CN112511168A - 一种基于电流镜的数模转换器 - Google Patents

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CN112511168A CN202011430633.8A CN202011430633A CN112511168A CN 112511168 A CN112511168 A CN 112511168A CN 202011430633 A CN202011430633 A CN 202011430633A CN 112511168 A CN112511168 A CN 112511168A
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康凯
曾幸
吴韵秋
赵晨曦
刘辉华
余益明
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Abstract

本发明属于无线通信技术，提供一种基于电流镜的数模转换器，用以克服传统电荷比例数模转换器存在的占用面积大、集成度低、数据转换精度低及转换速度慢等问题。本发明主要包括共源共栅电流镜阵列和开关管阵列；基于共源共栅电流镜作为基础实现复制基准电流，只需设置共源共栅电流镜阵列中各个复制管与基准管的不同倍数的栅宽/栅长的比值，匹配控制位数字信号控制下开关管阵列中各个开关管的开合，复制得到不同倍数的电流，该电流通过负载电阻得到输出电压，即实现数字信号到模拟信号的数据转换，其数据转换速度快、转换精度高；并且，本发明全部由晶体管构成，占用面积小、集成度高、稳定性高。

Description

一种基于电流镜的数模转换器
技术领域
本发明属于无线通信技术，涉及数模转换器(DAC)，具体提供一种基于电流镜的数模转换器。
背景技术
随着无线技术的高速发展和应用场景的扩大，加上集成电路产业工艺的巨大提升，收发模块的小型集成化已成为趋势，对高性能集成芯片的研究与开发已成为学术界与工业界的热点。在现代先进的各种电子系统中都要用到模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)来改善数字处理技术，特别是诸如雷达、声呐、高分辨率视频和图像显示，所以集成的DAC具有广大的应用场景。
为了实现数字信号向模拟信号的转换，研究者提出了许多不同的电路结构；采用CMOS工艺实现DAC时，十分常见的的一种架构为电荷比例DAC，其电路结构如图1所示；一个并联的二进制权重电容阵列与运算放大器相连，电容阵列的总电容为2NC，C为单位电容值、可以取任意值；工作时先将电容放电实现初始化，然后由数字信号控制电容接VREF或地，输出电压VOUT为电容间分压的函数。电容阵列的总电容为2NC，若数字信号最高控制位为1、其他位为0，则最高位的电容和其他阵列中的电容出现分压，模拟输出电压VOUT为：
Figure BDA0002820462570000011
这个等式说明了最高位对DAC输出的改变量为1/2VREF；
所以各个电容贡献的输出电压VOUT与VREF的比值可以归纳为：
Figure BDA0002820462570000012
在上述所提到的传统电荷比例DAC中，利用电容分压能够实现数字信号转换成模拟信号，但是，该结构依然存在诸多问题：1)此结构中电容阵列中对容值比例关系要求精确、对电容容值精度要求高；2)并且当位数很高时，最高位和最低位的电容比例大，容值相差大，会占用比较大的面积，不利于集成；3)此结构中用到的运算放大器和开关会引入许多寄生电容，使得该结构不能用于高精度数据转换；4)电容的充电和放电会减慢器件的转换速度。
发明内容
本发明的目的在于针对上述传统电荷比例数模转换器存在的占用面积大、集成度低、数据转换精度低及转换速度慢等问题，提供一种基于电流镜的数模转换器；本发明的数模转换器结构利用电流镜对基准电流进行一定比例的复制，采用MOS管作为开关管，控制调整不同的比例，实现高精度的数据转换，具有转换速度快、占用面积小、集成度高及可靠性高的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于电流镜的数模转换器，包括：基准电流源IC、基准管MREF、基准管M′REF、复制管M0～MN-1、复制管M′0～M′N-1、开关管Q0～QN-1以及负载电阻R；其特征在于，
