CN111193512B - 一种数模转换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种数模转换电路，该电路包括：运算放大模组，转换模组；运算放大模组中的运算放大器，通过与输出晶体管连接，形成负反馈电路，得到相等的正端和负端电压，以及与流入正端的正端电流成比例的、流入负端的负端电流；转换模组的输入端与运算放大模组的第一电阻并联，得到与所述运算放大模组的所述第一电阻相同的电压，以及与负端电流、正端电流成比例的模拟电流；输出端还与输出晶体管的源极相连接，用于接收所述模拟电流，并将模拟电流经输出晶体管的漏极流出至输出电阻，得到与正端电流成比例的输出电流。如此，使得数模转换电路输出到输出电阻上的输出电流Iout与流入运算放大器正端的电流成比例关系。

Description

一种数模转换电路
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种数模转换电路。
背景技术
随着半导体技术的发展，数模转换电路(DAC)广泛用于消费类电子产品，其中，电流镜结构的数模转换电路以转换速度快、匹配精度高等特点得到广泛应用。然而，由于工艺进步，芯片的电源电压越来越低，导致电流镜上能够消耗的电压也越来越低，这样势必会影响数模转换电路输出电流的精度。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种数模转换电路，通过本申请的电路，使得数模转换电路输出电流的精度得到保证。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种数模转换电路，所述电路包括：运算放大模组，转换模组；
所述运算放大模组，包括运算放大器，输出晶体管，第一电阻；
所述运算放大器，输出端连接于所述输出晶体管的栅极，负端连接于所述输出晶体管的源极，基于输出晶体管源极提供的电压补充负端电压，得到相等的正端和负端电压，以及与流入正端的正端电流成比例的、流入负端的负端电流；
所述转换模组，用于将数字量转换为模拟电流；输入端与所述运算放大模组的所述第一电阻的第一端相连接，输出端与所述运算放大模组的所述第一电阻的第二端以及所述运算放大器的负端相连接，得到与所述运算放大模组的所述第一电阻相同的电压，以及与所述负端电流、正端电流成比例的所述模拟电流；所述输出端还与所述输出晶体管的源极相连接，用于接收所述模拟电流，并将所述模拟电流经所述输出晶体管的漏极流出至输出电阻，得到与所述正端电流成比例的输出电流。
在上述方案中，所述运算放大模组还包括第二电阻；所述第二电阻，第一端与所述运算放大模组的所述第一电阻的第一端相连接，第二端与所述运算放大器的正端相连接。
在上述方案中，所述电路还包括：参考电流模组；
所述参考电流模组，包括参考电阻，参考晶体管以及参考电流源；用于为所述运算放大模组的所述第二电阻提供所述正端电流。
在上述方案中，所述参考电流模组的所述参考电阻，第一端与所述运算放大模组的第二电阻的第一端相连接，第二端与所述参考晶体管的源极相连接。
在上述方案中，所述参考电流模组的所述参考晶体管，漏极与所述参考电流源相连接。
在上述方案中，所述运算放大器，由晶体管组成；所述正端与负端对应的所述晶体管与参考电流模组中的参考晶体管形成电流镜。
在上述方案中，所述参考电流模组，还用于为所述运算放大器中所述晶体管提供偏置电压。
在上述方案中，所述转换模组，包括多条支路；每一条所述支路包括一个电阻和一个开关；每一条所述支路的所述电阻的第一端连接于所述输入端，所述电阻的第二端连接于所述开关的第一端，所述开关的第二端连接于所述输出端。
在上述方案中，所述转换模组的输入端、所述第一电阻的第一端、所述第二电阻的第一端均与电源连接。
