CN103023508B - 一种电流舵型数模转换器电流源单元电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于集成电路设计领域，具体涉及一种电流舵型数模转换器电流源单元电路。所述电路包括电流源模块、开关模块和数字控制模块，所述电流源模块包括电流源管Mb2和电流源管Mb1，数字控制模块包括第一信号输出端SWP和第二信号输出端SWN，第一信号输出端SWP和第二信号输出端SWN输出的信号相反。所述开关模块由控制信号处理模块和控制开关模块组成。本发明利用特殊连接的第一到第四MOS管M1、M2、M3和M4，将控制信号的变化幅度降低了大约两个阈值电压，降低了电流舵型数模转换器的输出信号毛刺，提高了动态性能，可以广泛使用在电流舵型数模转换器上。同时，互补控制开关的使用，也具有改善毛刺的作用。<!--1-->

Description

一种电流舵型数模转换器电流源单元电路

技术领域

本发明属于集成电路设计领域，具体涉及一种电流舵型数模转换器电流源单元电路。

背景技术

随着集成电路工艺特征尺寸的逐步缩小，数字集成技术得到飞快发展，电子系统出现了数字化的趋势。但是自然信号都是模拟信号，因此必须将信号通过模数转换器进行数字化，同时，数字化的电子系统在驱动显示屏等设备时必须通过数模转换器将数字信号转换为模拟信号。随着信号处理精度和速度的提高，高速高精度的数模转换器显得非常重要。

在CMOS工艺下，由于结构上的优点，电流舵数模转换器在芯片面积、速度和精度上具有很大的优势，已经成为高速高精度数模转换器的首选。在深亚微米的工艺条件下，电流舵数模转换器精度已经达到16位，速度达到GHz。在这种高速高精度的情况下，电流舵数模转换器由于受到诸如电流源的开关毛刺等非理想因素的影响，动态性能受到一定的限制。

电流舵型数模转换器最重要的是电流源和输出开关控制模块。传统的电流源单元如图1所示，包括电流源模块1、开关模块2和数字控制模块3，其中电流源模块由两个栅极接外加偏置电压的PMOS管Mb1、Mb2组成，Mb1管源级接外加电压源VDD，漏极与Mb2管源级相连，Mb2管漏极与电流源模块两条输出支路相连。开关模块由控制开关管M1、M2组成，且控制开关管M1、M2的输入信号SWP、SWN由数字控制模块3产生。输入信号加在MOS管的栅极，当为高电平时开关将断开，为低电平时开关将导通。根据输入数字代码的改变，控制开关管的栅极电压将在高、低电平之间进行切换，将引起栅极电压的快速变化，如图2所示，由于MOS管栅极和源、漏级之间寄生电容的存在，栅极控制信号的变化将耦合到输出电路，使得输出信号产生一定的毛刺。输出信号的信号的毛刺大小与控制开关MOS管栅极信号的变化幅度有关，控制信号的变化幅度越大，毛刺呈近似线性增加。

电流舵型数模转换器输出信号的毛刺将带来很多谐波成分，整个电流舵型数模转换器的动态性能将受到很大恶化，在目前的电子系统尤其是通信系统中，对动态性能的要求越来越高，这种谐波的产生将制约数模转换器的应用。

发明内容

本发明针对目前电流舵型数模转换器输出信号的毛刺将带来很多谐波成分，整个电流舵型数模转换器的动态性能将受到很大恶化的不足，提出了一种电流舵型数模转换器电流源单元电路。

一种电流舵型数模转换器电流源单元电路，所述电路包括电流源模块、开关模块和数字控制模块，所述电流源模块包括电流源管Mb2和电流源管Mb1，数字控制模块包括第一信号输出端SWP和第二信号输出端SWN，第一信号输出端SWP和第二信号输出端SWN输出的信号相反，所述开关模块由控制信号处理模块和控制开关模块组成；

所述控制信号处理模块包括第一组控制信号处理电路和第二组控制信号处理电路，第一组控制信号处理电路由NMOS管M1和PMOS管M2组成，第二组控制信号处理电路由NMOS管M3和PMOS管M4组成；

所述控制开关模块包括第一组控制开关和第二组控制开关，第一组控制开关由PMOS管M5和NMOS管M6组成，第二组控制开关由PMOS管M7和NMOS管M8组成；

所述NMOS管M1和PMOS管M2的漏极/源极连接在一起并接到PMOS管M5和NMOS管M8的栅极，NMOS管M1和PMOS管M2源极/漏极与NMOS管M1和PMOS管M2的栅极以及第一信号输出端SWP相连；所述NMOS管M3和PMOS管M4的漏极/源极连接在一起并接到NMOS管M6和PMOS管M7的栅极，NMOS管M3和PMOS管M4的源极/漏极与NMOS管M3和PMOS管M4的栅极以及第二信号输出端SWN相连；

