CN103873057A - 串dac泄漏电流消除 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方案可以提供一种具有泄漏电流消除的多DAC。可以将泄漏消除电路耦合到多串DAC的输出节点。该泄漏消除电路可以复制耦合的输出节点处存在的泄漏电流，并生成对应的互补信号：泄漏消除信号。可以将泄漏消除信号注入到耦合的输出节点中以消除（或降低）泄漏电流的净影响。

Description

串DAC泄漏电流消除
相关申请的交叉引用
本发明申请要求2012年12月14日提交的美国临时专利申请序列号61/737,458赋予的优先权权益，其内容通过引用完全并入本文。
背景技术
本发明涉及串数模转换器（DAC）中的泄漏电流消除。
串DAC将数字字转换成对应模拟信号。作为一种串DAC类型的双串DAC包括两个阻抗串，如两个串联电阻器串和两个开关网络。第一电阻器串的输出耦合到第二电阻器串的输入，第一电阻器串典型地用于转换数字字的最高有效位（MSB），第二电阻器串典型地用于数字字的转换最低有效位（LSB）。由此，对于中至高分辨率转换器，选定的第一电阻器端处的电压往往在值上接近。第一电阻器串中选定的电阻器、第一开关网络和第二电阻器串可能在相似的共模下工作。
以给定的共模下工作的串DAC中的错误源是泄漏电流，这可能破坏转换。泄漏电流可以存在于两个开关网络中的开关输出处，并且可指漏入到开关端或从开关端漏入的非期望的电流。此类泄漏电流的影响在低功率和/或高温应用中变得更大。在低功率应用中，由于转换中使用的电压低，所以小量的泄漏电流可能导致显著错误。在高温应用中，泄漏电流与温度升高成比例地增加（例如，每10摄氏度，泄漏电流可能翻倍）。
因此，发明人认识到本领域中需要高效的泄漏电流消除。
附图说明
图1（A）图示根据本发明实施方案的DAC系统。
图1（B）图示根据本发明实施方案的DAC系统。
图2图示根据本发明实施方案的具有耦合的泄漏电流消除电路的示范DAC输出节点。
图3图示根据本发明实施方案的泄漏电流消除电路。
图4（A）图示根据本发明实施方案的DAC系统。
图4（B）图示根据本发明实施方案的DAC系统。
图5（A）图示根据本发明实施方案的DAC系统。
图5（B）图示根据本发明实施方案的DAC系统。
具体实施方式
本发明的实施方案可以提供一种具有经开关选择性地彼此耦合的至少两对阻抗串的串DAC。串DAC还可以包括耦合到输出节点的泄漏消除电路，所述泄漏消除电路复制输出节点处存在的泄漏电流、生成泄漏电流的互补信号，并将互补信号输出到输出节点。
本发明的实施方案可以提供一种泄漏电流消除的方法。该方法可以包括检测多串DAC中输出节点处的电压信号，基于检测到的电压复制输出节点处的泄漏电流，生成与泄漏电流互补的消除信号，并输出消除信号以使泄漏电流和消除信号相消干涉。
图1（A）图示根据本发明实施方案的具有泄漏电流消除的DAC系统100。每个DAC系统100可以包括MSB DAC120、LSB DAC130和电流消除电路140。DAC系统200示出为分割于MSB与LSB部分之间的二叉系统；但是，本文描述的DAC系统可以采用多种不同体系结构和/或使用不同数系统（例如，使用互质数）和/或使用非二进制数基来实现。本文使用二叉分割系统是出于简明和说明性的目的。DAC系统100可以将输入数字字DIN转换成已转换的模拟电压VOUT。
MSB DAC120可以将要转换的数字字的MSB位转换成模拟电压VOUT。MSB DAC120可以包括具有串联耦合的阻抗结构（例如，电阻器、MOS装置等）的阻抗串。在实施方案中，可以将MSB DAC120作为串DAC来提供，如图1（B）所示。例如，MSB DAC120可以包括多个串联耦合的电阻器121.1-121.N（即，电阻器串）和多个开关122.0-122.N。电阻器串中的电阻器121.1-121.N可以设有相等的电阻（例如，K欧姆）以作为分压器网络工作。可以将多个开关122.0-122.N耦合到电阻器的端部。因此，开关的选择性耦合可以提供与电阻器串中不同分段对应的中间节点。这些开关可以基于要转换的数字字的MSB由二进制控制信号（C0-CN）来控制。由此，MSB DAC120可以提供根据输入数字字的MSB换算的参考电压VREF的一部分。
