CN106656181B - 一种数模转换器的控制方法及数模转换器 - Google Patents

一种数模转换器的控制方法及数模转换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数模转换器的控制方法及数模转换器，通过取出数模转换器的输入输出点坐标，拟合出一个线性函数，然后调节所述线性函数的斜率和截距，以使得拟合出的线性函数与所述数模转换器的理想线性函数接近，以拟合的线性函数作为数模转换器的输出函数，这样经过调整后的数模转换器的输出比调整前的输出值更接近于理论值，可以提高数模转换器的积分非线性。本发明的控制方法容易地实现了积分非线性的提升，可以提高数模转换器的精确度。

Description

一种数模转换器的控制方法及数模转换器
技术领域
本发明涉及数模转换器领域，更具体地说，涉及一种数模转换器的控制方法及数模转换器。
背景技术
数字模拟转换器(Digital-to-Analog Converter，简称为DAC)的积分非线性(INL)和微分非线性(DNL)是表征其性能的两个重要指标，其中，积分非线性(INL)是表征数模转换器的输出理想值与实际转换值之间的最大偏差。
理论上，数模转换器DAC的输出曲线是一条过原点的理想直线，而在实际中由于多种因素导致数模转换器DAC的输出曲线不是线性的，如图1所示，Vin表示输出的数字信号，Vout表示输出的模拟信号，实际输出曲线与理论输出曲线存在偏差。而造成这种结果是因为数模转换器的晶体管自身存在差异性，如图2所示为一种典型的电流型数模转换器电路图。由于每个晶体管的随机误差不同，即每个晶体管产生的电流不可能完全相同；同时也由于热传导，应力等的梯度效应的影响，例如靠近芯片功率部分的热量要高，晶体管受到的影响也大，以及划片时靠近边缘的晶体管受到的应力大等因素影响，即使晶体管有相同的栅源电压VGS得到的漏极电流i也是不同的，最终造成了数模转换器DAC的输出不是理想的直线。
为了避免上述因素带来的输出不理想的问题，提高DAC输出的准确性，需要增大晶体管的面积，以及对其进行复杂的匹配操作，但这样会增加成本而且效果不明显，因此有必要寻找一种更合适的办法来改善DAC的输出特性。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种数模转换器的控制方法及数模转换器，通过取出数模转换器输入输出值拟合出线性函数，然后调节所述线性函数的斜率和截距，以使得拟合出的线性函数与所述数模转换器的理想线性函数接近，以拟合的线性函数作为数模转换器的输出函数，可以提高数模转换器的积分非线性。
依据本发明的一种数模转换器的控制方法，包括以下步骤：
将N个不同的数字编码输入至所述数模转换器，获得对应的模拟输出值；
以所述输入数字编码和所述模拟输出值作为坐标，根据所述的N个不同的数字编码和对应的模拟输出值获得N个对应的坐标点；
根据获得的坐标点进行线性拟合，以获得拟合的线性函数；
调整所述线性函数的斜率，以使得所述线性函数的斜率与预定的斜率相等，其中，所述预定的斜率为所述数模转换器的理想线性函数的斜率值；
调整所述线性函数的截距，以使得所述线性函数的截距与所述数模转换器的理想线性函数的截距一致；
以调整斜率和截距后的线性函数作为所述数模转换器的输出函数。
优选地，以输入的数字编码作为横坐标，以模拟输出值作为纵坐标，获得N个对应的坐标点。
优选地，当所述数模转换器为电流型数模转换器时，调整所述线性函数的斜率的具体步骤包括：
调节输入至所述数模转换器中晶体管的栅源电压的大小，以调整所述晶体管的漏极电流的大小；
通过调节所述漏极电流的大小调节所述数模转换器的输出值的大小，从而调节所述线性函数的斜率。
优选地，当所述数模转换器为电流型数模转换器时，调整所述线性函数的截距的具体步骤包括：
利用不受输入数字编码控制的多个晶体管控制所述线性函数的截距；
所述多个晶体管通过相同的栅源电压时漏极电流不相同，通过开启不同的晶体管以获得不同的截距大小。
优选地，在输入数字编码全部为零时将所述数模转换器中的所有晶体管关闭，以使得所述线性函数经过零点。
优选地，当所述数模转换器为电阻型数模转换器时，调整所述线性函数的斜率的具体步骤包括：
