CN116961653A - 一种动态电流舵dac及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种动态电流舵DAC，属于数模转换技术领域，包括：开关器件SW4，开关器件SW4的一端与电源VDD或者地GND电连接，开关器件SW4的另一端与电流源的源极电连接；电流源内的MOS管的栅极设置有开关器件SW5，开关器件SW5的一端与偏置电压源VBIAS电连接，开关器件SW5的另一端与MOS管的栅极电连接；电流舵的输出OUTP端内设置有开关器件SW1，电流舵的输出OUTN端内设置有开关器件SW2，电流舵的输出端还设置有开关器件SW3。本发明通过增加电流源的关闭和开启控制电路实现了在电流源无有效输出期间关闭电流源的电路结构，抑制噪音同时达到了降低电路功耗的目的。
Description
技术领域
本发明属于数模转换技术领域，特别涉及一种动态电流舵DAC及其控制方法。
背景技术
电流舵DAC(Digital to Analog Data Converter)是一种数字转模拟输出的一种电路结构。参见图1，传统的电流舵DAC的实现方式是使用多个电流源，由数字信号控制MOS开关，确定电流源是流向OUTP端，还是流向OUTN端。例如：一个8个电源的DAC，如果数字为0时，所有8个电流源流向OUTN端，OUTP端没有电流；如果控制信号为4，那么4个电流源流向OUTP端，另外4个电流源流向OUTN端。如果数字信号为8时，所有8个电流源流向OUTP端，OUTN端没有电流。从而实现了输出电流完全由数字信号控制，输出电流和数字控制信号成正比。
由于实际有效输出信号为差分信号，也就是OUTP端电流减去OUTN端电流，这时输出差分信号为0。虽然输出信号为0，但是电流源是有电流噪声，噪声是不相关的随机信号，8路电流源的噪声会在输出端叠加。
电流舵DAC整体不输出电流的时候，一半的电流源流向OUTP端，另外一半的电流源流向OUTN端，总的输出电流为OUTP-OUTN＝0。此时虽然没有输出信号，但是所有电流源都对外贡献噪声，同时所有电流源都存在功率损耗，所以不仅仅噪声大，功率损耗也大。
发明内容
鉴于上述功率损耗大和噪音叠加的问题，本发明提出了一种动态电流舵及其控制方法，能够在控制噪音的基础上同时降低功率损耗。
本发明具体方案为：一种动态电流舵DAC，包括：开关器件SW4，所述开关器件SW4的一端与电流源电连接，所述开关器件SW4的另一端与所述MOS管的源极电连接；
MOS管的栅极设置有开关器件SW5，所述开关器件SW5的一端与电流源电连接，所述开关器件SW5的另一端与MOS管的栅极电连接；
电流舵的输出OUTP端内设置有开关器件SW1，电流舵的输出OUTN端内设置有开关器件SW2，电流舵的输出端还设置有开关器件SW3。
进一步的，所述开关器件SW3的一端与所述电流舵的输出端电连接，所述开关器件SW3的另一端与VCM端电连接。
进一步的，电流器件M2，所述电流器件M2源极与MOS管M1的漏极电连接，所述电流器件M2漏极与电流舵输出端电连接。
进一步的，所述电流器件M2的栅极连接到GND端，其中，所述电流器件M2栅极与GND端之间设置开关控制开启或关断；
所述电流器件M2的栅极与V_CAS端电连接，所述电流器件M2栅极与V_CAS端之间设置开关控制开启或关断。
进一步的，所述电流器件M2的源极与电流器件M1的漏极电连接，所述电流器件M1的栅极通过开关器件SW5与VBIAS端电连接。
进一步的，所述开关器件SW3、开关器件SW4和开关器件SW5均采用时序逻辑控制器件。
基于同一发明构思，本发明还提供一种动态电流舵控制方法，包括：通过时序控制逻辑，控制开关器件SW3、开关器件SW4和开关器件SW5；
在电流源将要输出到OUTP端或者OUTN端之前，断开开关器件SW1和开关器件SW2，闭合开关器件SW3；
断开开关器件SW5，闭合开关器件SW4，启动电流源。
进一步的，通过闭合开关器件SW3将启动过程中的电流导向VCM端。