可以将LSB DAC130耦合到MSB DAC120。LSB DAC130可以将要转换的数字字的LSB位转换成VOUT。LSB DAC130可以包括具有串联耦合的阻抗结构（例如，电阻器、MOS装置等）的阻抗串。例如，可以将LSB DAC130作为串DAC来提供，如图1（B）所示。在此实施方案中，LSB DAC130可以包括多个串联耦合的电阻器131.1-131.N（即，电阻器串）和多个开关132.0-132.N。电阻器串中的电阻器131.1-131.M可以设有相等的电阻（例如，L欧姆）以作为分压器网络工作。可以将MSB DAC120的输出耦合到LSB DAC130电阻器串的上端和下端。可以将多个开关121.1-121.N耦合到电阻器的端部。这些开关可以基于要转换的数字字的LSB由二进制控制信号（D0-DN）来控制。
在实施方案中，可以在反馈回路中将泄漏消除电路140耦合到一个或多个MSB DAC120输出节点。泄漏消除电路140可以测量从相应MSB DAC120输出节点的电流泄漏。再者，泄漏消除电路140可以生成针对测量的电流泄漏的互补信号–泄漏消除信号。泄漏消除电路140则可以将该泄漏消除信号传送到耦合的输出节点。泄漏消除信号可以在输出节点处与电流泄漏组合，并可以由于相消干涉而彼此抵销。
在实施方案中，可以将泄漏消除电路140耦合到中间节点中的一个或二者，中间节点则耦合MSB DAC120和LSB DAC130、DACP和DACN。在实施方案中，泄漏消除电路140可以消除多串DAC配置中的开关矩阵的泄漏。开关矩阵可以将多串DAC的两个或更多个串分段耦合在一起。再者，开关级（复用器）可以在多级中实现，如在正交阵列中的两级行列解码器中实现或每个位一个开关的复用器体系结构中实现。
而且，图1（B）中的DAC系统100图示双串DAC；但是，DAC系统100可以扩展成包括更大的多串DAC配置（例如，三串、四串等），以及可以利用其他DAC配置来实现本文描述的泄漏消除方案。例如，该泄漏电流消除方案可以与USP5,969,657、USP7,136,002和USP6,914,547中描述的多串DAC体系结构一起使用。因此，泄漏消除电路可以基于DAC配置来实现适合的复制电路以消除泄漏电流。例如由于码相关性（code dependency），该复制电路可以进行改变以匹配泄漏电流中的变化。可以通过开关接入或耦合到适合的复制电路来实现这种改变。因此，该泄漏电流消除电路可以将例如在在低共模电平处使用NMOS开关和在高共模电平处使用PMOS装置的情况中的电路组件改变纳入考虑。组件改变也可是码相关的，并且因此，该泄漏消除电路还可以通过基于当前码输入动态地调整来将此纳入考虑。
图2图示根据本发明实施方案的耦合到泄漏消除电路的示范MSB DAC输出节点。图2可以包括开关SW200和泄漏消除电路240。在实施方案中，开关200可以实现为图1的MSB DAC120中位于节点N1和DACN之间的开关122.0来实现。这些开关可以从串中的节点耦合到串DAC输出。开关SW200可以包括第一MOS晶体管210、第二MOS晶体管212、第一驱动器214、第二驱动器216。MOS210可以是mosfet晶体管，例如PMOS晶体管。可以将源极端耦合到VREF的正端。MOS212可以是mosfet晶体管，例如NMOS晶体管。可以将源极端耦合到VREF的负端或地线。可以将MOS210和MOS212的漏极端耦合到一起以形成DAC输出节点。MOS210和MOS212可以是互补晶体管。例如，MOS210和MOS212可以分别作为PMOS和NMOS晶体管来提供或反之。在实施方案中，第一MOS210和第二MOS212可以作为其他适合晶体管类型来提供，如MOSFET、MESFET等。
第一驱动器214可以耦合到第一MOS210的栅极，并且可以基于控制信号，例如图1（B）中的C0来控制第一MOS210的操作。第二驱动器216可以耦合到第而MOS212的栅极，并且可以基于控制信号，例如图1（B）中的C0来控制第二MOS212的操作。
