CN109547026A - 一种基于r-2r电阻网络的电流舵型数模转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成电路技术领域，公开了一种基于R‑2R电阻网络的电流舵型数模转换器，其包括电流源模块、比较器模块、负载电阻模块与反馈电阻模块，电流源模块的输入端接入数字输入信号，电流源模块的输出端与比较器模块的反向输入端相接，比较器模块的正向输入端接参考电压，比较器模块的反向输入端分别与反馈电阻模块的一端和负载电阻模块的一端相接，反馈电阻模块的另一端与比较器模块的输出端相接，电流源模块包括电流源阵列和与电流源阵列相连的R‑2R电阻网络。上述数模转换器中电阻值和电流值均为单一值均，使得电流源阵列的电流失配相对比较小，进而有效提高的数模转换器的转换精度。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，特别涉及一种基于R-2R电阻网络的电流舵型数模转换器。
背景技术
数模转换器(Digital to Analog Converter，简称DAC)是能够将数字信号转换为模拟信号的一种信号转换器，广泛应用于需要进行信号处理的各个领域。数模转换器有多种类型，其中电流舵型数模转换器(Current Steering Digital to Analog Converter)是一种常用的数模转换器结构，具有匹配精度高、响应速度快的优势，在高速且对匹配性要求较高的电路中有着广泛的应用，并且电流舵型数模转换器的能量利用率较高，当对输出信号进行差分利用时几乎能将所有的能量输出。
然而，常规的电流舵型数模转换器使用电流值成二进制倍数关系的电流源阵列，由于电流源受限于电阻值的匹配精度，由于工艺、光刻等原因导致电阻值并不完全相同的时候，进而不可避免的存在着失配，直接影响到数模转换的精度。数模转换器所能达到的精度，一定程度上取决于电流源的失配误差。因此，如何降低电流源阵列的电流失配，进而提高数模转换器的转换精度是急需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于R-2R电阻网络的电流舵型数模转换器，通过引入R-2R电阻网络作为电流源阵列的负载，并利用R-2R电阻网络的特性将电流值完全相同的电流源在负载电阻上贡献成二进制倍数关系的电流值，由于R-2R电阻网络的电阻值和电流源阵列电流源的电流值均相同，使得电流源阵列的电流失配相对比较小，进而有效提高的数模转换器的转换精度。
为了实现上述技术目的，本发明实施例采用如下技术方案：
一种基于R-2R电阻网络的电流舵型数模转换器，其包括电流源模块、比较器模块、负载电阻模块与反馈电阻模块，电流源模块的输入端接入数字输入信号，电流源模块的输出端与比较器模块的反向输入端相接，比较器模块的正向输入端接参考电压，比较器模块的反向输入端分别与反馈电阻模块的一端和负载电阻模块的一端相接，反馈电阻模块的另一端与比较器模块的输出端相接，电流源模块包括电流源阵列和与电流源阵列相连的R-2R电阻网络。
进一步的，数模转换器的数字输入信号为n+1位，n为大于等于0的自然数。
进一步的，电流源阵列包含n+1个电流值相同的电流源Ii，每个电流源Ii与相应开关Ki的一端相接，每一个电流源Ii的输入端接入相应数字输入信号Di，i为0到n的自然数。
进一步的，R-2R电阻网络包括m个第一电阻Ram与p个第二电阻Rbp，第一电阻Ram的第一端与相应的开关Ki的另一端相连，第一电阻Ram的第二端依次相连接并接地，第二电阻Rbp位于相邻两个第一电阻Ram的第一端之间，第二电阻Rbp依次相连并与比较器模块的反向输入端相接，m为0到n的自然数，p为0到n-1的自然数。
进一步的，当m＝0时，第一电阻Ram的电阻值为R；当0<m≤n时，第二电阻Ram的电阻值为2R。
进一步的，第二电阻Rbp的电阻值为R。
进一步的，第二电阻Ram的电阻值为2R，2R为两个串联的电阻值R。
进一步的，比较器包括基于运算放大器的比较器，比较器的正向输入端接入参考电压Vref。
进一步的，反馈电阻模块包括反馈电阻Rf，负载电阻模块包括负载电阻R1，负载电阻R1的一端与比较器模块的反向输入端相接，负载电阻R1的另一端接地。
进一步的，负载电阻R1的电阻值为R；反馈电阻值为Rf，数模转换器的输出电压Vout为：
i为0到n的自然数。
相较于现有技术，本发明具有如下技术效果：
