CN112886964A - 应用于高速高精度电流舵dac的数字前台校准电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于高速高精度电流舵DAC的数字前台校准电路及方法，属于集成电路领域。将MID单位电流源的电流校准到与MID基准电流源相同，在完成所有MID单位电流源的校准后，将所有MID单位电流源与MID基准电流源之和作为MSB电流基准，对MSB单位电流源逐个进行校准，从而分别保证MSB单位电流源的匹配性、MID单位电流源的匹配性及MSB单位电流源与MID单位电流源的比例。

Description

应用于高速高精度电流舵DAC的数字前台校准电路及方法

技术领域

本发明涉及集成电路设计技术领域，特别涉及一种应用于高速高精度电流舵DAC的数字前台校准电路及方法。

背景技术

DAC(Digital to Analog Converter，数模转换器)实现数字到模拟信号的转换，成为连接数字与模拟世界的重要桥梁，被广泛应用在图像处理、无线通信、音频多媒体等领域；而随着现代宽带无线通信的发展和普及，对DAC的速度和精度提出了更高的要求，因此适用于高速高精度场合的电流舵DAC得到了广泛的应用。

为了在速度、精度、面积、单调性等各个方面进行折中，电流舵DAC一般采用分段结构，其中高位段(MSB)共N位，中位段(MID)共M位，低位段(LSB)L位，DAC总位数N+M+L位；并在MSB和MID采用单位电流源型(也称温度计码加权型)，LSB采用二进制加权电流源；然而由于实际工艺和版图布局的影响，单位电流源之间的匹配性难以保证，对DAC的性能产生较大的影响。

由于MSB单位电流源的权值最重，传统的电流校准大多仅针对MSB，而忽略MID的电流匹配；此外，校准后的MSB单位电流源与未进行校准的MID单位电流源的比例关系可能不再准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于高速高精度电流舵DAC的数字前台校准电路及方法，以解决目前电流舵DAC高位MSB段、中位MID段的单位电流源匹配性以及两者的比例关系难以保障的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于高速高精度电流舵DAC的数字前台校准电路，包括：

2^M-1个MID单位电流源，由电流舵DAC的中位段M位经温度计译码得到这2^M-1个MID单位电流源，为电流舵DAC提供中位段单位电流；

1个MID基准电流源，其电流作为MID单位电流源的基准；

1个MID电流校准模块，依次对每个MID单位电流源流出的电流进行调整，使得每个MID单位电流源流出的电流等于所述MID基准电流源的电流；

2^N-1个MSB单位电流源，由电流舵DAC的高位段N位经温度计译码得到这2^N-1个MSB单位电流源，为电流舵DAC提供高位段单位电流；

1个MSB电流校准模块，在全部MID单位电流源的校准完成后，以所有MID单位电流源及MID基准电流源的电流之和作为MSB基准电流I_{REF_MSB}，依次对每个MSB单位电流源流出的电流进行调整，使每个MSB单位电流源流出总电流等于该MSB基准电流I_{REF_MSB}。

可选的，所述MID单位电流源包含MID固定电流源及MID校准电流源；其中，

所述MID固定电流源流出恒定电流，构成MID单位电流源的主要电流；

所述MID校准电流源由2^K-1个大小相同的电流源I_{unit_MID}组成，每个电流源I_{unit_MID}各由1个开关控制打开或闭合，以对MID固定电流源的偏差进行补偿。

可选的，所述MID基准电流源的电流I_{REF_MID}等于所述MID校准电流源总电流I_{unit_MID}的一半加上所述MID固定电流源的电流I_{fixed_MID}，即2^K-1个开关闭合时，I_{REF_MID}＝I_{fixed_MID}+2^{K -1}*I_{unit_MID}。

可选的，所述MID电流校准模块包含MID电流比较器及MID累加器；其中，

所述MID电流比较器对所述MID单位电流源和所述MID基准电流源流出的电流大小进行比较，若所述MID单位电流源流出电流较小，则所述MID电流比较器输出0，反之则输出1；

所述MID累加器共K位，其计数码值CODE_MID对应于所述MID校准电流源中开关闭合的数量；所述MID累加器依据MID电流比较器的输出进行累加，当MID电流比较器输出0时，MID累加器的码值CODE_MID加1，所对应的MID校准电流源中闭合的开关数加1并重新比较，如此循环直到MID电流比较器输出为1，此时MID累加器不再累加，此MID单位电流源的校准完成并切换到对下一个MID单位电流源的校准。

