CN111800140A - 一种应用于柔性材料的具有校正功能的8位数模转换器 - Google Patents

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李满鑫
魏继鹏
吴天祥
任俊彦
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Abstract

本发明属于集成电路与材料技术领域，具体为一种应用于柔性材料的具有校正功能的8位数模转换器。本发明电路结构包括偏置电路、电流源阵列以及校准电路模块。本发明中的电路使用柔性材料制作，通过加入校准电路来改善数模转换器输出结果的线性度。不同的数字输入控制开关阵列的通断，进而控制流过电阻的电流值，输出相应的模拟信号。N型晶体管用作电流源，不同的支路之间管子数目成二进制比例关系，从而输出相对应的电流。柔性材料与集成电路相结合的方式特别适用于人体可穿戴电子设备领域使用。

Description

一种应用于柔性材料的具有校正功能的8位数模转换器
技术领域
本发明属于集成电路与材料技术领域，具体地涉及一种应用于柔性材料的具有校正功能的8位数模转换器。
背景技术
随着现代信息技术的高速发展，所需处理的数据量呈爆炸性增长的趋势，大数据、物联网、智能家居、可穿戴人体健康智慧设备、人工智能等新兴技术成为研究主流。而各类的信息都是直接或间接的通过一片面积很小的芯片进行处理，我们周围环境的信息都是模拟信号，如何把模拟信号转换为数字信号进行处理，以及如何将处理后的数字结果转化为模拟结果进而反馈到周围所处的环境，这就需要模数转换器ADC（Analogto DigitalConverter）和数模转换器DAC（Digitalto Analog Converter）作为模拟域和数字域的接口的帮助。数字信号处理电路的快速发展同样对转换器电路的性能提出了更高的要求，在诸多典型应用中，比如有线或无线通信、视频信号处理、人体健康领域的数据采集等，数据转换器的速度和精度性能很大程度上决定了整个系统的性能，甚至成为瓶颈。在诸多类型的数模转换器中，电流舵型DAC的结构决定了其高速高精度且容易集成的特性。它通常由一组电流源和相应的控制开关组成，根据输入信号的变化，开关将控制输出电流的大小从而改变输出电压。
智能设备的出现改变了人们的生活和工作方式，成为不可或缺的产品，携带大量数据，然而仅能与环境进行有限的交互作用。经过多年的研究与发展，出现了可发生形变的可穿戴电子设备，它们能智能的收集数据以增强设备与环境之间的相互作用。柔性材料是一种低杨氏模量、高度可变性的材料，它的智能性可通过自身的某种性质在外界刺激下的显著变化来衡量。这种功能丰富且适用于人体的新型柔性可穿戴设备正成为目前的主流研究方向。可穿戴设备的发展最重要的功能是整合了电子电路、机械适应性和完全通信能力。
因此亟需将柔性材料与电子器件相结合，智能灵活的柔性材料电子传感器可赋予健康检测系统实时跟踪生理信号的功能，具有方便携带、远程监控和及时响应等优点，将会改变传统的诊疗方法，有可能使医疗器械领域发生革命性的变化。而随着电流舵型数模转换器精度的提高，电流源之间的误差也会更大，因此需要校准电路改善其输出模拟结果的线性度，进而提高柔性电子设备的准确性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种应用于柔性材料的具有校正功能的8位数模转换器，使其输出高线性度的模拟信号。
本发明提供的应用于柔性材料的具有校正功能的8位数模转换器，其电路结构参见图1所示，包括如下模块：偏置电路模块、电流源阵列模块以及校准电路模块，其中：
所述电流源阵列模块，包括四个NMOS晶体管M1-M4，四个控制开关SWITCH1-SWITCH4和一个电阻R1。其中，NMOS晶体管M1的源端接地电位，栅端与偏置电路相连接，漏端连接开关SWITCH1的下端；NMOS晶体管M2的源端接地电位，栅端与偏置电路相连接，漏端连接开关SWITCH2的下端；NMOS晶体管M3的源端接地电位，栅端与偏置电路相连接，漏端连接开关SWITCH3的下端；NMOS晶体管M4的源端接地电位，栅端与偏置电路相连接，漏端连接开关SWITCH4的下端；晶体管M1-M4的栅端均连接在一起。开关SWITCH1-SWITCH4的上端均连接在一起，与电阻R1的下端连接，电阻R1的上端连接电源电压VDD2。所有晶体管的衬底均接地电位。
所述偏置电路模块包括一个外灌电流源I0与一个NMOS晶体管Mb0。晶体管Mb0的源极连接地电位，漏极连接电流源I0的下端，栅极与漏极相连接，栅极同时与电流源阵列相连接；电流源I0的上端与电源电压VDD1连接。
所述校准电路包括一个NMOS晶体管Mcal1。晶体管Mcal1的源端与地电位连接，漏端为输出电压端Vout，栅端连接控制电压VCal1，改变控制电压VCal1的电位大小可改变晶体管Mcal1的导通程度，进而改变其输出电流，改变输出电压Vout的大小，起到对数模转换器的输出结果校正的作用。
优选地，本发明中，所述电流源阵列模块结构为电流舵型数模转换器，偏置电路负责为电流源阵列提供合适的偏置，校正电路负责对数模转换器的输出模拟电压进行校正，提高其输出信号的线性度。
优选地，本发明中，所述晶体管均为MOSFET，即场效应晶体管。
优选地，本发明中，所述电阻均为金属电阻。
优选地，本发明中，N型晶体管用作电流源，不同支路之间管子数目成二进制比例关系，从而输出相对应的电流。
