CN103620964B - 用于数/模转换器中的代码范围特定线性度改进的开关定序 - Google Patents

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Abstract

数／模转换器DAC在特定代码范围内使用温度计编码。将用于所述特定代码范围的开关阵列实施到集成电路裸片的较小区域中以便利用所述较小区域中固有的较低梯度。通过将所述特定输入代码范围实施到所述较小开关阵列区域中，以其它输入代码范围中的较差线性度为代价但在不增加所述集成电路裸片的功率消耗及／或芯片面积的情况下实现所述输入代码范围中的进一步改进的线性度。

Description

用于数/模转换器中的代码范围特定线性度改进的开关定序
技术领域
本发明大体来说涉及数／模转换器(DAC)，且更特定来说涉及一种并入有温度计编码且在特定代码范围内具有经改进线性度的数／模转换器(DAC)。
背景技术
在DAC阵列内的切换晶体管的晶体管值中存在梯度。这些梯度通常是由工艺不准确性导致的，例如制作不准确性，例如阱接近效应、扩散长度效应、有缺陷氧化物不规则性、较差多晶硅蚀刻及／或植入不均匀性。此类工艺梯度可致使通常相同的晶体管使不同量的电流通过DAC切换阵列中的晶体管中的一者或一者以上。
在高分辨率DAC中，这些梯度的效应可变为线性度性能的限制因子，包含微分非线性度(DNL)及积分非线性度(INL)。已提出用以通过采用经设计以克服梯度效应的特定开关序列或通过使用随机开关序列来减轻此问题的众多技术。目前的技术已集中于经设计以在DAC的整个代码范围内均匀地具有经改进线性度的通用DAC。然而，为了改进DAC的整个代码范围内的线性度，芯片面积及／或功率消耗将增加。
尽管许多应用需要跨越整个输入代码范围具有均匀线性度性能的DAC，但一些应用仅需要特定输入代码范围中的良好线性度性能同时允许其它代码范围中的较差线性度。举例来说，在高级通信应用中，通常使用正交频分多路复用(OFDM)。在OFDM通信系统中使用的DAC仅需要在中间代码范围中具有良好线性度性能，而在此中间代码范围的任一侧上较差的线性度是可接受的。
发明内容
因此，仅在特定代码范围内需要良好DAC线性度的应用中，期望能够在不必针对所述特定代码范围内的经改进线性度增加功率消耗及／或芯片面积(集成电路裸片面积)的情况下提供此DAC。根据本发明的教示，将特定代码范围实施到开关阵列的较小区域中以便利用所述开关阵列的较小区域中固有的较小梯度。通过将所述特定(所要)代码范围实施到集成电路裸片的较小区域中，以其它代码范围中的较差线性度为代价但在不增 加功率消耗及／或芯片面积的情况下实现所述代码范围中的进一步改进的线性度。此特征对于例如用于OFDM发射器的DAC的特殊应用为尤其有利的。
根据本发明的特定实例性实施例，一种用于数／模转换器(DAC)中的代码范围特定线性度改进的开关定序方法包括以下步骤：提供用于切换从x到y的数字输入值的内开关阵列；及提供用于切换从0到x-1及y+1到k的数字输入值的外开关阵列；其中内开关阵列梯度小于外开关阵列梯度，且借此所述内开关阵列的微分非线性度(DNL)及积分非线性度(INL)比所述外开关阵列的DNL及INL更佳。
根据本发明的另一特定实例性实施例，一种用于数／模转换器(DAC)中的开关定序的设备包括：内开关阵列，其包括多个内开关元件，其中所述多个内开关元件由从x到y的数字输入值控制；及外开关阵列，其包括多个外开关元件，其中所述多个外开关元件由从0到x-1及y+1到k的数字输入值控制；其中所述内开关阵列的面积经选择以使梯度最小化以便针对从x到y的数字输入值改进所述内开关阵列的微分非线性度(DNL)及积分非线性度(INL)，且所述多个内开关元件中的每一者邻近于另一者。
附图说明
通过参考结合附图进行的以下描述，可获取对本发明的更完整理解，在附图中：
图1图解说明根据本发明的教示包括温度计及二进制编码开关阵列的混合数／模转换器(DAC)的开关阵列的示意图；
图2图解说明根据本发明的教示的温度计编码开关阵列的图；
图3图解说明根据本发明的特定实例性实施例的温度计编码开关阵列的切换序列的图；
图4图解说明根据本发明的另一特定实例性实施例的温度计编码开关阵列的切换序列的图；
图5图解说明在未优化的情况下针对具有循序切换的开关阵列在整个输入代码范围内的现有技术DNL及INL的曲线图；
图6图解说明针对具有用于均匀线性度改进的经优化开关序列的开关阵列在整个输入代码范围内的现有技术DNL及INL的曲线图；且
图7图解说明根据本发明的教示针对具有用于中间输入代码范围的经优化开关序列的开关阵列在整个输入代码范围内的现有技术DNL及INL的曲线图。
尽管本发明可以有各种修改及替代形式，但已在图式中展示并在本文中详细描述其 特定实例性实施例。然而，应理解，本文对特定实例性实施例的描述并非打算将本发明限制于本文中所揭示的特定形式，而是相反，本发明打算涵盖所附权利要求书所界定的所有修改及等效物。
具体实施方式
现在参考图式，示意性地图解说明实例性实施例的细节。图式中，将由相同编号表示相同元件，且将由带有不同小写字母后缀的相同编号表示类似元件。