所述PMOS管M5的源极和NMOS管M6的漏极连接在一起后接电流源管Mb2的漏极，PMOS管M5的漏极和NMOS管M6的源极连接在一起作为所述单元电路的输出节点Iout+；所述PMOS管M7的源极和NMOS管M8的漏极连接在一起后接电流源管Mb2的漏极，PMOS管M7的漏极和NMOS管M8的源极连接在一起作为所述单元电路的输出节点Iout-。

本发明的有益效果：本发明利用特殊连接的第一到第四MOS管M1、M2、M3和M4，将控制信号的变化幅度降低了大约两个阈值电压，降低了电流舵型数模转换器的输出信号毛刺，提高了动态性能，而电路本身实现简单，效果明显，可以广泛使用在电流舵型数模转换器上。同时，互补控制开关的使用，也具有改善毛刺的作用。

附图说明

图1为现有技术中的电源开关电路的结构示意图；

图2为图1中开关模块的输入信号和E点电位的波形图；

图3为本发明一种电流舵型数模转换器电流源单元电路的结构示意图；

图4为图3中开关模块的输入信号和C点电位的波形图；

其中，1-电流源模块、2-开关模块、3-数字控制模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：

如图3所示，本发明包括以下三个模块：电流源模块、开关模块和数字控制模块，具体来说，

电流源模块包含上下两个PMOS管Mb1、Mb2，其中Mb1、Mb2管的栅极分别接外加偏置信号Vb1和Vb2，Mb1管源极接外接电压源VDD，Mb1管的漏极和M2管的源极连接在一起，Mb2管的漏极连接到M5，M5，M7和M8管的公共节点C。

数字控制模块输入信号为时钟信号CLK，输入数字信号D，数字控制模块的输出信号为一对反相信号SWP和SWN，这两个信号高电平接近电源电压VDD，低电平接近为“地”信号，控制信号处理模块对SWP和SWN点信号进行处理，改变信号的变化范围并输出到开关模块中控制开关模块的MOS管的栅极。

该电路包括电流源模块、开关模块和数字控制模块，所述电流源模块包括电流源管Mb2和电流源管Mb1，数字控制模块包括第一信号输出端SWP和第二信号输出端SWN，第一信号输出端SWP和第二信号输出端SWN输出的信号相反，开关模块由控制信号处理模块和控制开关模块组成；控制信号处理模块包括第一组控制信号处理电路和第二组控制信号处理电路，第一组控制信号处理电路由NMOS管M1和PMOS管M2组成，第二组控制信号处理电路由NMOS管M3和PMOS管M4组成；控制开关模块包括第一组控制开关和第二组控制开关，第一组控制开关由PMOS管M5和NMOS管M6组成，第二组控制开关由PMOS管M7和NMOS管M8组成；NMOS管M1和PMOS管M2的漏极/源极连接在一起并接到PMOS管M5和NMOS管M8的栅极，NMOS管M1和PMOS管M2源极/漏极与NMOS管M1和PMOS管M2的栅极以及第一信号输出端SWP相连；NMOS管M3和PMOS管M4的漏极/源极连接在一起并接到NMOS管M6和PMOS管M7的栅极，NMOS管M3和PMOS管M4的源极/漏极与NMOS管M3和PMOS管M4的栅极以及第二信号输出端SWN相连；PMOS管M5的源极和NMOS管M6的漏极连接在一起后接电流源管Mb2的漏极，PMOS管M5的漏极和NMOS管M6的源极连接在一起作为所述单元电路的输出节点Iout+；PMOS管M7的源极和NMOS管M8的漏极连接在一起后接电流源管Mb2的漏极，PMOS管M7的漏极和NMOS管M8的源极连接在一起作为所述单元电路的输出节点Iout-。

如图3所示，具体的工作情况如下：这里Vth1和Vth3分别表示NMOS管M1和M3的阈值电压，近似相等，|Vth2|和|Vth4|为PMOS管M2和M4的阈值电压，近似相等。当输入到SWP点的信号为高电平VDD时，PMOS管M2截止，NMOS管M1导通，A点电压逐步上升，当A点电压上升到V_A=VDD-Vth1时，由于M1管栅极电压与A点电压的差小于一个阈值电压Vth1,M1会截止，因此A点的电压最高只能为VDD-Vth1，即传输到控制开关的高电平只能为VDD-Vth1，当输入到SWP点的电平为低电平“地”，即0伏时，PMOS管M2导通，NMOS管M1截止，A点电压逐步下降，当下降到M2管阈值电压|Vth2|时，M2管将进入截止区，因此A点低电平只能为|Vth2|，A点电压的变化幅度为：

