CN105071809B - 后台校正的互补电流电路、开关电路及电流型数模转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种后台校正的互补电流电路、开关电路及电流型数模转换器，互补电流电路包括电流大小比较器，校正控制单元，待校正的互补电流支路及其对应的电流源，参考电流源，开关模块，若干个控制信号产生单元，以及备用电流源。其中，电流大小比较器在校正控制单元和开关模块的控制下，通过参考电流源比较待校正的互补电流支路中两个电流源的电流大小，将比较结果送到校正控制单元进一步调节待校正的电流源输出电流。本发明具有如下优点：互补电流的校正精度高、电路结构简单、运行速度快。

Description

后台校正的互补电流电路、开关电路及电流型数模转换器

技术领域

本发明涉及数模转换电路技术领域，尤其涉及一种校正功能的互补电流电路、开关电路及电流型数模转换器。

背景技术

数模转换器(DAC)作为数字域与模拟域之间转换的重要桥梁，在信号处理和通信领域中有着重要作用。随着现代通信中信息量的提高要求数模转换器有更高的速度。同时由于频谱的复用，使得单一信道中同时存在的信号频谱范围更宽，为降低不同频段内信号的干扰，同时降低非线性引入的谐波的干扰，要求数模转换器有更高的线性度。DAC的线性度通常采用无杂散动态范围(SFDR)来描述，SFDR定义为输出关心的频带范围内，信号能量和能量最大的谐波的能量之比。在更宽的频带范围内达到更高的SFDR是当前应用领域的发展对数模转换器提出的新的性能要求，也是当前研究领域的热点之一。

在高速数模转换器中，电流型数模转换器因其比其他结构的DAC速度更快，功耗低，且带负载能力强，因而被广泛采用。如图1所示，为电流型数模转换器的基本结构，包含一组电流源整列以及与每个电流源相连接的一对开关单元。输入数字信号控制开关单元的通断，从而控制每个电流源的电流流向特定的输出端，来自电流源的电流在两个输出端分别进行相加求和，两个输出端相加求和后取差值即是输入数字信号对应的模拟量输出。

在传统的电流型DAC中，影响SFDR性能的主要因素大概可以分为以下两大类：静态因素和动态因素。其中静态因素主要指电流源匹配误差导致输出端在每一个输入数字码转换输出稳定时存在的与理想输出之间的误差。同时走线上电阻压降导致电路中同一走线各点电压的梯度变化，以及温度梯度带来的影响也会引入电流源实际输出与理想输出之间的误差，当输入数字信号与这些输出误差相关时，便会在输出端引入与输入信号相关的谐波从而降低SFDR。为了降低电流源匹配误差，最简单的方法是采用更大的晶体管面积以提高匹配程度，但是晶体管面积的增加将导致寄生电容的增加，从而限制DAC的速度。并且单纯增加电流源的面积并不能改善走线压降以及温度梯度所带来的误差。

影响SFDR的动态因素主要是和数模转换器的数字码字切换过程相关。在数字码字切换过程中，由于时序误差，驱动信号的强弱，以及开关管的失配等都会引入切换过程中的非理想输出，从而引入毛刺，进一步导致降低输出信号的SFDR。除此之外，有限输出阻抗是限制整个DAC在高频时SFDR的关键因素，如图2所示，随着输出阻抗的增加SFDR得以提高。由于输出阻抗为有限值，并且由于寄生电容的影响，导致输出阻抗中存在容性成分，在高频下，输出阻抗进一步恶化。为了提高输出阻抗，C.H-Lin等人在2009年国际固态电路会议(ISSC2009)中提出增加小电流支路的办法来提高输出阻抗，但是受原理所限，对SFDR的提升有限。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种后台校正的互补电流电路。

