CN110380731A

CN110380731A - 一种数字模拟转换电路

Info

Publication number: CN110380731A
Application number: CN201910677660.6A
Authority: CN
Inventors: 张俊; 张治安
Original assignee: Shanghai Analog Semiconductor Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Analog Semiconductor Technology Co Ltd
Priority date: 2019-07-25
Filing date: 2019-07-25
Publication date: 2019-10-25
Anticipated expiration: 2039-07-25
Also published as: WO2021012747A1; US11838031B2; CN110380731B; US20220271772A1

Abstract

本申请公开了一种数字模拟转换电路，包括：R‑2R电阻性网络，被配置为连接于输出端与地端之间；输出电压选择单元，被配置为连接于所述R‑2R电阻性网络的输出端与所述输出端之间；输出电压修调单元，所述R‑2R电阻性网络的至少一条支路上的2R电阻与地端之间设置所述输出电压修调单元。

Description

一种数字模拟转换电路

技术领域

本发明一般涉及电子技术领域，特别的涉及一种数字模拟转换电路。

背景技术

随着计算机技术、多媒体技术、信号处理技术的迅速发展，先进的电子系统不断涌现，在现代先进的电子系统前端和后端都将应用数模转换器(Digital to analogconverter，DAC)。

现有的数模转换器利用模拟信号的分压形式将输入的数字信号转换为模拟信号输出，常见的分压器，例如电阻串分压器和“R-2R”梯形电阻性网络，通常为了提高数模转换器的输出精度，所需的分压电阻的数目与输入的数字信号成指数增加关系，使得数模转换器需要较大的电路面积，并且其电路成本太大。此外，对于一些特殊的应用场合，例如，数模转换器的输出电压只需在一定的共模电压附近具有很高的精度，采用现有的分压形式会造成较大的电路浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数字模拟转换电路，在一定共模电压附近具有较高的修调精度，减小电路所需的面积，降低电路成本。

为了解决上述问题，本申请公开了一种数字模拟转换电路，包括：

R-2R电阻性网络，被配置为连接于输出端与地端之间；

输出电压选择单元，被配置为连接于所述R-2R电阻性网络的输出端与所述输出端之间；

输出电压修调单元，所述R-2R电阻性网络的至少一条支路上的2R电阻与地端之间设置所述输出电压修调单元。

在一个优选例中，所述输出电压选择单元包括相互并联的2ⁿ个选择电阻，每个所述选择电阻通过一单刀双掷开关连接参考电压或地端。

在一个优选例中，所述选择电阻的阻值为2R，所述数字模拟转换电路的最小输出电压为最大输出电压为输出电压的间隔为其中VREF为参考电压值。

在一个优选例中，所述选择电阻的阻值为Rx，所述数字模拟转换电路的最小输出电压为最大输出电压为输出电压的间隔为其中VREF为参考电压值。

在一个优选例中，还包括：第一译码器，配置为根据输入的数字信号控制2ⁿ个所述单刀双掷开关。

在一个优选例中，所述输出电压修调单元包括串联的2^k-1个修调电阻，所述修调电阻之间的节点通过一控制开关连接地端。

在一个优选例中，在低m阶的每条支路上配置所述输出电压修调单元，所述R-2R电阻性网络与所述输出电压修调单元的等效电阻为其中，Rt为修调电阻值，R_t＜＜4R，x为所有的所述修调电阻的控制开关状态，x取值范围为0,1，……，m*2^k-1。

在一个优选例中，第二译码器，配置为根据输入的数字信号控制所述m*2^k个控制开关。

在一个优选例中，所述R-2R电阻性网络的每条支路上在2R电阻与地端之间设置所述输出电压修调单元。

在一个优选例中，所述R-2R电阻性网络的仅低m阶2R电阻支路上串联所述输出电压修调单元。

相对于现有技术，本申请的数字模拟转换电路至少具有以下有益效果：

1)本申请的数模转换器可以实现不同输出共模电压的选择控制。

2)相对于传统的数模转换器，实现相同的输出电压精度，所需的数字控制位数更少。

3)相对于传统的数模转换器，所需的修调电阻阻值均相等，可大大降低电路复杂性，降低面积成本。

本申请的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本申请所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本申请上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均因视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征A+B+C，在另一个例子中公开了特征A+B+D+E，而特征C和D是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一个使用即可，不可能同时采用，特征E技术上可以与特征C相组合，则，A+B+C+D的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而A+B+C+E的方案应当视为已经被记载。

