CN102970037A - 一种电流源自校准电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流源自校准电路，通过将电流误差转换成电压误差，将电压误差予以采样，然后转换成数字信号进行自校准处理，该技术结合了现有的模拟校准技术和数字校准技术的处理的特点，电路结构简单，并可以实现双向校准。

Description

一种电流源自校准电路

技术领域

本发明属于数模混合集成电路技术领域，涉及一种电流源自校准电路，特别是涉及一种用于电流舵型数模转换自校准电路。

背景技术

数模转换器(Digital-to-Analog Converter，简称DAC)是现代数字和模拟电路中用途广泛的重要接口部件。为了适应计算机、通讯和多媒体技术的飞速发展以及高新技术领域数字化进程的不断加快，数模转换器正朝着低功耗、高速度和高分辨率的方向发展。

在电流舵型DAC电路中，影响其性能的关键是DAC电流源的输出精度及相互间的匹配性。由于受CMOS工艺的限制，若电流源在工艺级实现较高匹配，需要占用大量面积；而在电流舵型DAC中采用校准电路，能够在节约电流源阵列面积的同时提高DAC电流源匹配性及输出精度。

DAC校准技术主要包括模拟校准技术及数字校准技术。传统的模拟校准技术主要是将电流源的电流误差转换成电容两端的电压差，该电压直接控制校准电流源的电流值，从而调整DAC电流源的输出电流。传统的数字校准技术主要是将电流误差直接转换成数字信号，用此数字信号控制对应的校准DAC产生需要的校准电流。

模拟校准技术的工作原理及结构相对简单，但是由于使用电容存储误差，需要对电容刷新，从而限制了校准的最小频率，功耗相对较高。数字校准技术的电路结构及工作原理相对复杂，但是由于采用存储器存储误差信息，信息存储时间长，无需定时刷新，从而对校准频率无要求，并且数字校准技术能有效降低校准电路的功耗。

但是近年来提出的数字校准技术中还存在一些不足。首先，DAC数字校准技术多是采用比较器来比较电流源和参考电流源，通过逐次校准实现电流源的补偿，电路结构及校准过程复杂。同时，上述逐次逼近数字校准技术只能在DAC电流源相对参考电流源的电流值偏小的情况下进行单向校准。由于工艺误差的不确定性，DAC电流源电流值存在比参考电流源电流值大的可能性，因此也需要对这种情况进行电流校准。

发明内容

本发明解决的技术问题是提出一种电路结构和校准过程都简单的电流源自校准电路，并能实现对电流源的双向校准。

为解决上述技术问题，本发明提出的电流源自校准电路主要包括：误差转换子电路、误差采样子电路、模数转换子电路以及数字校准子电路；所述被校准电流源的电流误差通过所述误差转换子电路转换成电压误差，并通过所述误差采样子电路将所述电压误差采样输出；所述模数转换子电路用于接收所述误差采样子电路输出的电压误差，将其转换成N位校准数字信号，N为大于1的正整数；所述数字校准子电路用于接收所述N位校准数字信号，产生校准电流流人所述被校准电流源。

进一步的，所述误差转换子电路包括：被校准电流源和参考电流源，所述被校准电流源和所述参考电流源产生的电流分别流经第一电阻和参考电阻，所述第一电阻和参考电阻的阻值相等；在所述被校准电流源和所述参考电流源的对应端分别引出一个电压检测点。

进一步的，所述误差采样子电路设有两个采样输入端，分别于所述误差转换子电路的两个电压检测点相连；所述误差采样子电路包括采样电容，所述采样电容分别连接在所述电压检测点上。

进一步的，所述误差采样子电路还包括一个直流电压源，所述直流电压源的负极端接地；所述采样电容的一端与所述电压源的正极端与相连，另一端为所述误差采样子电路的电压误差输出端。所述直流电压源的电压值为所述模数转换子电路模数转换范围的中间值。

进一步的，所述误差采样子电路还包括至少一个采样开关，用于控制所述采样电容两端的电压采样。

进一步的，所述模数转换子电路包括N位模数转换器和逻辑控制器，所述N位模数转换器用于将电压误差输出转换为N位数字信号，所述逻辑控制器用于根据所述N位数字信号的第N位信号的值进行逻辑处理后输出到数字校准子电路。