本发明的第二个目的在于提出一种后台校正的互补电流的开关电路。

本发明的第三个目的在于提出一种后台校正的电流型数模转换器。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种后台校正的互补电流电路，包括：可调互补电流生成模块，所述可调互补电流生成模块用于根据电流控制信号生成第一输出电流和第二输出电流，所述可调互补电流生成模块包括第一电流引出端和第二电流引出端，所述第一电流引出端与第一电流输出端通过第一开关(S3)连接，所述第二电流引出端与第二电流输出端通过第二开关(S4)连接；电流大小比较器，所述电流大小比较器的正输入端与所述第一电流引出端通过第三开关(S5)连接，所述电流比较器的负输入端与所述第二电流引出端通过第四开关(S6)连接，所述电流大小比较器的输出端与校正控制单元连接；第一参考电流源(I5)，与所述第三开关(S5)和所述电流大小比较器的正输入端之间的节点连接；第二参考电流源(I6)，与所述第四开关(S6)与所述电流大小比较器的负输入端之间的节点连接；第一备用电流源(I1)，所述第一备用电源(I1)与所述第二电流输出端通过第五开关(S1)连接；第二备用电流源(I2)，所述第二备用电源(I2)与所述第一电流输出端通过第六开关(S2)连接；以及校正控制单元，所述校正控制单元根据所述电流大小比较器的输出结果生成所述电流控制信号、第一开关控制信号和第二开关控制信号，其中，所述第一开关控制信号用于控制第三开关(S5)、第四开关(S6)、所述第五开关(S1)和所述第六开关(S2)的同步开启或闭合，所述第二开关控制信号控制所述第一开关(S3)和所述第二开关(S4)同步开启或闭合。

根据本发明实施例的后台校正的互补电流电路，通过引入补偿电流源，从而实现了对互补电流结构中的差分输出电流的差值与理论差值之间的误差的校正，即保留了原有的互补电流结构，保证了高频输出阻抗的同时，也提高了电流源的匹配性能，从而提高了线性度。同时由于校正技术的引入，使得电流源的尺寸得以降低，从而减小了寄生电容带来的影响，进一步提高了输出阻抗，同时电路的速度也得以提升。

另外，根据本发明上述实施例的后台校正的互补电流电路，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述可调互补电流生成模块包括：第一电流源(I3)，所述第一电流源(I3)与所述第一电流引出端连接；第二电流源(I4)，所述第二电流源(I4)与所述第二电流引出端连接；以及子数模转换器，所述子数模转换器用于接收所述电流控制信号生成反馈电流，并将所述反馈电流反馈给所述第一电流源。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种后台校正的互补电流的开关电路，包括权利要求上述的后台校正的互补电流电路，还包括：第一输出端，所述第一输出端与所述后台校正的互补电流电路的第一电流输出端通过第七开关(S7)连接，所述第一输出端与后台校正的互补电流电路的第二电流输出端通过第八开关(S9)连接；第二输出端，所述第二输出端与后台校正的互补电流电路的第一电流输出端通过第九开关(S8)连接，所述第二输出端与所述后台校正的互补电流电路的第二电流输出端通过第十开关(S10)连接。

根据本发明实施例的后台校正的互补电流的开关电路，通过加入一对互补的电流源以及开关单元,从而提高了有效的输出阻抗,缓解了高频输出时寄生电容带来的输出阻抗的降低。从而提高了输出信号的无杂散动态范围。同时，互补开关对的存在，使得开关切换过程中，毛刺的能量得到一定程度的抵消，这样避免开关切换过程中引入的动态误差，从而提高输出的无杂散动态范围。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种后台校正的电流型数模转换器，包括：开关电流阵列，所述开关电流阵列的每个单元均为开关电流电路，每个所述开关电流电路包括：至少一个电流源；以及至少一对控制信号互为反相的开关，所述开关与电流源连接；译码器，所述译码器用于输出差分控制信号，所述差分控制信号的正向控制信号控制第七开关(S7)和所述第十开关(S10)同步开启或闭合，所述差分控制信号的反向控制信号控制所述第八开关(S9)和所述第九开关(S8)同步开启或闭合；其中，所述开关电流阵列中至少一个单元为权利要求3所述的互补电流的开关电路。根据本发明实施例的后台校正的电流型数模转换器，由于加入了电流源的校正，使得静态匹配性能得到很大程度的提高。同时由于采用的是互补电流开关电路作为基本的结构单元，使得该电流型数模转换器在高频时仍然能够保持非常好的线性度。

另外，根据本发明上述实施例的后台校正的电流型数模转换器，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述电流大小比较器、所述第一参考电流源(I5)、第一参考参考电流源(I6)、第一备用电流源(I1)、第二备用电流源(I2)和校正控制单元部分或全部彼此共享。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是现有技术中的电流型数模转换器的结构示意图；

