CN106452447B - 一种电流d-a转换平滑输出电路 - Google Patents

一种电流d-a转换平滑输出电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电流D‑A转换平滑输出电路，包括依次设置的直流偏置电路、源级输入误差放大器电路以及D‑A转换电路，此外，还包括：超级源级跟随器电路，其被配置为设置在所述源级输入误差放大器电路和D‑A转换电路之间，以减小D‑A转换电路中电流镜栅极的等效阻抗，从而提高D‑A转换时电流镜栅极电位的建立速度，使输出电流上升和下降更加平滑。本发明所述的电流D‑A转换平滑输出电路，极大地减小了D‑A转换电路中电流镜栅极的等效阻抗，提高了D‑A转换时电流镜栅极电位的建立速度，输出电流上升和下降更加平滑，保证源级输入误差放大器输出电压工作在合适的直流点。

Description

一种电流D-A转换平滑输出电路
技术领域
本发明涉及一种电流D-A转换输出电路，尤其涉及一种电流D-A转换平滑输出电路。
背景技术
在LED需要大电流驱动情况下，为确保系统电路良好工作，驱动电路需要有大电流D-A(数字-模拟)转换输出电路，且控制电流平滑线性输出。
图1显示了传统的大电流D-A转换输出电路的结构，包括直流偏置电路1、源级输入误差放大器电路2和D-A转换电路3，Iin为输入控制电流，Io为输出电流，Vo为输出电压。其中：
直流偏置电路1为其他电路提供合适的偏置电压和偏置电流，包括NMOS管NM1、NM2、NM3、NM4、NM5、NM6、NM7和PMOS管PM6、PM12，连接方式如图所示，其中I1、I2为电流基准模块提供的偏置电流源，V1、V2为相应的偏置电压，二极管连接的NMOS管NM1工作电流为I1，产生的偏置电压V1与NMOS管NM4、NM5、NM7、NM10、NM11、NM13的栅极相连。
源级输入误差放大器电路2包括PMOS管PM2、PM3、PM4、PM5、PM7、PM8、PM9、PM10和NMOS管NM8、NM9、NM10、NM11、NM12、NM13以及电容C1，连接方式如图所示，其中PMOS管PM2、PM3作为源级输入对管，采样PMOS管PM0和PM1的漏极电流，PMOS管PM4和PM5作为共源共栅管分别与PMOS管PM2和PM3构成PMOS共源共栅串接结构；PMOS管PM9和PM10作为共源共栅管分别与PMOS管PM7和PM8构成PMOS共源共栅串接结构；NMOS管NM10和NM11作为共源共栅管分别与NMOS管NM8和NM9构成NMOS共源共栅串接结构。NMOS管NM2、NM3栅极和NM4漏极相连于V2。源级输入误差放大器电路2的作用是保证D-A转换电路3中构成电流镜的各个PMOS管工作在相同的工作状态。
D-A转换电路3包括N位时钟加减计数电路31和电流镜电路。N位时钟加减计数电路31是通用数字电路，输出的N位计数信号控制输出镜像电流支路的开通和关闭，加减计数功能可实现输出电流的线性上升和下降。电流镜电路包括PMOS管数量值均为M1的PM0、PM1、PK1以及数量值分别为M2-Mn的PK2-PKn，其中PMOS管PM0、PM1、PK1-PKn的源级接电源VCC，PMOS管PM0和PM1栅极相连，PMOS管PK1-PKn栅极分别通过开关K1-Kn与PMOS管PM0栅极相连，开关K1-Kn由N位时钟加减计数电路31的输出信号相应控制，K1是低位开关，Kn是高位开关。连接方式如图所示。可设置M2是M1的两倍，Mn是Mn-1的两倍。根据设计需要可以设置其他不同的比例关系。D-A转换电路3输入信号为N位二进制时钟计数信号，输出信号通过控制开关K1-Kn控制N个电流镜像输出支路的开启与关闭。N个电流镜像输出支路电流大小依次增加。