进一步的，当电流源的电压稳定后，闭合开关器件SW5使MOS管的栅极与电流源电连接，栅极电压建立到VBIAS电压。
进一步的，当检测到下个周期电流源不输出时，断开开关器件SW1和开关器件SW2，闭合开关器件SW3，之后断开开关器件SW5，再断开开关器件SW4。
本发明的有益效果：
增加电流源的关闭和开启控制电路。现有技术不管电流源是否贡献信号，都要保持电流源的开启，功耗是恒定的。本技术发明实现了在电流源无有效输出期间关闭电流源电路结构，达到了降低电路功耗的目的。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据现有技术的电流舵结构图；
图2示出了本发明的动态电流舵结构图；
图3示出了本发明的电流器件M2替代开关器件SW4的电流舵结构图；
图4示出了本发明的动态电流舵控制方法示意图；
图5示出了本发明的动态电流舵控制时序图；
图6示出了本发明的动态电流舵控制时序图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。
本发明实施例提供一种动态电流舵，参见图2，包括：开关器件SW4，所述开关器件SW4的一端与电流源电连接，所述开关器件SW4的另一端与所述MOS管的源极电连接；
MOS管的栅极设置有开关器件SW5，所述开关器件SW5的一端与电流源电连接，所述开关器件SW5的另一端与MOS管的栅极电连接；
在电流源MOS管的栅端添加开关器件SW5，用于屏蔽电流源开关对电流源偏置电压造成影响。关闭电流源之前，首先要断开SW5，确保该电流源的栅极和其他电流源断开。这样关闭该电流源虽然会导致该电流源栅极的波动，但是不会引起其他电流源栅极的波动。而开启电流源之前，则需要保持SW5处于断开状态，待该电流源的栅极电压恢复后，再连闭合SW5。因为该电流源在开关过程中，栅极没有充放电，只存在很少的漏电，所有漏电导致的栅极电压误差能够很快通过闭合的SW5，具有稳定该电流源的栅极控制电压的作用。
电流舵的输出OUTP端内设置有开关器件SW1，电流舵的输出OUTN端内设置有开关器件SW2，电流舵的输出端还设置有开关器件SW3。
具体地，所述开关器件SW3的一端与所述电流舵的输出端电连接，所述开关器件SW3的另一端与VCM端电连接。
由于关闭和开启电流源的过程中，会引入误差电流，所以需要在开启和关闭之前，通过SW3把输出连接到VCM端，VCM端具有收集影响性能的干扰电流的作用。
需要说明的是，目前，为了抑制噪音提高性能，通过增加第三个开关，将信号连接到VCM端，形成了三态DAC。该三态DAC拥有三个状态，状态1：电流输出到OUTP端，状态2：电流输出到OUTN端，状态3：无电流输出。比如当数字信号为4时，原本是4个电流源流向OUTP端，另外4个电流源流向OUTN端。由于实际有效输出信号为差分信号，也就是OUTP端电流减去OUTN端电流，这时输出差分信号为0。虽然输出信号为0，但是由于电流源是有噪声的，而噪声是不相关的随机信号，8路电流源的噪声会在输出端叠加。通过增加第三路开关，把不贡献有效输出信号的电流源通过开关器件SW3导通到VCM端。因此，当数字信号为4时，OUTP端电流源个数为0，OUTN端电流源个数也为0，因此没有电流源对输出端贡献噪声，从而大幅降低了噪声。但是电流的功率损耗仍然是存在的。
在一些可选的实施例中，参见图3，电流源Cs的一种实现方式是图3中的电流器件M1和电流器件M2，具体来说，本发明还包括：电流器件M2，所述电流器件M2源极与MOS管M1的漏极电连接，所述电流器件M2漏极与电流舵输出端电连接。
具体地，所述电流器件M2的栅极连接到GND端，其中，所述电流器件M2栅极与GND端之间设置开关控制开启或关断；
所述电流器件M2的栅极与V_CAS端电连接，所述电流器件M2栅极与V_CAS端之间设置开关控制开启或关断。
进一步的，所述电流器件M2的源极与电流器件M1的漏极电连接，所述电流器件M1的栅极通过开关器件SW5与VBIAS端电连接。
