CN106559081B - 电流舵型数模转换器及电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电流舵型数模转换器，其包括：电流源，其用于提供电流，所述电流源包括多个由开关电路控制的第一电流支路和一个始终输出电流的第二电流支路，每个所述第一电流支路由对应的开关电路控制以决定该支路是否输出电流；偏压电路，其用于为所述电流源提供偏压信号；负载开关，其用于控制所述电流源是否向负载输出信号，负载开关驱动电路，其用于将数模转换器接收的输入信号转换为所述负载开关的控制信号。本发明提出的电流舵型数模转换器可以在输入无效的时候节省大部分的功耗，当输入有效的时候，由于差分端仍然还有一小部分在工作，不但可以使输出得以快速建立，还可以减少输入信号变化时，节电模式对输出的噪声影响。

Description

电流舵型数模转换器及电子装置

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体而言涉及一种电流舵型数模转换器及电子装置。

背景技术

在视频信号处理和通讯系统中，高速高精度的数模转换器是极其重要的模块之一。电流舵型数模转换器(Current Steering Digital to Analog Converter)基于匹配度非常高的电流源阵列，可以直接驱动阻性负载，响应速度明显优于电压型数模转换器，所以得到了广泛的应用。

图1为一种电流舵型数模转换器的结构示意图。如图1所示，此电流舵型数模转换器包括编码器101、电流源阵列102和电流开关阵列103。其中编码器101用于对输入信号进行编码，产生控制电流开关阵列的输出信号。数模转换的第一步一般都是把二进制编码转换成容易控制的编码形式，比如温度计编码(thermometer code)。n位的二进制编码d1～dn经过编码器101编码后变成了m位数据t1～tm，t1～tm可能是一种编码形式，也可能是分段地包含一种或多种编码形式。对应于m位的编码器输出，电流开关阵列103也包含m对差分开关(图中示意性地画出两组差分开关)以控制m组电流源(图中示意性地画出两组电流源A1和A2，且对于每个电流源A1和A2可包含多个提供电流的支路，图中示意性画出3个支路)，每一对差分开关都是由两个PMOS晶体管组成，它们的源极共同接到电流源的输出端，漏极分别接到对应的输出节点OUT1和OUT2，栅极分别接到由t1～tm产生的互补控制信号QP1～QPm和QN1～QNm。在图1中，OUT1接地，和OUT2可以作为差分输出端用于接负载。当然OUT1和OUT2也可以作为差分输出端，此时，OUT1和OUT2均这时要求负载的阻值相同。

但是在电流舵数模转换器工作时，电流舵的差分输出始终保持着电流。这个电流跟输入信号是否有效没有关系，始终保持这个电流，可以减少输出的噪声，并且可以得到几百兆的高速输出信号。虽然差分输出中到地的电流对输出的低噪声和高速有帮助，但是由于视频数模转换器的电流一般都很高，从功耗上来说，是一个头疼的问题。

如果单纯的在输入信号无效时，把差分中到地的电流关掉，的确可以节省不少功耗，但是当输入信号有效时，噪声和输出的建立稳定时间是让人难以接受的。这样的省电模式，会直接影响数模转换器的输出速度和性能。

因此，有必要提出一种新的电流舵型数模转换器，以解决上述存在的问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了克服目前存在的问题，本发明一方面提供电流舵型数模转换器，其包括：电流源，其用于提供电流，所述电流源包括多个由开关电路控制的第一电流支路和一个始终输出电流的第二电流支路，每个所述第一电流支路由对应的开关电路控制以决定该支路是否输出电流；偏压电路，其用于为所述电流源提供偏压信号；负载开关，其用于控制所述电流源是否向负载输出信号，负载开关驱动电路，其用于将数模转换器接收的输入信号转换为所述负载开关的控制信号。

优选地，所述第一电流支路包括串连连接在所述数模转换器工作电源和所述电流源输出端之间的第一PMOS器件和第二PMOS器件，所述第一PMOS器件的栅端与所述开关电路的输出端连接，并在所述开关电路的控制下导通或关闭，所述第二PMOS器件的栅端偏置在所述偏压信号。

