CN1131845A - 电流源驱动转变器 - Google Patents

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塔亚姆库兰格拉·拉马斯瓦米·威斯瓦纳坦
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Abstract

本发明公开了一种集成电路，该集成电路包括一个具有由电流源(例如12)驱动的电阻串(例如14)的数模转换器(例如10)。该电阻串与电流源连接。在电阻节点上也就是电阻电流源节点上限定了中间抽头(例如，T1至Tn+1)。开关晶体管(例如M1至Mn+1)连接在一个输出结点和一个对应的中间抽头之间。一个选择电路(例如2)与每个开关晶体管的一端相连接用于选择地使晶体管转换到一种预定的状态，以便把相关的中间抽头电连接到输出结点(例如16)上。

Description

电流源驱动转变器
本发明涉及一般的数模转换器(DAC)，特别是涉及由一个电流源驱动的这种转换器。
DAC用于把一个数字的编码信号转换成一个模拟信号，或用于与作为一个数模转换器的一部分的逐步近似电路连接在一起。DAC可以利用在一个电阻串上施加的电压。像晶体管这样的开关把在电阻结点上的中间抽头，也就是在电阻电位结点上的中间抽头耦合到一个输出结点上。数字编码信号被解码以确定那个开关导通。在输出结点上产生的模拟电压的幅值取决于哪个开关被导通。准确地产生一个与一个数字编码信号对应的模拟电压是以具有相同电阻值的电阻串的电阻为条件。既使在电阻串中是有相同的阻值，由于在与一个电压驱动的电阻串DAC的参考电压流的串联所引起的任何噪音电压改变了在电阻串每个电阻上的电压，和改变了在每个中间抽头上的电压，所以在输出结点上的模拟电压能是不准确的。由于在每个中间抽头上的噪音电压是不同的，所以导致了在输出结点上产生了一个误差模拟电压。
根据本发明的一个图解的实施例，一个集成电路包括一个数模转换器，在该转换器中通过一个电流源来驱动一个电阻串。中间抽头被限定在电阻节点上同样限定在电阻电流源节点上。开关晶体管被连接在一个输出结点和对应的中间抽头之间。一个选择电路与每个开关晶体管的一端连接用于有选择地使晶体管转换到一个预定的状态，以便使相关的中间抽头与输出结点电连接。
图1是根据本发明的一种图解实施例的一个单端方式数模转换器的电路图；
图2是根据本发明的一种图解实施例的一个差分方式数模转换器的电路图；
图3是一种能够实现精确的附加位的差分方式数模转换器的电路图；
图4是一种模数转换器的电路图。
在图1中示出了根据本发明的一种图解实施例的一个DAC10的电路图。它表示DAC 10在一种单端方式下的操作。DAC 10包括一个与电阻串相连接的电流源以便为该电阻串提供恒定电流。如示为MOS晶体管的开关把中间抽头耦合到一个公共输出结点上。在输出结点上产生的模拟电压的幅值取决于哪个开关或哪些开关被导通。通过一个输出放大器可以使输出被放大。根据本发明的一种DAC适合于以一种单块集成电路的方式制造。
电阻串14是由被用户确定的n个串联所构成，它们由电阻R1至Rn来表示。电阻串与一个电流12相连接，当DAC 10用作为一个数模转换器时，该电流源12为电阻串14提供一个已知的恒定电流。包括电阻串的电阻的阻值根据情况而采用，并且由本领域里的技术人员基于像损耗功率、在电阻串上的压降、和在电阻串中电阻的数量这样的各种参数能够容易地选择。在电阻节点上，也就是在电流源电阻节点上，一个开关连接在该节点和输出结点16之间。这些节点限定了中间抽头T1至Tn+1。最好为晶体管的开关在图解的实施例中被示为MOS晶体管M1至Mn+1。
晶体管M1连接在电流源12的正端和电阻R1的节点和输出结点16之间。晶体管Mn+1连接在电流源12的负端和电阻Rn的节点与输出结点之间。晶体管M2至Mn每个晶体管分别使中间抽头T2至Tn与输出结点连接。这些晶体管是完全相同的，并且它们与在电阻串14中的电阻器的电阻值相比具有在导通状态下非常大的阻抗。输出放大器18把在输出结点16上的输出信号放大并且可以把输出变换成另外一种形式，例如从一种电压输出变换成一种电流输出。