可以使用反馈回路将泄漏消除电路240耦合到DAC输出节点。泄漏消除电路240可以直接或间接检测并测量来自耦合的DAC输出节点的电流泄漏。再者，泄漏消除电路240可以生成针对测量的电流泄漏的互补信号–泄漏消除信号。泄漏消除电路240则可以将该泄漏消除信号传送到耦合的输出节点。该泄漏消除信号可以与电流泄漏组合，以便在输出节点处见到效果并可以由于相消干涉而彼此抵销。
虽然图2示出开关的一个实施方案，但是它还可以由单个适合的MOS装置来实现。该单个MOS开关装置可以由针对开关性能优化的适合额定电压、栅绝缘类型（和厚度）的NMOS或PMOS制成。在实施方案中，该开关装置可以从控制逻辑直接耦合到开关装置的栅极端（即，无嵌入的驱动器块）。还可以将其他公知开关变化与本文描述的泄漏消除方案结合使用。例如，在实施方案中，可以按USP5,764,174中传授的提供开关SW200。
图3示出根据本发明实施方案的泄漏消除电路300的简化电路图。泄漏消除电路300可以包括运算放大器312、电流镜310和314和复制负载316。可以将运算放大器312的正输入端耦合到图1所示的输出节点以接收泄漏电流信号。运算放大器312的输出OUTB可以是来自DAC输出节点的泄漏电流信号的反相（互补）信号。
第一电流镜310可以包括两个晶体管310.1、310.2。可以将晶体管310.1、310.2经其栅极端耦合在一起。还可以使晶体管310.2将其栅极耦合到其漏极。在实施方案中，可以将电流镜310作为NMOS电流镜来提供。在另一个实施方案中，可以将电流镜310作为PMOS电流镜来提供。
第二电流镜314可以包括两个晶体管314.1、314.2。可以将晶体管314.1、314.2的栅极端耦合到运算放大器312的输出OUTB。可以将晶体管314.1、314.2耦合并短接在一起。晶体管314.2还可以作为电流源来工作以便按正确的电压和电流值提供泄漏电流信号。复制负载316可以通过复制DAC电路的负载来平衡泄漏电流。在实施方案中，复制负载316可以是二极管等。
出于说明性和解释的目的，本文描述的电流镜实现使用一级电流镜。但是，也可以使用更复杂的精确电流镜像，包括无源或有源级联配置，以便基于复制负载和已知的共模电压来形成复制电流。
泄漏消除电路300可以例如从耦合的DAC输出或LSB DAC的任一基准，作为输入接收DAC的电压（共模）。使用复制负载，泄漏消除电路300则可以复制泄漏电流信号，并将该信号反相为180度异相，以在晶体管310.1处生成泄漏消除信号。可以将泄漏消除信号注入到DAC输出节点中以消除（或降低）泄漏电流信号。
在其他实施方案中，该泄漏消除电路可以基于DAC配置来实现适合的复制电路以消除泄漏电流。该复制电路可以进行改变以匹配泄漏电流中的变化，例如码相关性（code dependency）。可以通过开关接入或耦合到适合的复制电路来实现这种改变。例如，该复制电路可以模仿DAC中所使用的开关网络的状态。因此，该泄漏电流消除电路可以将例如在在低共模电平处使用NMOS开关和在高共模电平处使用PMOS装置的情况中的电路组件改变纳入考虑。
图4（A）图示根据本发明实施方案的具有泄漏电流消除的DAC系统400。每个DAC系统400可以包括MSB DAC420、LSB DAC430和电流消除电路440。在此实施方案中，可以将该泄漏消除电路耦合到LSB DAC430中的输出节点，例如LSB DAC430内的开关网络，以便消除（或降低）其中存在的泄漏电流信号。DAC系统400可以将输入数字字DIN转换成已转换的模拟电压VOUT。
MSB DAC420可以将要转换的数字字的MSB位转换成模拟电压VOUT。在实施方案中，可以将MSB DAC420作为串DAC来提供，如图4（B）所示。例如，MSB DAC420可以包括多个串联的电阻器424.1-424.N（即，电阻器串）和多个开关422.0-422.N。电阻器串中的电阻器424.1-424.N可以设有相等的电阻（例如，K欧姆）以作为分压器网络工作。可以将多个开关422.0-422.N耦合到电阻器的端部。因此，开关的选择性耦合可以提供与电阻器串中不同分段对应的中间节点。这些开关可以基于要转换的数字字的MSB由二进制控制信号（C0-CN）来控制。由此，MSB DAC420可以提供根据输入数字字的MSB换算的参考电压VREF的一部分。