具体来说，为了能够降低功耗，需要把不贡献有效信号的电流源完全关闭，这样既可以降低噪声，还能降低功耗。然而采用直接关闭电流源会存在副作用，电流源的开启和关闭过程会干扰电流源的偏置电压，导致电流源的输出电流受到信号或者噪声干扰，最终导致严重的非线性或者噪声。电流器件M2既是原电流镜中的cascode器件，也被复用为电流开关，当电流器件M2的栅端连接到GND时，电流器件M2被关闭，从而关闭整个电流源。当电流器件M2的栅极被连接至V_CAS时，电流器件M2当做电流源的cascode器件工作。在本发明技术方案中，电流器件M2也起到关闭电流源的作用，与开关器件SW4起到一样的效果。
进一步的，所述开关器件SW3、开关器件SW4和开关器件SW5均采用时序逻辑控制器件。
基于同一发明构思，本发明还提供一种动态电流舵控制方法，参见图4，包括：通过时序控制逻辑，控制开关器件SW3、开关器件SW4和开关器件SW5；
在电流源将要输出到OUTP端或者OUTN端之前，断开开关器件SW1和开关器件SW2，闭合开关器件SW3；
断开开关器件SW5，闭合开关器件SW4，启动电流源。
进一步的，通过闭合开关器件SW3将启动过程中的电流导向VCM端。
具体地，在时序控制逻辑中，在电流源将要输出到OUTP端或者OUTN端之前，保持SW1/SW2断开，SW3闭合，SW5断开，然后闭合SW4，以启动电流源，此时由于SW3是闭合的，所以启动过程的电流将导向VCM端。
进一步的，当电流源的电压稳定后，闭合开关器件SW5使MOS管的栅极与电流源电连接，栅极电压建立到VBIAS电压。
在一些可选的实施例中，当检测到下个周期电流源不输出时，断开开关器件SW1和开关器件SW2，闭合开关器件SW3，之后断开开关器件SW5，再断开开关器件SW4。
具体来说，如果检测到下个周期该电流源不输出时，在开关器件SW1和开关器件SW2已经断开和开关器件SW3闭合后，通过时序逻辑控制器断开SW5,对VBIAS起到保护作用，然后断开开关器件SW4，从而关闭电流源，降低功耗。
在传统的电流舵DAC的电流源的基础上，在电流舵DAC中，要求每个电流保持稳定，所以VBIAS也应该保持稳定，不能受到干扰。在电流源的栅极添加开关器件SW5，在关闭电流源之前，或者电流源启动之前，先断开电流源栅极和偏置电压的连接。如果没有该栅极开关，那么该电流源关闭或者开启的时候，栅极电压变化会影响到其它电流源的栅极控制电压VBIAS，从而干扰到其它电流源的输出电流，最终影响到输出性能。输出电流等于VBIAS*gm。也就是说电流源的电流正比于VBIAS。
在电流源的电流通路中，添加开关器件SW4，用于切断电流源的电流，电流源可能有多个器件组成，在内部电路路径上任何一个位置添加开关器件SW4，都能起到关闭电流源的目的，都在本专利的保护范围内。该开关也可以复用电流源的CASCODE器件，或者复用开关器件SW3。只要能起到关闭电流源的作用即可。
参见图5和图6，本发明工作过程中的时序图进行说明，当逻辑检测到需要关闭该电流源后，在T1时刻，关闭开关器件SW1或SW2的同时，打开SW3，将电流源的输出到VCM端口，这样关闭电流源和开启电流源的导致的毛刺电流就不会输出到有效输出端口。开关器件SW1或SW2完全断开，开关器件SW3完全闭合后，在T2时刻，把开关器件SW5断开，确保接下来的开启关闭动作不会干扰到VBIAS电压。因为VBIAS电压是所有电流源的偏置电压，VBIAS电压的波动会影响到所有其他正在工作的电流源，减少VBIAS端的波动，才能是DAC达到所需要的性能。开关器件SW5完全关闭后，在T3时刻断开开关器件SW4，将电流源的电流通路完全切断，起到节省功耗的作用。该电流源关闭期间，保持开关器件SW1/SW2/SW5处于断开状态，开关器件SW3处于闭合状态。逻辑检测到该电流源需要开启时，依然是首先保持开关器件SW1/SW2/SW5处于断开状态,开关器件SW3处于闭合状态，在T4时刻，闭合开关器件SW4，接通电流源的电流通路，使电流源处于工作状态。依赖于MOS管M1的栅端保持的电荷，电流源开启后，MOS管M1栅端电压将快速自动恢复至接近VBIAS的电压。等待M1栅端的电压完全建立后，在T5时刻将开关器件SW5闭合，使得M1的栅端电压完全等于VBIAS电压，M1的电流处于完全正确的电流大小。在T6时刻，断开开关器件SW3，同时更加数字控制信号，开启开关器件SW1和SW2中的一个，电流源处于正常输出信号状态。需要说明的是，上述开关器件经过同样具有开关功能的电子器件如：N型P型MOS管、IGBT、晶闸管等实现本功能均属于本发明保护范围。