如在数模转换器技术中已公知的，代表所希望的模拟信号的数字编码信号6被提供给一个解码电路。该解码电路把数字编码信号解码和一个驱动电路使适当的开关或多个开关导通以便把在相关一个或多个中间抽头上的电压传送到输出结点上。单个开关可以被导通、或多个开关可以同时处在导通状态。通过开关晶体选择和驱动电路2来控制开关晶体管M1至Mn+1。假定对于增加的数字编码输入6在输出结点16上是一个阶梯输出电压，那么由中间抽头T1至Tn+1产生一个单一的输入—输出特性。
根据本发明，电流源12为电阻串14提供一个恒定电流。一个或多个晶体管M1至Mn+1被导通以便把对应的中间抽头耦合到输出结点16上。通过有选择地使晶体管M1至Mn+1导通，在电阻串14中相关中间抽头上的电压被提供在输出结点16上。通过有选择地使晶体管M1至Mn+1中的多个导通可以在输出结点16上提供在中间抽头上电压之间的电压。
由于在电流源12中固有的高阻抗，所以在电流源电阻串环路中产生的任何噪声电压不改变电流。由于在输出结点16上产生的电压仅依赖于流过电阻串14的电流和在电阻串中电阻的电阻值，所以在输出结点16上产生的电压精确性不受这种噪声电压的影响。
电流驱动的DAC也能够以差分方式被操作。在图2的电路图中说明了一种差分方式的DAC 100。电阻串114具有24个电阻，由此限定了25个中间抽头T1至T25。中心中间抽头与一个参考电位连接，例如地电位。由电流源112提供了无噪声和恒定电流，中间抽头T1至T12工作在正电压上，中间抽头T13维持在地电位，中间抽头T14至T25工作在负电压上。为了在输出118上提供一个模拟输出电压，使相对于连接到参考电压的中间抽头对称的晶体管被导通。对于DAC 10，为了提供一个模拟输出电压可以使一个单个开关晶体管被导通，而对于DAC 100，使晶体管相对于连接到参考电压的中间抽头对称成对地被导通。例如，如果晶体管M6导通，那么晶体管M20也导通。如果为了在输出118上提供一个模拟输出电压使晶体管M2和M3被导通，那么晶体管M24和M23也导通。根据与本申请一起申请的并在此作为参考的美国专利申请号08/327174，名称为″减少电阻数的数模转换器和使用方法″的教导，在差分方式的DAC 100的电阻值114的正电压和负电压两侧上的多个晶体管能够被导通。
导通一个或多个在电阻串114的正电压侧上操作的晶体管M1至M2使电容器C1充电。导通一个或多个在电阻串114的负电压侧上操作的晶体管M14至M25使电容器C2导通。当电容器的充电完成时，在开关中的电流为零。因此在每个开关上的电压降也为零。DAC操作不受开关电阻或开关非线性的影响。因此对于DAC的操作保持开关或闭合状态直到电流降到零为止是重要的。
在电阻串114的正电压侧上的开关晶体管与电容器C1一起形成采样和保持电路120。在电阻串114的负电压侧上的开关晶体管与电容器C2一起形成采样和保持电路122。电容器电压为差分放大器124提供正负输入。由差分放大器124相加的电容器电压抑制任何共模噪声，以致在差分放大器124的输出上产生一个抗噪声的模拟输出电压。
图3表示了一种能够把具有一个附加位的数字编码输入转换成一个模拟输出的DAC 110的电路图，它利用与在图2中所示实施例中的相同的电阻串的电阻数和与中间抽头连接的开关数。DAC 110允许数字编码信号具有比DAC 100多一位并产生两倍的离散模拟输出，该模拟输出延续到正和负两个范围。特别是数字编码输入的范围的中点与零模拟输出相对应。其它技术也能够用于把各个范围的数字编码输入转换成输出。两个等级的解码被使用。最小的有效位被解码以产生信号的幅值。最大的有效位在第二级中被解码以确定哪个电阻信号与哪个电容器相连接。