可选的，所述MSB单位电流源包含MSB固定电流源及MSB校准电流源；其中，

所述MSB固定电流源流出恒定的电流，构成所述MSB单位电流源的主要电流；

所述MSB校准电流源由2^P-1个大小相同的电流源I_{unit_MSB}组成，每个电流源I_{unit_MSB}由1个开关控制打开或闭合，以对MSB固定电流源的偏差进行补偿。

可选的，所述MSB基准电流I_{REF_MSB}等于MSB校准电流源总电流I_{unit_MSB}的一半加上MSB固定电流源的电流I_{fixed_MSB}；即2^P-1个开关闭合时，I_{REF_MSB}＝I_{fixed_MSB}+2^P-1*I_{unit_MSB}。

可选的，所述MSB电流校准模块包含MSB电流比较器及MSB累加器；其中，

所述MSB电流比较器对MSB单位电流源和MSB基准电流I_{REF_MSB}的大小进行比较，若MSB单位电流源流出的电流较小，则MSB电流比较器输出0，反之则输出1；

所述MSB累加器共P位，其计数码值CODE_MSB对应于MSB校准电流源中开关闭合的数量；所述MSB累加器依据MSB电流比较器的输出进行累加，当MSB电流比较器输出0时，MSB累加器码值CODE_MSB加1，对应MSB校准电流源中闭合的开关数加1并重新比较，如此循环直到MSB电流比较器输出为1，此时MSB累加器不再累加，此MSB单位电流源的校准完成并切换到对下一个MSB单位电流源的校准。

本发明还提供了一种应用于高速高精度电流舵DAC的数字前台校准方法，该方法包括：

步骤1、使能选择第1个MID单位电流源流入MID电流校准模块；

步骤2、将MID累加器的码值CODE_MID清零，对应的MID校准电流源中所有开关打开；

步骤3、MID电流比较器比较此时MID基准电流源和MID单位电流源流出电流的大小，若MID单位电流源的电流更小，则输出0，否则输出1；

步骤4、MID累加器依据MID电流比较器的输出决定是否累加；若MID电流比较器输出为0，则MID累加器的码值CODE_MID加1，MID校准电流源流出电流增加I_{unit_MSB}，并使MID电流比较器重新比较；

步骤5、重复步骤3-步骤4，直到MID电流比较器输出1，此时MID累加器码值CODE_MID保持不变，此MID单位电流源的校准完成；

步骤6、使能选择下一个MID单位电流源流入MID电流校准模块，并重复步骤2-步骤5，对该MID单位电流源完成校准，直到所有2^M-1个MID单位电流源完成校准；

步骤7、以所有2^M-1个校准后的MID单位电流源及MID基准电流源的电流之和作为MSB基准电流I_{REF_MSB}；逐个完成2^N-1个MSB单位电流源的校准；

步骤8、在所有MSB单位电流源的校准完成后，将电路切换到正常工作状态。

在本发明提供的应用于高速高精度电流舵DAC的数字前台校准电路及方法中，将MID单位电流源的电流校准到与MID基准电流源相同，在完成所有MID单位电流源的校准后，将所有MID单位电流源与MID基准电流源之和作为MSB电流基准，对MSB单位电流源逐个进行校准，从而分别保证MSB单位电流源的匹配性、MID单位电流源的匹配性及MSB单位电流源与MID单位电流源的比例；降低版图布局及工艺制造等非理想因素带来的影响，提高电流舵DAC的性能。

附图说明

图1是本发明提供的应用于高速高精度电流舵DAC的数字前台校准电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种应用于高速高精度电流舵DAC的数字前台校准电路及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