所述基准管MREF的栅极与漏极相连、并连接基准电流源IC，基准电流源IC的另一端接供电电源VDD，基准管M′REF的栅极与漏极相连、并连接基准管MREF的源极，基准管M′REF的源极接地；复制管Mn的栅极与基准管MREF的栅极相连，复制管Mn的源极与复制管M′n的漏极相连，复制管M′n的栅极与基准管M′REF的栅极相连，复制管M′n的源极接地；
所述开关管Qn的栅极连接控制位数字信号Dn，开关管Qn的漏极连接负载电阻R，负载电阻R的另一端接供电电源VDD，负载电阻R两端的电压为输出电压VOUT；
n＝0,1,2,...,N-1。
进一步的，所述输出电压VOUT为：
Figure BDA0002820462570000021
其中，R为负载电阻的阻值，IC为基准电流，(W/L)REF表示基准管M′REF的栅极宽度和栅极长度的比值，(W/L)n表示复制管M′n的栅极宽度和栅极长度的比值，Dn为控制位数字信号，n＝0,1,2,...,N-1。
进一步的，所述基准管、复制管、开关管均采用NMOS晶体管。
进一步的，所述基准管MREF与基准管M′REF采用相同尺寸大小，所述复制管Mn与复制管M′n采用相同尺寸大小。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于电流镜的数模转换器，采用共源共栅电流镜作为基础，设计得到全新的数模转换器结构，主要包括共源共栅电流镜阵列和开关管阵列；相较于传统结构的电荷比例数模转换器，本发明数模转换器全部由NMOS管组成，由于MOS管在版图上占用面积小，所以本发明数模转换器占用面积小、且集成度高；同时，基于能够抑制沟道长度调制效应的共源共栅电流镜作为基础实现复制基准电流，只需设置共源共栅电流镜阵列中各个复制管与基准管的不同倍数的NMOS管的栅宽/栅长的比值，匹配控制位数字信号控制下开关管阵列中各个开关管的开合，则能够复制得到不同倍数的电流，该电流通过负载电阻得到输出电压，即实现数字信号到模拟信号的数据转换，其数据转换速度快、转换精度高；另外，所述共源共栅电流镜结构能够保证数模转换器实现精准控制不受工艺和温度的影响，保证了器件的高稳定性性。
综上所述，本发明提供一种基于电流镜的数模转换器，能够实现高精度的数字信号到模拟信号的数据转换，且具有转换速度快、占用面积小、集成度高及可靠性高的优点。
附图说明
图1为传统电荷比例数模转换器的电路原理图。
图2为本发明的基于电流镜的数模转换器的电路原理图。
图3为基本电流镜的电路原理图。
图4为共源共栅电流镜的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种基于电流镜的数模转换器(DAC)，其电路原理图如图2所示；其核心在于采用能够抑制沟道长度调制效应的共源共栅电流镜，此结构有利于减少器件占用面积，并且能够实现精准控制不受工艺和温度的影响。
更为具体的说明，所述基于电流镜的数模转换器(DAC)主要由共源共栅电流镜阵列和开关管阵列两部分组成；其中，
所述为共源共栅电流镜阵列由基准电流源IC、基准管MREF、基准管M′REF、复制管M0～MN-1以及复制管M′0～M′N-1构成的共源共栅电流镜，用以复制和放大基准电流源IC，复制的比例由基准管和复制管的尺寸决定；其中，基准管MREF的栅极与漏极相连、并连接基准电流源IC，基准电流源IC的另一端接供电电源VDD，基准管M′REF的栅极与漏极相连、并连接基准管MREF的源极，基准管M′REF的源极接地；复制管Mn的栅极与基准管MREF的栅极相连，复制管Mn的源极与复制管M′n的漏极相连，复制管M′n的栅极与基准管M′REF的栅极相连，复制管M′n的源极接地，n＝0,1,2,...,N-1；
所述开关管阵列由开关管Q0～QN-1和负载电阻R，开关管Qn的源极与复制管Mn的漏极相连，开关管Qn的栅极连接数字信号Dn，开关管Qn的漏极连接负载电阻R，负载电阻R的另一端接供电电源VDD，负载电阻R两端的电压即为输出电压VOUT，n＝0,1,2,...,N-1；当数字信号1、0(高、低电平)加到开关管(NMOS管)上时，高电平为打开管子：Dn＝1、低电平为关闭管子：Dn＝0，打开管子那一路的电流就会通过负载电阻R，不同的开关管打开就会有不同的电流通过电阻，进而得到不同的输出电压VOUT，即实现了数字信号到模拟信号的转换；
本实施例中，上述基准管、复制管、开关管均采用NMOS晶体管。
从工作原理上讲：
(1)基本电流镜
在模拟电路中，电流镜有着广泛的应用，如图3所示为基本电流镜的结构，M1和M2组成的结构就叫做一个电流镜；一般情况下器件不需要是相同的。
忽略沟道长度调制，因为M1和M2工作在饱和区，且VGS1＝VDS1＝VGS2，可以得到：