参考图1，其描绘根据本发明的教示包括温度计及二进制编码开关阵列的混合数／模转换器(DAC)的开关阵列的示意图。混合DAC可包括由温度计代码逻辑106控制的温度计编码开关阵列104及由二进制代码逻辑108控制的二进制编码开关阵列102。使用混合DAC是因为直接二进制编码可随着数字输入改变到较高有效位而增加噪声。举例来说，从二进制“0111”步升到二进制“1000”将同时改变四(4)个位，借此产生显著量的切换噪声。由于在二进制编码DAC中在切换值时此固有的噪声产生可能性，二进制编码DAC通常限制于8位应用。在需要较大分辨率及较低噪声的情况下，使用温度计编码来将数字输入值转换为模拟输出信号当量。温度计编码数字数据的每一位将控制相等值(权重)的步阶(例如，电压、电流或电阻)，因此提供与经解码数字数据成比例的模拟当量。
使用温度计编码是因为接通的DAC单元的数目与数字输入数据的值成比例，因此可确保单调性。此提供较低噪声的模拟输出信号，因为存在较少切换噪声。温度计编码的缺陷是在集成电路中需要相对大量的裸片面积。因此，为了在不必借助于使用过量裸片面积的情况下增加分辨率，可使用温度计编码与常规二进制编码DAC相组合的组合来形成分段式或“混合”DAC。温度计编码用于最高有效位(MSB)且二进制编码用于最低有效位(LSB)。根据本发明的教示，温度计编码可与采用任何类型的开关阵列的任何DAC一起使用，包含但不限于：电流开关阵列、电容器开关阵列及电阻器开关阵列。
可使用DAC元件的随机匹配性能的改进来改进DAC的线性度，但代价是较高芯片面积及／或复杂切换序列的使用。然而，在给定梯度下，存在对可通过优化开关序列而实现的线性度改进的程度的限制。一旦已达到给定梯度下的线性度改进极限，进一步的线性度改进便需要增加的元件大小及／或校准，其代价为必须增加功率使用及／或芯片面积。
对于给定梯度，较小切换阵列将具有较小总梯度误差，从而在使用任何给定开关序列时产生较佳的线性度。因此，通过选择分割开关阵列使得其中需要良好线性度的代码范围位于较小面积的开关阵列内而非在较大面积的开关阵列内均匀地散布代码，可在不必增加功率使用及／或芯片面积的情况下实现所述特定代码范围内的线性度的改进。
参考图2，其描绘根据本发明的教示的温度计编码开关阵列的图。展示包括由温度计代码逻辑106控制的温度计编码开关阵列104的温度计编码DAC，其具有两个开关阵列区域：包括多个开关元件214(由白色正方形表示)的内阵列区域及包括多个开关元件212(由阴影正方形表示)的外阵列区域。开关阵列104具有从0到k的输入代码范围，且在从x到y的输入代码范围内需要较佳的线性度，其中0<x<y<k。如果在包括多个开关元件214(由白色正方形表示)的内阵列区域中实施x到y的输入代码范围，那么在不增加功率使用或芯片面积的情况下改进此代码范围内的线性度。如此操作的仅有损害是现在是在包括多个开关元件212(由阴影正方形表示)的正方环形外区域内实施除x到y以外的代码范围。多个开关元件212彼此较远离，从而产生较差的梯度及较差的线性度。然而，此对于像OFDM发射器中的DAC一样的应用是可接受的。前述温度计DAC实施方案还可为如上文更全面描述的温度计／二进制混合型DAC的一部分。
参考图3，其描绘根据本发明的特定实例性实施例的温度计编码开关阵列的切换序列的图。图3中展示六位温度计编码DAC，其包含具有22到42的输入代码范围的较小内阵列区域及具有1到21及43到63的输入代码范围的外阵列区域。在针对22到42的所要输入代码范围的紧密间隔且较小的开关阵列区域中梯度较小，借此针对这些输入代码范围改进开关阵列的线性度。
参考图4，其描绘根据本发明的另一特定实例性实施例的温度计编码开关阵列的切换序列的图。图4中展示六位温度计编码DAC，其包含针对具有16到47的输入代码范围的中间代码元素的较小内阵列区域及针对具有1到15及48到63的输入代码范围的侧代码元素的外阵列区域。在这些阵列区域布局中，在垂直方向上的梯度比在水平方向上的梯度对INL具有更大影响。因此，通过将行界定为最高有效位(MSB)且将列界定为最低有效位(LSB)，可实现较佳的INL。
参考图5，其描绘在未优化的情况下针对具有循序切换的开关阵列在整个输入代码范围内的现有技术DNL及INL的曲线图。弓形INL曲线意味着在信号中导致大量失真的不良线性度。
参考图6，其描绘针对具有用于均匀线性度改进的经优化开关序列的开关阵列在整个输入代码范围内的现有技术DNL及INL的曲线图。在此实例中，跨越整个输入代码范围均匀地改进了线性度。
参考图7，其描绘根据本发明的教示针对具有用于中间输入代码范围的经优化开关 序列的开关阵列在整个输入代码范围内的DNL及INL的曲线图。在此实例中，由于用于中间输入代码的较小及较近阵列区域而针对所要的中间输入代码范围改进了DNL及INL两者。
尽管已参考本发明的实例性实施例描绘、描述并界定了本发明的各实施例，但此参考并不意味着限制本发明，且不应推断出存在此限制。所揭示的标的物能够在形式及功能上作出大量修改、更改及等效物，如相关领域且受益于本发明的技术人员将会想到这些修改、更改及等效物。所描绘及所描述的本发明实施例仅作为实例，而并非是对本发明范围的穷尽性说明。