调节所述数模转换器的参考电压值和电压源输出值的差值，以调节所述线性函数的斜率，其中，所述电压源输出值为输入至所述数模转换器中运算放大器的正向输入端的电压值。
优选地，当所述数模转换器为电阻型数模转换器时，所述调整所述线性函数的截距的具体步骤包括：
保持二者压差不变以调节所述电压源输出值和数模转换器的参考电压值以调节所述线性函数的截距。
依据本发明的一种数模转换器，将N个不同的数字编码输入至所述数模转换器，获得对应的模拟输出值；
以输入数字编码和模拟输出值作为坐标，根据所述的N个不同的数字编码和对应的模拟输出值获得N个对应的坐标点；
根据获得的坐标点进行线性拟合，以获得拟合的线性函数；
调整所述线性函数的斜率，以使得所述线性函数的斜率与预定的斜率相等，其中，所述预定的斜率为所述数模转换器的理想线性函数的斜率值；
调整所述线性函数的截距，以使得所述线性函数的截距与所述数模转换器的理想线性函数的截距一致；
以调整斜率和截距后的线性函数作为所述数模转换器的输出函数。
优选地，当所述数模转换器为电流型数模转换器时，所述数模转换器包括多个并联的第一晶体管，
调节输入至所述数模转换器中多个并联的第一晶体管的栅源电压的大小，以调整所述多个并联的第一晶体管的漏极电流的大小；
通过调节所述漏极电流的大小调节所述数模转换器的输出值的大小，从而调节所述线性函数的斜率。
优选地，所述数模转换器还包括多个不受输入数字编码控制的第二晶体管，
所述多个第二晶体管通过相同的栅源电压时漏极电流不相同，通过开启不同的晶体管以获得不同的截距大小。
优选地，在输入数字编码全部为零时，将数模转换器中的所有第一晶体管和第二晶体管关闭，以使得所述线性函数经过零点。
优选地，当所述数模转换器为电阻型数模转换器，所述数模转换器包括多个并联的电阻和运算放大器，
所述多个并联的电阻通过与其串联的开关接收外部的参考电压信号，
所述运算放大器的负向输入端与所述多个并联的电阻的公共连接端连接，正向输入端接收固定电压源的输出值；
调节所述参考电压信号和电压源输出值的差值，以调节所述线性函数的斜率。
优选地，保持二者压差不变以调节所述电压源输出值和所述参考电压信号以调节所述线性函数的截距。
综上所述，依据本发明数模转换器的控制方法及数模转换器，通过取出数模转换器的输入输出点坐标，拟合出一个线性函数，然后调节所述线性函数的斜率和截距，以使得拟合出的线性函数与所述数模转换器的理想线性函数接近，以拟合的线性函数作为数模转换器的输出函数，这样经过调整后的数模转换器的输出比调整前的输出值更接近于理论值，可以提高数模转换器的积分非线性。本发明的控制方法通过数字控制调节容易地实现了积分非线性的提升，可以提高数模转换器的精确度。
附图说明
图1所示为现有技术中数模转换器的输出函数和理论函数的对比曲线图；
图2所示为依据本发明的数模转换器的控制方法的拟合函数曲线图；
图3为依据本发明的数模转换器的控制方法的调整后的拟合函数曲线图；
图4所示为依据本发明的电流型数模转换器的电路图；
图5所示为依据本发明的电阻型数模转换器的电路图。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明的一些优选实施例，但本发明不限于此。
数模转换器(DAC)在工作时，每增加一位输入数字编码，DAC增加一个最低有效位(LSB)的输出，由于存在随机误差和梯度误差，所以每个LSB不同，最终导致输出不是线性的。本申请发明人为了减小积分线性度(INL)以提高DAC的输出线性度，提出一种拟合方式来调整积分线性度INL的方法。
图2所示为依据本发明的数模转换器的控制方法的拟合函数曲线图；本发明的一种数模转换器的控制方法，包括以下步骤：
第一：将N个不同的数字编码输入至所述数模转换器，获得对应的模拟输出值。
第二，以输入的数字编码和模拟输出值作为坐标，根据所述的N个不同的数字编码和对应的模拟输出值获得N个对应的坐标点，本实施例中，以输入的数字编码作为横坐标，以模拟输出值作为纵坐标，获得N个对应的坐标点，当然，也可以反之。图2中以a、b、c、d四个坐标点为例，根据图2中的坐标点，可以得知实际的输出函数为如图2中所示的曲线函数，而本领域技术人员知道，理想的数模转换器的输出函数为如图2中所示的理论线性函数，两者的偏差很大，也即是数模转换器的积分线性度很大。
