CN108183711A - 一种动态随机均衡的电流源单元选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态随机均衡的电流源单元选择方法，可包括以下步骤：提供电流舵数模转换器、分别用于储存所选电流源单元的起始位置和终止位置的第一和第二寄存器、用于随机产生选择方向的第一随机数发生器和用于随机产生电流源单元的起始位置的第二随机数发生器；初始化，根据电流舵数模转换器上电时的输入码、第一和第二随机数发生器的值来随机选取电流源单元，并将所选电流源单元的起始位置和终止位置分别储存在第一和第二寄存器；将当前时刻的输入码与上一周期的输入码进行比较，然后根据比较结果、第一和第二随机数发生器的值来随机选取电流源单元，并将所选电流源单元的起始位置和终止位置分别储存在第一和第二寄存器。

Description

一种动态随机均衡的电流源单元选择方法

技术领域

本发明涉及集成电路设计技术领域，具体涉及一种应用于电流舵数模转换器的动态随机均衡的电流源单元选择方法。

背景技术

在高速、高精度电流舵数模转换器中，电流源失配产生的随机噪声是限制输出动态范围提高的主要瓶颈。传统的电流源单元都采用温度计码选取方法，选取起始位置为最低位的电流源单元，虽然该方法可以保证具有最低的开关活动性。但最致命的问题在于，低位电流源被选取的概率远远大于高位电流源，直接导致某些失配产生的正负误差无法被“中和”，不能对这些随机噪声进行白噪声化。一种改进的随机旋转二进制选择方法，通过指定选取电流源的起始位置，增加了高位电流源被选取的概率，降低了随机噪声的影响，但由于高位电流源的选择概率提高，这种方法的优势是以牺牲开关活动性来获得的。

因此，为了解决电流舵数模转换器中电流源失配引起的动态范围下降及其与开关活动性之间的设计矛盾，本发明提出一种基于动态随机均衡的电流源单元选择方法，其目的在于保持低电流源开关活动性的同时，将随机噪声转换为白噪声，提高输出动态范围。

发明内容

本发明旨在提供一种应用于电流舵数模转换器的基于动态随机均衡的电流源单元选择方法，以解决电流舵数模转换器中电流源失配引起的动态范围下降及其与开关活动性之间的设计矛盾，从而达到保持低电流源开关活动性的同时，提高输出动态范围的目的。为此，本发明采用的具体技术方案如下：

一种动态随机均衡的电流源单元选择方法，可包括以下步骤：

步骤1：提供电流舵数模转换器，所述电流舵数模转换器具有多个电流源单元，所述多个电流源单元依次编号排列并首尾相连以形成一闭环，从而具有顺时针方向和逆时针方向，提供用于储存所选电流源单元的起始位置的第一寄存器、用于储存所选电流源单元的终止位置的第二寄存器、用于随机产生电流源单元的选择方向的第一随机数发生器和用于随机产生电流源单元的起始位置的第二随机数发生器，其中，所选电流源单元的起始位置是指所选择的电流源单元中的编号最小的电流源单元，而所选电流源单元的终止位置是指所选择的电流源单元中的编号最大的电流源单元；

步骤2：初始化，根据电流舵数模转换器上电时的输入码、第一随机数发生器产生的选择方向和第二随机数发生器产生的起始位置来随机选取电流源单元，并将所选电流源单元的起始位置和终止位置分别储存在第一寄存器和第二寄存器，其中输入码表示所需的电流源单元数量；

步骤3：将当前时刻的输入码与上一周期的输入码进行比较，然后根据比较结果、第一随机数发生器产生的选择方向和第二随机数发生器产生的起始位置来随机选取电流源单元，并将所选电流源单元的起始位置和终止位置分别储存在第一寄存器和第二寄存器。

进一步地，所述步骤3具体过程为：当当前时刻的输入码等于或者小于上一周期中的输入码时，电流源的随机选取范围限定在上一周期使用过的电流源中，第二随机数发生器随机产生的起始位置位于上一周期使用过的电流源中，而当当前时刻的输入码大于上一周期中的输入码时，电流源优先从上一周期中未被选择的电流源中选取，不足的电流源再从已选择过的电流源中选取，第二随机数发生器随机产生的起点位置位于未使用过的电流源中；然后再根据第一随机数发生器产生的选择方向来随机选取电流源单元，并将所选电流源单元的起始位置和终止位置分别储存在第一寄存器和第二寄存器。

进一步地，第一随机数发生器随机产生的选择方向为表示逆时针方向的“0”或表示顺时针方向的“1”；当选择方向为“0”时，从第二随机数发生器产生的起始位置开始逆时针依次选择电流源的单元数，如电流源单元不足，则从第二寄存器存储的终止位置继续选取，直至满足所需的电流源单元数量；而当选择方向为“1”时，从第二随机数发生器产生的起点位置开始顺时针依次选择电流源的单元数，如电流源单元不足，则从第一寄存器存储的起始位置继续选取，直至满足所需的电流源单元数量。