在上述方案中，所述参考电流模组的所述参考电阻，所述第一端还与所述电源相连接。
本发明实施例提供的一种数模转换电路，通过将运算放大器的输出端与输出晶体管的栅极相连接，运算放大器的负端与输出晶体管的源极相连接，形成负反馈电路，使得运算放大器的正负端电压相等，进一步保证正负端的电流成比例，而转换模组的输出端与第一电阻并联，使得转换模组上的电流成比例，
附图说明
图1为现有的电流镜结构的数模转换电路的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种数模转换电路的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种数模转换电路的结构框图；
图4为本发明实施例提供的另一种数模转换电路的结构示意图。
具体实施方式
现有的电流镜结构的数模转换电路如图1所示，图1中所有的晶体管均为PMOS管。其中，M1、Mc1、S1组成的支路看做第一支路，M2、Mc2、S2组成的支路看做第二支路，。。。，Mn、Mcn、Sn组成的支路看做第n支路，这些支路共同构成了数模转换电路部分。左侧参考电流源Iref为参考电流支路，Mr为电流镜参考管，M1、M2…Mn为镜像管；Mcr、Mc1、Mc2…Mcn为cascode管，cascode管的作用是保证镜像管和参考管Vds相同，增加镜像管与电流镜参考管的匹配精度。
然而，随着工艺的进步，芯片上的电源电压越来越低，但是各晶体管正常工作时消耗的电压是固定的，如图1中，一条支路上电流镜输出管上消耗的电压headroom为2*Vdsat+Vth。若PMOS管阈值电压为0.7v，PMOS管的VGS的导通电压为0.2v，则该结构电流镜数模转换电路上headroom为1.1v，再加上工艺角(corner)和温度变化，若此时芯片上提供的电源电压为2.5v，则分给输出电阻RL上的电压为1.4v，无法保证输出电阻RL上输出电流的精度。
基于上述问题，本发明实施例提供了一种数模转换电路，如图2所示，图2为本发明实施例提供的一种数模转换电路的示意图。
一种数模转换电路，所述电路包括：运算放大模组OP，转换模组DAC；所述运算放大模组OP，包括运算放大器opamp，输出晶体管Mp，第一电阻R10。
如图3中所示的本发明实施例提供的一种数模转换电路的结构框图，该数模转换电路包括运算放大模组OP和转换模组DAC。
所述运算放大器opamp，输出端连接于所述输出晶体管Mp的栅极，负端连接于所述输出晶体管Mp的源极，基于输出晶体管Mp源极提供的电压补充负端电压，得到相等的正端和负端电压，以及与流入正端的正端电流成比例的、流入负端的负端电流。
所述转换模组DAC，用于将数字量转换为模拟电流；输入端与所述运算放大模组OP的所述第一电阻R10的第一端相连接，输出端与所述运算放大模组OP的所述第一电阻R10的第二端以及所述运算放大器opamp的负端相连接，得到与所述运算放大模组OP的所述第一电阻R10相同的电压，以及与所述负端电流、正端电流成比例的所述模拟电流；所述输出端还与所述输出晶体管Mp的源极相连接，用于接收所述模拟电流，并将所述模拟电流经所述输出晶体管Mp的漏极流出至输出电阻RL，得到与所述正端电流成比例的输出电流Iout。
图2中，电路包括转换模组DAC和运算放大模组，其中，运算放大模组OP包括运算放大器opamp，输出晶体管Mp，第一电阻R10。本发明实施例中的输出晶体管Mp为PMOS管。第一电阻R10第一端与转换模组DAC的输入端相连接，第一电阻R10第二端与运算放大器opamp的负端相连接，还与转换模组DAC的输出端相连接；运算放大器opamp的输出端接输出晶体管Mp的栅极，输出晶体管Mp的源极接运算放大器opamp的负端，形成负反馈电路，通过输出晶体管Mp的源极提供的电压补充到运算放大器opamp的负端，使得运算放大器opamp正端和负端的电压值是相等的，此时能保证流入运算放大器opamp负端的负端电流与流入运算放大器opamp正端的正端电流成比例。