进一步的，所述的模数转换子电路还包括存储器，用于存储所述逻辑控制器输出的N位数字信号。

进一步的，所述数字校准子电路包括：正负校准子电路，所述正负校准子电路分别包括一组串接的校准电流源、校准使能开关和电流分配器；所述模数转换子电路输出的第N位信号控制所述校准时能开关；正负两路串接的校准电流源、校准使能开关和电流分配器一端接地，另一端连接到所述待校准电流源的电流输出端。

本发明与现有的自校准技术相比，具有如下优点：

本发明提出的自校准电路是一种数字校准技术，通过将电流误差转换成电压误差，并将其转换成数字信号进行自校准处理，该技术结合了现有的模拟校准技术和数字校准技术的处理的特点，电路结构简单，并可以实现双向校准。

此外，本发明运用开关电容采样技术，直接对误差进行采样，无需设计比较器电路，因而结构更加简单。

本发明采用的电路能够直接将误差信号转换为数字信号，控制校准DAC产生需要的校准电流，从而实现一步校准，无需逐次逼近校准，从而简化了校准过程。

本发明将ADC的最高位作为符号位，经逻辑控制电路的转换得到的数字信号能够控制校准DAC输出电流的方向及大小，从而实现了被校准电流源的双向校准。

为了进一步说明本发明的优点，我们将结合图示进行说明。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明：

图1是本发明电流源自校准电路结构框图；

图2是本发明实施一的自校准电路结构图；

图3是本发明实施二的自校准电路结构图；

图4是本发明的误差采样电路开关控制信号时序图；

图5是本发明的模数转换子电路结构图；

图6是本发明的数字校准子电路结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施范例进行说明，此处描述的实施范例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提出的电流源自校准电路主要包括：误差转换子电路、误差采样子电路、模数转换子电路以及数字校准子电路四个部分。其中被校准电流源的电流误差通过误差转换子电路转换成电压误差，并通过所述误差采样子电路将该电压误差采样输出。模数转换子电路接收误差采样子电路输出的电压误差采样值，将其转换成N位校准数字信号，N为大于1的正整数。数字校准子电路用于接收N位校准数字信号，产生校准电流流人所述被校准电流源。

如图2所示为本发明实施例一的电路结构。其中误差转换子电路中设置了被校准电流源Icell和参考电流源Iref，两个电流源可以均为pmos电流源。两个电流源产生的电流分别流经阻值为R的第一电阻Rn和参考电阻Rref，电流值偏差转换为两个电阻上电压降的偏差。误差采样子电路采样被校准电流源Icell与参考电流源Iref的电流值误差，将采样得到的模拟信号传输给模数转换子电路。模数转换子电路将模拟信号转换为数字信号并进行处理后控制数字校准子电路输出电流的方向及大小。

如图3为本发明实施例二的电路结构。其中采用的误差采样子电路中设置了采样电容Cs，通过检测采样电容Cs上的电压获得电压降偏差值。此外，还可以在电路中设置一个直流电压源Vdc，采样电容的一端通过直流电压源Vdc接地。进一步可以将该直流电压源的电压值设定为模数转换子电路模数转换范围的中间值。还可以在电路中设置带有至少一个采样开关的开关电路，以控制电压采样过程。如图3所示，可以通过设置采样开关K1、K2、K3、K4、K5，其中采样开关K1、K2的一端分别与采样电容Cs的两端N1、N2连接，开关的另一端都接地。采样开关K3两端分别与N3端和N1端相连；开关K4两端与N4端和N2端相连。其中N3、N4为采样输入端，连接到误差转换子电路中的被校准电流源Icell和参考电流源Iref的对应端；N1、N2为采样电容的两个连接端。采样开关K5的一端与直流电压源Vdc的正端相连，另一端与N2端相连；直流电压源Vdc正端与采样开关K5连接，另一端接地。