本发明中，8位的数模转换器由两个带有校正功能的子数模转换器组成。偏置电路和数模转换核心电路的电源电压不同，分别为VDD1和VDD2，用来节省功耗。
本发明的数模转换器使用柔性材料制作，很好地适用于可穿戴设备之中。
附图说明
图1为具有校正功能的数模转换器的结构示意图。
图2为应用于柔性材料的8位具有校正功能的数模转换器详细示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
图1示出应用于柔性材料的具有校正功能的8位数模转换器的结构示意图。
如图1所示，该电路包括两个子数模转换器，每个数模转换器分别由偏置电路模块、电流源阵列模块以及校准电路模块三个部分组成。
图2示出8位数模转换器的详细结构图。
如图2所示，子数模转换器1的电流源阵列模块，包括四个NMOS晶体管M1-M4，四个控制开关SWITCH1-SWITCH4和一个电阻R1。其中，NMOS晶体管M1的源端接地电位，栅端与偏置电路相连接，漏端连接开关SWITCH1的下端；NMOS晶体管M2的源端接地电位，栅端与偏置电路相连接，漏端连接开关SWITCH2的下端；NMOS晶体管M3的源端接地电位，栅端与偏置电路相连接，漏端连接开关SWITCH3的下端；NMOS晶体管M4的源端接地电位，栅端与偏置电路相连接，漏端连接开关SWITCH4的下端；晶体管M1-M4的栅端均连接在一起。开关SWITCH1-SWITCH4的上端均连接在一起，与电阻R1的下端连接，电阻R1的上端连接电源电压VDD2。所有晶体管的衬底均接地电位。偏置电路模块包括一个外灌电流源I0与一个NMOS晶体管Mb0。晶体管Mb0的源极连接地电位，漏极连接电流源I0的下端，栅极与漏极相连接，栅极同时与电流源阵列相连接；电流源I0的上端与电源电压VDD1连接。校准电路包括一个NMOS晶体管Mcal1。晶体管Mcal1的源端与地电位连接，漏端为输出电压端Vout，栅端连接控制电压VCal1。
子数模转换器2的电流源阵列模块，包括四个NMOS晶体管M5-M8，四个控制开关SWITCH5-SWITCH8和一个电阻R2。其中，NMOS晶体管M5的源端接地电位，栅端与偏置电路相连接，漏端连接开关SWITCH5的下端；NMOS晶体管M6的源端接地电位，栅端与偏置电路相连接，漏端连接开关SWITCH6的下端；NMOS晶体管M7的源端接地电位，栅端与偏置电路相连接，漏端连接开关SWITCH7的下端；NMOS晶体管M8的源端接地电位，栅端与偏置电路相连接，漏端连接开关SWITCH8的下端；晶体管M5-M8的栅端均连接在一起。开关SWITCH5-SWITCH8的上端均连接在一起，与电阻R2的下端连接，电阻R2的上端连接电源电压VDD2。所有晶体管的衬底均接地电位。偏置电路模块包括一个外灌电流源与一个NMOS晶体管Mb1。晶体管Mb1的源极连接地电位，漏极连接电流源I1的下端，栅极与漏极相连接，栅极同时与电流源阵列相连接；电流源I1的上端与电源电压VDD1连接。校准电路包括一个NMOS晶体管Mcal2。晶体管Mcal2的源端与地电位连接，漏断为输出电压端Vout，栅端连接控制电压VCal2。
特别地，数模转换器中地电流源阵列的晶体管在版图上应做好匹配。
应当说明的是，在本文中，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。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.一种应用于柔性材料的具有校正功能的8位数模转换器，其特征在于，电路结构包括如下模块：偏置电路模块、电流源阵列模块以及校准电路模块，其中：
所述电流源阵列模块，包括四个NMOS晶体管M1-M4，四个控制开关SWITCH1-SWITCH4和一个电阻R1；其中，NMOS晶体管M1的源端接地电位，栅端与偏置电路相连接，漏端连接开关SWITCH1的下端；NMOS晶体管M2的源端接地电位，栅端与偏置电路相连接，漏端连接开关SWITCH2的下端；NMOS晶体管M3的源端接地电位，栅端与偏置电路相连接，漏端连接开关SWITCH3的下端；NMOS晶体管M4的源端接地电位，栅端与偏置电路相连接，漏端连接开关SWITCH4的下端；晶体管M1-M4的栅端均连接在一起；开关SWITCH1-SWITCH4的上端均连接在一起，与电阻R1的下端连接，电阻R1的上端连接电源电压VDD2；所有晶体管的衬底均接地电位；
所述偏置电路模块包括一个电流源I0与一个NMOS晶体管Mb0；晶体管Mb0的源极连接地电位，漏极连接电流源I0的下端，栅极与漏极相连接，栅极同时与电流源阵列相连接；电流源I0的上端与电源电压VDD1连接；
所述校准电路包括一个NMOS晶体管Mcal1；晶体管Mcal1的源端与地电位连接，漏端为输出电压端Vout，栅端连接控制电压VCal1，改变控制电压VCal1的电位大小可改变晶体管Mcal1的导通程度，进而改变其输出电流，改变输出电压Vout的大小，起到对数模转换器的输出结果校正的作用。
2.根据权利要求1所述的应用于柔性材料的具有校正功能的8位数模转换器，其特征在于，所述晶体管均为MOSFET，即场效应晶体管。
3.根据权利要求1所述的应用于柔性材料的具有校正功能的8位数模转换器，其特征在于，所述电阻均为金属电阻。
4.根据权利要求1所述的应用于柔性材料的具有校正功能的8位数模转换器，其特征在于，所述电流源均为外灌电流源。
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