该电流源除了控制电流输出到电流舵DAC输出端(OUTP或者OUTN)的开关器件以外，还需要一个将电流舵DAC电流输出到VCM端口的开关器件SW3，VCM端口的作用是把电流源在启动或者关闭过程中产生的干扰电流引流，使得电流源能够正常建立，同时不会影响到电流舵DAC输出端的性能。
本发明通过增加电流源的关闭和开启控制电路。现有技术不管电流源是否贡献信号，都要保持电流源的开启，功耗是恒定的。本技术发明实现了在电流源无有效输出期间关闭电流源电路结构，达到了降低电路功耗的目的。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种动态电流舵，其特征在于，包括：开关器件SW4，所述开关器件SW4的一端与电源VDD或者接地端GND电连接，所述开关器件SW4的另一端与所述MOS管的源极电连接；
MOS管的栅极设置有开关器件SW5，所述开关器件SW5的一端与电流源电连接，所述开关器件SW5的另一端与MOS管的栅极电连接；
电流舵的输出OUTP端内设置有开关器件SW1，电流舵的输出OUTN端内设置有开关器件SW2，电流舵的输出端还设置有开关器件SW3。
2.根据权利要求1所述的电流舵，其特征在于，所述开关器件SW3的一端与所述电流舵的输出端电连接，所述开关器件SW3的另一端与VCM端电连接。
3.根据权利要求1或2所述的电流舵，其特征在于，包括：电流器件M2，所述电流器件M2源极与MOS管M1的漏极电连接，所述电流器件M2漏极与电流舵输出端电连接。
4.根据权利要求3所述的电流舵，其特征在于，包括：所述电流器件M2的栅极连接到GND端，其中，所述电流器件M2栅极与GND端之间设置开关控制开启或关断；
所述电流器件M2的栅极与V_CAS端电连接，所述电流器件M2栅极与V_CAS端之间设置开关控制开启或关断。
5.根据权利要求4所述的电流舵，其特征在于，包括：所述电流器件M2的源极与电流器件M1的漏极电连接，所述电流器件M1的栅极通过开关器件SW5与VBIAS端电连接。
6.根据权利要求3所述的电流舵，其特征在于，所述开关器件SW3、开关器件SW4和开关器件SW5均采用时序逻辑控制器件。
7.一种动态电流舵控制方法，其特征在于，包括：通过时序控制逻辑，控制开关器件SW3、开关器件SW4和开关器件SW5；
在电流源将要输出到OUTP端或者OUTN端之前，断开开关器件SW1和开关器件SW2，闭合开关器件SW3；
断开开关器件SW5，闭合开关器件SW4，启动电流源。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，包括：通过闭合开关器件SW3将启动过程中的电流导向VCM端。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，包括：当电流源的电压稳定后，闭合开关器件SW5使MOS管的栅极与电流源电连接，栅极电压建立到VBIAS电压。
10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，包括：当检测到下个周期电流源不输出时，断开开关器件SW1和开关器件SW2，闭合开关器件SW3，之后断开开关器件SW5，在断开开关器件SW4。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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