实施例二中，采样开关管断开与闭合的控制信号时序参照图4，E1为采样开关K1、K2的控制信号，E2为采样开关K3、K4的控制信号，E3为采样开关K5的控制信号。在本实例中设定高电平使开关闭合，低电平使开关断开。在校准电路正常工作前，即t1时间内，E1为高电平，E2、E3为低电平，第一采样开关K1、第二采样开关K2处于闭合状态，使采样电容Cs两端接地，从而保证电容上的电荷为零，为采样做准备，此时第三采样开关K3，第四采样开关K4和第五采样开关K5均断开；在校准电路采样时刻，即t2时间内，E2为高电平，E1、E3为低电平，第一采样开关K1、第二采样开关K2和第五采样开关K5均断开，同时闭合第三采样开关K3、第四采样开关K4，使采样电容Cs两端分别连接被校准电流源Icell及参考电流源Iref，此时Icell及Iref的电流偏差转换为采样电容Cs两端的电压差；在校准电路采样结束后，即t3时间内，E3为高电平，E1、E2为低电平，断开第一采样开关K1、第二采样开关K2、第三采样开关K3和第四采样开关K4，闭合第五采样开关K5，将采样电容Cs两端的电压叠加到直流电压Vdc上，供模数转换子电路将此模拟电压值转换成数字信号。

定义V_Cs＝V_N1-V_N2，直流电压源Vdc的电压值为V_d，第一电阻Rn及参考电阻Rref的阻值为R，采样电容Cs采样的电压差根据下面的方法确定：

当Icell＞Iref时，电压上的压降

R×Icell＞R×Iref  (1)

则

V_N4＞V_N3，V_N2＞V_N1 (2)

即

V_Cs＜0             (3)

第五采样开关K5闭合后，将Cs两端的电压叠加到直流电压Vdc上，得到

V_Cs+V_d＜V_d         (4)

当Icell＜Iref时，电压上的压降

R×Icell＞R×Iref  (5)

则

V_N3＞V_N4，V_N1＞V_N2 (6)

即

V_Cs＞0             (7)

第五采样开关K5闭合后，得到

V_Cs+V_d＞V_d                  (8)

如图5所示，本发明采用的模数转换子电路的一个实施例中，包括：n位模数转换器、逻辑控制器及存储器三部分组成。n位模数转换器将误差采样子电路输出的误差电压转换成n位数字信号，输出给逻辑控制器进行逻辑处理。模数转换子电路还可以将模拟信号转换为数字信号并进行逻辑处理后存储于相应的存储单元中。本实施例中存储器为可选单元，且存储器可以为存储单元阵列。

当Icell＞Iref时，V_Cs＜0，V_Cs+V_d＜V_d，n位模数转换后的Bn为0；当

时，V_Cs＞0，V_Cs+V_d＞V_d，n位模数转换后的Bn为1。

逻辑控制器的工作过程如下：由n位模数转换器输出的数字信号的最高位Bn为符号位，逻辑控制器根据符号位Bn的值，决定Bn-1位至B1位是否需要进行逻辑转换。如果Bn位为1则Bn位至B1位直接输入给电流源Icell的对应存储器；如果Bn位为0则在逻辑控制器控制下将Bn-1位至B1位按位取反后再加一，最后结果连同Bn存储在存储单元阵列的相应位置。

参照图6，本发明采用的数据校准子电路的一个实施例中，包括两部分，正校准子电路及负校准子电路。正校准子电路由pmos校准电流源I+，pmos校准使能开关K6和正pmos电流分配器组成；负校准子电路由nmos校准电流源I-，nmos校准使能开关K7及负nmos电流分配器组成。校准电流源I+和I-用于决定正向和负向校准电流的最大值开关K6和K7由对应存储器中的数字信号Bn控制，用于决定是正校准子电路还是负校准子电路对被校准电流源进行校准(即控制了校准电流的方向)，低电平控制开关K6闭合，K7断开，高电平控制开关K7闭合，K6断开；两种电流分配器由存储器中的数字信号Bn-1～B1控制，用于控制校准电流的大小。

由于从n位模数转换器输出n位数字信号，最高位用于表示误差值的正负，进而用于控制逻辑转换及校准DAC输出电流的方向，所以此处采用的正校准子电路和负校准子电路均为n-1位电流舵数字校准电路。两种电流分配器将校准