D-A模块通过时钟计数信号控制输出电流线性改变，N个支路全打开，输出电流Io最大。虽然该电路能够实现大电流输出，但是在电流上升或者下降过程中，特别是在大电流支路打开，小电流支路全关的过程中，输出电流产生较大的跳变毛刺，导致整个电流上升或者下降过程不平滑。大电流驱动LED应用中，输出电流上升或者下降过程中的跳变毛刺严重影响到系统的良好工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种电流D-A转换平滑输出电路，该电流D-A转换平滑输出电路与现有的电流D-A转换输出电路相比，输出电流上升和下降更加平滑。
根据上述发明目的，本发明提出了一种电流D-A转换平滑输出电路，包括依次设置的直流偏置电路、源级输入误差放大器电路以及D-A转换电路，此外，还包括：
超级源级跟随器电路，其被配置为设置在所述源级输入误差放大器电路和D-A转换电路之间，以减小D-A转换电路中电流镜栅极的等效阻抗，从而提高D-A转换时电流镜栅极电位的建立速度，使输出电流上升和下降更加平滑。
本发明所述的电流D-A转换平滑输出电路在现有的电流D-A转换输 出电路的源级输入误差放大器电路与D-A转换电路(通常是其电流镜栅极)之间加入超级源级跟随器电路，减小了D-A转换电路中电流镜栅极的小信号等效阻抗，提高了D-A转换时电流镜栅极电位的建立速度，使输出电流上升和下降更加平滑。具体来说，超级源级跟随器电路具有较小的输出阻抗，从而可以提高D-A转换模块中PMOS电流镜栅极的电位建立速度，减小输出电流支路开启和关闭的反应时间，使得输出电流平滑。
进一步地，本发明所述的电流D-A转换平滑输出电路中，所述超级源级跟随器电路包括第一MOS管，所述第一MOS管的源极和漏极与所述D-A转换电路连接。
更进一步地，上述电流D-A转换平滑输出电路中，所述超级源级跟随器电路还包括设置在所述源级输入误差放大器电路和所述第一MOS管之间的第二MOS管和第三MOS管，所述第二MOS管和第三MOS管把所述源级输入误差放大器电路的输出电压降压之后再升压，以保证所述源级输入误差放大器电路的输出电压工作在合适的直流点。
上述方案中，通过保证所述源级输入误差放大器电路的输出电压工作在合适的直流点，能保证PMOS管PM8、PM10工作在饱和区，同时还能保证Iin电流支路工作良好。
更进一步地，上述电流D-A转换平滑输出电路中，所述第一MOS管和第二MOS管为NMOS管，所述第三MOS管为PMOS管，其中第二MOS管的栅极和所述源级输入误差放大器电路的输出相连，第二MOS管的源极和第三MOS管的栅极相连，第三MOS管的漏极和第一MOS管的栅极相连。
更进一步地，上述电流D-A转换平滑输出电路中，还包括第一电流源、第二电流源以及第三电流源，其中，第二电流源和第三电流源分别为第二MOS管和第三MOS管提供偏置电流，第一电流源和第三电流源共同为第一MOS管提供偏置电流。
更进一步地，上述电流D-A转换平滑输出电路中，所述超级源级跟随器电路的输出小信号等效阻抗Ro的表达式为：
其中，vi和vo分别是所述超级源级跟随器电路的输入电压和输出电压， io是所述超级源级跟随器电路的输出电流，r3和r4分别是电流源I3和I4的输出阻抗，ropm11和ronm15分别是第三MOS管和第一MOS管的输出阻抗，gmpm11和gmnm15分别是第三MOS管和第一MOS管的跨导值，gmbpm11是由于衬底效应产生的跨导值。
更进一步地，上述电流D-A转换平滑输出电路中，还包括第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四MOS管，其中第一电阻连接在第一MOS管的栅极和地之间，第二电阻连接在第二MOS管的漏极和电源VCC之间，第三电阻连接在第三MOS管的源极和电源VCC之间，第四MOS管为NMOS管，其漏极与第二MOS管的源极连接，其源极接地，其栅极与所述直流偏置电路的偏置电流源连接。
