压源连接于电源电压VDD；基准晶体管M_b，连接于基准电流源；N个NMOS晶体管(M_N-1、M_N-2、.........M₂、M₁)，与基准晶体管M_b构成镜像电流源阵列；N个开关装置15，分别与对应的NMOS晶体管连接，每个开关装置根据数字输入代码b₀、b₁.........b_N-2、b_N-1把与它连接的NMOS晶体管的电流输出至求和电路13；求和电路13由第一运算放大器131和电阻132构成；第二运算放大器14，基准晶体管M_b连接在第二运算放大器14的同相输入端和输出端之间构成负反馈，第二运算放大器的同相输入端与第一运算放大器13的同相输入端共接后连接基准电压源。

第二运算放大器14为所有的NMOS晶体管提供了一个相同的栅源极电压：

V_A＝V_-V_o＝V_ref-V_o    (1)

M_b、M_N-1、M_N-2、.........M₂、M₁组成的是镜像电流源阵列，输入n位数字信号(b₀、b₁、.........b_N-2、b_N-1)控制相应的开关装置15。由图中可以得出

V_out＝R(b_N-1I+b_N-22I+......b₀2^N-1I)+V_ref    (2)

对于数模转换器来说，输出线性范围是很重要的一个技术参量。由公式(2)可以看出，图2所示的数模转换器的输出线性范围在参考电压V_ref和电源电压VDD之间，由于电源电压VDD受工艺控制无法改变，因此要提高数模转换器的线性范围，就必须降低参考电压V_ref。

晶体管的删源极电压必须要大于阀值电压V_th，由公式(1)可得，

VA＝V_ref-V_o＞V_th

即，V_ref＞V_th+V_o

以CMOS 0.18um工艺为例，电源电压VDD＝1.8V，V_th＝0.7V，V_o＝0.3V，即V_ref＞1V，因此图2所示的数模转换器10的输出线性范围大约为1V-1.8V，也就是说有一半多的电源电压没有利用，严重限制了输出线性范围。

因此，有必要提供一种新型的数模转换器。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种输出线性范围大的数模转换器。

为了实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下：

一种数模转换器，包括：

基准电流源，用以提供基准电流；

基准电压源，用以提供基准电压；

基准晶体管，连接于基准电流源；

若干电流源晶体管，与所述基准晶体管构成镜像电流源阵列，每一电流源晶体管的漏极-源极之间的电流与基准晶体管的漏极-源极之间的电流成一设定的比例，基准晶体管和电流源晶体管的源极均接地；

与电流源晶体管数目相同的开关装置，分别与对应的电流源晶体管连接，每个开关装置根据数字输入代码把与它连接的电流源晶体管的电流输出至求和电路；

求和电路，包括第一运算放大器和电阻；

第二运算放大器，其反相输入端与第一运算放大器的同相输入端共接后连接基准电压源，同相输入端与基准晶体管的漏极共接，所述第二运算放大器的输出端分别与基准晶体管和电流源晶体管的栅极连接。

优选的，在上述数模转换器中，所述基准晶体管和电流源晶体管均为NMOS管，所述基准晶体管的漏极和栅极非短接。

优选的，在上述数模转换器中，所述开关装置选自三极管、可控硅、继电器开关或金属氧化物半导体场效应管。

由以上技术方案可以见，本申请实施例提供的该数模转换器，将镜像电流源中的晶体管源极接地，栅极的电压则由第二运算放大器直接提供，因此晶体管的栅源极电压等于第二运算放大器的输出电压。镜像电流源中电流匹配的条件是晶体管必须工作在饱和区，由于基准晶体管的漏极-源极电压即为参考电压Vref，而一般情况下进入饱和区的临界电压为0.1V-0.2V，由此可见Vref的最小值可以为0.1V-0.2V。因此本申请的数模转换器，大大提高了输出的线性范围，更好的利用了电源电压。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，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中记载的一些实施例，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所示为n位数模转换器的方框图；

图2所示为一种传统的电流型数模转换器；

图3为本申请具体实施例提供的数模转换器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

本申请实施例公开了一种数模转换器，包括：

基准电流源，用以提供基准电流；

基准电压源，用以提供基准电压；

基准晶体管，连接于基准电流源；

若干电流源晶体管，与所述基准晶体管构成镜像电流源阵列，每一电流源晶体管的漏极-源极之间的电流与基准晶体管的漏极-源极之间的电流成一设定的比例，基准晶体管和电流源晶体管的源极均接地；

与电流源晶体管数目相同的开关装置，分别与对应的电流源晶体管连接，每个开关装置根据数字输入代码把与它连接的电流源晶体管的电流输出至求和电路；

求和电路，包括第一运算放大器和电阻；

第二运算放大器，其反相输入端与第一运算放大器的同相输入端共接后连接基准电压源，同相输入端与基准晶体管的漏极共接，所述第二运算放大器的输出端分别与基准晶体管和电流源晶体管的栅极连接。

镜像电流源中电流匹配的条件是晶体管必须工作在饱和区，由于基准晶体管的漏极-源极电压即为参考电压Vref，而一般情况下进入饱和区的临界电压为0.1V-0.2V，由此可见Vref的最小值可以为0.1V-0.2V。因此本申请的数模转换器，大大提高了输出的线性范围，更好的利用了电源电压。