附图说明

参考以下附图描述本申请的非限制性和非穷举性实施例，其中除非另有说明，否则相同的附图标记在各个附图中指代相同的部分。

图1示出了本发明一实施例中数字模拟转换电路的框图。

图2示出了本发明一实施例中数字模拟转换电路详细的电路图。

图3示出了本发明一实施例中第一译码器的示意图。

图4示出了本发明一实施例中第二译码器的示意图。

图5示出了本发明一实施例中输出电压的仿真结果。

图6示出了本发明另一实施例中数字模拟转换电路详细的电路图。

图7示出了本发明另一实施例中数字模拟转换电路详细的电路图。

具体实施方式

现在将描述本申请的各个方面和示例。以下描述提供了用于彻底理解和实现这些示例的描述的具体细节。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有许多这些细节的情况下实践本申请。

另外，可能未详细示出或描述一些众所周知的结构或功能，以便简明扼要并避免不必要地模糊相关描述。

在下面给出的描述中使用的术语旨在以其最广泛的合理方式解释，即使它与本申请的某些特定示例的详细描述一起使用。以下甚至可以强调某些术语，然而，任何旨在以任何受限制的方式解释的术语将在本详细描述部分中明确且具体地定义。

实施例一

图1示出了本申请一实施方式中公开的数字模拟转换电路1，所述数字模拟转换电路1包括：

R-2R电阻性网络10，所述R-2R电阻性网络10被配置为连接于输出端VOUT与地端GND之间；

输出电压选择单元20，所述输出电压选择单元20被配置为连接于所述R-2R电阻性网络10的输出端与所述输出端VOUT之间；

输出电压修调单元30，所述输出电压修调单元30被配置为连接于所述R-2R电阻性网络10的至少一条支路上的2R电阻与地端GND之间。

在一个优选例中，所述输出电压选择单元20包括相互并联的2ⁿ个选择电阻，每个所述选择电阻通过一单刀双掷开关连接参考电压或地端。

在一个优选例中，所述数字模拟转换电路还包括：第一译码器，配置为根据输入的数字信号控制所述2ⁿ个单刀双掷开关。

在一个优选例中，所述数字模拟转换电路还包括：第二译码器，配置为根据输入的数字信号控制m*2^k个所述控制开关。

实施例二

图2示出了本实施方式中的数字模拟转换电路的更详细的电路图。所述输出电压选择单元20包括相互并联的2ⁿ个选择电阻，其中，n为2，即采用4个选择电阻形成2位数字信号位，选择电阻的阻值为2R，所述选择电阻依次通过单刀双掷开关L0、L1、L2、L3分别连接参考电压VREF或地端GND。

图3示出了本申请一实施方式中的第一译码器40的示意图。所述第一译码器40将输入的数字信号D0、D1、D2、D3转换为对选择单元的单刀双掷开关L0、L1、L2、L3的控制信号。若开关状态的数字信号为“1”，表示连接的选择电阻的一端接参考电压VREF，开关状态的数字信号为“0”，表示连接的选择电阻的一端接地端GND。本实施方式中，第一译码器40实现2bit数字信号控制，其对应的四种开关状态分别为：“0001”，“0011”，“0111”，“1111”。

继续参考图2所示，所述R-2R电阻性网络具有2条2R电阻支路，在2条支路上均配置所述输出电压修调单元30。电压修调单元30包括2^k-1个修调电阻，具体的，每条支路上设置3个修调电阻Rt，即每条支路上采用3个修调电阻实现2bit的数字信号控制，R-2R电阻性网络上共设置4bit的数字控制位。

图4示出了本申请一实施方式中的第二译码器50的示意图。第二译码器50将输入的数字信号D0、D1、D2、D3转换为其中一条支路上的修调单元的控制开关的控制信号，例如最低阶的一条支路上的控制开关S00、S01、S02、S03。若控制开关状态的数字信号为“1”，表示对应的控制开关闭合，若控制开关状态的数字信号为“0”，表示对应的控制开关打开。本实施方式中，第二译码器50实现2bit数字信号控制，其对应的四种开关状态分别为：“0001”，“0010”，“0100”，“1000”。可以理解的是，另一条支路上的控制开关S10、S11、S12、S13可以采用相同的数字信号进行控制。

下面对本实施方式中的数字模拟转换电路的转换过程进行进一步的描述，

首先忽略输出电压修调单元的影响，即所有的控制开关S00、S01、S02、S03、S10、S11、S12、S13闭合，修调电阻均被短路，而仅考虑输出电压选择单元对输出电压的影响。

