CN104579349B - 基于偏移和共模补偿的电阻阶梯形数字模拟转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于偏移和共模补偿的电阻阶梯形数字模拟转换器。该电阻阶梯形数字模拟转换器至少包括：包含电阻及受控开关构成的阶梯形电路；包含第一运算放大器且用于输出数模转换结果的运算单元，所述第一运算放大器一输入端连接所述阶梯形电路、另一输入端接入第一参考电压；用于将待转换的数字信号添加偏移量的偏移电路；用于基于所述偏移电路的输出来控制各受控开关的开闭的控制电路；用于基于所述偏移量及第一参考电压来输出第二参考电压至各受控开关的一端的共模放大电路。本发明能在不丧失信噪比的前提下，将器件不匹配的影响降到最低。

Description

基于偏移和共模补偿的电阻阶梯形数字模拟转换器

技术领域

本发明涉及数模转换领域，特别是涉及一种基于偏移和共模补偿的电阻阶梯形数字模拟转换器。

背景技术

电阻阶梯形数字模拟转换电路(ResistorLadderDAC)一直以来是最简单的数字模拟转换电路之一，其结构简单，功耗和噪声极低，是数字模拟转换电路的主要结构。

例如，在申请号为200910140169.6公开了一种数字模拟转换器及其方法。该数字模拟转换器具有多个相接成串的晶体管-电阻器单元，每一晶体管-电阻器单元各有以一对互补的控制信息来控制其开启/关闭的一对晶体管。由于每一晶体管-电阻器单元的两个晶体管对称排列，故可依照所接收的数字代码精确地决定其等效电阻值，进而输出与等效电阻相应的输出电压。

又例如，型号为“AD7568,Octal 12-bit DAC,datasheet,Analog Devices Inc”的数字模拟转换电路是一种典型的电阻阶梯形数字模拟转换电路，其精度由于受制造工艺的影响(电阻匹配大约0.5％)限制在12bit。

上述各数字模拟转换电路虽然结构简单，然而，由于在半导体制造工艺的器件匹配的问题导致精度较低，而高精度的电阻阶梯数字模拟转换电路，一般需要昂贵的激光校准设备来校准片上器件的误差，或在电路中设计冗余的器件来校准误差。

例如，在专利号为6400300B1的美国专利文献中描述了一种采用用辅助电阻串来校准主电阻串的电路，由此来补偿由于芯片中电阻不匹配引起的DAC精度的下降。这种实现方法中，电路复杂，并需要额外的功耗。

此外，由于电阻阶梯形数字模拟转换电路精度易受半导体制造工艺的影响，故在现在主流的片上系统芯片设计中，该类数字模拟转换电路都不被采用，而采用对于工艺不敏感的其他类型的转换电路，如增量积累转换器(Sigma-deltaDAC)，因此迫切需要对现有电阻阶梯形数字模拟转换电路进行改进，以提供一种低成本高精度的电阻阶梯形数字模拟转换电路。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于偏移和共模补偿的电阻阶梯形数字模拟转换器，以减小信号下对于器件不匹配引起的转换误差，提高交流小信号下的信噪比。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于偏移和共模补偿的电阻阶梯形数字模拟转换器，其至少包括：

包含电阻及受控开关构成的阶梯形电路；

包含第一运算放大器且用于输出数模转换结果的运算单元，所述第一运算放大器一输入端连接所述阶梯形电路、另一输入端接入第一参考电压；

偏移电路，用于将待转换的数字信号添加偏移量；

连接所述偏移电路的控制电路，用于基于所述偏移电路的输出来控制各受控开关的开闭；

共模放大电路，用于基于所述偏移量及第一参考电压来输出第二参考电压至各受控开关的一端。

优选地，待转换的数字信号包括交流小信号。

优选地，所述共模放大电路包括第二运算放大器；更为优选地，第二运算放大器的一输入端连接第一参考电压、另一输入端连接两串联电阻的公共连接点、输出端连接两串联电阻中的一者的另一端，两串联电阻中的另一者的另一端接地。

优选地，第二参考电压VREFP＝VCOM*(1+R2/R1)，所述偏移量Doff＝(R1-R2)/(2*(R1+R2))*(2^N-1)，其中，VCOM为第一参考电压，R1、R2为两串联电阻各自的阻值，N为待转换的数字信号的位数。

如上所述，本发明的基于偏移和共模补偿的电阻阶梯形数字模拟转换器，具有以下有益效果：采用数字偏移和模拟共模补偿的方法，将对器件不匹配最敏感的转换区间从原来的小信号区间转移到其他部分，由此，在不丧失信噪比的前提下，将器件不匹配的影响降到最低。

附图说明

图1显示为本发明的基于偏移和共模补偿的电阻阶梯形数字模拟转换器示意图。

图2显示为本发明的基于偏移和共模补偿的电阻阶梯形数字模拟转换器信号转换示意图。

元件标号说明

1 电阻阶梯形数字模拟转换器

11 阶梯形电路

12 运算单元

13 偏移电路

14 控制电路

15 共模放大电路

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图所示，本发明提供一种基于偏移和共模补偿的电阻阶梯形数字模拟转换器。所述电阻阶梯形数字模拟转换器1至少包括：阶梯形电路11、运算单元12、偏移电路13、控制电路14、及共模放大电路15。

所述阶梯形电路11包含电阻及受控开关构成，例如，如图1所示，该阶梯形电路11包含N+2个第一电阻、N+1个第二电阻及N+1个受控开关，其中，第一电阻的阻值是第二电阻阻值的2倍，每一个受控开关连接一个第一电阻，各受控开关的一端接地。