上述方案中，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四MOS管相当于起到为所述第一MOS管、第二MOS管以及第三MOS管提供偏置电流的作用。
本发明所述的电流D-A转换平滑输出电路具有以下优点和有益效果：
(1)与现有的电流D-A转换输出电路相比，极大地减小了D-A转换电路中电流镜栅极的等效阻抗，提高了D-A转换时电流镜栅极电位的建立速度，输出电流上升和下降更加平滑。
(2)克服了常规结构的电流D-A转换输出电路在D-A转换中输出电流毛刺的问题。
(3)保证源级输入误差放大器输出电压工作在合适的直流点。
(4)尤其适合LED等需要大电流驱动的场合。
附图说明
图1为一种传统的大电流D-A转换输出电路的电路图。
图2为本发明所述的电流D-A转换平滑输出电路的一种电路框图。
图3为图2所示的电流D-A转换平滑输出电路在第一种实施方式下的电路图。
图4为图2所示的电流D-A转换平滑输出电路在第一种实施方式下的超级源级跟随器电路输出级小信号等效电路的电路图。
图5为图2所示的电流D-A转换平滑输出电路在第二种实施方式下的电路图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的电流D-A转换平滑输出电路做进一步的详细说明。
图2显示了本发明所述的电流D-A转换平滑输出电路的一种电路框图。
如图2所示，该实施方式的电流D-A转换平滑输出电路包括依次连接的直流偏置电路1、源级输入误差放大器电路2、超级源级跟随器电路4以及D-A转换电路3。
图3显示了图2所示的电流D-A转换平滑输出电路在第一种实施方式下的电路图。
如图3所示，第一种实施方式的电流D-A转换平滑输出电路包括直流偏置电路1、源级输入误差放大器电路2、D-A转换电路3以及超级源级跟随器电路4，Iin为输入控制电流，Io为输出电流，Vo为输出电压，其中：
直流偏置电路1为其他电路提供合适的偏置电压和偏置电流，包括NMOS管NM1、NM2、NM3、NM4、NM5、NM6、NM7和PMOS管PM6、PM12，连接方式如图所示，其中I1、I2为电流基准模块提供的偏置电流源，V1、V2为相应的偏置电压，二极管连接的NMOS管NM1工作电流为I1，产生的偏置电压V1与NMOS管NM4、NM5、NM7、NM10、NM11、NM13的栅极相连。
源级输入误差放大器电路2包括PMOS管PM2、PM3、PM4、PM5、PM7、PM8、PM9、PM10和NMOS管NM8、NM9、NM10、NM11、NM12、NM13以及电容C1，连接方式如图所示，其中PMOS管PM2、PM3作为源级输入对管，采样PMOS管PM0和PM1的漏极电流，PMOS管PM4和PM5作为共源共栅管分别与PMOS管PM2和PM3构成PMOS共源共栅串接结构；PMOS管PM9和PM10作为共源共栅管分别与PMOS管PM7和PM8构成PMOS共源共栅串接结构；NMOS管NM10和NM11作为共源共栅管分别与NMOS管NM8和NM9构成NMOS共源共栅串接结构。NMOS管NM2、NM3栅极和NM4漏极相连于V2。源级输入误差放大器电路2的作用是保证D-A 转换电路3中构成电流镜的各个PMOS管工作在相同的工作状态。