以图2所示的数字模拟转换电路为例，输出电压VOUT往左“看到”的对地等效阻抗为一个二阶“R-2R”电阻性网络的对地等效阻抗，也即等于2R。当第一译码器输入的数字信号为“0001”时，输出电压VOUT至地端GND之间等效为4个“2R”电阻并联，输出电压VOUT至参考电压VREF之间为1个“2R”电阻，输出电压VOUT等于1/5*VREF；当第一译码器输入的数字信号为“0011”时，输出电压VOUT至地端GND之间等效为3个“2R”电阻并联，输出电压VOUT至参考电压VREF之间为2个“2R”电阻并联，输出电压VOUT等于2/5*VREF；当第一译码器输入的数字信号为“0111”时，输出电压VOUT至地端GND之间等效为2个“2R”电阻并联，输出电压VOUT至参考电压VREF之间为3个“2R”电阻并联，输出电压VOUT等于3/5*VREF；当第一译码器输入的数字信号为“0111”时，输出电压VOUT至地端GND之间等效为1个“2R”电阻，输出电压VOUT至参考电压VREF之间为4个“2R”电阻并联，输出电压VOUT等于4/5*VREF。本实施方式中，最小输出电压为最大输出电压为输出电压的间隔为

进一步的，考虑输出电压修调单元对输出电压的精确调整，每条支路上的修调单元包括四个修调电阻，即2bit数字信号位，两条支路共4bit数字信号位。4位数字信号从低位至高位中的每两位对应控制“R-2R”中从低阶至高阶每条支路中与“2R”电阻相串联的四个开关。

对于“R-2R”电阻性网络，若在较低阶(第0阶)的“2R”电阻上串联一个小的修调电阻“Rt”，从下一阶(第1阶)往回“看到”的等效电阻Req为：

化简得：

若修调电阻Rt的取值满足Rt＜＜4R，则式(2)可近似为：

从表达式(3)可以看出，若在m阶“R-2R”电阻性网络中每条“2R”电阻串联3个阻值相等的修调电阻Rt，则总的“R-2R”电阻性网络等效阻抗为：

其中，“x”对应8个数字位数的不同状态，取值为0，1，…，7。

图5示出了图2所示的数字模拟转换电路的仿真结果。图5中横坐标为时间，纵坐标为输出电压VOUT。其中，选取VREF＝5V，R＝50KΩ，Rt＝1KΩ。则，输出共模电压共有1V、2V、3V、4V四种状态，当输出共模电压为3V时，精确修调的电压间隔约为0.37mV。作为对比，若用传统的电阻串DAC实现相同的输出精度，大约需要13500个1KΩ电阻相串联。一般地，下表列出了电阻串DAC、R-2R电阻性网络DAC与本实施方式中的DAC的各电路指标的优劣对比。

	电阻串	R-2R电阻性网络	本申请
				数字位数	多	少	非常少
输出精度	低	中	高
				共模电压	0至VREF	0至VREF	可配置
线性度	非常好	中等	较差
				电阻个数	多	中	很少
面积成本	高	中	低

本申请的数模转换器可以实现不同输出共模电压的选择控制。相对于传统的数模转换器，实现相同的输出电压精度，所需的数字控制位数更少。相对于传统的数模转换器，所需的修调电阻阻值均相等，可大大降低电路复杂性，降低面积成本。

实施例三

在实施例一、实施例二的实施方式公开的多位数精确输出修调的DAC结构，其对多阶“R-2R”电阻性网络进行均进行修调电阻控制，实现输出电压修调精度和修调范围。然而，本申请的另一种实施方式还公开一种高精度输出电压修调的DAC结构，保持总的数字控制位数不变，只对“R-2R”电阻性网络进行多阶(部分支路)扩展，同样可以实现更高的输出电压修调精度。

参考图6所示，所述数字模拟转换电路包括：R-2R电阻性网络100，所述R-2R电阻性网络100被配置为连接于输出端VOUT与地端GND之间；输出电压选择单元200，所述输出电压选择单元200被配置为连接于所述R-2R电阻性网络100的输出端与所述输出端VOUT之间；输出电压修调单元300，所述输出电压修调单元300被配置为连接于所述R-2R电阻性网络100的至少一条支路上的2R电阻与地端GND之间。其中，所述R-2R电阻性网络的仅低m阶2R电阻支路上串联所述输出电压修调单元，所述R-2R电阻性网络的高于m阶的2R电阻支路上不串联所述输出电压修调单元，可在保证共模抑制比修调范围的同时，实现较高的修调精度。

例如，为了实现实施例一、实施例二中的-2R电阻性网络的6bit数字控制，可以采用不同的实施方式，例如，R-2R电阻性网络包括3条支路，每条支路上串联3个电阻，每条支路实现2bit的数字控制，共6bit数字控制；或者，R-2R电阻性网络包括3条支路，第0阶、第1阶支路上串联7个电阻，第0阶、第1阶支路实现3bit的数字控制，第2阶支路上不设置修调电阻，共6bit数字控制。