所述运算放大模组OP还包括第二电阻R20；所述第二电阻R20，第一端与所述运算放大模组OP的所述第一电阻R10的第一端相连接，第二端与所述运算放大器opamp的正端相连接。
图2中，按照上述连接方式，运算放大模组OP的第一电阻R10与第二电阻R20并联，从而使得第一电阻R10与第二电阻R20上的电压值是相等的，进一步保证第一电阻R10上的电流与第二电阻R20上的电流成比例。由于第一电阻上R10的电流会流入运算放大器opamp负端，第二电阻R20上的电流会流入运算放大器opamp正端，则进一步保证了流入运算放大器opamp负端的负端电流与流入运算放大器opamp正端的正端电流成比例。
进一步地，图2中转换模组DAC用于将数字量转换为模拟电流；其输入端与第一电阻R10的第一端相连接，输出端与第一电阻R10的第二端以及运算放大器opamp的负端相连接，也就是说，第一电阻R10的第二端也与运算放大器opamp的负端相连接。此时转换模组DAC上的电压与第一电阻R10上电压是相等的，则整体从转换模组DAC上转换得到的模拟电流与第一电阻R10上的电流成比例关系，可以理解为，转换模组DAC上流出的模拟电流与流入运算放大器opamp负端的负端电流成比例。由于运算放大器opamp的负反馈电路使得流入运算放大器opamp的负端电流与正端电流成比例，从而使得转换模组DAC上流出的模拟电流也能与运算放大器opamp的正端电流成比例。
由于转换模组DAC输出端还与输出晶体管Mp的源极相连接，则转换模组DAC输出的模拟电流将从输出晶体管Mp的源极流入，从输出晶体管Mp的漏极流出至输出电阻RL上，流出的电流为输出电流Iout，由于该输出电流Iout与模拟电流相等，因此，该输出电流Iout也与正端电流成比例。
本发明实施例通过将运算放大器opamp与输出晶体管Mp形成负反馈电路，使得运算放大器opamp两端的电压相等，而第一电阻R10与转换模组DAC形成并联电路，且第一电阻R10的第二端以及转换模组DAC的输出端连接于运算放大器opamp的负端，使得经转换模组DAC转换得到的模拟电流与第一电阻R10上的电流成比例，鉴于第一电阻R10上的电流最终会流入运算放大器opamp负端，因此，模拟电流与流入运算放大器opamp负端的电流成比例；又由于流入运算放大器opamp负端的负端电流与流入运算放大器opamp正端的正端电流成比例，从而使得该经转换模组DAC转换得到的模拟电流与流入运算放大器opamp正端的正端电流成比例；最终使得输出电流Iout的精度得到保证。
所述数模转换电路还包括：参考电流模组REF；所述参考电流模组REF，包括参考电阻R0，参考晶体管Mp0以及参考电流源Iref；用于为所述运算放大模组OP的所述第二电阻R20提供所述正端电流。
所述参考电流模组REF的所述参考电阻R0，第一端与所述运算放大模组REF的第二电阻R20的第一端相连接，第二端与所述参考晶体管Mp0的源极相连接。
所述参考电流模组REF的所述参考晶体管Mp0，漏极与所述参考电流源Iref相连接，具体参加图4。
所述运算放大器opamp，由晶体管组成；所述正端和负端对应的所述晶体管与参考电流模组REF中的参考晶体管Mp0形成电流镜。
