CN103346794B - 数模转换器 - Google Patents

Abstract

本发明所提供的数模转换器的开关单元包括：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一运算放大器和第二运算放大器，即在两两连接成共源共栅结构的四个MOS管的两侧分别设置一个运算放大器，运算放大器的一个输入端与同侧的一个MOS管的栅极连接，运算放大器的输出端与该MOS管的源极连接。因此，当开关单元一侧的两个MOS管在开关单元控制信号的控制下开启时，与该侧MOS管连接的运算放大器能够增加该侧MOS管的阻抗，即增大了开关单元对输出端的阻抗，降低了开关单元控制信号对输出端的耦合，进而提高了数模转换器的SFDR。

Description

数模转换器

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，更具体地说，涉及一种数模转换器。

背景技术

随着数字信号处理技术的不断发展，数模转换器成为现代通信系统中不可或缺的重要模块。它通常被用于信号通道上发射机与数字基带处理器之间，实现数字信号到模拟信号的转换功能。

由于数模转换器的输入信号通常是由多频率组成的复合信号，因此相邻通道的数模转换器可能接收到杂散干扰，从而降低通道的信号比甚至导致通道阻塞。

因此，当多通道数模转换器同时工作时，每个数模转换器满足最小无杂散动态范围（SpuriousFreeDynamicRange，简称SFDR）的要求是非常重要的。对于数模转换器，所谓SFDR是指载波频率与次最大失真成分的均方根值之比。

降低开关单元控制信号对输出端的耦合是提高数模转换器的SFDR的方向之一，现有技术中通常是在开关单元单元的左右两个MOS管开关单元的漏极上分别连接一个MOS管，以所连接的MOS管的漏极作为输出端，通过这样的方式增大开关单元单元的输出阻抗，从而降低开关单元控制信号对输出端的耦合。

但是，在实际应用过程中发现，上述降低开关单元控制信号对输出端耦合的方法的效果并不明显，开关单元控制信号对输出端的耦合仍有待降低。

发明内容

本发明提供一种数模转换器及开关单元，以降低开关单元控制信号对输出端的耦合，提高数模转换器的SFDR。

为实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种数模转换器，包括开关单元，所述开关单元包括：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一运算放大器和第二运算放大器；

所述第一MOS管的漏极与所述第二MOS管的源极连接，所述第三MOS管的漏极与所述第四MOS管的源极连接；所述第一MOS管的源极和所述第三MOS管的源极连接所述数模转换器的电流源单元的输出端；所述第一MOS管的栅极连接控制信号的第一输出端，所述第三MOS管的栅极连接控制信号的第二输出端；所述第二MOS管的漏极和所述第四MOS管的漏极为所述开关单元的输出端；

所述第一运算放大器的第一输入端与所述第二MOS管的源极连接，所述第一运算放大器的第二输入端与所述数模转换器偏置电路单元的第一输入端连接，所述第一运算放大器的输出端与所述第二MOS管的栅极连接；

所述第二运算放大器的第一输入端与所述第四MOS管的源极连接，所述第二运算放大器的第二输入端与所述数模转换器偏置电路单元的第二输入端连接，所述第二运算放大器的输出端与所述第四MOS管的栅极连接。

优选的，所述第一运算放大器和所述第二运算放大器同为单级运算放大器或同为多级运算放大器。

优选的，所述第一运算放大器包括：第五MOS管和第一负载，所述第一运算放大器的第一输入端为所述第五MOS管的栅极，所述第一运算放大器的第二输入端为所述第一负载的第一输入端，所述第一运算放大器的输出端为所述第五MOS管的漏极与所述第一负载的输出端的公共端；且所述第一负载的第二输入端连接电源，所述第五MOS管的源极接地；

所述第二运算放大器包括：第六MOS管和第二负载，所述第二运算放大器的输入端为所述第六MOS管的栅极，所述第二运算放大器的第二输入端为所述第二负载的第一输入端，所述第二运算放大器的输出端为所述第六MOS管的漏极与所述第二负载的输出端的公共端；且所述第二负载的第二输入端连接电源，所述第六MOS管的源极接地。

优选的，第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管同为PMOS管或同为NMOS管。

优选的，所述数模转换器的温度计译码单元的输入端接收数字信号，将所接收的数字信号部分或全部转换成温度计码数字信号，并将所述温度计码数字信号作为控制信号输出至所述数模转换器的开关单元；其中，所述温度计译码单元的第一输出端为所述控制信号的第一输出端，所述温度计译码单元的第二输出端为所述控制信号的第二输出端；

所述开关单元的输出端连接所述数模转换器的电阻负载；

所述电流源单元用于为所述电阻负载提供输出电流，所述输出电流由所述开关单元根据所接收的控制信号进行控制；

所述数模转换器的偏置电路单元的第一输入端和第二输入端分别连接所述开关单元，所述偏置电路单元的第三输入端连接所述电流源单元的输入端；所述偏置电路单元为所述开关单元和所述电流源单元提供偏置电压。