本申请的数模转换器中，所述基准晶体管和电流源晶体管优选为NMOS管，所述基准晶体管的漏极和栅极非短接。在其他实施例中，基准晶体管和电流源晶体管也可采用PMOS管。

基准晶体管和电流源晶体管的源极接地，栅极电压则由第二运算放大器的输出端电压V₀直接提供，因此基准晶体管和电流源晶体管的栅源极电压为V₀。为了使得晶体管工作，必须满足栅源极电压大于开启电压，即V₀≥V_th，以CMOS 0.18um工艺为例，V_th＝0.7V，即V₀≥0.7V。

基准晶体管连接在第二运算放大器的同相输入端和输出端之间，构成负反馈电路，由于第二运算放大器的反相输入端接基准电压V_ref，在负反馈作用下，使得同相输入端的电压也达到V_ref，因此，基准晶体管的漏极端的电压为V_ref。

优选的，本申请中，基准电流由一恒电流源(基准电流源)提供，其电流大小不受基准电压源影响。基准电压源连接于电源电压VDD，其电压由电源电压VDD提供，因此基准电压的大小不能超过电源电压。

另外，本申请的数模转换器中，所述开关装置可以包括三极管、可控硅、继电器开关或金属氧化物半导体场效应管(Metallic Oxide SemiconductorField Effect transistor，MOSFET)等常见的开关形式。优选的，在本实施例中，开关装置优选采用MOSFET，并且每个开关模块由两个MOSFET构成。

为了进一步说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

图3为本申请具体实施例提供的数模转换器的结构示意图。

N位权电流数模转换器20，包括：基准电流源(图未示)，用以提供基准电流I_ref；基准电压源，用以提供基准电压V_ref，基准电压源连接于电源电压VDD；基准晶体管22，为NMOS管，其漏极连接于基准电流源；N个电流源晶体管23，均为NMOS晶体管，其与基准晶体管22构成镜像电流源阵列，其中，基准晶体管22的漏极和栅极不短接；N个开关装置24，分别与对应的NMOS晶体管连接，每个开关装置24根据数字输入代码b₀、b₁.........b_N-2、b_N-1把与它连接的电流源晶体管23的电流输出至求和电路25；求和电路25由第一运算放大器251和电阻252构成；第二运算放大器26，基准晶体管22连接在第二运算放大器26的同相输入端和输出端之间构成负反馈电路，第二运算放大器26的反相输入端与第一运算放大器25的同相输入端共接后连接基准电压源。

基准晶体管22和电流源晶体管23的结构是按二进制权来定标的，以使得每一电流源晶体管23的漏极-源极之间的电流与基准晶体管22的漏极-源极之间的电流成一设定的比例。若基准电流I_ref＝I，则来自各电流源晶体管23的电流分别等于I、2I......2^N-2I和2^N-1I。

本申请的数模转换器20，其工作原理和传统的数模转换器10类似，输出电压仍为公式(2)。本申请的数模转换器20与传统的数模转换器10的不同之处在于：镜像电流源中的晶体管源极接地，栅极电压则由第二运算放大器26直接提供，因此镜像电流源中晶体管的栅源极电压即为第二运算放大器26的输出电压VO。

由于镜像电流源中电流匹配的条件是晶体管必须工作在饱和区，即V_ds＞V_dsat，而基准晶体管22的V_ds即为参考电压V_ref，而一般情况下V_dsat＝0.1V～0.2V，由此可见V_ref的最小值可以为0.1V～0.2V，以CMOS 0.18um为例，远远小于传统数模转换器10中的所达到的1V，因此本发明的输出线性范围可以大约为0.1V-1.8V。

本发明并不局限于上述的实施例，例如电流源晶体管23和基准晶体管22电流之间的比率，可以用排列在这些晶体管源极线路中的电阻来调节。或者，电流源晶体管23的源极可以连接在R-2R网络上。另外，还可以用任何别的方法来组成开关装置24，用它们来转换来自电流源晶体管23的电流。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种数模转换器，其特征在于，包括：

基准电流源，用以提供基准电流；

基准电压源，用以提供基准电压；

基准晶体管，连接于基准电流源；

若干电流源晶体管，与所述基准晶体管构成镜像电流源阵列，每一电流源晶体管的漏极-源极之间的电流与基准晶体管的漏极-源极之间的电流成一设定的比例，基准晶体管和电流源晶体管的源极均接地，所述基准晶体管和电流源晶体管均为NMOS管，所述基准晶体管的漏极和栅极非短接；

与电流源晶体管数目相同的开关装置，分别与对应的电流源晶体管连接，每个开关装置根据数字输入代码把与它连接的电流源晶体管的电流输出至求和电路；

求和电路，包括第一运算放大器和电阻；

第二运算放大器，其反相输入端与第一运算放大器的同相输入端共接后连接基准电压源，同相输入端与基准晶体管的漏极共接，所述第二运算放大器的输出端分别与基准晶体管和电流源晶体管的栅极连接，基准晶体管连接在第二运算放大器的同相输入端和输出端之间构成负反馈电路。

2.根据权利要求1所述的数模转换器，其特征在于：所述开关装置选自三极管、可控硅、继电器开关或金属氧化物半导体场效应管。

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