如图4所示，该结构示意图中运算放大器opamp相较于图2有具体的晶体管结构。该实施例中，运算放大器opamp正端的内部电路为PMOS管Mp1和NMOS管Mn1，运算放大器opamp负端的内部电路为PMOS管Mp2和NMOS管Mn2。其中，为确保运算放大器opamp内环路稳定，设置电容C为环路提供补偿。Mp1和Mp2分别相当于运算放大器opamp的正端和负端，第一电阻R10的第二端连接于Mp2的源极，记Mp2的源极处的电压为Vn，第二电阻R20的第二端连接于Mp1的源极，记Mp2的源极处的电压为Vp。Mp1和Mp2以及参考晶体管Mp0的栅极相连接，参考晶体管Mp0的栅极还与其漏极相连接，Mp1漏极还与输出晶体管Mp的栅极以及Mn1漏极相连接，Mp2漏极与Mn2漏极相连接，Mn1栅极与Mn2栅极相连接，Mn2漏极还与Mn2栅极相连接。本发明实施例中运算放大器opamp中的电路包括但不限于图4中所示的晶体管种类及其连接方式；同时，当运算放大器opamp中电路和晶体管种类发生改变时，参考电流模组REF中的参考晶体管Mp0也可做适应性改变，以保证运算放大器opamp正端和负端对应的所述晶体管与参考电流模组REF中的参考晶体管Mp0形成电流镜的结构。
图4中左侧的参考电流模组REF中参考晶体管Mp0与运算放大器opamp中的Mp1以及Mp2均形成电流镜，使得Mp1所在支路中的电流以及Mp2所在支路的电流均与参考电流模组REF中参考电流源Iref提供的电流成比例，此时Mp1所在支路中的电流相当于是流入运算放大器opamp正端的正端电流。当Mp1与Mp0尺寸一样，且R0等于R20时，流入运算放大器opamp正端的正端电流等于参考电流源Iref提供的电流相等。
当运算放大器opamp中Mp1漏极与输出晶体管Mp栅极相连接，且输出晶体管Mp源极又与Mp2源极相连接时，负反馈电路使得Vp和Vn相等；由于第一电阻R10第一端和第二电阻R20的第一端相连接，使得第一电阻R10上的电流是与第二电阻R20上的电流成比例关系的。当R10与R20相等时，第一电阻R10上的电流与第二电阻R20上的电流相等。
所述参考电流模组REF，还用于为所述运算放大器opamp中所述晶体管提供偏置电压。
具体的，如图4所示，参考电流源Iref通过参考晶体管Mp0和参考电阻R0为运算放大器opamp的晶体管Mp1和Mp2提供偏置电压，使得所述晶体管Mp1和Mp2能够正常工作。
所述转换模组DAC，包括多条支路；每一条所述支路包括一个电阻和一个开关；每一条所述支路的所述电阻的第一端连接于所述输入端，所述电阻的第二端连接于所述开关的第一端，所述开关的第二端连接于所述输出端。
如图2以及图4中所示，转换模组DAC包括N条支路，N为大于等于2的正整数，示例性的，第一条支路有电阻R1和开关S1，第二支路上有电阻R2和开关S2，……第N条支路上有电阻Rn和开关Sn。其中，R1、R2、……Rn的第一端均连接于转换模组DAC的输入端，R1、R2、……Rn的第二端均连接于开关S1、S2、……Sn的第一端，而S1、S2、……Sn的第二端均连接于转换模组DAC的输出端。
本发明实施例以电阻和开关的转换电路形式代替了图1中晶体管式的转换模组DAC，本领域技术人员可以根据芯片内部设置的参考电流模组REF中参考电流源Iref的大小来设置转换模组DAC中各电阻的大小，从而保证在满足转换模组DAC上只消耗很小电压。示例性的，数模转换电路中参考电流源Iref提供1A的电流，本领域技术人员可以在制造芯片时设置转换模组DAC中各电阻的大小，以此控制转换模组DAC整体表现出的最大电压为0.2v，这样，即使芯片的电源电压越来越低，比如电源电压为1.5v，减去输出晶体管Mp正常工作时消耗的0.2v电压，输出电阻RL上的电压仍然有1.1v，由于输出电阻RL上的电压够用，因此，基于运算放大模组OP以及参考电流模组REF的电路连接方式，本发明实施例最后从输出电阻RL上输出的输出电流Iout是能够与参考电流模组REF中参考电流源Iref提供的电流成比例，从而达到控制数模转换电路中输出电流精度的目的。