进一步地，所述第一随机数发生器为一位随机数发生器，所述第二随机数发生器为多位随机数发生器。

本发明采用上述技术方案，具有的有益效果是：首先通过指定电流源选取起始位置以及调整选择方向，进一步增加了电流源选择的随机性，有利于白噪声化。其次，通过限制选取范围和方向性，降低了高位电流源的选择概率，一定程度上减少了开关活动性。

附图说明

图1是根据本发明实施例的动态随机均衡的电流源单元选择方法的流程图；

图2示出了根据传统温度计码选取方法的选取实例；

图3示出了根据随机旋转二进制选择方法的选取实例；

图4示出了根据本发明方法的选取实例。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。图1示出了本发明实施例的动态随机均衡的电流源单元选择方法的流程图，该方法包括：

步骤1：提供电流舵数模转换器，所述电流舵数模转换器具有多个电流源单元，所述多个电流源单元依次编号排列并首尾相连以形成一闭环，从而具有顺时针方向和逆时针方向。以3位电流源阵列为例，设它们分别为I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7。将I1-I2-I3-I4-I5-I6-I7-I1的方向称为顺时针方向，与之相反的方向称为逆时针方向。提供用于储存所选电流源单元的起始位置的第一寄存器R1、用于储存所选电流源单元的终止位置的第二寄存器R2、用于随机产生电流源单元的选择方向的第一随机数发生器R3和用于随机产生电流源单元的起始位置的第二随机数发生器R4。其中，所选电流源单元的起始位置是指所选择的电流源单元中的编号最小的电流源单元，而所选电流源单元的终止位置是指所选择的电流源单元中的编号最大的电流源单元。例如，当所选电流源单元是I1、I2、I6和I7时，R1为I1，R2为I7。优选地，所述第一随机数发生器R3为一位随机数发生器，所述第二随机数发生器R3为多位随机数发生器。第一随机数发生器R3的不同赋值决定了两个选择方向(顺时针方向和逆时针方向)。在实施例中，当R3为“0”时，从第二随机数发生器R4产生的起始位置开始逆时针依次选择电流源单元，如电流源单元不足，则从第二寄存器R2存储的终止位置继续选取，直至满足所需的电流源单元数量；而当R3为“1”时，从第二随机数发生器R4产生的起点位置开始顺时针依次选择电流源单元，如电流源单元不足，则从第一寄存器R1存储的起始位置继续选取，直至满足所需的电流源单元数量；反之亦然。

步骤2：初始化，根据电流舵数模转换器上电时的输入码、第一随机数发生器R3产生的选择方向和第二随机数发生器R4产生的起始位置来随机选取电流源单元，并将所选电流源单元的起始位置和终止位置分别储存在第一寄存器R1和第二寄存器R2，其中输入码表示所需的电流源单元数量。

步骤3：将当前时刻的输入码与上一周期的输入码进行比较，然后根据比较结果、第一随机数发生器R3产生的选择方向和第二随机数发生器R4产生的起始位置来随机选取电流源单元，并将所选电流源单元的起始位置和终止位置分别储存在第一寄存器R1和第二寄存器R2。

其中，所述步骤3具体过程为：当当前时刻的输入码等于或者小于上一周期中的输入码时，电流源的随机选取范围限定在上一周期使用过的电流源中，第二随机数发生器R4随机产生的起始位置位于上一周期使用过的电流源中，而当当前时刻的输入码大于上一周期中的输入码时，电流源优先从上一周期中未被选择的电流源中选取，不足的电流源再从已选择过的电流源中选取，第二随机数发生器R4随机产生的起点位置位于未使用过的电流源中；然后再根据第一随机数发生器R3产生的选择方向来随机选取电流源单元，并将所选电流源单元的起始位置和终止位置分别储存在第一寄存器R1和第二寄存器R2。具体地，参照图4进行说明，第一行对应于步骤2，即电流舵数模转换器上电时选择的电流源单元，输入码为6，R3为0，R4为4，因此选取的电流源分别为I4、I3、I2、I1、I7和I6，R1为1，R2为7；第二行，由于当前输入码为3，小于第一行的输入码6，因此R4位于I1、I2、I3、I4、I6和I7中，此时R4为3，R3为0，因此所选择的电流源单元为I3、I2和I1，R1为1，R2为3；第三行，由于当前输入码为7，大于第二行的输入码3，因此R4位于I4、I5、I6和I7中，此时R4为5，R3为1，因此所选择的电流源单元为I5、I6、I7、I4、I1、I2和I3，R1为1，R2为7；第四行，由于当前输入码为4，小于第三行的输入码7，因此R4位于I1、I2、I3、I4、I5、I6和I7中，此时R4为2，R3为0，因此所选择的电流源单元为I2、I1、I7和I6，R1为1，R2为7。

如图2、3、4所示，对传统温度计码选取方法、随机旋转二进制选择方法和本发明方法进行对比。以3位电流源阵列为例，设它们分别为I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7。假设输入码序列为6、3、7、4，具体比较过程如下：

