CN109286398A - 一种用于电流舵数模转换器校正的电流比较器及比较方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电流舵数模转换器校正的电流比较器及比较方法，应用于高速高精度的电流舵模数转换器,涉及一种电流比较方法。通过一组额外的电阻电容实现电流舵DAC的电流比较，无需单独的电流比较器，使电路变得更加简单，比较结果也更加准确。

Description

一种用于电流舵数模转换器校正的电流比较器及比较方法

技术领域

本发明应用于高速高精度的电流舵模数转换器,涉及一种电流比较方法。

背景技术

在无线通讯、信号合成、雷达等诸多系统中，数模转换器(Digital-to-Analog,DAC)作为连接数字域到模拟域的桥梁发挥着越来越重要的作用，也成为限制系统性能的模块之一。电流舵结构DAC由于其信号带宽只受输出节点的电阻、电容影响，非常适合设计高速高精度DAC，被广泛应用于DAC系统中。然而电流舵结构DAC的性能极大地受到非理想因素的限制。尤其随着DAC向着高精度、高采样率以及高信号带宽方向发展时，这些非理想因素限制着高速高精度DAC的实现。

常见的数模转换器的指标有，动态参数：无杂散动态范围(SFDR)，信噪失真比(SNDR)，信噪比(SNR)以及静态参数：非线性微分(DNL)，非线性积分(INL)。它们是衡量DAC线性度的动态参数，更高的动态参数意味着更高的线性度。

电流舵DAC的主要组成部分为具有一定权重的电流源、共源共栅管、开关驱动电路、译码器等。其结构简单，精度由MOS管的匹配程度决定，所以可以做到较高精度，采样速度由输出节点的寄生电容电阻决定，所以可以做到较高速度。

然而，电流舵数模转换器(如图1所示)的表征精度和线性度的主要动态参数(SFDR/SNDR)以及线性度(DNL/INL)会受到电流失配的极大影响。目前国际上提出了一种开关顺序调整技术(参考文献:T.Chen and G.Gielen,“A 14-bit 200-MHz current-steering DAC with switching-sequence post-adjustment calibration,”IEEEJ.Solid-state Circuits,vol.42,No.11,pp.2386-2394,Nov.2007.)可以很大程度上提高电流舵数模转换器的各项性能指标。该技术通过比较电流源的大小，然后将电流源进行排序重组，以达到降低各电流源之间的失配的效果。该技术需要用额外的电流比较器(如图2所示)来进行电流比较，本技术对这种开关顺序调整技术电流比较环节进行改进，无需额外的电流比较器就能实现电流的比较。

发明内容

本发明通过一组额外的电阻电容实现电流舵DAC的电流比较，无需单独的电流比较器，使电路变得更加简单。

本发明技术方案为一种用于电流舵数模转换器校正的电流比较器，该比较器包括：参考电流源I_ref，多级比较电流源，第一开关K₀，电阻R，电容C和电压比较器；

所述参考电流源I_ref正极接电压源，负极接电容C的左极板；电容C的右极板接比较器的负输入端；比较器的正输入端接地，电容C的右极板与比较器的共接点连接第一开关K₀的一端，第一开关K₀的另一端接地；电阻R一端接参考电流源I_ref负极与电容C的左极板的共接点，另一端接地；所述多级比较电流源中每一级都包括一个开关和一个电流源，该开关一端接参考电流源I_ref负极与电容C的左极板的共接点，另一端接该电流源的正极，该电流源的负极接地。

一种用于电流舵数模转换器校正的电流比较器的比较方法；设将多级比较电流源中的第M级和第N级电流源进行比较，该方法包括：

步骤1：闭合第一开关K₀和第M级电流源中的开关，待电容C充满电；

步骤2：按顺序先断开第一开关K₀，再断开第M级电流源中的开关，再闭合第N级电流源中的开关；

步骤3：若比较起输出高电平，则第M级电流源电流大于第N级电流源电流，若比较起输出低电平，则第M级电流源电流小于第N级电流源电流。

本发明通过一组额外的电阻电容实现电流舵DAC的电流比较，无需单独的电流比较器，使电路变得更加简单，比较结果也更加准确。

附图说明

图1是电流舵数模转换器的通常架构。

图2是电流比较器的电路图。

图3是本发明的电流比较结构。

图4是电流源比较的仿真结果。

具体实施方式

本发明的特征在于，将电流信号的差异转换成电压信号的差异，以4个需要比较的电流源为例，其中含有：

参考电流源I_ref，第一电流源I₁，第二电流源I₂，第三电流源I₃，第四电流源I₄，第一开关K₀，第二开关K₁，第三开关K₂，第四开关K₃，第五开关K₄，电阻R，电容C和电压比较器；

参考电流源I_ref正极接电压源，负极接电容C的左极板；电流源I₁负极接地，正极接开关K₁的一端,开关K₁的另一端接电容C的左极板；电流源I₂负极接地，正极接开关K₂的一端，开关K₂的另一端接电容C的左极板；电流源I₃负极接地，正极接开关K₃的一端,开关K₃的另一端接电容C的左极板；电流源I₄负极接地，正极接开关K₄的一端,开关K₄的另一端接电容C的左极板；电容C的右极板接比较器的负输入端；比较器的负输入端再接开关K₀到地，比较器的正输入端接地；电阻R一端接参考电流源I_ref负极与电容C的左极板的共接点，另一端接地。