图2是现有技术中的DAC的SFDR和电流源的输出阻抗之间关系的示意图；

图3是本发明一个实施例的后台校正的互补电流电路的电路示意图；

图4是本发明一个实施例的后台校正的互补电流电路的电路示意图；

图5是本发明一个实施例的后台校正的互补电流开关电路的电路示意图；

图6是本发明一个实施例的后台校正的电流型数模转换器的电路示意图；

图7是本发明一个实施例的带模块共享的后台校正的一种电流型数模转换器的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

首先介绍本发明的原理，带后台校正功能的互补电流电路的原理如图4所示。在校正过程中，首先校正控制单元控制开关S1、S2、S5、S6闭合，S3、S4断开，此时备用电流源I1和I2分别作为I4和I3的替补电流源，从而保持正常的电流输出，而电流源I3和I4通过开关S6和开关S5连接到电流大小比较器。无误差情况下，有：I3-I4＝I_const。即，无误差时电流源I3与I4的差值为常数I_const。未校正前，该差值存在误差I_error:

I3-I4＝I_const+I_error。

校正模块的目的就在于将误差I_error降低到一定的大小以下。其校正原理如下：假设电流源I3和I4的差值不存在误差情况下，电流源I5和I6满足如下关系：I5+I4＝I6+I3。从而电流大小比较器的正(+)端电流为：I4+I5，负(-)端电流为I3+I6，由于I3和I4之间差值的误差存在，电流大小比较器的差分输入电流即正负端输入总电流的差值为：I3+I6-(I4+I5)＝I_error。

电流大小比较器根据差分输入的I_error输出相应的控制信号到校正控制单元，校正控制单元根据该信号控制子数模转换器，使其输出大小为I_adj的电流，从而使电流源I3的等效输出电流变为：I3-I_adj,此时电流大小比较器的差分输入电流变为I_error2：

I3+I6-(I4+I5)-I_adj＝I_error-I_adj＝I_error2。

该差分输入电流I_error2按照I_error的作用方式，使得子数模转换器的输出电流继续增加，从而导致电流大小比较器的差分输入电流降低至I_error3,如此循环，直到电流大小比较器的差分输入电流降低到控制环路能够调节的精度以下。此时子数模转换器的输出使得节点X1和节点X2的电流的差值即电流源I3等效电流与I4的电流的差值与理论值之间的偏差得到校正。

如图5所示，该互补电流的开关电路中，开关S7,S10同时闭合或断开，开关S8，S9同时闭合或断开，并且S7与S8的闭合与断开的状态相反。当外部输入差分控制信号时，开关S7，S8，S9，S10控制与X3和X4节点连接的电流源的流向，从而控制第一输出端与第二输出端之间的电流差的正负。

如图6所示，该电流型转换器中包含开关电流阵列和译码器，且开关电流阵列的每一单元包括至少一个电流源和至少一对控制信号反相的开关。在该开关电流阵列中，至少有一个单元是上述的具有后台校正功能的互补电流开关电路。外部数字输入信号通过译码器产生差分控制信号，控制开关电路中的对应开关，从而控制开关电流阵列的每一单元输出差分电流的正负，开关电流阵列的电流在输出端进行累加求和，从而得到对应的模拟输出。

其中，互补电流开关电路中的电流源具有后台校正功能，经过校正，其输出差分电流与理论值的偏差被控制在一定的精度范围之内。从而使整个数模转换器的精度得到提高。

如图7所示，多个互补电流源共享一组校正电路模块，包含电流大小比较器以及对应的参考电流源，校正控制单元等。共享同一个校正电路的多组互补电流源，在某一时刻，只校正其中的一组互补电流，将待校正的互补电流源的电流通过开关切换到电流大小比较器的两个输入端，校正完后继续对下一个电路模块进行校正。通过多个时钟周期的校正，从而完成整个互补电流源的校正。通过模块复用，从而降低了芯片的面积，进而节省功耗。

以下结合附图描述根据本发明实施例的后台校正的互补电流电路。

实施例一：

如图3所示，本实施例的带后台校正功能的互补电流电路，拥有第一电流输出端和第二电流输出端，组成模块包括：备用电流源I1和I2，可调互补电流生成模块，参考电流源I5和I6，电流大小比较器，校正控制单元，和一组开关S1、S2、S3、S4、S5、S6。其中：