此外，如图2和图4所示，所述转换模组的输入端、所述第一电阻R10的第一端、所述第二电阻R20的第一端均与电源连接。
图4中，所述参考电流模组REF的所述参考电阻R0，所述第一端还与所述电源相连接。
本发明实施例将现有的由晶体管构成的电流镜数模转换电路中的数模转换部分换成由电阻构成的数模转换部分，避免了采用现有技术时若要满足晶体管正常工作，则数模转换部分必须消耗较高的电压，从而导致分给输出电阻上的电压过小的问题；而采用本申请的电阻构成数模转换部分的结构，使得本领域技术人员可以根据参考电流源提供电流的大小，在保证输出电阻上电压值的情况下，设置合适的电阻大小，从而使得数模转换部分消耗较小的电压。再配合使用本发明实施例提供的数模转换电路，最终使得输出电阻上的输出电流的精度得到保证。
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。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种数模转换电路，其特征在于，所述电路包括：运算放大模组，转换模组；
所述运算放大模组，包括运算放大器，输出晶体管，第一电阻；
所述运算放大器，输出端连接于所述输出晶体管的栅极，负端连接于所述输出晶体管的源极，基于输出晶体管源极提供的电压补充负端电压，得到相等的正端和负端电压，以及与流入正端的正端电流成比例的、流入负端的负端电流；
所述转换模组，用于将数字量转换为模拟电流；输入端与所述运算放大模组的所述第一电阻的第一端相连接，输出端与所述运算放大模组的所述第一电阻的第二端以及所述运算放大器的负端相连接，得到与所述运算放大模组的所述第一电阻相同的电压，以及与所述负端电流、正端电流成比例的所述模拟电流；所述输出端还与所述输出晶体管的源极相连接，用于接收所述模拟电流，并将所述模拟电流经所述输出晶体管的漏极流出至输出电阻，得到与所述正端电流成比例的输出电流。
2.根据权利要求1中所述的数模转换电路，其特征在于，所述运算放大模组还包括第二电阻；所述第二电阻，第一端与所述运算放大模组的所述第一电阻的第一端相连接，第二端与所述运算放大器的正端相连接。
3.根据权利要求2中所述的数模转换电路，其特征在于，所述电路还包括：参考电流模组；
所述参考电流模组，包括参考电阻，参考晶体管以及参考电流源；用于为所述运算放大模组的所述第二电阻提供所述正端电流。
4.根据权利要求3中所述的数模转换电路，其特征在于，
所述参考电流模组的所述参考电阻，第一端与所述运算放大模组的第二电阻的第一端相连接，第二端与所述参考晶体管的源极相连接。
5.根据权利要求3中所述的数模转换电路，其特征在于，
所述参考电流模组的所述参考晶体管，漏极与所述参考电流源相连接。
6.根据权利要求3中所述的数模转换电路，其特征在于，
所述运算放大器，由晶体管组成；所述正端和负端对应的所述晶体管与参考电流模组中的参考晶体管形成电流镜。
7.根据权利要求6中所述的数模转换电路，其特征在于，
所述参考电流模组，还用于为所述运算放大器中所述晶体管提供偏置电压。
8.根据权利要求1中所述的数模转换电路，其特征在于，
所述转换模组，包括多条支路；每一条所述支路包括一个电阻和一个开关；每一条所述支路的所述电阻的第一端连接于所述输入端，所述电阻的第二端连接于所述开关的第一端，所述开关的第二端连接于所述输出端。
9.根据权利要求3中所述的数模转换电路，其特征在于，
所述转换模组的输入端、所述第一电阻的第一端、所述第二电阻的第一端均与电源连接。
10.根据权利要求9中所述的数模转换电路，其特征在于，
所述参考电流模组的所述参考电阻，所述第一端还与所述电源相连接。
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