本发明提供了一种应用于高速高精度电流舵DAC的数字前台校准电路，其结构如图1所示，包括：2^M-1个MID单位电流源11、1个MID基准电流源12、1个MID电流校准模块、2^N-1个MSB单位电流源和1个MSB电流校准模块；M、N的取值由设计者自行确定，一般M和N在4～7内。所述2^M-1个MID单位电流源由电流舵DAC的中位段M位经温度计译码得到，为电流舵DAC提供中位段单位电流；所述MID基准电流源的电流作为MID单位电流源的基准；所述MID电流校准模块依次对每个MID单位电流源流出的电流进行调整，使得每个MID单位电流源流出的电流等于所述MID基准电流源的电流；所述2^N-1个MSB单位电流源由电流舵DAC的高位段N位经温度计译码得到，为电流舵DAC提供高位段单位电流；所述MSB电流校准模块在全部MID单位电流源的校准完成后，以所有MID单位电流源及MID基准电流源的电流之和作为MSB基准电流I_{REF_MSB}，依次对每个MSB单位电流源流出的电流进行调整，使每个MSB单位电流源流出总电流等于该MSB基准电流I_{REF_MSB}。

所述MID单位电流源包含MID固定电流源及MID校准电流源；其中，所述MID固定电流源流出恒定电流，构成MID单位电流源的主要电流；所述MID校准电流源由2^K-1个大小相同的电流源I_{unit_MID}组成，每个电流源I_{unit_MID}各由1个开关控制打开或闭合，以对MID固定电流源的偏差进行补偿。所述MID基准电流源的电流I_{REF_MID}等于所述MID校准电流源总电流I_{unit_MID}的一半加上所述MID固定电流源的电流I_{fixed_MID}，即2^K-1个开关闭合时，I_{REF_MID}＝I_{fixed_MID}+2^K-1*I_{unit_MID}。

所述MID电流校准模块包含MID电流比较器及MID累加器；其中，所述MID电流比较器对所述MID单位电流源和所述MID基准电流源流出的电流大小进行比较，若所述MID单位电流源流出电流较小，则所述MID电流比较器输出0，反之则输出1；两个电流十分相近或完全相等时，MID电流比较器输出的结果不确定，会造成一定的误差，但总的来说系统还是可以较好的完成MID电流的校准工作，使得校准后的MID单位电流源的电流十分接近于MID基准电流源的电流。所述MID累加器共K位，其计数码值CODEMID对应于所述MID校准电流源中开关闭合的数量；所述MID累加器依据MID电流比较器的输出进行累加，当MID电流比较器输出0时，MID累加器的码值CODE_MID加1，所对应的MID校准电流源中闭合的开关数加1并重新比较，如此循环直到MID电流比较器输出为1，此时MID累加器不再累加，此MID单位电流源的校准完成并切换到对下一个MID单位电流源的校准。在理想情况下，忽略K位MID校准电流源的量化误差，可认为校准后的MID单位电流源11的电流等于I_{REF_MID}。

所述MSB单位电流源包含MSB固定电流源及MSB校准电流源；其中，所述MSB固定电流源流出恒定的电流，构成所述MSB单位电流源的主要电流；所述MSB校准电流源由2^P-1个大小相同的电流源I_{unit_MSB}组成，每个电流源I_{unit_MSB}由1个开关控制打开或闭合，以对MSB固定电流源的偏差进行补偿。所述MSB基准电流I_{REF_MSB}等于MSB校准电流源总电流I_{unit_MSB}的一半加上MSB固定电流源的电流I_{fixed_MSB}；即2^P-1个开关闭合时，I_{REF_MSB}＝I_{fixed_MSB}+2^P-1*I_{unit_MSB}。

所述MSB电流校准模块包含MSB电流比较器及MSB累加器；其中，所述MSB电流比较器对MSB单位电流源和MSB基准电流I_{REF_MSB}的大小进行比较，若MSB单位电流源流出的电流较小，则MSB电流比较器输出0，反之则输出1；两个电流十分相近或完全相等时，MSB电流比较器输出的结果不确定，会造成一定的误差，但总的来说系统还是可以较好的完成MSB电流的校准工作，使得校准后的MSB单位电流源的电流十分接近于MSB基准电流源的电流。所述MSB累加器共P位，其计数码值CODE_MSB对应于MSB校准电流源中开关闭合的数量；所述MSB累加器依据MSB电流比较器的输出进行累加，当MSB电流比较器输出0时，MSB累加器码值CODE_MSB加1，对应MSB校准电流源中闭合的开关数加1并重新比较，如此循环直到MSB电流比较器输出为1，此时MSB累加器不再累加，此MSB单位电流源的校准完成并切换到对下一个MSB单位电流源的校准。在理想情况下，忽略P位校准电流源的量化误差，可认为MSB单位电流源14的电流等于I_{REF_MSB}。