优选地，还包括开关电路控制信号生成电路，用于根据数模转换器的输入信号产生与所述输入信号一致的所述开关电路的控制信号；所述开关电路包括第一电流开关和第二电流开关以及反相器，所述第一电流开关和第二电流开关包括一对PMOS器件和NMOS器件所述反相器的输入端输入所述开关电路的控制信号。

优选地，所述第一电流开关中的PMOS器件和NMOS器件的源端共同接到所述工作电源，漏端共同接到所述第一PMOS器件的栅端，所述第一电流开关中的NMOS器件的栅端输入所述开关电路的控制信号，所述第一电流开关中的PMOS器件的栅端与所述反相器的输出端连接。

优选地，所述第二电流开关中的PMOS器件和NMOS器件的源端共同接到所述数模转换器的工作电源，漏端共同接到所述第一PMOS器件的栅端，所述第二电流开关中的PMOS器件的栅端输入所述开关电路的控制信号连接，所述第二电流开关中的NMOS器件的栅端与所述反相器的输出端连接。

优选地，所述第二电流支路包括串连连接在所述数模转换器工作电源和所述电流源输出端之间的第三PMOS器件和第四PMOS器件，所述第三PMOS器件和第四PMOS器件的栅端均偏置在所述偏压信号，所述第三PMOS器件和第四PMOS器件在所述偏压信号作用下处于饱和导通状态。

优选地，所述负载开关为一对PMOS器件组成的差分开关，其中一个PMOS器件的漏端接地，另一个PMOS器件的漏端接负载，所述一对PMOS器件的源端共同接到所述电流源的输出端，所述一对PMOS器件的栅端分别输入所述负载开关的控制信号。

优选地，所述负载开关中漏接地的PMOS器件在所述输入信号无效时导通，所述负载开关中漏接负载的PMOS器件在所述输入信号有效时导通。

优选地，所述电流源和负载开关为一个或多个。

本发明提出的电流舵型数模转换器的差分结构，一路到输出，一路到地，在输入信号无效时，将到地端的电流大部分关闭，而留下一部分仍然工作，可以在输入无效的时候节省大部分的功耗，当输入有效的时候，由于差分端仍然还有一小部分在工作，这个电流舵的各节点电压得到一定的保存，这样不但可以使输出得以快速建立，还可以减少输入信号变化时，节电模式对输出的噪声影响。

本发明另一方面提供一种电子装置，其包括本发明提供的电流舵型数模转换器。

本发明提出的电子装置，由于具有上述半导体器件，因而具有类似的优点。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1为现有电流舵型数模转换器的结构示意图；

图2为本发明一实施方式的电流舵型数模转换器的结构示意图；

图3为本发明一实施方式的电流舵型数模转换器的电路示意图；

图4为图3所示电流舵型数模转换器的电流仿图示；

图5和图6本发明一实施方式的电流舵型数模转换器与现有的数模转换器在负载开关上的节点电压对比图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构及步骤，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

实施例一

图2为本发明一实施方式的电流舵型数模转换器的结构示意图。如图2所示，本实施方式电流舵型数模转换器200包括电流源201、偏压电路202、负载开关203和负载开关驱动电路204。电流源201用于提供电流，包括多个由开关电路控制的第一电流支路2010和一个始终输出电流的第二电流支路2012，每个所述第一电流支路2010由对应的开关电路2011控制以决定该支路是否输出电流。偏压电路202用于为电流源201提供偏压信号。负载开关203用于控制所述电流源201是否向负载205输出信号的负载开关，负载开关驱动电路204用于将数模转换器接收的输入信号转换为所述负载开关203的控制信号。