D-A转换电路3包括N位时钟加减计数电路31和电流镜电路。N位时钟加减计数电路31是通用数字电路，输出的N位计数信号控制输出镜像电流支路的开通和关闭，加减计数功能可实现输出电流的线性上升和下降。电流镜电路包括PMOS管数量值均为M1的PM0、PM1、PK1以及数量值分别为M2-Mn的PK2-PKn，其中PMOS管PM0、PM1、PK1-PKn的源级接电源VCC，PMOS管PM0和PM1栅极相连，PMOS管PK1-PKn栅极分别通过开关K1-Kn与PMOS管PM0栅极相连，开关K1-Kn由N位时钟加减计数电路31的输出信号相应控制，K1是低位开关，Kn是高位开关。连接方式如图所示。可设置M2是M1的两倍，Mn是Mn-1的两倍。根据设计需要可以设置其他不同的比例关系。D-A转换电路3输入信号为N位二进制时钟计数信号，输出信号通过控制开关K1-Kn控制N个电流镜像输出支路的开启与关闭。N个电流镜像输出支路电流大小依次增加。D-A模块通过时钟计数信号控制输出电流线性改变，N个支路全打开，输出电流Io最大。
超级源级跟随器电路4包括第一MOS管NM15、第二MOS管NM14以及第三MOS管PM11，其中第一MOS管NM15和第二MOS管NM14为NMOS管，第三MOS管PM11为PMOS管，第一MOS管NM15的源极和漏极与D-A转换电路3连接，第二MOS管NM14的栅极和源级输入误差放大器电路2的输出相连，第二MOS管NM14的源极和第三MOS管PM11的栅极相连，第三MOS管PM11的漏极和第一MOS管NM15的栅极相连。此外，还包括电流基准模块提供的偏置电流，其包括第一电流源I3、第二电流源I5以及第三电流源I4，其中，第二电流源I5和第三电流源I4分别为第二MOS管NM14和第三MOS管PM11提供偏置电流，第一MOS管NM15的偏置电流为第一电流源I3与第三电流源I4的电流差值，具体连接方式如图3所示。为了保证NM15的正确工作，要求第一电流源I3电流值大于第三电流源I4电流值。第二MOS管NM14和第三MOS管PM11把源级输入误差放大器电路2的输出电压降压之后再升压，以保证源级输入误差放大器电路2的输出电压工作在合适的直流点，既能保证PMOS管PM8、PM10工作在饱和区，又能保证Iin电流支路工作良好。
图4显示了上述实施方式下的超级源级跟随器电路输出级小信号等效电 路。
如图4所示，上述超级源级跟随器电路4的输出小信号等效阻抗Ro的表达式为：
其中，vi和vo分别是所述超级源级跟随器电路的输入电压和输出电压，io是所述超级源级跟随器电路的输出电流，r3和r4分别是电流源I3和I4的输出阻抗，ropm11和ronm15分别是第三MOS管PM11和第一MOS管NM15的输出阻抗，gmpm11和gmnm15分别是第三MOS管PM11和第一MOS管NM15的跨导值，gmbpm11是由于衬底效应产生的跨导值。
电流ia、ib、ic和id的大小分别为：
ia＝gmpm11×(vi-vo)
ib＝-gmbpm11×vo
ic＝gmnm15×v2
其中，v2为r4两端的电压。
如果第一电流源I3和第三电流源I4为理想电流源，则r3和r4阻抗为无穷大，假定以下条件成立：
r3→∞
r4→∞
ronm15→∞
(gmpm11+gmbpm11)×ropm11>>1，
则输出小信号等效阻抗Ro可简化为下式(1)：
如果不加超级源级跟随器电路4，则D-A转换电路3中电流镜栅极的等效阻抗Ro’如下式(2)所示：
Ro′≈(gmpm10×ropm10×ropm8)//roin (2)
其中，gmpm10是PMOS管PM10的跨导，ropm10和ropm8分别是PMOS管PM10和PM8的输出阻抗，roin为Iin电流源的输出等效阻抗。常规集成电路MOS管参数设定情况下，式(1)阻抗值要远小于式(2)阻抗值。因此，超级源级跟随器电路4的加入极大地减小了D-A转换电路3中电流镜栅极的等效阻抗，提高了D-A转换时电流镜栅极电位的建立速度，使输出大电流上升和下降更加平滑。
图5显示了图2所示的电流D-A转换平滑输出电路在第二种实施方式下的电路图。