上述校准过程分别保证了MSB单位电流源14、MID单位电流源11的匹配性，同时MSB单位电流源14与MID单位电流源11的电流比例等于2^M。K位MID累加器对应MID校准电流源中2^K-1个经温度计译码的开关，校准电流的单调性和误差得到了改善；P位MSB累加器亦然与MID累加器作用相同。

更进一步的，尽管LSB二进制加权型电流源因为电流较小而难以校准，在设计时可以由一个额外的MID单位电流源提供LSB的总电流，LSB各位按比例对该电流进行分流得到相应的二进制电流。

实施例二

基于本发明实施例一，本发明还提供了一种应用于高速高精度电流舵DAC的数字前台校准方法，包括如下步骤：

步骤1、使能选择第1个MID单位电流源流入MID电流校准模块；

步骤2、将MID累加器的码值CODE_MID清零，对应的MID校准电流源中所有开关打开；

步骤3、MID电流比较器比较此时MID基准电流源和MID单位电流源流出电流的大小，若MID单位电流源的电流更小，则输出0，否则输出1；

步骤4、MID累加器依据MID电流比较器的输出决定是否累加；若MID电流比较器输出为0，则MID累加器的码值CODE_MID加1，MID校准电流源流出电流增加I_{unit_MSB}，并使MID电流比较器重新比较；

步骤5、重复步骤3-步骤4，直到MID电流比较器输出1，此时MID累加器码值CODE_MID保持不变，此MID单位电流源的校准完成；

步骤6、使能选择下一个MID单位电流源流入MID电流校准模块，并重复步骤2-步骤5，对该MID单位电流源完成校准，直到所有2^M-1个MID单位电流源完成校准；

步骤7、以所有2^M-1个校准后的MID单位电流源及MID基准电流源的电流之和作为MSB基准电流I_{REF_MSB}；逐个完成2^N-1个MSB单位电流源的校准；

步骤8、在所有MSB单位电流源的校准完成后，将电路切换到正常工作状态。

具体的，所述MID电流校准模块13基于MID电流比较器131和MID累加器132的结构，将每个MID单位电流源11的电流水平校准到等同于MID基准电流源12；所述MSB电流校准模块15在所有MID单位电流源11的校准完成后，将所有2^M-1个MID单位电流源11及MID基准电流源12的电流之和作为MSB基准电流I_{REF_MSB}，从而I_{REF_MSB}＝2^M*I_{REF_MID}，并基于MSB电流比较器151和MSB累加器152的结构，将MSB单位电流源14的电流水平校准到等同于I_{REF_MSB}。最终，校准完成后，所有电流源(包括MSB单位电流源14和MID单位电流源11)的匹配性以及MSB单位电流源14与MID单位电流源11的比例得到保证。至此数字前台校准完成，可将电路切换到工作模式。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种应用于高速高精度电流舵DAC的数字前台校准电路，其特征在于，包括：

2^M-1个MID单位电流源，由电流舵DAC的中位段M位经温度计译码得到这2^M-1个MID单位电流源，为电流舵DAC提供中位段单位电流；

1个MID基准电流源，其电流作为MID单位电流源的基准；

1个MID电流校准模块，依次对每个MID单位电流源流出的电流进行调整，使得每个MID单位电流源流出的电流等于所述MID基准电流源的电流；

2^N-1个MSB单位电流源，由电流舵DAC的高位段N位经温度计译码得到这2^N-1个MSB单位电流源，为电流舵DAC提供高位段单位电流；

1个MSB电流校准模块，在全部MID单位电流源的校准完成后，以所有MID单位电流源及MID基准电流源的电流之和作为MSB基准电流I_{REF_MSB}，依次对每个MSB单位电流源流出的电流进行调整，使每个MSB单位电流源流出总电流等于该MSB基准电流I_{REF_MSB}。

2.如权利要求1所述的应用于高速高精度电流舵DAC的数字前台校准电路，其特征在于，所述MID单位电流源包含MID固定电流源及MID校准电流源；其中，

所述MID固定电流源流出恒定电流，构成MID单位电流源的主要电流；

所述MID校准电流源由2^K-1个大小相同的电流源I_{unit_MID}组成，每个电流源I_{unit_MID}各由1个开关控制打开或闭合，以对MID固定电流源的偏差进行补偿。