备用电流源I1的一端接固定电位一，I1的另一端与开关S1相连，S1的另一端与第一电流输出端相连；备用电流源I2的一端接固定电位二，I2的另一端与开关S2相连，S2的另一端与第二电流输出端相连。

可调互补电流生成模块，其在输入控制信号的控制下，生成相应的两组输出电流，一组从其第一电流引出端输出到节点X1，另一组从其第二电流引出端输出到节点X2。

开关S3的一端连接在节点X1，S3的另一端与第一电流输出端相连；开关S4的一端连接在节点X2，S4的另一端与第二电流输出端相连。

开关S5的一端与节点X2相连，S5的另一端于电流大小比较器的正输入端相连；开关S6的一端与节点X1相连，S6的另一端于电流大小比较器的负输入端相连。

电流源I5的一端接固定电位五，I5的另一端与电流大小比较器的正输入端相连；电流源I6的一端接固定电位六，I6的另一端与电流大小比较器的负输入端相连。

电流大小比较器的功能是比较正负输入端的电流大小并输出比较结果。

校正控制单元接收电流大小比较器的输出结果，生成电流大小控制信号并输出给可调互补电流生成模块，同时生成开关控制信号一以控制开关S1、S2、S5、S6，生成开关控制信号二以控制开关S3和S4。

当处于校正过程中时，开关控制信号一使被其控制的开关导通，开关控制信号二使被其控制的开关断开，且校正控制单元通过调整其输出的电流大小控制信号以逐步校正互补电流生成模块的输出电流；当处于非校正过程中，开关控制信号一使被其控制的开关断开，开关控制信号二使被其控制的开关导通。

实施例二：

如图4所示，本实施例的后台校正的互补电流电路与实施例一类似，不同之处在于，其中的可调互补电流生成模块由子数模转换器、电流源I3和电流源I4组成，并且：

电流源I3和I4的一端分别接固定电位三和固定电位四，I3和I4的另一端分别与互补电流生成模块的第一电流引出端和第二电流引出端相连。

子数模转换器接收可调互补电流生成模块的输入控制信号，生成相应的电流并输出到可调互补电流生成模块的第一电流引出端。从而实现互补电流单元差分输出电流的校正。

以下结合附图描述根据本发明实施例的后台校正的互补电流开关电路。

如图5所示，本实施例的带校正功能的互补电流开关电路，其输入为一组差分控制信号，输出为第一输出端和第二输出端的两路电流信号，内部电路模块包括一组开关S7、S8、S9、S10，以及实施例二所述的后台校正的互补电流电路模块，其中：

该互补电流电路模块的第一电流输出端和第二电流输出端分别连接至电路节点X3和X4；开关S7和S8的一端连接在节点X3，另一端分别连接到所述互补电流的开关电路的第一输出端和第二输出端；开关S9和S10的一端连接在节点X4，另一端分别连接到所述互补电流的开关电路的第一输出端和第二输出端；开关S7和S10的通断受所述输入差分控制信号中的正相信号控制，开关S8和S9的通断受所述输入差分控制信号中的反相信号控制。

当外部输入差分控制信号时，开关S7，S8，S9，S10控制与X3和X4节点连接的电流源的流向，从而控制第一输出端与第二输出端之间的电流差的正负。

以下结合附图描述根据本发明实施例的后台校正的电流型数模转换器。

实施例三：

如图6所示，本实施例的后台校正的电流型数模转换器，其输入包括一组数字信号，所述的电流型数模转换器的组成模块包括译码器和开关电流阵列，其中：

开关电流阵列的每一单元均为一个开关电流电路，每一单元包括至少一个电流源和至少一对控制信号互为反相的开关；并且该开关电流阵列中，至少有一个单元是如实施例三所述的互补电流的开关电路。