B1控制1份电流，可以表示为B1·2⁰I_unit

B2控制2份电流，可以表示为B2·2¹I_unit

Bn-1控制2^n-1份电流，可以表示为Bn-1·2^n-1I_unit

最终可以得到输出电流B1到Bn-1控制的输出电流为

$\mathrm{Iout}=\mathrm{Iunit}\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i{2}^{i-1}=\frac{I_{\mathrm{total}}}{2^n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i{2}^{i-1}---\left(9\right)$

数字校准子电路的具体工作原理如下：当Bn为0时，表示Icell＞Iref，正校准子电路开关K6断开，负校准子电路开关K7闭合，负校准子电路对被校准电流源Icell进行校准；当Bn为1时，表示Icell＜Iref，则正校准子电路开关K6闭合，负校准子电路开关K7断开，正校准子电路对被校准电流源Icell进行校准。电流分配器根据数字信号Bn-1～B1，由式(9)确定输出电流的大小。则由数字校准子电路产生的最佳正/负校准电流流人被校准的电流源Icell中实现电流源的校准。

由上可见，本发明的自校准电路具有结构简单，易于实现的特点；电流自校准过程中采样电容直接对误差进行采样，经转换后控制数字校准子电路，即可得到需要的校准电流，无须逐次逼近校准，校准过程简单，只需一步实现；另外，本发明将模数转换子电路输出信号的最高位设置为符号位，用于控制数字校准子电路输出电流的方向，实现了双向校准，校准更灵活。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电流源自校准电路，包括误差转换子电路、误差采样子电路，所述被校准电流源的电流误差通过所述误差转换子电路转换成电压误差，并通过所述误差采样子电路将所述电压误差采样输出，其特征在于还包括：模数转换子电路以及数字校准子电路；所述模数转换子电路用于接收所述误差采样子电路输出的电压误差，将其转换成N位校准数字信号，N为大于1的正整数；所述数字校准子电路用于接收所述N位校准数字信号，产生校准电流流人所述被校准电流源。

2.根据权利要求1所述的电流源自校准电路，其特征在于，所述误差转换子电路包括：被校准电流源和参考电流源，所述被校准电流源和所述参考电流源产生的电流分别流经第一电阻和参考电阻，所述第一电阻和参考电阻的阻值相等；在所述被校准电流源和所述参考电流源的对应端分别引出一个电压检测点。

3.根据权利要求2所述的电流源自校准电路，其特征在于，所述误差采样子电路设有两个采样输入端，分别于所述误差转换子电路的两个电压检测点相连；所述误差采样子电路包括采样电容，所述采样电容分别连接在所述电压检测点上。

4.根据权利要求3所述的电流源自校准电路，其特征在于，所述误差采样子电路还包括一个直流电压源，所述直流电压源的负极端接地；所述采样电容的一端与所述电压源的正极端与相连，另一端为所述误差采样子电路的电压误差输出端。

5.根据权利要求4所述的电流源自校准电路，其特征在于，所述直流电压源的电压值为所述模数转换子电路模数转换范围的中间值。

6.根据权利要求3-5任一项所述的电流源自校准电路，其特征在于，所述误差采样子电路还包括至少一个采样开关，用于控制所述采样电容两端的电压采样。

7.根据权利要求1-5任一项所述的电流源自校准电路，其特征在于，所述模数转换子电路包括N位模数转换器和逻辑控制器，所述N位模数转换器用于将电压误差输出转换为N位数字信号，所述逻辑控制器用于根据所述N位数字信号的第N位信号的值进行逻辑处理后输出到数字校准子电路。

8.根据权利要求7所述的电流源自校准电路，其特征在于，所述的模数转换子电路还包括存储器，用于存储所述逻辑控制器输出的N位数字信号。

9.根据权利要求7所述的电流源自校准电路，其特征在于，所述数字校准子电路包括：正负校准子电路，所述正负校准子电路分别包括一组串接的校准电流源、校准使能开关和电流分配器；所述模数转换子电路输出的第N位信号控制所述校准时能开关；正负两路串接的校准电流源、校准使能开关和电流分配器一端接地，另一端连接到所述待校准电流源的电流输出端。

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