3.如权利要求2所述的应用于高速高精度电流舵DAC的数字前台校准电路，其特征在于，所述MID基准电流源的电流I_{REF_MID}等于所述MID校准电流源总电流I_{unit_MID}的一半加上所述MID固定电流源的电流I_{fixed_MID}，即2^K-1个开关闭合时，I_{REF_MID}＝I_{fixed_MID}+2^K-1*I_{unit_MID}。

4.如权利要求3所述的应用于高速高精度电流舵DAC的数字前台校准电路，其特征在于，所述MID电流校准模块包含MID电流比较器及MID累加器；其中，

所述MID电流比较器对所述MID单位电流源和所述MID基准电流源流出的电流大小进行比较，若所述MID单位电流源流出电流较小，则所述MID电流比较器输出0，反之则输出1；

所述MID累加器共K位，其计数码值CODE_MID对应于所述MID校准电流源中开关闭合的数量；所述MID累加器依据MID电流比较器的输出进行累加，当MID电流比较器输出0时，MID累加器的码值CODE_MID加1，所对应的MID校准电流源中闭合的开关数加1并重新比较，如此循环直到MID电流比较器输出为1，此时MID累加器不再累加，此MID单位电流源的校准完成并切换到对下一个MID单位电流源的校准。

5.如权利要求4所述的应用于高速高精度电流舵DAC的数字前台校准电路，其特征在于，所述MSB单位电流源包含MSB固定电流源及MSB校准电流源；其中，

所述MSB固定电流源流出恒定的电流，构成所述MSB单位电流源的主要电流；

所述MSB校准电流源由2^P-1个大小相同的电流源I_{unit_MSB}组成，每个电流源I_{unit_MSB}由1个开关控制打开或闭合，以对MSB固定电流源的偏差进行补偿。

6.如权利要求5所述的应用于高速高精度电流舵DAC的数字前台校准电路，其特征在于，所述MSB基准电流I_{REF_MSB}等于MSB校准电流源总电流I_{unit_MSB}的一半加上MSB固定电流源的电流I_{fixed_MSB}；即2^P-1个开关闭合时，I_{REF_MSB}＝I_{fixed_MSB}+2^P-1*I_{unit_MSB}。

7.如权利要求6所述的应用于高速高精度电流舵DAC的数字前台校准电路，其特征在于，所述MSB电流校准模块包含MSB电流比较器及MSB累加器；其中，

所述MSB电流比较器对MSB单位电流源和MSB基准电流I_{REF_MSB}的大小进行比较，若MSB单位电流源流出的电流较小，则MSB电流比较器输出0，反之则输出1；

所述MSB累加器共P位，其计数码值CODE_MSB对应于MSB校准电流源中开关闭合的数量；所述MSB累加器依据MSB电流比较器的输出进行累加，当MSB电流比较器输出0时，MSB累加器码值CODE_MSB加1，对应MSB校准电流源中闭合的开关数加1并重新比较，如此循环直到MSB电流比较器输出为1，此时MSB累加器不再累加，此MSB单位电流源的校准完成并切换到对下一个MSB单位电流源的校准。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述数字前台校准电路的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1、使能选择第1个MID单位电流源流入MID电流校准模块；

步骤2、将MID累加器的码值CODE_MID清零，对应的MID校准电流源中所有开关打开；

步骤3、MID电流比较器比较此时MID基准电流源和MID单位电流源流出电流的大小，若MID单位电流源的电流更小，则输出0，否则输出1；

步骤4、MID累加器依据MID电流比较器的输出决定是否累加；若MID电流比较器输出为0，则MID累加器的码值CODE_MID加1，MID校准电流源流出电流增加I_{unit_MSB}，并使MID电流比较器重新比较；

步骤5、重复步骤3-步骤4，直到MID电流比较器输出1，此时MID累加器码值CODE_MID保持不变，此MID单位电流源的校准完成；

步骤6、使能选择下一个MID单位电流源流入MID电流校准模块，并重复步骤2-步骤5，对该MID单位电流源完成校准，直到所有2^M-1个MID单位电流源完成校准；

步骤7、以所有2^M-1个校准后的MID单位电流源及MID基准电流源的电流之和作为MSB基准电流I_{REF_MSB}；逐个完成2^N-1个MSB单位电流源的校准；

步骤8、在所有MSB单位电流源的校准完成后，将电路切换到正常工作状态。

Images