其中，各受控开关优选采用MOS管来实现。

所述运算单元12包含第一运算放大器，用于输出数模转换结果，所述第一运算放大器一输入端连接所述阶梯形电路11、另一输入端接入第一参考电压。

如图1所示，所述运算单元12包扩第一运算放大器(OP1)及连接在OP1的第一输入端及输出端的第三电阻，该OP1的第一输入端连接所述阶梯形电路11、第二输入端接入第一参考电压VCOM，其中，第三电阻的阻值与阶梯形电路11的第一电阻的阻值相等。

所述偏移电路13用于将待转换的数字信号添加偏移量。

其中，所述偏移量可根据实际的电阻阶梯形数字模拟转换器电路误差发生的区域来确定，例如，图1所示的阶梯形电路11因器件不匹配引起的最大误差发生在2^(N-1)附近区域，故可将偏移量Doff确定为：Doff＝k*(2^N-1)，其中，k为常数，由此，添加了偏移量的小信号的转换区域不再处在2^(N-1)附近区域。

优选地，所述偏移电路13可采用加法器等来实现。

所述控制电路14连接所述偏移电路13，用于基于所述偏移电路13的输出来控制各受控开关的开闭。

具体地，所述控制电路14根据所述偏移电路13的输出来输出(N+1)位高电平或低电平信号分别用于控制图1所示的(N+1)个受控开关。

所述共模放大电路15用于基于所述第一参考电压来输出第二参考电压至各受控开关的一端。

需要说明的是，第二参考电压并非为任意值，而是能使添加了偏移量的待转换的数字信号经过数模转换后，输出的模拟信号VOUT没有偏移，故本领域技术人员基于前述所述应该理解，第二参考电压与所述偏移量及第一参考电压的关联关系。

例如，如图1所示，所述共模放大电路15包括第二运算放大器(OP2)以及连接OP2的电阻R1及R2，所述共模放大电路15输出的第二参考电压VREFP＝VCOM*(1+R2/R1)，则相应地，偏移量Doff＝k*(2^N-1)中的k＝(R1-R2)/(2*(R1+R2))。

上述电阻阶梯形数字模拟转换器1的工作过程如下：

如图2所示，待转换的数字信号DIN[N:0]经过偏移电路13加上偏移量Doff后，由控制单元14输出相应的(N+1)位开关控制信号DIN_I[N:0]至阶梯形电路11的各受控开关，各受控开关基于各自的开闭状态分别接地或第二参考电压VREFP，由此，经过一个共模偏移放大，输出的模拟信号没有偏移。

综上所述，基于电阻阶梯的数字模拟转换电路的器件不匹配引起的最大误差发生在2^(N-1)附近区域，这个区域恰恰是交流小信号转换的区域，故本发明基于偏移和共模补偿的电阻阶梯形数字模拟转换器将数字模拟转换器的小信号区域进行偏移，使得交流小信号的转换区域偏移到非2^(N-1)区域，由此可使小信号下对于器件不匹配引起的转换误差，得到减小。从而有效提高交流小信号下的信噪比。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种基于偏移和共模补偿的电阻阶梯形数字模拟转换器，其特征在于，所述基于偏移和共模补偿的电阻阶梯形数字模拟转换器至少包括：

阶梯形电路，所述阶梯形电路包括(N+2)个并联的第一电阻，分别与后(N+1)个第一电阻的第一连接端连接的第二电阻，后(N+1)个第一电阻的第二连接端分别与一受控开关的控制端连接，(N+1)个所述受控开关的第一连接端均与第一个所述第一电阻的第二连接端连接，同时接地，(N+1)个所述受控开关的第二连接端与共模放大电路的输出端连接；

包含第一运算放大器且用于输出数模转换结果的运算单元，所述第一运算放大器一输入端连接所述阶梯形电路、另一输入端接入第一参考电压；

偏移电路，用于将待转换的数字信号添加偏移量；

连接所述偏移电路的控制电路，用于基于所述偏移电路的输出来控制各受控开关的开闭；

连接所述阶梯形电路的共模放大电路，用于基于所述第一参考电压来输出第二参考电压至各受控开关的第二连接端。

2.根据权利要求1所述的基于偏移和共模补偿的电阻阶梯形数字模拟转换器，其特征在于：待转换的数字信号包括交流小信号。

3.根据权利要求1或2所述的基于偏移和共模补偿的电阻阶梯形数字模拟转换器，其特征在于：所述共模放大电路包括第二运算放大器。

4.根据权利要求3所述的基于偏移和共模补偿的电阻阶梯形数字模拟转换器，其特征在于：第二运算放大器的一输入端连接第一参考电压、另一输入端连接两串联电阻的公共连接点、输出端连接两串联电阻中的一者的另一端，两串联电阻中的另一者的另一端接地。

5.根据权利要求4所述的基于偏移和共模补偿的电阻阶梯形数字模拟转换器，其特征在于：第二参考电压VREFP＝VCOM*(1+R2/R1)，所述偏移量Doff＝(R1-R2)/(2*(R1+R2))*(2^N-1)，其中，VCOM为第一参考电压，R1、R2为两串联电阻各自的阻值，N为待转换的数字信号的位数。

6.根据权利要求1或2所述的基于偏移和共模补偿的电阻阶梯形数字模拟转换器，其特征在于：所述偏移电路包括加法器。

7.根据权利要求1或2所述的基于偏移和共模补偿的电阻阶梯形数字模拟转换器，其特征在于：各受控开关包括MOS管。