可以将LSB DAC430耦合到MSB DAC420。LSB DAC430可以将要转换的数字字的LSB位转换成VOUT。例如，可以将LSB DAC430作为串DAC来提供，如图4（B）所示。在此实施方案中，LSB DAC430可以包括多个串联的电阻器434.1-434.M（即，电阻器串）和多个开关432.0-432.M。电阻器串中的电阻器434.1-434.M可以设有相等的电阻（例如，L欧姆）以作为分压器网络工作。可以将MSB DAC420的输出耦合到LSB DAC430电阻器串的上端和下端。可以将多个开关422.0-422.M耦合到电阻器的端部。这些开关可以基于要转换的数字字的LSB由二进制控制信号（D0-DN）来控制。
在此实施方案中，可以在反馈回路中将泄漏消除电路440耦合到一个或多个LSB DAC430输出节点。泄漏消除电路440可以直接或间接检测并测量来自耦合的LSB DAC430输出节点的电流泄漏。再者，泄漏消除电路440可以生成针对测量的电流泄漏的互补信号–泄漏消除信号。泄漏消除电路440则可以将该泄漏消除信号传送到耦合的输出节点。该泄漏消除信号可以与电流泄漏组合，以便在输出节点处见到效果并可以由于相消干涉而彼此抵销。在实施方案中，泄漏消除电路440可以按上文图3论述的来提供。
图5（A）图示根据本发明实施方案的具有泄漏电流消除的DAC系统500。DAC系统500可以包括MSB DAC520、LSB DAC530、电流消除电路540和滤波器550.1、550.2。在此实施方案中，可以将该泄漏消除电路耦合到DAC500中的输出节点，以便消除（或降低）其中存在的泄漏电流信号。因此，在此实施方案中，泄漏电流可以是来自DAC系统500中的多种组件的泄漏电流的组合。DAC系统500可以将输入数字字DIN转换成已转换的模拟电压VOUT。
MSB DAC520可以将要转换的数字字的MSB位转换成模拟电压VOUT。在实施方案中，可以将MSB DAC520作为串DAC来提供，如图5（B）所示。例如，MSB DAC520可以包括多个串联的电阻器525.1-525.N（即，电阻器串）和多个开关522.0-522.N。电阻器串中的电阻器525.1-525.N可以设有相等的电阻（例如，K欧姆）以作为分压器网络工作。可以将多个开关522.0-522.N耦合到电阻器的端部。因此，开关的选择性耦合可以提供与电阻器串中不同分段对应的中间节点。这些开关可以基于要转换的数字字的MSB由二进制控制信号（C0-CN）来控制。由此，MSB DAC520可以提供根据输入数字字的MSB换算的参考电压VREF的一部分。
可以将LSB DAC530耦合到MSB DAC520。LSB DAC530可以将要转换的数字字的LSB位转换成VOUT。例如，可以将LSB DAC530作为串DAC来提供，如图5（B）所示。在此实施方案中，LSB DAC530可以包括多个串联的电阻器535.1-535.M（即，电阻器串）和多个开关532.0-532.M。电阻器串中的电阻器535.1-535.M可以设有相等的电阻（例如，L欧姆）以作为分压器网络工作。可以将MSB DAC520的输出耦合到LSB DAC530电阻器串的上端和下端。可以将多个开关522.0-522.M耦合到电阻器的端部。这些开关可以基于要转换的数字字的LSB由二进制控制信号（D0-DN）来控制。
可以作为可选方式提供串联的一个或多个滤波器以优化DAC系统500输出VOUT处的模拟信号。例如，可以在DAC系统500输出处实现滤波器550.1、550.2。滤波器550.1、550.2可以是低通滤波器，如无源（RC）滤波器或其他适合的滤波器拓扑，其对泄漏电流消除方案影响最小（即，可忽略），但是可以在期望情况下/按期望的改善DAC瞬态性能。
在此实施方案中，可以在反馈回路中将泄漏消除电路540耦合到DAC系统500输出节点（VOUT）。泄漏消除电路540可以直接或间接检测并测量来自耦合的输出节点的电流泄漏。再者，泄漏消除电路540可以生成针对测量的电流泄漏的互补信号–泄漏消除信号。泄漏消除电路540则可以将该泄漏消除信号传送到耦合的输出节点。该泄漏消除信号可以与电流泄漏组合，以便在输出节点处见到效果并可以由于相消干涉而彼此抵销。在实施方案中，泄漏消除电路440可以按上文图3论述的来提供。