优选的，所述电流源单元包括多个MOS管，所述MOS管同为PMOS管或同为NMOS管。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案至少具有以下优点：

本发明所提供的数模转换器，在两两连接成共源共栅结构的四个MOS管的两侧分别设置一个运算放大器，运算放大器的一个输入端与同侧的一个MOS管的栅极连接，运算放大器的输出端与该MOS管的源极连接。因此，当开关单元一侧的两个MOS管在开关单元控制信号的控制下开启时，与该侧MOS管连接的运算放大器能够增加该侧MOS管的阻抗，即增大了开关单元对输出端的阻抗，降低了开关单元控制信号对输出端的耦合，进而提高了数模转换器的SFDR。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明所提供的数模转换器的开关单元的基本结构图；

图2为本发明实施例一所提供的数模转换器的基本结构图；

图3为本发明实施例二所提供的数模转换器的开关单元的具体结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例一

本实施例提供了一种数模转换器，其开关单元的结构为：在两两连接成共源共栅结构的四个MOS管的两侧分别设置一个运算放大器。具体的，如图1所示，为本发明所提供的数模转换器的开关单元的基本结构图，该开关单元包括：第一MOS管1、第二MOS管2、第三MOS管3、第四MOS管4、第一运算放大器11和第二运算放大器12；

所述第一MOS管1的漏极与所述第二MOS管2的源极连接，所述第三MOS管3的漏极与所述第四MOS管4的源极连接；所述第一MOS管1的源极和所述第三MOS管3的源极连接所述数模转换器的电流源单元的输出端；所述第一MOS管1的栅极连接控制信号的第一输出端Q，所述第三MOS管3的栅极连接控制信号的第二输出端Q_n；所述第二MOS管2的漏极和所述第四MOS管4的漏极为所述开关单元的输出端I_OUT；

所述第一运算放大器11的第一输入端与所述第二MOS管2的源极连接，所述第一运算放大器11的第二输入端与所述数模转换器偏置电路单元的第一输入端连接，所述第一运算放大器11的输出端与所述第二MOS管2的栅极连接；

所述第二运算放大器12的第一输入端与所述第四MOS管4的源极连接，所述第一运算放大器12的第二输入端与所述数模转换器偏置电路单元的第一输入端连接，所述第二运算放大器12的输出端与所述第四MOS管4的栅极连接。

下面详细介绍本实施例所提供的数模转换器的上述开关单元的工作过程，其中第一MOS管1、第二MOS管2、第三MOS管3和第四MOS管4同为NMOS管，开启电平为高电平。

当控制信号的第一输出端Q输出的为高电平，第一MOS管1开启，第一运算放大器11的第一输入端为高电平，第一运算放大器11处于开启状态，第一运算放大器11的输出端为高电平，第二MOS管2开启，其漏极有电流输出；经过运算放大器的放大作用，第二MOS管2的阻抗增大，相当于增加了开关单元左侧的输出阻抗，降低了左侧对控制信号的耦合作用，因此，提高了数模转换器的SFDR；

在控制信号的第一输出端Q输出高电平的同时，控制信号的第二输出端Q_n输出的为低电平，第三MOS管3关断，其漏极为低电平，第四MOS管4关断，其漏极没有电流输出。

反之，当控制信号的第一输出端Q输出为低电平，控制信号的第二输出端Qn输出为高电平时，左侧的第一MOS管1和第二MOS管2关断，右侧的第三MOS管3和第四MOS管4开启，第二运算放大器12处于开启状态，增大第四MOS管4的输出阻抗，降低开关单元右侧输出端对控制信号的耦合。

由以上工作过程不难发现，本实施例所提供的开关单元，由于在左右两侧分别增加了一个运算放大器，使当数模转换器其中一侧的两个MOS管在控制信号的控制下开启时，与其同侧的运算放大器能够增大该侧MOS管的输出阻抗，因而降低该侧MOS管对控制信号的耦合作用，提高了数模转换器整体的SFDR。

现有技术中的开关单元仅有四个MOS管，两两分别连成共源共栅结构，其输出阻抗为r_o1g_m2r_o2（或r_o3g_m4r_o4），本实施例中，当增加运算放大器后，假设运算放大器的放大倍数为A，则输出阻抗变为A×r_o1g_m2r_o2（或A×r_o3g_m4r_o4），即输出阻抗增大了A倍，因此数模转换器的SFDR大大提高；其中，r_o1、r_o2、r_o3和r_o4分别为第一MOS管1、第二MOS管2、第三MOS管3和第四MOS管4的输出阻抗，g_m2为第二MOS管2的跨导，g_m4为第四MOS管4的跨导。