Figure BDA0002820462570000041
Figure BDA0002820462570000042
其中，VGS1表示M1的栅源电压，VDS1示M1的漏源电压，VGS2表示M2的栅源电压，VTH表示M1和M2的阈值电压；un表示电子迁移率，Cox表示单位面积的栅氧化层电容，都与制作工艺有关；(W/L)1表示M1的管子栅极宽度和栅极长度的比值、W表示晶体管的栅极宽度、L表示晶体管的栅极长度，(W/L)2表示M2的管子宽长比；
由上面的式子，得出：
Figure BDA0002820462570000051
由此可见，只要设置成比例的管子宽长比，就能精准的复制电流而不受工艺和温度的影响。
(2)共源共栅电流镜
在上述基本电流镜中，忽略了沟道长度调制；而在实际中，这一效应使得镜像的电流产生了极大的误差，尤其当使用最小长度晶体管以便通过减小宽度来减小电流源输出电容时。
对于如图3所示的基本镜像，若不忽略沟道长度调制的影响，可以写出：
Figure BDA0002820462570000052
Figure BDA0002820462570000053
从图3中可以得到VGS1＝VGS2进而得到：
Figure BDA0002820462570000054
其中，ID1表示M1的漏极电流，ID2表示M2的漏极电流；λ表示M1和M2的沟道长度调制系数；
虽然VGS1＝VDS1＝VGS2，但由于M2输出端负载(电流基准源)的影响，VDS2可能不等于VGS2；从而导致电流复制比例不准；
为了抑制沟道长度调制的影响，可以使用共源共栅电流镜，电路结构如图4所示，使得M1和M2构成电流镜，从而使得底部晶体管M1和M2不会受P点的电压VP变化的影响；该结构中，Iout由M1和M2的栅源电压决定，改变M3和M4的大小只能改变M1和M2的漏源电压，影响其漏级电流的匹配。
通常，为了版图的对称与整齐性，把M1和M3、M2和M4设置成同等尺寸大小，即(W/L)1＝(W/L)3，(W/L)2＝(W/L)4；所以可以得到：
Figure BDA0002820462570000061
(3)输出电压
基于上述共源共栅电流镜原理，本发明提出一种基于电流镜的数模转换器，如图2所示，其输出电压VOUT为：
Figure BDA0002820462570000062
其中，R为电阻的阻值，IC为提供的基准电流源，W/L为管子的栅极宽度和栅极长度的比值，Dn为控制位数字信号、n＝0,1,2,...,N-1；
由此可见，本发明基于共源共栅电流镜原理，设计得到全新的数模转换器，能够实现高精度的数字信号到模拟信号的数据转换，且具有转换速度快、面积小、集成度高及可靠性高的优点。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种基于电流镜的数模转换器，包括：基准电流源IC、基准管MREF、基准管M′REF、复制管M0～MN-1、复制管M′0～M′N-1、开关管Q0～QN-1以及负载电阻R；其特征在于，
所述基准管MREF的栅极与漏极相连、并连接基准电流源IC，基准电流源IC的另一端接供电电源VDD，基准管M′REF的栅极与漏极相连、并连接基准管MREF的源极，基准管M′REF的源极接地；复制管Mn的栅极与基准管MREF的栅极相连，复制管Mn的源极与复制管M′n的漏极相连，复制管M′n的栅极与基准管M′REF的栅极相连，复制管M′n的源极接地；
所述开关管Qn的栅极连接控制位数字信号Dn，开关管Qn的漏极连接负载电阻R，负载电阻R的另一端接供电电源VDD，负载电阻R两端的电压为输出电压VOUT；
n＝0,1,2,...,N-1。
2.按权利要求1所述基于电流镜的数模转换器，其特征在于，所述输出电压VOUT为：
Figure FDA0002820462560000011
其中，R为负载电阻的阻值，IC为基准电流，(W/L)REF表示基准管M′REF的栅极宽度和栅极长度的比值，(W/L)n表示复制管M′n的栅极宽度和栅极长度的比值，Dn为控制位数字信号，n＝0,1,2,...,N-1。
3.按权利要求1所述基于电流镜的数模转换器，其特征在于，所述基准管、复制管、开关管均采用NMOS晶体管。
4.按权利要求1所述基于电流镜的数模转换器，其特征在于，所述基准管MREF与基准管M′REF采用相同尺寸大小，所述复制管Mn与复制管M′n采用相同尺寸大小。
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