本文描述的DAC系统图示为两串DAC；但是，本发明实施方案中的DAC系统可以扩展成包括更大的多串DAC配置（例如，三串、四串等），以及可以利用其他DAC配置来实现本文描述的泄漏消除方案。例如，该泄漏电流消除方案可以与USP5,969,657、USP7,136,002和USP6,914,547中描述的多串DAC体系结构一起使用。再者，本文描述的多种实施方案可以组合来使用。因此，该泄漏消除电路可以基于DAC配置来实现适合的复制电路以消除泄漏电流。例如由于码相关性（code dependency），该复制电路可以进行改变以匹配泄漏电流中的变化。可以通过开关接入或耦合到适合的复制电路来实现这种改变。因此，该泄漏电流消除电路可以将例如在在低共模电平处使用NMOS开关和在高共模电平处使用PMOS装置的情况中的电路组件改变纳入考虑。再者，本文描述的多种实施方案可以一起使用。
本文中具体地图示和/或描述了本发明的若干实施方案。但是，将认识到，上文的教导涵盖本发明的修改和变化，并且在所附权利要求的范围内而不背离本发明的精神或应有范围。
在其他情况中，未详细地描述公知的操作、组件和电路以不致于使论述晦涩难懂。例如，本文描述的两个端电阻器是为了描述简单；但是，正如本领域技术人员所公知的，可以将本文描述的两个端电阻器推广为阻抗元件。例如，还可以使用三个端阻抗元件，如背板元件或三个端电阻器，并且未在本文中予以详细描述，以便不致于使得这些实施方案晦涩难懂。而且，出于说明的目的，本文中使用电阻器串来描述本发明的实施方案；但是，本发明的实施方案可以利用其他阻抗串方案来实现。例如，可以在阻抗串方案中采用非饱和工作中偏压的MOS结构。可以认识到，本文披露的特定结构和功能细节可以是代表性的，并且不一定限制这些实施方案的范围。

Claims (18)

1.一种串数模转换器（DAC），其包括：
经开关选择性地彼此耦合的至少两对阻抗串；以及
耦合到输出节点的泄漏消除电路，所述泄漏消除电路复制所述输出节点处存在的泄漏电流，生成泄漏电流的互补信号并输出所述互补信号。
2.如权利要求1所述的串DAC，其中所述输出节点耦合到所述阻抗串中的一个中的阻抗元件端。
3.如权利要求2所述的串DAC，其中所述输出节点耦合到与所述串DAC的最高有效位（MSB）对应的所述阻抗串中的一个中的阻抗元件端。
4.如权利要求2所述的串DAC，其中所述输出节点耦合到与所述串DAC的最低有效位（LSB）对应的所述阻抗串中的一个中的阻抗元件端。
5.如权利要求1所述的串DAC，其中所述输出节点是所述串DAC的输出节点。
6.如权利要求1所述的串DAC，其中所述开关包括一对晶体管。
7.如权利要求6所述的串DAC，其中所述开关包括MOS晶体管。
8.如权利要求1所述的串DAC，其中所述泄漏消除电路包括运算放大器。
9.如权利要求1所述的串DAC，其中所述泄漏消除电路包括至少一个电流镜。
10.如权利要求1所述的串DAC，其中所述泄漏消除电路包括通过复制所述串DAC的负载平衡所述泄漏电流的负载。
11.如权利要求1所述的串DAC，其中所述阻抗串包括串联的电阻器。
12.如权利要求1所述的串DAC，其中在所述输出节点处检测电压以复制所述泄漏电流。
13.如权利要求1所述的串DAC，其中所述泄漏消除电路在所述输出节点处输出所述互补信号。
14.一种方法，其包括：
检测多串DAC中的输出节点处的电压信号；
基于所检测的电压复制所述输出节点处的泄漏电流；
生成与所述泄漏电流互补的消除信号；以及
输出所述消除信号以使所述泄漏电流与所述消除信号相消干涉。
15.如权利要求14所述的方法，其中将所述消除信号耦合到所述多串DAC的MSB串中的阻抗元件端。
16.如权利要求14所述的方法，其中将所述消除信号耦合到所述多串DAC的LSB串中的阻抗元件端。
17.如权利要求14所述的方法，其中将所述消除信号耦合到所述多串DAC输出。
18.如权利要求14所述的方法，其还包括检测多个输出节点处的电压。
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