需要说明的是，增大开关单元的输出阻抗之所以能够降低控制信号对输出端的耦合，这要是因为当控制信号发生变化时，输出端会产生毛刺，即对输出端产生耦合作用，开关单元的输出阻抗越大，输出端产生的毛刺会越小越少，控制信号对输出端的耦合作用越弱，则数模转换器的SFDR越高。

另外，本实施例仅以第一MOS管1、第二MOS管2、第三MOS管3和第四MOS管4同为NMOS管为例进行说明，但是并不限定以上各MOS的管类型，如：第一MOS管1、第二MOS管2、第三MOS管3和第四MOS管4还可以同为PMOS管，可以根据电路面积、电压摆幅等不同需求进行设计。

本实施例中，所述第一运算放大器11和所述第二运算放大器12具有相同结构及尺寸，同为单级运算放大器或同为多级运算放大器，可以根据实际对数模转换器性能的需求选择合适的运算放大器。

下面介绍本实施例所提供的数模转换器整体的工作过程，如图2所示，为本实施例所提供的数模转换器的基本结构图，所述数模转换器的温度计译码单元201的输入端接收数字信号，将所接收的数字信号部分或全部转换成温度计码数字信号，并将所述温度计码数字信号作为控制信号输出至所述数模转换器的开关单元202；其中，所述温度计译码单元201的第一输出端为所述控制信号的第一输出端，所述温度计译码单元201的第二输出端为所述控制信号的第二输出端；

所述开关单元202的输出端连接所述数模转换器的电阻负载205；

所述电流源单元203用于为所述电阻负载205提供输出电流，所述输出电流由所述开关单元202根据所接收的控制信号进行控制；

所述数模转换器的偏置电路单元204的第一输入端和第二输入端分别连接所述开关单元202，所述偏置电路单元204的第三输入端连接所述电流源单元203的输入端；所述偏置电路单元204为所述开关单元202和所述电流源单元203提供偏置电压。

其中，所述电流源单元203包括多个MOS管，所述MOS管同为PMOS管或同为NMOS管。

需要说明的是，之所以要利用温度计译码单元201将输入的数字信号部分或全部转换成温度计码，是因为输入的数字信号为二进制输入信号，转换为温度计码后，能够有效减少输入信号变化时开关单元202的切换次数，减小开关切换时产生的毛刺，从而提高数模转换器的动态性能；输入的数字信号可以全部转换成温度计码，也可以部分转换成温度计码，这一点可根据对数模转换器的性能指标要求进行灵活设计。

另外，在实际应用的过程中，数模转换器包括多组按照上述连接方式连接的温度计译码单元201、开关单元202、电流源单元203、偏置电路单元204和电阻负载205；多个温度计译码单元201构成温度计译码阵列，多个开关单元202构成开关阵列，多个电流源单元203构成电流源阵列，多个偏置电路单元204构成电流偏置阵列。

实施例二

基于实施例一，本实施例提供了第一运算放大器和第二运算放大器一种具体的实现方式，它们均由一个负载和一个MOS管构成。具体的，如图3所示，为本实施例所提供的数模转换器的开关单元的具体结构图，该开关单元的第一运算放大器31包括：第五MOS管5和第一负载7，所述第一运算放大器31的第一输入端为所述第五MOS管5的栅极，所述第一运算放大器31的第二输入端为所述第一负载7的第一输入端，所述第一运算放大器31的输出端为所述第五MOS管5的漏极与所述第一负载7的输出端的公共端；且所述第一负载7的第二输入端连接电源，所述第五MOS管5的源极接地；

所述第二运算放大器32包括：第六MOS管6和第二负载8，所述第二运算放大器32的输入端为所述第六MOS管6的栅极，所述第二运算放大器32的第二输入端为所述第二负载8的第一输入端，所述第二运算放大器32的输出端为所述第六MOS管6的漏极与所述第二负载8的输出端的公共端；且所述第二负载8的第二输入端连接电源，所述第六MOS管6的源极接地。

下面以第一MOS管1、第二MOS管2、第三MOS管3、第四MOS管4、第五MOS管5和第六MOS管6同为NMOS管为例对本实施例所提供的开关单元的具体工作过程进行说明，但是本发明并不限定上述各MOS管的管类型，所有基于本发明基本思想的设计均在本发明的保护范围之内。

当控制信号的第一输出端Q输出的为高电平，第一MOS管1开启，第一运算放大器31的第一负载7使第一运算放大器31内有恒定的电流流过，第一运算放大器31平稳工作，第一运算放大器31的输出端为高电平，第二MOS管2开启，其漏极有电流输出；经过第一运算放大器31的放大作用，第二MOS管2的阻抗增大，相当于增加了开关单元左侧的输出阻抗，降低了左侧对控制信号的耦合作用，因此，提高了数模转换器的SFDR；