其中，负载开关203为一对PMOS器件组成的差分开关，其中一个PMOS器件的漏端接地，另一个PMOS器件的漏端接负载，所述一对PMOS器件的源端共同接到电流源201的输出端，所述一对PMOS器件的栅端分别输入负载开关203的控制信号，即与所述负载开关驱动电路204的输出端连接。如前所述，所述负载开关驱动电路根据所述输入信号产生一对互补的控制信号，即一个控制信号有效时，另一个控制信号无效，或者说一个控制信号为低电平时，另一个控制信号为高电平。并且，所述负载开关中漏接地的PMOS器件在所述输入信号无效时导通，所述负载开关中漏接负载的PMOS器件在所述输入信号有效时导通。

进一步地，所述开关电路2011受数模转换器的输入信号控制，并在所述输入信号有效时使所述第一电流支路导通，在输入信号无效时使所述第一电流支路关断。

因此，本实施方式的电流舵性数模转换器，其差分输出一路到负载，一路到地，在输入信号有效时，到负载的差分输出导通，并且第一电流支路导通，这时有较大电流流过负载，当输入信号无效时，到地的差分输出导通，并且由于第一电流支路关断，仅有第二电流支路提供电流，这样将到地端的电流大部分关闭，而留下一部分仍然工作，在输入无效的时候，可以节省大部分的功耗，而当输入信号有效的时候，由于差分输出端仍然还有一小部分在工作，这个电流舵的各节点电压得到一定的保存，这样不但可以使输出得以快速建立，还可以减少输入信号变化时，节电模式对输出的噪声影响。

可以理解的是，本实施方式中，处于简洁的目的，仅表示出本发明相对现有技术改进的部分，并未完全示出电流舵的完整结构，事实上，本实施方式的电流舵型数模转换器同样包括诸如输入端、编码器以及其他相关结构。

实施例二

在实施例一以概括的方式对本发明的电流舵型数模转换器进行了描述，为了本发明更清楚，下面结合图3～图6以一个具体的电路图为例进行进一步的说明。

如图3所示，本实施方式电流舵型数模转换器包括由第一电流支路3010、开关电路3011和第二电流支路3012组成的电流源，以及负载开关303。

与前述实施例类似，本实施方式的电流舵型数模转换器同样包括偏压电路和负载开关驱动电路。其中偏压电路可采用本领域常用的电路结构用于产生图3中的偏压信号IREF1和IREF2，当对应的晶体管偏置在偏压信号IREF1或IREF2时，晶体管处于饱和导通状态，可以提供相应的饱和导通电流。

同样地，负载开关驱动电路用于产生与输入信号一致的负载开关控制信号。其可采用本领域常用的电路结构，在此不做赘述。当数模转换器的输入信号输入后，首先如前所述由编码器转换为对应码制的数据，然后该对应码制的数据经过负载开关驱动电路转换为一对互补的控制信号e1和e-1来控制负载开关303，其中e-1与数模转换器的输入信号的电平相反，e1与数模转换器的输入信号电平相同，即当输入信号为低电平、无效时，e-1为高电平，e1为低电平；当输入信号为高电平、有效时，e-1为低电平，e1为高电平。

此外，本实施方式中还包括开关电路2011控制信号生成电路，用于根据数模转换器的输入信号产生跟随所述输入信号的所述开关电路的控制信号S1。即，当输入信号为低电平时，S1为低电平；当输入信号为高电平时，S1为高电平。开关电路2011控制信号生成电路的具体结构可根据需要进行相应的设置，在此不做赘述。

请再次参考图3，在本实施方式中，负载开关303由PMOS器件M6和M9组成，其中M6和M9的源端共同接到电流源的输出端，M6的漏端接地，将输出差分到地，M9的漏端接负载305，将输出差分到负载，M6的栅端接控制信号e1，M9的栅端接控制信号e-1，由于e1和e-1为互补的控制信号，因此，M6和M9始终时一个导通，另一个关断。在本实施方式中，当输入信号无效时，M6导通，M9关断，电流源的输出差分到底，当输入信号有效时，M6关断，M9导通，电流源的输出差分到负载305。在本实施方式负载305以并联连接的电阻R3和电容C7表示，但其可以是其他任何形式的负载。