在图4中示出了一种模数转换器200，该模数转换200含有一个根据本发明的实施例的数模转换器。该模数转换器把一个模拟电流信号转换成一个相应的数字编码信号。开关晶体管M1至M17可以形成上面所公开的结构式任何公知的结构。模数转换是以两步顺序来完成的。在第一步中，模拟电流经过电阻串以产生一个电压。通过一个采样和保持电路保持在整个电阻串上产生的电压。在第二步中，逐步近似电路通过选代产生一系列中间抽头电压，该电压更接近由采样和保持电路维持的电压。逐步近似过程延续到由采样和保持电路保持的数字等效电压被确定为止。
在模数转换器200中，通过晶体管M30、M31和M34被转换到导通状态和晶体管M32和M33被转换到关断状态，在线201上接收到一个模拟电流信号202。导通的晶体管M34把由电流源212产生的电流接地。在电阻串214两端上产生的电压对电容器203充电并为比较器204提供正输入。然后晶体管M30、M31和M34变为关断状态而晶体管M32和M33变为导通状态。正在导通的晶体管M33把模拟电流信号202接地。晶体管M30、M31、M32、M33和M34与电容器203一起构成了一个采样和保持电路，该电路维持在电阻串214两端上产生的电压作为比较器204正输入。逐步近似电路206最初使适当的一个开关晶体管或多个晶体管M1至M17导通以便在输出结点314上产生电阻串214的中点电压。在输出结点314上的电压为比较器204提供负输入并在比较器204上与在电容器203上维持的电压相比较。如果代表在维持在电容器203上的电压和通过电流逐步近似迭代在输出结点314上的产生的电压之间差值的比较器204的输出232是正的，那么上半个电阻串的中点被电连接作为比较器204的输入并且与维持在电容器203上的电压相比较。如果输出232是负的，那么下半个电阻串214的中点被电连接作为比较器204的输入。利用逐步近似电路206来控制一个开关晶体管或多个晶体管被导通的选择。从一个有差位的状态开始，每次迭代确定一个二进制的位的、或其它的编码的表示法输出234，并且逐步近似过程对于本领域里的技术人员来说是公知的并且可以如上面所述或以任何公知方法被进行。二进制表示法234被提供为逐步近似电路206和模数转换器200的输出。
本发明在通信系统中和使用集成电路的设备中在数模和模数转换器应用方面是特别有用的。这种通信系统和设备具有不受在转换器的电阻串中产生的噪声的影响的优点。
虽然在图4中所示的模数转换器被示为以单端方式操作，但是本领域里的技术人员能够构成一个以差分方式操作的模数转换器。

Claims (11)

1.一种集成电路，包括：一个用于在一个输出结点上提供一个模拟输出的数模转换器，该数模转换器包括一个具有一个正端和负端的电源(例如、12、112，212)，一个连接在电流的正负端上的电阻串(例如、14、114、214)、该电阻串包括多个串联连接的电阻(例如，R1-Rn；R1-R24；R1-R16)和提供一个电流通路、在电阻串中电阻的节点上和在电阻串与电源的正负端的节点上所限定的中间抽头(例如，T1-Tn+1；T1-T25；T1-T17)，多个开关晶体管(例如M1-Mn+1；M1-M25；M1-M17)，每个开关晶体管连接在输出节点(例如，16、18、232)和对应的一个中间抽头之间，和一个连接到每个开关晶体管的一端的选择电路用于选择地使晶体管转换到一个预定的状态，因此，当相应的开关晶体管转换到预定状态时，一个中间抽头(例如，T1-Tn+1；T1-T25；T1-T17)被连接到输出结点(例如，16，118，232)上，该数模转换器的特征在于电源是一个电流源。
2.根据权利要求1所述的一种集成电路，进一步的特征在于：每一次只有一个开关晶体管(例如：M1-Mn+1；M1-M25；M1-M17)能够转换到预定的状态。
3.根据权利要求1的一种集成电路，进一步的特征在于：至少两个开关晶体管(例如，M1-Mn+1；M1-M25；M1-M17)同时能够被转换到预定状态。