第三，根据获得的坐标点(即a、b、c、d)进行线性拟合，以获得拟合的线性函数，如图2中拟合线性函数，拟合线性函数为与理论线性函数形状相同的直线，但存在斜率和截距的不同。这里可以利用最小二乘法的拟合方式获得所述线性函数，最小二乘法拟合是利用实际测量的点和拟合直线对应点的差值平方和最小，也就是均方误差达到极小值时所对应的直线为拟合直线，Q(k，b)＝∑(kxi+b－Pi)2，Pi为横坐标，xi点实际测得DAC的输出值，实际应用时，可以使用matlab，Origin或者EXCEL等工具获得拟合的线性函数，但本领域技术人员可知不限于上述拟合方式。
由于存在斜率和截距上的不同，因此，本申请控制方法的第四步需要对拟合的线性函数的斜率和截距进行调整，本实施例中以电流型数模转换器为例阐述斜率和截距的调整过程。参考图4所示为依据本发明的电流型数模转换器的电路图；如图4所示，所述数模转换器包括多个并联的第一晶体管，如晶体管①、②、③、④，所述多个并联的第一晶体管的源极端均接地，漏极端通过串联一开关后连接至公共连接点，公共连接点连接至所述数模转换器的输出端。所述多个并联的第一晶体管的栅极接收驱动电压信号，这里由于源极端接地，则多个第一晶体管的栅源电压记为VGS。本实施方式中，通过调节输入至所述数模转换器中多个第一晶体管的栅源电压VGS的大小，以调整所述晶体管的漏极电流i的大小；通过调节所述漏极电流的大小调节所述数模转换器的输出值的大小，从而调节所述线性函数的斜率。
例如，需要调整斜率时，斜率偏小则通过测试机增大输入至晶体管VGS的值，其中增大的部分△VGS对应每个晶体管的LSB电流则会相应增加△i，N个管子增加n△i，n+1个管子增加(n+1)△i，由此例推，由此数模转换器的输出值增加，可使得线性函数的斜率增加；相反斜率偏大则通过测试机减小输入至晶体管栅极电压的值，使其变小，最终调整后的拟合线性函数的斜率与理论线性函数的斜率值相等。
拟合线性函数的截距调整则是通过多个不受输入数字编码控制的第二晶体管实现，如图4所示，在数模转换器还包括多个不受输入数字编码控制的第二晶体管，第二晶体管也通过与其串联的开关连接至上述的公共连接端点。所述多个第二晶体管通过相同的栅源电压时漏极电流不相同，例如，分别为i/16、i/8、i/4等，通过开启不同的第二晶体管就可以获得不同的截距大小。
需要补充的是，调整过后的数模转换器的输出曲线不一定过零点，为此，在本申请中，在输入数字编码全部为零时将数模转换器中的所有晶体管关闭，包括将多个第一晶体管和多个第二晶体管关闭，以使得所述拟合的线性函数经过零点。
这样，经过调整后的拟合线性函数斜率与截距与理论线性函数的斜率与截距相同，如图3所示为经过调整后的拟合线性函数，由图3可知调整后的数模转换器的INL比调整前的INL’小很多。因此达到了改善DAC输出的精度的目的。
上述以电流型数模转换器为例阐述了本申请的拟合调整INL的方式，但本发明的拟合控制方法不限于应用于电流型数模转换器中，下面再以电阻型数模转换器介绍本申请的拟合控制方法，参考图5为一种电阻型数模转换器的电路图。所述数模转换器包括多个并联的电阻和运算放大器，所述多个并联的电阻通过与其串联的开关(这里为单刀双掷开关)接收外部的参考电压信号VREF，通过所述多个电阻的电流依次为I、I/2、I/4、I/8、I/16等，所述运算放大器的负向输入端与所述多个并联的电阻的公共连接端连接，运算放大器的负向输入端的电压即电阻的公共连接端的电压记为Vx，正向输入端接收固定电压源的输出值Vd，运算放大器的输出端电压记为Vo，运算放大器的输出端连接至所述数模转换器的输出端。
根据上述的电路结构有，输出电压和负向输入端之间的电压差值为：Vo-Vx＝Rf*ΣI，而ΣI＝(VREF-Vd)/Rx(Rx为输入数字编码后的等效电阻)，Vx＝Vd，因此有：Vo＝(VREF-Vd)/Rx*Rf+Vd，由此可以看出，调节参考电压信号VREF和固定电压源输出值Vd的差值即可调节数模转换器的输出电压值，也就是可以调节线性函数的斜率。