传统的温度计码选取方法如图2所示，选取起始位置为最低位的电流源单元，虽然该方法可以保证具有最低的开关活动性。但最致命的问题在于，低位电流源被选取的概率远远大于高位电流源，直接导致某些失配产生的正负误差无法被“中和”，不能对这些随机噪声进行白噪声化。随机旋转二进制选择方法如图3所示，通过指定选取电流源的起始位置，增加了高位电流源被选取的概率，降低了随机噪声的影响，但由于高位电流源的选择概率提高，这种方法的优势是以牺牲开关活动性来获得的。本发明提出的动态随机均衡方法如图4所示，其具体选择过程如上所述。首先通过指定电流源选取起始位置以及调整选择方向，进一步增加了电流源选择的随机性，有利于白噪声化。其次，通过限制选取范围和方向性，降低了高位电流源的选择概率，一定程度上减少了开关活动性。

对电流源开关活动性进行比较，温度计码选取方法开关次数总计16次，随机旋转二进制选择方法为18次，而本发明方法为16次。相比于随机旋转二进制选择方法方法，动态随机均衡方法的开关活动性降低了11％。再从电流源单元选取概率进行比较，温度计码方法中低三位的电流源均被选取了四次，误差均衡效果最差。而本发明方法与随机旋转二进制选择方法选取概率相当，有利于随机噪声的白噪声化。依据本发明方法提出的选取法则，对输入码进行了仿真验证，各电流源被选取概率统计如表1所示，结果显示各电流源被选取概率分布较为平均，非常有利于均衡失配误差，提高输出动态范围，技术效果良好。

表1各电流源被选取概率

综上所述，本发明提供的动态随机均衡电流源选择方法，具有以下有益效果：(1)本发明方法的整体开关活动性与温度计码方法相当，而随机均衡性可比于随机旋转二进制选择方法，很好的解决了动态选取方法中随机均衡性与开关活动性之间的矛盾设计；(2)电流源的选取又遵循一定的法则，在保持“随机性”的同时，也着重关注了方法的“有章可循”；(3)依据本发明提供方法，可使得电流舵数模转换器在保持较低开关活动性的同时，将电流源失配随机噪声进行白噪声化，获得较大的输出动态范围；(4)本发明方法完整，适用于高速、高精度电流舵数模转换器中。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种动态随机均衡的电流源单元选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：提供电流舵数模转换器，所述电流舵数模转换器具有多个电流源单元，所述多个电流源单元依次编号排列并首尾相连以形成一闭环，从而具有顺时针方向和逆时针方向，提供用于储存所选电流源单元的起始位置的第一寄存器、用于储存所选电流源单元的终止位置的第二寄存器、用于随机产生电流源单元的选择方向的第一随机数发生器和用于随机产生电流源单元的起始位置的第二随机数发生器，其中，所选电流源单元的起始位置是指所选择的电流源单元中的编号最小的电流源单元，而所选电流源单元的终止位置是指所选择的电流源单元中的编号最大的电流源单元；

步骤2：初始化，根据电流舵数模转换器上电时的输入码、第一随机数发生器产生的选择方向和第二随机数发生器产生的起始位置来随机选取电流源单元，并将所选电流源单元的起始位置和终止位置分别储存在第一寄存器和第二寄存器，其中输入码表示所需的电流源单元数量；

步骤3：将当前时刻的输入码与上一周期的输入码进行比较，然后根据比较结果、第一随机数发生器产生的选择方向和第二随机数发生器产生的起始位置来随机选取电流源单元，并将所选电流源单元的起始位置和终止位置分别储存在第一寄存器和第二寄存器。

2.如权利要求1所述的动态随机均衡的电流源单元选择方法，其特征在于，所述步骤3具体过程为：将当前时刻的输入码与上一周期的输入码进行比较，当当前时刻的输入码等于或者小于上一周期中的输入码时，电流源的随机选取范围限定在上一周期使用过的电流源中，第二随机数发生器随机产生的起始位置位于上一周期使用过的电流源中，而当当前时刻的输入码大于上一周期中的输入码时，电流源优先从上一周期中未被选择的电流源中选取，不足的电流源再从已选择过的电流源中选取，第二随机数发生器随机产生的起点位置位于未使用过的电流源中；然后再根据第一随机数发生器产生的选择方向来随机选取电流源单元，并将所选电流源单元的起始位置和终止位置分别储存在第一寄存器和第二寄存器。

3.如权利要求1或2所述的动态随机均衡的电流源单元选择方法，其特征在于，第一随机数发生器随机产生的选择方向为表示逆时针方向的“0”或表示顺时针方向的“1”；当选择方向为“0”时，从第二随机数发生器产生的起始位置开始逆时针依次选择电流源单元，如电流源单元不足，则从第二寄存器存储的终止位置继续选取，直至满足所需的电流源单元数量；而当选择方向为“1”时，从第二随机数发生器产生的起点位置开始顺时针依次选择电流源单元，如电流源单元不足，则从第一寄存器存储的起始位置继续选取，直至满足所需的电流源单元数量。

4.如权利要求1所述的动态随机均衡的电流源单元选择方法，其特征在于，所述第一随机数发生器为一位随机数发生器，所述第二随机数发生器为多位随机数发生器。