请再次参考图3，在本实施方式中，第一电流支路3010由串联连接在数模转换器工作电源AVDD和电流源输出端之间的第一PMOS器件M26和第二PMOS器件M25组成。其中，第一PMOS器件M26的源端与数模转换器工作电源AVDD连接，栅端与所述开关电路3011的输出端连接，漏端与第二PMOS器件M25的源端连接，并在所述开关电路3011的控制下导通或关闭。第二PMOS器件M25的栅端偏置偏压信号IREF2，漏端与电流源的输出端连接。

第二电流支路3012由串联连接在数模转换器工作电源AVDD和电流源输出端之间的第三PMOS器件M27和第四PMOS器件M28组成。其中，第三PMOS器件M27的源端与数模转换器工作电源AVDD连接，栅端偏置在偏压信号IREF1，漏端与第四PMOS器件M28的源端连接，第四PMOS器件M28的栅端偏置在偏压信号IREF2，漏端与漏端与电流源的输出端连接。第三PMOS器件M27和第四PMOS器件M28在偏压信号IREF1和IREF2作用下处于饱和导通状态，可以提供一个较小的电流。

开关电路3011包括第一电流开关和第二电流开关以及反相器，第一电流开关由NMOS器件M22和PMOS器件M24组成，第二电流开关由NMOS器件M21和PMOS器件M23组成。其中第一电流开关中的PMOS器件M24和NMOS器件M22的源端共同接到偏压信号IREF1，漏端共同接到所述第一PMOS器件M26的栅端，所述第一电流开关中的NMOS器件M22的栅端输入所述开关电路的控制信号S1，所述第一电流开关中的PMOS器件M24的栅端与所述反相器的输出端连接。第二电流开关中的PMOS器件和NMOS器件的源端共同接到所述数模转换器的工作电源AVDD，漏端共同接到所述第一PMOS器件M26的栅端，第二电流开关中的PMOS器件的栅端输入所述开关电路的控制信号S1，所述第二电流开关中的NMOS器件的栅端与所述反相器的输出端连接。所述反相器的输入端输入所述开关电路的控制信号S1。

通过第一电流开关和第二电流开关可使第一PMOS器件M26的栅端偏置在数模转换器的工作电源AVDD或偏压信号IREF1之间，当偏置在数模转换器的工作电源AVDD时，第一PMOS器件关断，第一电流支路无电流输出；当偏置在压信号IREF1时，第一PMOS器件饱和导通，第一电流支路有电流输出。

当数模转换器工作时，需要较大的电流，因而本实施方式包括多个第一电流支路3010，比如本实施例以15个第一电流支路为例进行示例。当然对应每个第一电流支路均有一个开关电路3011来控制该支路的输出。

下面以输入信号无效(即，低电平)时为例对本实施方式的数模转换器的控制过程进行说明。当输入信号无效时，负载开关中M6的控制信号e1为低电平，M6导通，M9的控制信号e-1为高电平，M9关断。此时，电流源的输出差分到地。同时开关电路的控制信号S1为低电平，经过反相器反相后，输出高电平，第一电流开关中M22和M24均关断，第二电流开关中M21和M23均导通，第一PMOS器件M26的栅端偏置在数模转换器的工作电源AVDD，处于高电平，M26关断，此时仅有第二电流支路3012输出较小的电流，因而具有较低的负载。反之，当输入信号有效时，M6关断，M9导通，第一电流支路导通，电流源输出较大电流到负载305。如图4所示，其为本实施方式的电流舵型数模转换器的电流仿真结果图，图中曲线1为M28漏端电流，曲线2为M25漏端电流，从仿真结果可以看到，建立稳定的时间只需要2～3个纳秒，完全适合电流舵数模转换器的高速应用。同时大大降低了在等待有效信号时电流舵的整体电流消耗。

进一步地，如图5和图6所示，其为电流源输出端X的节点电压变化图是，其中图5对应的电路为现有技术中单纯关闭差分电流的节电方式，图6对应的电路为本实施方式的数模转换器，有图5和图6对比可知，本实施方式的电流舵型数模转换器，电路稳定时间更短，受噪声影响更小。