同样的，从上述公式可以看出，等幅度调节所述电压源输出值Vd和数模转换器的参考电压信号以调节所述线性函数的截距。因此，在图5中参考电压信号VREF和电压源输出值Vd均是可调节的，可通过可调电压源等电路实现。
这里，需要补充的是，当调节截距时会改变Vd的大小，但此时如果斜率已经调整好的话需要同时改变VREF的值，防止截距改变后改变了VREF与Vd的差值而影响到斜率。
综上，依据本发明数模转换器的控制方法及数模转换器，首先通过拟合的方式获得线性函数，然后调节所述线性函数的斜率和截距，以使得拟合出的线性函数与所述数模转换器的理想线性函数接近，以拟合的线性函数作为数模转换器的输出函数，这样经过调整后的数模转换器的输出比调整前的输出值更接近于理论值，可以提高数模转换器的积分非线性。
本发明的控制方式通过数字拟合控制调节容易地实现了积分非线性的提升，可以提高数模转换器的精确度。上述以电流型和电阻型数模转换器为例将本申请的控制方式进行阐述，但本领域技术人员可知，该拟合的控制方式不限于上述结构的电流型或电阻型数模转换器，还可以应用在其他电流或电阻结构或其他类型的数模转换器中，在本发明的思想范围内的修改和替换都在本发明的保护范围之内。
以上对依据本发明的优选实施例的数模转换器的控制方法及数模转换器进行了详尽描述，但关于该专利的电路和有益效果不应该被认为仅仅局限于上述所述的，公开的实施例和附图可以更好的理解本发明，因此，上述公开的实施例及说明书附图内容是为了更好的理解本发明，本发明保护并不限于实施例公开的范围，本领域普通技术人员对本发明实施例的替换、修改均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种数模转换器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
将N个不同的数字编码输入至所述数模转换器，获得对应的模拟输出值；
以所述输入数字编码和所述模拟输出值作为坐标，根据所述的N个不同的数字编码和对应的模拟输出值获得N个对应的坐标点；
根据获得的坐标点进行线性拟合，以获得拟合的线性函数；
调整所述线性函数的斜率，以使得所述线性函数的斜率与预定的斜率相等，其中，所述预定的斜率为所述数模转换器的理想线性函数的斜率值；
调整所述线性函数的截距，以使得所述线性函数的截距与所述数模转换器的理想线性函数的截距一致；
以调整斜率和截距后的线性函数作为所述数模转换器的输出函数。
2.根据权利要求1所述的数模转换器的控制方法，其特征在于，以输入的数字编码作为横坐标，以模拟输出值作为纵坐标，获得N个对应的坐标点。
3.根据权利要求1所述的数模转换器的控制方法，其特征在于，当所述数模转换器为电流型数模转换器时，调整所述线性函数的斜率的具体步骤包括：
调节输入至所述数模转换器中晶体管的栅源电压的大小，以调整所述晶体管的漏极电流的大小；
通过调节所述漏极电流的大小调节所述数模转换器的输出值的大小，从而调节所述线性函数的斜率。
4.根据权利要求3所述的数模转换器的控制方法，其特征在于，当所述数模转换器为电流型数模转换器时，调整所述线性函数的截距的具体步骤包括：
利用不受输入数字编码控制的多个晶体管控制所述线性函数的截距；
所述多个晶体管通过相同的栅源电压时漏极电流不相同，通过开启不同的晶体管以获得不同的截距大小。
5.根据权利要求4所述的数模转换器的控制方法，其特征在于，在输入数字编码全部为零时将所述数模转换器中的所有晶体管关闭，以使得所述线性函数经过零点。
6.根据权利要求1所述的数模转换器的控制方法，其特征在于，当所述数模转换器为电阻型数模转换器时，调整所述线性函数的斜率的具体步骤包括：
调节所述数模转换器的参考电压值和电压源输出值的差值，以调节所述线性函数的斜率，其中，所述电压源输出值为输入至所述数模转换器中运算放大器的正向输入端的电压值。
7.根据权利要求6所述的数模转换器的控制方法，其特征在于，当所述数模转换器为电阻型数模转换器时，所述调整所述线性函数的截距的具体步骤包括：
保持二者压差不变以调节所述电压源输出值和数模转换器的参考电压值以调节所述线性函数的截距。
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