电流源I₁和电流源I₂比较时，开关K₀和开关K₁闭合，其他开关断开，比较器的负输入端电压为0；此时流过电阻R的电流是I_ref-I₁，电阻上的电压是(I_ref-I₁)R，电容C被充电到-(I_ref-I₁)R；那么电容右极板的电荷Q_N为

Q_N＝-(I_ref-I₁)RC

然后开关K₀提前断开，开关K₁再断开，开关K₂闭合，其他开关仍保持断开；此时流过电阻R的电流是I_ref-I₂，电阻上的电压是(I_ref-I₂)R，比较器负输入端的电压为V_N，电容右极板的电荷为Q′_N

Q′_N＝[V_N-(I_ref-I₂)R]C

因为比较器的负输入端为高阻态，电容上的电荷保持不变，即Q_N＝Q′_N，可以求出此时比较器的负输入端电压V_N。

V_N＝(I₁-I₂)R

此时比较器的输入电压V_I是

V_I＝V_N-0＝(I₁-I₂)R

如果比较器输出高电平，则I₁＜I₂；比较器输出低电平，则I₁＞I₂。

电流源I₁和电流源I₃比较时，开关K₀和开关K₁闭合，其他开关断开，比较器的负输入端电压为0。此时流过电阻R的电流是I_ref-I₁，电阻上的电压是(I_ref-I₁)R，电容C被充电到-(I_ref-I₁)R。那么电容右极板的电荷Q_N为

Q_N＝-(I_ref-I₁)RC

然后开关K₀提前断开，开关K₁再断开，开关K₃闭合，其他开关仍保持断开；此时流过电阻R的电流是I_ref-I₃，电阻上的电压是(I_ref-I₃)R，比较器负输入端的电压为V_N，电容右极板的电荷为Q′_N

Q′_N＝[V_N-(I_ref-I₃)R]C

因为比较器的负输入端为高阻态，电容上的电荷保持不变，即Q_N＝Q′_N，可以求出此时比较器的负输入端电压V_N。

V_N＝(I₁-I₃)R

此时比较器的输入电压V_I是

V_I＝V_N-0＝(I₁-I₃)R

如果比较器输出高电平，则I₁＜I₃；比较器输出低电平，则I₁＞I₃。

电流源I₁和电流源I₄比较时，开关K₀和开关K₁闭合，其他开关断开，比较器的负输入端电压为0。此时流过电阻R的电流是I_ref-I₁，电阻上的电压是(I_ref-I₁)R，电容C被充电到-(I_ref-I₁)R。那么电容右极板的电荷Q_N为

Q_N＝-(I_ref-I₁)RC

然后开关K₀提前断开，开关K₁再断开，开关K₄闭合，其他开关仍保持断开；此时流过电阻R的电流是I_ref-I₄，电阻上的电压是(I_ref-I₄)R，比较器负输入端的电压为V_N，电容右极板的电荷为Q′_N

Q′_N＝[V_N-(I_ref-I₄)R]C

因为比较器的负输入端为高阻态，电容上的电荷保持不变，即Q_N＝Q′_N，可以求出此时比较器的负输入端电压V_N。

V_N＝(I₁-I₄)R

此时比较器的输入电压V_I是

V_I＝V_N-0＝(I₁-I₄)R

如果比较器输出高电平，则I₁＜I₄；比较器输出低电平，则I₁＞I₄。

采用相同的方法就可以比较出其他电流源的大小。

cadence virtuoso IC6.1.6仿真结果表明，当V_DD＝1.8V，I_ref＝100μA，I₁＝99μA，I₂＝100μA,I₃＝101μA,I₄＝98μA，R＝1000Ω,C＝1pF时，I₁和比较完成后，V_N＝-1mV，比较器输出高电平；I₁和I₃比较完成后，V_N＝-2mV，比较器输出高电平；I₁和I₄比较完成后，V_N＝1mV，比较器输出低电平。

Claims (2)

1.一种用于电流舵数模转换器校正的电流比较器，该比较器包括：参考电流源I_ref，多级比较电流源，第一开关K₀，电阻R，电容C和电压比较器；

所述参考电流源I_ref正极接电压源，负极接电容C的左极板；电容C的右极板接比较器的负输入端；比较器的正输入端接地，电容C的右极板与比较器的共接点连接第一开关K₀的一端，第一开关K₀的另一端接地；电阻R一端接参考电流源I_ref负极与电容C的左极板的共接点，另一端接地；所述多级比较电流源中每一级都包括一个开关和一个电流源，该开关一端接参考电流源I_ref负极与电容C的左极板的共接点，另一端接该电流源的正极，该电流源的负极接地。

2.一种用于电流舵数模转换器校正的电流比较器的比较方法；设将多级比较电流源中的第M级和第N级电流源进行比较，该方法包括：

步骤1：闭合第一开关K₀和第M级电流源中的开关，待电容C充满电；

步骤2：按顺序先断开第一开关K₀，再断开第M级电流源中的开关，再闭合第N级电流源中的开关；

步骤3：若比较起输出高电平，则第M级电流源电流大于第N级电流源电流，若比较起输出低电平，则第M级电流源电流小于第N级电流源电流。