4.根据权利要求1的一种集成电路，进一步的特征在于：该数模转换器以单端方式工作。
5.一种用于提供模拟输出的集成电路，该集成电路包括：一个具有一个正端和一个负端的电源(例如：112、212)、一个连接在电源的正负端上的电阻串(例如，114、214)，该电阻串包括多个串联的电阻(例如，R1-R24；R1-R16)，并提供一个电流通路，在电阻串中电阻的节点上和在电阻串与电源的正负端的结点上所限定的中间抽头(例如，T1-T25；T1-T17)，一个中间抽头(例如T13)与一个参考电位连接，所述的一个中间抽头(例如，T13)把其它中间抽头分成在所述一个中间抽头和电源的正端之间的第一组中间抽头(例如T1至T12)和在所述一个中间抽头(例如T13)与电源负端之间的第二组中间抽头(例如T14至T25)，第一组开关晶体管(例如M1至M12)，每个第一组的开关晶体管连接在第一个结点与第一组中间抽头的一个对应的中间抽头之间，第二组开关晶体管(例如：M14至M25)，每个第二组的开关晶体管连接在第二输出结点和第二组中间抽头的一个对应的中间抽头之间，和一个具有第一和第二输入端及一个输出端的差分放大器(例如，124)，差分放大器的第一输入端与第一输出结点相连接以接收从其来的一个信号，差分放大器的第二输入端与第二输出结点相连接以接收从其来的一个信号，该差分放大器在其输出端(例如118)提供一个信号，该输出信号是在其第一和第二输入端接收的信号之间的差值信号，由此，通过在差分放大器的输出上产生的模拟信号来抑制其模噪声，该集成电路的特征在于：所述电源是一个电流源。
6.根据权利要求5的一种集成电路，进一步的特征在于：一个选择电路(例如2,206)与在第一和第二组开关晶体管中的每个开关晶体管的一端相连接，该选择电路用于根据一个数字编码信号把已选择的晶体管的状态转换到一个预定状态。
7.根据权利要求5的一种集成电路，进一步的特征在于转换器以一种差分方式工作。
8.根据权利要求5的一种集成电路，进一步的特征在于选择电路(例如，2,206)能够把至少两个开关晶体管同时转换到预定的状态。
9.根据权利要求8的一种集成电路，进一步的特征在于所述至少两个开关晶体管中的一个晶体管是在第一组开关晶体管(例如M1至M12)中，而所述至少两个开关晶体管中的另一个晶体管是在第二组开关晶体管(例如M14至M25)中。
10.一种集成电路，包括：一个模数转换器，用于产生一个模拟信号的数字表示，该模数转换器包括：一个具有一个正端和一个负端的电源(例如212)、一个提供电流路径的电阻串(例如214)，该电阻串由多个串联连接的电阻(例如R1-R16)组成，该电阻串连接在电源的正负端上，在电阻串中的电阻的节点上和在电阻串与电源的正端和负端的节点上限定的中间抽头(例如T1-T17)，多个开关晶体管(例如M1-M17)，每个开关晶体管连接在一个输出结点(例如，314)和一个对应的中间抽头之间，一个具有第一和第二输入端和一个输出端(例如232)的比较器(例如204)，其中第一输入端与输出结点(例如324)连接以接收产生的模拟信号，第二输入端被连接以接收模拟信号，该比较器在其输出端(例如232)上提供一个差值信号，该差值信号是在其第一和第二输入端上接收的信号之间的差值，和一个逐步近似开关晶体管选择和驱动电路(例如206)，该逐步近似电路接收由比较器输出的差值信号，该逐步近似电路与多个开关晶体管的每个晶体管的一端连接用于有选择地把开关晶体管转换到一种预定的状态，以便当由一个电源为电阻串供电时，输出已被产生的模拟信号，该逐步近似电路逐步地近似模拟信号并且产生一个数字表示作为一个输出，其特征是：所述电源是一个电流源。
11.根据权利要求10的一种集成电路，进一步的特征在于：该转换器以一种单端方式工作。
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