译码器将所述的电流型数模转换器的数字输入信号转换成若干组反相的差分控制信号，以控制所述的开关电流阵列中的开关电流电路。

由于后台校正的互补开关电路的存在，使得互补电流电路输出的差分电流的偏差得到校正，从而提高电路的精度。进而提高电路的SFDR。

实施例四：

如图7所示，本实施例的带模块共享的后台校正功能的电流型数模转换器，其结构与实施例三类似，区别之处在于一个或者多个后台校正的互补电流的开关电路的电流大小比较器、参考电流I5、参考电流I6、备用电流I1、备用电流I2、或者校正控制单元彼此共享。从而在保证校正功能的同时，通过复用校正电路模块，实现面积和功耗的节省。

在校正过程中，由于采用了功能模块共享，因此在校正过程中，待校正的电流源共用一组校正电路。

另外，本发明实施例的后台校正的互补电流电路、开关电路及电流型数模转换器的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (5)

1.一种后台校正的互补电流电路，其特征在于，包括：

可调互补电流生成模块，所述可调互补电流生成模块用于根据电流控制信号生成第一输出电流和第二输出电流，所述可调互补电流生成模块包括第一电流引出端和第二电流引出端，所述第一电流引出端与第一电流输出端通过第一开关(S3)连接，所述第二电流引出端与第二电流输出端通过第二开关(S4)连接；

电流大小比较器，所述电流大小比较器的正输入端与所述第二电流引出端通过第三开关(S5)连接，所述电流比较器的负输入端与所述第一电流引出端通过第四开关(S6)连接，所述电流大小比较器的输出端与校正控制单元连接；

第一参考电流源(I5)，与所述第三开关(S5)和所述电流大小比较器的正输入端之间的节点连接；

第二参考电流源(I6)，与所述第四开关(S6)和所述电流大小比较器的负输入端之间的节点连接；

第一备用电流源(I1)，所述第一备用电源(I1)与所述第二电流输出端通过第五开关(S1)连接；

第二备用电流源(I2)，所述第二备用电源(I2)与所述第一电流输出端通过第六开关(S2)连接；以及

校正控制单元，所述校正控制单元根据所述电流大小比较器的输出结果生成所述电流控制信号、第一开关控制信号和第二开关控制信号，其中，所述第一开关控制信号用于控制第三开关(S5)、第四开关(S6)、所述第五开关(S1)和所述第六开关(S2)的同步开启或闭合，所述第二开关控制信号控制所述第一开关(S3)和所述第二开关(S4)同步开启或闭合。

2.如权利要求1所述的后台校正的互补电流电路，其特征在于，所述可调互补电流生成模块包括：

第一电流源(I3)，所述第一电流源(I3)与所述第一电流引出端连接；

第二电流源(I4)，所述第二电流源(I4)与所述第二电流引出端连接；以及

子数模转换器，所述子数模转换器用于接收所述电流控制信号生成反馈电流，并将所述反馈电流反馈给所述第一电流源。

3.一种后台校正的互补电流的开关电路，其特征在于，包括权利要求1或2所述的后台校正的互补电流电路，还包括：第一输出端，所述第一输出端与所述后台校正的互补电流电路的第一电流输出端通过第七开关(S7)连接，所述第一输出端与后台校正的互补电流电路的第二电流输出端通过第八开关(S9)连接；

第二输出端，所述第二输出端与后台校正的互补电流电路的第一电流输出端通过第九开关(S8)连接，所述第二输出端与所述后台校正的互补电流电路的第二电流输出端通过第十开关(S10)连接。

4.一种后台校正的电流型数模转换器，其特征在于，包括：

开关电流阵列，所述开关电流阵列的每个单元均为开关电流电路，每个所述开关电流电路包括：

至少一个电流源；以及

至少一对控制信号互为反相的开关，所述开关与电流源连接；

译码器，所述译码器用于输出差分控制信号，所述差分控制信号的正向控制信号控制第七开关(S7)和所述第十开关(S10)同步开启或闭合，所述差分控制信号的反向控制信号控制所述第八开关(S9)和所述第九开关(S8)同步开启或闭合；

其中，所述开关电流阵列中至少一个单元为权利要求3所述的互补电流的开关电路。

5.根据权利要求4所述的后台校正的电流型数模转换器，其特征在于，所述电流大小比较器、所述第一参考电流源(I5)、第一参考参考电流源(I6)、第一备用电流源(I1)、第二备用电流源(I2)和校正控制单元部分或全部彼此共享。