如图5所示，结合参考图3，第二种实施方式与上述第一种实施方式的区别主要是超级源级跟随器电路4中的各电流源采用一种具体电路结构代替。具体来说，各电流源的代替结构包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及第四MOS管NM16，其中第一电阻R1连接在第一MOS管NM15的栅极和地之间，第二电阻R2连接在第二MOS管NM14的漏极和电源VCC之间，第三电阻R3连接在第三MOS管PM11的源极和电源VCC之间，第四MOS管NM16为NMOS管，其漏极与第二MOS管NM14的源极连接，其源极接地，其栅极与直流偏置电路1的偏置电流源I2的偏置电压V2连接。
从上述实施方式可以看出，源级输入误差放大器电路2与D-A转换电路3的电流镜栅极之间加入了超级源级跟随器电路4，减小了D-A转换电路3中电流镜栅极的小信号等效阻抗，提高了D-A转换时电流镜栅极电位的建立速度，使大电流输出上升和下降更加平滑，克服了常规结构D-A转换中电流毛刺的问题。
要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种电流D-A转换平滑输出电路，包括依次设置的直流偏置电路、源极输入误差放大器电路以及D-A转换电路，其特征在于，还包括：
超级源极跟随器电路，其被配置为设置在所述源极输入误差放大器电路和D-A转换电路之间，以减小D-A转换电路中电流镜栅极的等效阻抗，从而提高D-A转换时电流镜栅极电位的建立速度，使输出电流上升和下降更加平滑；
所述超级源极跟随器电路包括第一MOS管，所述第一MOS管的源极和漏极与所述D-A转换电路连接；
所述超级源极跟随器电路还包括设置在所述源极输入误差放大器电路和所述第一MOS管之间的第二MOS管和第三MOS管，所述第二MOS管和第三MOS管把所述源极输入误差放大器的输出电压降压之后再升压，以保证所述源极输入误差放大器的输出电压工作在合适的直流点；
所述第一MOS管和第二MOS管为NMOS管，所述第三MOS管为PMOS管，其中第二MOS管的栅极和所述源极输入误差放大器电路的输出相连，第二MOS管的源极和第三MOS管的栅极相连，第三MOS管的漏极和第一MOS管的栅极相连；
所述电流D-A转换平滑输出电路还包括第一电流源、第二电流源以及第三电流源，其中，第二电流源和第三电流源分别为第二MOS管和第三MOS管提供偏置电流，第一电流源和第三电流源共同为第一MOS管提供偏置电流，第一电流源连接第一MOS管的漏极和第三MOS管的源极，第三电流源连接第一MOS管的栅极，第二电流源连接第三MOS管的栅极，第一电流源的电流值大于第三电流源的电流值。
2.如权利要求1所述的电流D-A转换平滑输出电路，其特征在于，所述超级源极跟随器电路的输出小信号等效阻抗Ro的表达式为：
其中，vi和vo分别是所述超级源极跟随器电路的输入电压和输出电压，io是所述超级源极跟随器电路的输出电流，r3和r4分别是第一电流源I3和第三电流源I4的输出阻抗，ropm11和ronm15分别是第三MOS管和第一MOS管的输出阻抗，gmpm11和gmnm15分别是第三MOS管和第一MOS管的跨导值，gmbpm11是由于衬底效应产生的跨导值。
3.如权利要求1所述的电流D-A转换平滑输出电路，其特征在于，还包括第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四MOS管，其中第一电阻连接在第一MOS管的栅极和地之间，第二电阻连接在第二MOS管的漏极和电源VCC之间，第三电阻连接在第三MOS管的源极和电源VCC之间，第四MOS管为NMOS管，其漏极与第二MOS管的源极连接，其源极接地，其栅极与所述直流偏置电路的偏置电流源连接。
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