实施例三

本发明另外还提供一种电子装置，其包括前述的电流舵型数模转换器。

该电子装置，可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、游戏机、电视机、VCD、DVD、导航仪、照相机、摄像机、录音笔、MP3、MP4、PSP等任何电子产品或设备，也可以是具有上述半导体器件的中间产品，例如：具有该集成电路的手机主板等。在本实施中以PDA为例进行示例。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (9)

1.一种电流舵型数模转换器，其特征在于，包括：

电流源，其用于提供电流，所述电流源包括多个由开关电路控制的第一电流支路和一个始终输出电流的第二电流支路，每个所述第一电流支路由对应的开关电路控制以决定该支路是否输出电流，其中，所述开关电路受所述电流舵型数模转换器的输入信号控制，并在所述输入信号有效时使所述第一电流支路导通，在输入信号无效时使所述第一电流支路关断；

偏压电路，其用于为所述电流源提供偏压信号；

负载开关，其用于控制所述电流源是否向负载输出信号；负载开关驱动电路，其用于将所述输入信号转换为所述负载开关的控制信号；

其中，所述负载开关为一对PMOS器件组成的差分开关，其中一个PMOS器件的漏端接地，另一个PMOS器件的漏端接负载，所述一对PMOS器件的源端共同接到所述电流源的输出端，所述一对PMOS器件的栅端分别输入所述负载开关的控制信号。

2.根据权利要求1所述的电流舵型数模转换器，其特征在于，所述第一电流支路包括串连连接在所述数模转换器工作电源和所述电流源输出端之间的第一PMOS器件和第二PMOS器件，所述第一PMOS器件的栅端与所述开关电路的输出端连接，并在所述开关电路的控制下导通或关闭，所述第二PMOS器件的栅端偏置在所述偏压信号。

3.根据权利要求2所述的电流舵型数模转换器，其特征在于，还包括开关电路控制信号生成电路，用于根据数模转换器的输入信号产生与所述输入信号一致的所述开关电路的控制信号；

所述开关电路包括第一电流开关和第二电流开关以及反相器，所述第一电流开关和第二电流开关包括一对PMOS器件和NMOS器件所述反相器的输入端输入所述开关电路的控制信号。

4.根据权利要求3所述的电流舵型数模转换器，其特征在于，所述第一电流开关中的PMOS器件和NMOS器件的源端共同接到所述偏压信号，漏端共同接到所述第一PMOS器件的栅端，所述第一电流开关中的NMOS器件的栅端输入所述开关电路的控制信号，所述第一电流开关中的PMOS器件的栅端与所述反相器的输出端连接。

5.根据权利要求3所述的电流舵型数模转换器，其特征在于，所述第二电流开关中的PMOS器件和NMOS器件的源端共同接到所述数模转换器的工作电源，漏端共同接到所述第一PMOS器件的栅端，所述第二电流开关中的PMOS器件的栅端输入所述开关电路的控制信号连接，所述第二电流开关中的NMOS器件的栅端与所述反相器的输出端连接。

6.根据权利要求1所述的电流舵型数模转换器，其特征在于，所述第二电流支路包括串连连接在所述数模转换器工作电源和所述电流源输出端之间的第三PMOS器件和第四PMOS器件，所述第三PMOS器件和第四PMOS器件的栅端均偏置在所述偏压信号，所述第三PMOS器件和第四PMOS器件在所述偏压信号作用下处于饱和导通状态。

7.根据权利要求1所述的电流舵型数模转换器，其特征在于，所述负载开关中漏接地的PMOS器件在所述输入信号无效时导通，所述负载开关中漏接负载的PMOS器件在所述输入信号有效时导通。

8.根据权利要求1-7之一所述的电流舵型数模转换器，其特征在于，所述电流源和负载开关为一个或多个。

9.一种电子装置，其特征在于，包括如权利要求1-8之一所述的电流舵型数模转换器。

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