本发明提出了一种基于R-2R电阻网络的电流舵型数模转换器，其包括电流源模块、比较器模块、负载电阻模块与反馈电阻模块，电流源模块的输入端接入数字输入信号，电流源模块的输出端与比较器模块的反向输入端相接，比较器模块的正向输入端接参考电压，比较器模块的反向输入端分别与反馈电阻模块的一端和负载电阻模块的一端相接，反馈电阻模块的另一端与比较器模块的输出端相接，电流源模块包括电流源阵列和与电流源阵列相连的R-2R电阻网络。上述数模转换器中R-2R电阻网络的电阻值取值仅有R和2R两个值，且2R电阻可以通过两个电阻R串联得到，电流源阵列中电流源的电流值均相同，因此电阻值和电流值均为单一值均，使得电流源阵列的电流失配相对比较小，进而有效提高的数模转换器的转换精度。此外，每个数字输入位仅需一个电流源，与使用温度计码的电流舵型数模转换器相比，所需电流源电路非常少，大大节省了硬件成本。
附图说明
图1为本发明实施例提出的一种基于R-2R电阻网络的电流舵型数模转换器的电路结构图；
图2为本发明实施例提出的一种基于R-2R电阻网络的电流舵型数模转换器的电路原理图。
其中：1、电流源模块；2、比较器模块；3、负载电阻模块；4、反馈电阻模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
如图1所示，本发明实施例提出了一种基于R-2R电阻网络的电流舵型数模转换器，其包括电流源模块1、比较器模块2、负载电阻模块3与反馈电阻模块4，电流源模块1的输入端接入数字输入信号，电流源模块1的输出端与比较器模块2的反向输入端相接，比较器模块2的正向输入端接参考电压，比较器模块2的反向输入端分别与反馈电阻模块4的一端和负载电阻模块3的一端相接，反馈电阻模块4的另一端与比较器模块的输出端相接，电流源模块1包括电流源阵列和与电流源阵列相连的R-2R电阻网络。
其中，数模转换器的数字输入信号为n+1位，n为大于等于0的自然数，数字输入信号相应的输入电流源模块1的输入端。
电流源模块1包括电流源阵列和与电流源阵列相连的R-2R电阻网络，引入R-2R电阻网络作为电流源阵列的负载，并利用R-2R电阻网络的特性将电流值完全相同的电流源在负载电阻上贡献成二进制倍数关系的电流值，由于R-2R电阻网络的电阻值和电流源阵列电流源的电流值均相同，使得电流源阵列的电流失配相对比较小。电流源模块1接收相应的数字输入信号并输出相应的二进制倍数关系的电流值，输出端与比较器模块的反相输入端相连。
比较器模块2包括基于运算放大器的比较器，包括正相输入端、反相输入端与输出端，其中正向输入端接入参考电压Vref，反相输入端分别与电流源模块1、反馈电阻3的一端、负载电阻4的一端相连，输出端输出相应电压。
负载电阻模块3包括负载电阻R1，负载电阻R1的一端与比较器模块的反向输入端相接，负载电阻R1的另一端接地。具体的，负载电阻R1的电阻值为R，R的具体数值需要根据实际情况而具体设定，在此仅作为一个标识。
反馈电阻模块4包括反馈电阻Rf，反馈电阻Rf的一端与比较器模块2的反相输入端相连，另一端与比较器模块2的输出端相连。具体的，负载电阻Rf的电阻值为Rf，Rf的具体数值需要根据实际情况而具体设定，在此仅作为一个标识。
上述基于R-2R电阻网络的电流舵型数模转换器，引入R-2R电阻网络作为电流源阵列的负载，并利用R-2R电阻网络的特性将电流值完全相同的电流源在负载电阻上贡献成二进制倍数关系的电流值，由于R-2R电阻网络的电阻值和电流源阵列电流源的电流值均相同，使得电流源阵列的电流失配相对比较小，进而有效提高的数模转换器的转换精度。
优选的，如图2所述，基于R-2R电阻网络的电流舵型数模转换器的电路原理如下n+1位数字输入信号相应的分别输入电流源模块1中的电流源阵列，开关Ki闭合后电流流过R-2R电阻网络中的相应电阻，由于由于R-2R电阻网络的电阻值和电流源阵列电流源的电流值均相同，使得电流源阵列的电流失配相对比较小。
其中，电流源模块1包括电流源阵列与R-2R电阻网络，R-2R电阻网络作为电流源阵列的负载，并利用R-2R电阻网络的特性将电流值完全相同的电流源在负载电阻上贡献成二进制倍数关系的电流值。
具体的，电流源阵列包含n+1个电流值相同的电流源Ii，每个电流源Ii与相应开关Ki的一端相接，每一个电流源Ii的输入端接入相应数字输入信号Di，i为0到n的自然数，例如：0、1、2、3、4、。。。。。。
R-2R电阻网络包括m个第一电阻Ram与p个第二电阻Rbp，第一电阻Ram的第一端与相应的开关Ki的另一端相连，第一电阻Ram的第二端依次相连接并接地，第二电阻Rbp位于相邻两个第一电阻Ram的第一端之间，第二电阻Rbp依次相连并与比较器模块的反向输入端相接，m为0到n的自然数，例如：0、1、2、3、4、。。。、n-2、n-1、n。p为0到n-1的自然数,例如：0、1、2、3、4、。。。、n-2、n-1。
优选的，第一电阻Ram与第二电阻Rbp的电阻值可以相同，也可以不同，但是电阻值只有R与2R这两种选择。