实施例四

参考7所示，本申请的一实施方式的数字模拟转换电路包括：R-2R电阻性网络100’，所述R-2R电阻性网络100’被配置为连接于输出端VOUT与地端GND之间；输出电压选择单元200’，所述输出电压选择单元200’被配置为连接于所述R-2R电阻性网络100’的输出端与所述输出端VOUT之间；输出电压修调单元300’，所述输出电压修调单元300’被配置为连接于所述R-2R电阻性网络100’的至少一条支路上的2R电阻与地端GND之间。其中，所述输出电压选择单元并联2ⁿ个选择电阻，所述选择电阻的阻值为Rx，实现n个bit的数字控制。

其中，所述数字模拟转换电路的最小输出电压为最大输出电压为输出电压的间隔为其中VREF为参考电压值，表示电阻2R与电阻并联时的电阻值，表示电阻2R与电阻并联时的电阻值。

在忽略输出电压修调单元的影响时，修调电阻均被短路，而仅考虑输出电压选择单元对输出电压的影响。输出电压VOUT往左“看到”的对地等效阻抗为一个二阶“R-2R”电阻性网络的对地等效阻抗，也即等于2R。当第一个修调电阻连接到参考电压时，输出电压VOUT至地端GND之间等效为2ⁿ-1个Rx电阻、1个2R并联，输出电压VOUT至参考电压VREF之间为1个Rx电阻，输出电压当第一个、第二个修调电阻连接到参考电压时，输出电压VOUT至地端GND之间等效为2ⁿ-2个Rx电阻、1个2R并联，输出电压VOUT至参考电压VREF之间为21个Rx电阻，输出电压当第一个、第二个、第三个修调电阻连接到参考电压时，输出电压VOUT至地端GND之间等效为2ⁿ-3个Rx电阻、1个2R并联，输出电压VOUT至参考电压VREF之间为3个Rx电阻，输出电压以此类推，当所有的2ⁿ修调电阻连接到参考电压时，输出电压VOUT至地端GND之间等效为1个2R，输出电压VOUT至参考电压VREF之间为2ⁿ个Rx电阻，输出电压

应当注意以上所描述的所有或者任一实施例可以彼此结合，除非另外声明或者此类实施例可能在功能上和/或架构上相互排斥。

需要说明的是，在本专利的申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。

在本说明书提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本申请的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，以上所述仅为本说明书的较佳实施例而已，并非用于限定本说明书的保护范围。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的保护范围之内。

在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

Claims

1.一种数字模拟转换电路，包括：

R-2R电阻性网络，被配置为连接于输出端与地端之间；

2.如权利要求1所述的数字模拟转换电路，其特征在于，所述输出电压选择单元包括相互并联的2ⁿ个选择电阻，每个所述选择电阻通过一单刀双掷开关连接参考电压或地端。

3.如权利要求2所述的数字模拟转换电路，其特征在于，所述选择电阻的阻值为2R，所述数字模拟转换电路的最小输出电压为最大输出电压为输出电压的间隔为其中VREF为参考电压值。

4.如权利要求2所述的数字模拟转换电路，其特征在于，所述选择电阻的阻值为Rx，所述数字模拟转换电路的最小输出电压为最大输出电压为输出电压的间隔为其中VREF为参考电压值。

5.如权利要求2所述的数字模拟转换电路，其特征在于，还包括：第一译码器，配置为根据输入的数字信号控制2ⁿ个所述单刀双掷开关。

6.如权利要求1所述的数字模拟转换电路，其特征在于，所述输出电压修调单元包括串联的2^k-1个修调电阻，所述修调电阻之间的节点通过一控制开关连接地端。

7.如权利要求6所述的数字模拟转换电路，其特征在于，在低m阶的每条支路上配置所述输出电压修调单元，所述R-2R电阻性网络与所述输出电压修调单元的等效电阻为其中，Rt为修调电阻值，R_t＜＜4R，x为所有的所述修调电阻的控制开关状态，x取值范围为0,1，……，m*2^k-1。

8.如权利要求6所述的数字模拟转换电路，其特征在于，还包括：第二译码器，配置为根据输入的数字信号控制所述m*2^k个控制开关。

9.如权利要求1所述的数字模拟转换电路，其特征在于，所述R-2R电阻性网络的每条支路上在2R电阻与地端之间设置所述输出电压修调单元。

10.如权利要求1所述的数字模拟转换电路，其特征在于，所述R-2R电阻性网络的仅低m阶2R电阻支路上串联所述输出电压修调单元。