Claims (22)

1.一种用于数/模转换器DAC中的代码范围特定线性度改进的开关定序方法，所述方法包括以下步骤：
提供温度计编码开关阵列，其中开关布置成行和列；
提供所述温度计编码开关阵列的用于切换从x到y的数字输入值的内开关阵列；及
提供所述温度计编码开关阵列的用于切换从0到x-1及y+1到k的数字输入值的外开关阵列；
其中内开关阵列梯度小于外开关阵列梯度，且借此所述内开关阵列的微分非线性度DNL及积分非线性度INL比所述外开关阵列的DNL及INL更佳。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括用温度计代码逻辑控制所述内开关阵列及外开关阵列的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述内开关阵列由所述外开关阵列环绕。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述外开关阵列被分段在所述内开关阵列上方及下方。
5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括将所述数字输入值的最高有效位MSB指派给所述内开关阵列的行并将最低有效位LSB指派给所述内开关阵列的列的步骤。
6.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括组合针对所述数字输入值的最高有效位MSB的温度计代码逻辑开关阵列选择与针对所述数字输入值的最低有效位LSB的二进制代码逻辑开关阵列选择以产生模拟输出信号的步骤。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述内开关阵列及外开关阵列切换电流值以产生模拟输出信号。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述内开关阵列及外开关阵列切换电容器值以产生模拟输出信号。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述内开关阵列及外开关阵列切换电阻器值以产生模拟输出信号。
10.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在集成电路裸片上制作所述内开关阵列及外开关阵列的步骤。
11.一种用于数/模转换器DAC中的开关定序的设备，其包括：
温度计编码开关阵列，其中开关布置成行和列；
其中所述温度计编码开关阵列的内开关阵列包括多个内开关元件，其中所述多个内开关元件由从x到y的数字输入值控制；及
其中所述温度计编码开关阵列的外开关阵列包括多个外开关元件，其中所述多个外开关元件由从0到x-1及y+1到k的数字输入值控制；
其中所述内开关阵列的面积经选择以使梯度最小化以便针对从x到y的数字输入值改进所述内开关阵列的微分非线性度DNL及积分非线性度INL，且所述多个内开关元件中的每一者邻近于另一者。
12.根据权利要求11所述的设备，其进一步包括用于控制所述内开关阵列及外开关阵列的温度计代码逻辑。
13.根据权利要求11所述的设备，其中所述内开关阵列由所述外开关阵列环绕。
14.根据权利要求11所述的设备，其中所述外开关阵列被分段在所述内开关阵列上方及下方。
15.根据权利要求11所述的设备，其中所述内开关阵列的行由所述数字输入值的最高有效位MSB控制且所述内开关阵列的列由所述数字输入值的最低有效位LSB控制。
16.根据权利要求12所述的设备，其进一步包括针对所述数字输入值最低有效位LSB由二进制代码逻辑控制且针对所述数字输入值最高有效位MSB由所述温度计代码逻辑控制以产生模拟输出信号的另一开关阵列。
17.根据权利要求11所述的设备，其中所述内开关阵列及外开关阵列切换电流值以产生模拟输出信号。
18.根据权利要求11所述的设备，其中所述内开关阵列及外开关阵列切换电容器值以产生模拟输出信号。
19.根据权利要求11所述的设备，其中所述内开关阵列及外开关阵列切换电阻器值以产生模拟输出信号。
20.根据权利要求11所述的设备，其中所述温度计编码开关阵列及其内开关阵列、外开关阵列形成于集成电路裸片中。
21.根据权利要求20所述的设备，其中所述集成电路裸片进一步包含用于所述DAC的其它支持电路。
22.根据权利要求20所述的设备，其中所述DAC用于正交频分多路复用OFDM系统中。
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