VDD-Vth1-|Vth2|（1）

同样的方法，可以得到B点电压的变化范围为：

VDD-Vth3-|Vth4|（2）

从（1）（2）式可以得到，采用传统结构的情况下，A点高、低电平变化范围为VDD-0=VDD，采用本发明，A点电压的变化范围近似为：

VDD-Vth1-|Vth2|（3）

通过控制信号处理模块，控制开关MOS管栅极上的信号变化幅度降低了约2个阈值电压的数值，这里设ΔV表示控制开关栅极电压变化幅度，栅极和漏、源级之间单位面积的交叠电容为Cov，考虑到寄生效应A点的等效负载电容设为C，MOS管的沟道宽度为W，控制开关栅极电压变化在输出端产生的信号电压的毛刺大小为：

$V=\mathrm{\&Delta;V}\frac{\mathrm{WCov}}{\mathrm{WCov}+C}---\left(4\right)$

依据（4）式，由于ΔV的减小，输出信号毛刺减小。

M3，M4组成的控制信号处理电路具有同样的功能。

两组控制开关由MOS管M5、M6、M7、M8组成，其中M5，M6组成第一组控制开关，当A点电压为高电平VDD-Vth1时，由于反相的原因，B点电压近似为低电平||Vth2|，因此PMOS管M5和NMOS管M6都截止，“正”输出支路断开，PMOS管M7和NMOS管M8都导通，“负”输出支路导通；当A点电压为低电平时，B点电压必然为高电平，M5，M6同时导通，M7，M8同时截止。以M5，M6为例，从截止到导通的过程中，M5管的栅极发生了从高电平到地电平的变化，而M6管的栅极电压发生了从低电平到高电平的变化，通过正负抵消，降低了毛刺的大小，最终电路的输出情况如图4所示。

Claims (1)

1.一种电流舵型数模转换器电流源单元电路，所述电路包括电流源模块、开关模块和数字控制模块，所述电流源模块包括电流源管Mb2和电流源管Mb1，数字控制模块包括第一信号输出端SWP和第二信号输出端SWN，第一信号输出端SWP和第二信号输出端SWN输出的信号相反，其特征在于，所述开关模块由控制信号处理模块和控制开关模块组成；

所述控制信号处理模块包括第一组控制信号处理电路和第二组控制信号处理电路，第一组控制信号处理电路由NMOS管M1和PMOS管M2组成，第二组控制信号处理电路由NMOS管M3和PMOS管M4组成；

所述控制开关模块包括第一组控制开关和第二组控制开关，第一组控制开关由PMOS管M5和NMOS管M6组成，第二组控制开关由PMOS管M7和NMOS管M8组成；

所述NMOS管M1的源极和PMOS管M2漏极连接在一起并接到PMOS管M5和NMOS管M8的栅极，该连接点为A点；NMOS管M1的漏极和PMOS管M2源极与NMOS管M1和PMOS管M2的栅极以及第一信号输出端SWP相连；所述NMOS管M3的源极和PMOS管M4的漏极连接在一起并接到NMOS管M6和PMOS管M7的栅极，该连接点为B点；NMOS管M3的漏极和PMOS管M4的源极与NMOS管M3和PMOS管M4的栅极以及第二信号输出端SWN相连；

所述PMOS管M5的源极和NMOS管M6的漏极连接在一起后接电流源管Mb2的漏极，PMOS管M5的漏极和NMOS管M6的源极连接在一起作为所述单元电路的输出节点Iout+；所述PMOS管M7的源极和NMOS管M8的漏极连接在一起后接电流源管Mb2的漏极，PMOS管M7的漏极和NMOS管M8的源极连接在一起作为所述单元电路的输出节点Iout-；

Vth1和Vth3分别表示NMOS管M1和M3的阈值电压，近似相等，|Vth2|和|Vth4|为PMOS管M2和M4的阈值电压，近似相等；

当A点电压为高电平VDD-Vth1时，由于反相的原因，B点电压为低电平|Vth2|，因此PMOS管M5和NMOS管M6都截止，“正”输出支路断开，PMOS管M7和NMOS管M8都导通，“负”输出支路导通；当A点电压为低电平时，B点电压必然为高电平，M5，M6同时导通，M7，M8同时截止。