优选的，当m＝0时，第一电阻Ram的电阻值为R；当0<m≤n时，第二电阻Ram的电阻值为2R。示例的，第一电阻Ra0的电阻值为R，Ra1、Ra2、。。。。Ran的电阻值为2R。
优选的，第二电阻Rbp的电阻值为R。示例的，第二电阻Rb0、Rb1、Rb2、。。。。Rbn-1的电阻值为R。
优选的，第二电阻Ram的电阻值为2R，2R为两个串联的电阻值R，即2R电阻可以通过两个电阻R串联得到。
优选的，当负载电阻R1的电阻值为R；反馈电阻值为Rf，数模转换器的输出电压Vout为：
i为0到n的自然数。
其中，Vref、I、Di分别为，合理的选取Vref、I、R、Rf的值，就可以让数模转换器的模拟输出电压处于所需要的范围。
综上，本发明提出了一种基于R-2R电阻网络的电流舵型数模转换器，其包括电流源模块、比较器模块、负载电阻模块与反馈电阻模块，电流源模块的输入端接入数字输入信号，电流源模块的输出端与比较器模块的反向输入端相接，比较器模块的正向输入端接参考电压，比较器模块的反向输入端分别与反馈电阻模块的一端和负载电阻模块的一端相接，反馈电阻模块的另一端与比较器模块的输出端相接，电流源模块包括电流源阵列和与电流源阵列相连的R-2R电阻网络。上述数模转换器中R-2R电阻网络的电阻值取值仅有R和2R两个值，且2R电阻可以通过两个电阻R串联得到，电流源阵列中电流源的电流值均相同，因此电阻值和电流值均为单一值均，使得电流源阵列的电流失配相对比较小，进而有效提高的数模转换器的转换精度。此外，每个数字输入位仅需一个电流源，与使用温度计码的电流舵型数模转换器相比，所需电流源电路非常少，大大节省了硬件成本。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于R-2R电阻网络的电流舵型数模转换器，其特征在于：所述数模转换器包括电流源模块、比较器模块、负载电阻模块与反馈电阻模块，所述电流源模块的输入端接入数字输入信号，所述电流源模块的输出端与所述比较器模块的反向输入端相接，所述比较器模块的正向输入端接参考电压，所述比较器模块的反向输入端分别与所述反馈电阻模块的一端和所述负载电阻模块的一端相接，所述反馈电阻模块的另一端与所述比较器模块的输出端相接，所述电流源模块包括电流源阵列和与所述电流源阵列相连的R-2R电阻网络。
2.如权利要求1所述的基于R-2R电阻网络的电流舵型数模转换器，其特征在于：所述数模转换器的数字输入信号为n+1位，所述n为大于等于0的自然数。
3.如权利要求2所述的基于R-2R电阻网络的电流舵型数模转换器，其特征在于：所述电流源阵列包含n+1个电流值相同的电流源Ii，每个所述电流源Ii与相应开关Ki的一端相接，每一个所述电流源Ii的输入端接入相应数字输入信号Di，所述i为0到n的自然数。
4.如权利要求3所述的基于R-2R电阻网络的电流舵型数模转换器，其特征在于：所述R-2R电阻网络包括m个第一电阻Ram与p个第二电阻Rbp，所述第一电阻Ram的第一端与相应的所述开关Ki的另一端相连，所述第一电阻Ram的第二端依次相连接并接地，所述第二电阻Rbp位于相邻两个第一电阻Ram的第一端之间，所述第二电阻Rbp依次相连并与所述比较器模块的反向输入端相接，所述m为0到n的自然数，所述p为0到n-1的自然数。
5.如权利要求4所述的基于R-2R电阻网络的电流舵型数模转换器，其特征在于：当m＝0时，所述第一电阻Ram的电阻值为R；当0<m≤n时，所述第二电阻Ram的电阻值为2R。
6.如权利要求4所述的基于R-2R电阻网络的电流舵型数模转换器，其特征在于：所述第二电阻Rbp的电阻值为R。
7.如权利要求4所述的基于R-2R电阻网络的电流舵型数模转换器，其特征在于：所述第二电阻Ram的电阻值为2R，所述2R为两个串联的电阻值R。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的基于R-2R电阻网络的电流舵型数模转换器，其特征在于：所述比较器模块包括基于运算放大器的比较器，所述比较器的正向输入端接入参考电压Vref。
9.如权利要求8所述的基于R-2R电阻网络的电流舵型数模转换器，其特征在于：所述反馈电阻模块包括反馈电阻Rf，所述负载电阻模块包括负载电阻R1，所述负载电阻R1的一端与所述比较器模块的反向输入端相接，所述负载电阻R1的另一端接地。
10.如权利要求9所述的基于R-2R电阻网络的电流舵型数模转换器，其特征在于：所述负载电阻R1的电阻值为R；所述反馈电阻值为Rf，所述数模转换器的输出电压Vout为：
所述i为大于等于0的自然数。
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