在控制信号的第一输出端Q输出高电平的同时，控制信号的第二输出端Q_n输出的为低电平，第三MOS管3关断，其漏极为低电平，第四MOS管4关断，其漏极没有电流输出。

反之，当控制信号的第一输出端Q输出为低电平，控制信号的第二输出端Q_n输出为高电平时，左侧的第一MOS管1和第二MOS管2关断，右侧的第三MOS管3和第四MOS管4开启，第二运算放大器32处于开启状态，增大第四MOS管4的输出阻抗，降低开关单元右侧输出端对控制信号的耦合。

其中，第一负载7和第二负载8的作用是为运算放大器提供恒定的电流，保障运算放大器的平稳工作，第五MOS管5和第六MOS管6的起到放大的作用，增大其所在一侧的MOS管（即第二MOS管2和第四MOS管4）的阻抗。

本实施例中，第一运算放大器31和第二运算放大器32优选的结构和尺寸相同，其第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管优选同为PMOS管或同为NMOS管。

并且，第一负载7的第二输入端连接电源，第二负载8的第二输入端连接电源，即本实施例中数模转换器的开关单元的运算放大器由相应的电源提供电压，并不消耗开关单元第一MOS管～第四MOS管的电压，因此，本实施例开关单元所增加的第一运算放大器31和第二运算放大器32并不消耗开关单元额外的电压裕度，不会使开关单元的最低工作电压变大，保证了数模转换器可以在较低的工作电压下工作；

需要说明的是，第一负载7和第二负载8所连接的电源可以相同也可以不同。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种数模转换器，其特征在于，包括开关单元，所述开关单元包括：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一运算放大器和第二运算放大器；

所述第一MOS管的漏极与所述第二MOS管的源极连接，所述第三MOS管的漏极与所述第四MOS管的源极连接；所述第一MOS管的源极和所述第三MOS管的源极连接所述数模转换器的电流源单元的输出端；所述第一MOS管的栅极连接控制信号的第一输出端，所述第三MOS管的栅极连接控制信号的第二输出端；所述第二MOS管的漏极和所述第四MOS管的漏极为所述开关单元的输出端；

所述第一运算放大器的第一输入端与所述第二MOS管的源极连接，所述第一运算放大器的第二输入端与所述数模转换器偏置电路单元的第一输入端连接，所述第一运算放大器的输出端与所述第二MOS管的栅极连接；

所述第二运算放大器的第一输入端与所述第四MOS管的源极连接，所述第二运算放大器的第二输入端与所述数模转换器偏置电路单元的第二输入端连接，所述第二运算放大器的输出端与所述第四MOS管的栅极连接。

2.根据权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，所述第一运算放大器和所述第二运算放大器同为单级运算放大器或同为多级运算放大器。

3.根据权利要求2所述的数模转换器，其特征在于，所述第一运算放大器包括：第五MOS管和第一负载，所述第一运算放大器的第一输入端为所述第五MOS管的栅极，所述第一运算放大器的第二输入端为所述第一负载的第一输入端，所述第一运算放大器的输出端为所述第五MOS管的漏极与所述第一负载的输出端的公共端；且所述第一负载的第二输入端连接电源，所述第五MOS管的源极接地；

所述第二运算放大器包括：第六MOS管和第二负载，所述第二运算放大器的输入端为所述第六MOS管的栅极，所述第二运算放大器的第二输入端为所述第二负载的第一输入端，所述第二运算放大器的输出端为所述第六MOS管的漏极与所述第二负载的输出端的公共端；且所述第二负载的第二输入端连接电源，所述第六MOS管的源极接地。

4.根据权利要求3所述的数模转换器，其特征在于，第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管同为PMOS管或同为NMOS管。

5.根据权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，所述数模转换器的温度计译码单元的输入端接收数字信号，将所接收的数字信号部分或全部转换成温度计码数字信号，并将所述温度计码数字信号作为控制信号输出至所述数模转换器的开关单元；其中，所述温度计译码单元的第一输出端为所述控制信号的第一输出端，所述温度计译码单元的第二输出端为所述控制信号的第二输出端；

所述开关单元的输出端连接所述数模转换器的电阻负载；

所述电流源单元用于为所述电阻负载提供输出电流，所述输出电流由所述开关单元根据所接收的控制信号进行控制；

所述数模转换器的偏置电路单元的第一输入端和第二输入端分别连接所述开关单元，所述偏置电路单元的第三输入端连接所述电流源单元的输入端；所述偏置电路单元为所述开关单元和所述电流源单元提供偏置电压。

6.根据权利要求5所述的数模转换器，其特征在于，所述电流源单元包括多个MOS管，所述MOS管同为PMOS管或同为NMOS管。