CN1809962B

CN1809962B - 高分辨率数字模拟转换器装置

Info

Publication number: CN1809962B
Application number: CN028217128A
Authority: CN
Inventors: F·罗格; R·-R·施勒德兹
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2001-10-29
Filing date: 2002-07-18
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2022-07-18
Also published as: DE10153309A1; US6995700B2; WO2003039005A2; US20050062629A1; WO2003039005A3; CN1809962A; DE10153309B4

Abstract

一种被用于将数字输入信号(D)转换为模拟输出信号(A)的目的之数字模拟转换器装置(DAC)包括第一单元(F1、F2)、两数字模拟转换器(DAC1、DAC2)及第二单元(K1、K2)，它们系以上述顺序连续连接。由该数字输入信号(D)，在预先指定范围内的数字中间信号(D1、D2)被产生，它们被转换为模拟中间信号(A1、A2)，由此该模拟输出信号(A)可经由线性组合得到。

Description

高分辨率数字模拟转换器装置

技术领域

本发明系关于一种高分辨率数字模拟转换器装置，该数字模拟转换器装置系基于两数字模拟转换器，其分辨率低于该数字模拟转换器装置的分辨率。

背景技术

数字模拟转换器(DAC)的一重要品质特征为其分辨率。然而，该分辨率亦为数字模拟转换器的制造成本的显著因素。基于此原因，当发展数字模拟转换器时，目的为以此发展所需的少数目的组件及以在集成电路实施的小面积要求达到高分辨率，此外，在操作时的数字模拟转换器的功率损失必须尽可能低。

已知数位模拟转换器的一类包括二进制制权重的数字模拟转换器。做为实例，它们可基于R-2R网络。此种数字模拟转换器特点在于特别少数目的组件。然而，非常高的需求必须被置于个别电阻器的品质以避免非线性。此促使在集成电路的大面积要求。而且，其有时候必须在该R-2R网络校正电阻器。

已知数位模拟转换器的另一类包括分割的数字模拟转换器。做为实例，分割的数字模拟转换器系基于一连串的2^分辨率-1个相等电阻器，且所讨论的该分割的数字模拟转换器的分辨率以位被订定。分割的数字模拟转换器具非常高的微分线性及特征的确保单调。分割的数字模拟转换器的缺点为需要非常大数目的电阻器及随分辨率指数增加的面积要求。基于此原因，分割的数字模拟转换器不合适用于得到高分辨率。

此外，已知实务为使用数字信号处理(如使用噪声整形器)增加数字模拟转换器的分辨率，然而，此种数字信号处理为非常复杂的。噪声整形器亦具它们的极限环会引起不欲的干扰信号之缺点，此外，进行由噪声整形器所执行的高传输过滤的量化噪声需要该输出信号的后续模拟低传输过滤。在此情况下，该模拟低传输过滤器必须具高度线性使得高传输过滤的量化噪声不会经由互调转换为有用的频带。噪声整形器的另一缺点为由该噪声整形器及由该模拟低传输过滤器所引起的额外功率损失。

因此本发明目的为提供一种数字模拟转换器装置，其可被使用以得到需要小的面积要求及少数目的组件之高分辨率。

发明内容

本发明所基于的目的系由独立权利要求的特征达到，有利发展及细节被订定于子权利要求。

根据本发明的数字模拟转换器装置被用于数字输入信号成为模拟输出信号的线性转换。该数字模拟转换器装置具至少两数字模拟转换器，连接于该至少两数字模拟转换器上游的是用于范围集中的第一单元，该第一单元的输入侧系以数字输入信号馈入，该第一单元施用个别数字中间信号(其为第一单元个别自该数字输入信号产生)于在该至少两数字模拟转换器上的输入。该数字中间信号被产生使得它们系在预先指定的范围内。此外，本发明数字模拟转换器装置包括第二单元，其系连接于该至少两数字模拟转换器的下游，该第二单元的输入系以来自在该至少两数字模拟转换器装置的输出的模拟中间信号馈入，由该数字模拟转换器装置的模拟输出信号可在该第二单元的输出被分流。该第二单元藉由形成该模拟中间信号的线性组合产生该模拟输出信号。

本发明数字模拟转换器装置的基本优点为其可被使用以得到较该至少两数字模拟转换器的分辨率为高的该模拟输出信号的分辨率。在分辨率的增加系基于数字信号处理的组合，其较佳为非线性的、及线性模拟信号处理。

对特别分辨率而言，本发明数字模拟转换器装置需要远较如具相同分辨率的二进制制权重的数字模拟转换器所需要的面积为小的面积，此小空间要求的理由为存在组件相同的较小需求。与一些二进制制权重的数字模拟转换器相反，本发明数字模拟转换器装置不需任何组件校正。

本发明数字模拟转换器装置所需以得到高分辨率的组件数目远小于在具相同分辨率的经分割数字模拟转换器，组件数目越小同样地产生在集成电路的较小面积要求及在寄生电容的减少，其同样地增加该数字模拟转换器装置的信号频宽。

本发明数字模拟转换器装置的另一优点为在信号路径需要较小数目的开关，此减少数字信号的电容隔线干扰，其必然允许取样速率可被增加。

与噪声整形器的使用相反，本发明数字模拟转换器装置的使用允许增加的分辨率及较低的功率消耗、较小的面积需求及不需额外模拟低传输过滤器及不具任何干扰的极限环。

在本发明的一特佳有利细节中，在该第一单元的非线性信号处理被使用以产生锯齿状数字中间信号，此可特别是使用极限值侦测器完成。该锯齿状结构使得集中该数字中间信号至指定范围为一件简单的事。

该数字中间信号的锯齿状结构具相等步阶长度，此外，在该锯齿状结构的信号上升同时开始。

若该至少两数字模拟转换器具不同增益及/或不同分辨率亦为有利的。

本发明的另一有利细节特征在于对该至少两数字模拟转换器的每一，该第二单元具一种放大器以放大由该个别数字模拟转换器所输出的该模拟中间信号及特征在于特别是该放大器具不同增益因子。较佳为，差及/或和系由以此方式放大的该模拟中间信号所形成。

为对本发明数字模拟转换器装置得到尽可能高的分辨率，特别有利为设计该至少两数字模拟转换器使得两个别数字模拟转换器的增益比值约略为一整数，及特别是约略等于一。

此外，该至少两数字模拟转换器的参考电压可有利地被选择为不同的。在此情况下，该参考电压为需要的以转换一数字信号为一模拟信号。

若该至少两数字模拟转换器系个别地基于电阻器串，其可能使用不同数目的串联连接的电阻器产生该至少两数字模拟转换器的不同分辨率。

或者，该至少两数字模拟转换器可有利地基于共同的电阻器串。

较佳为，该数字输入信号具较高有效位及较低有效位，此外，该第一单元具许多加成器以产生每一数字中间信号，第一数字中间信号由将该较高有效位加至该较低有效位而产生，及第二数字中间信号由将该较高有效位加至该倒反较低有效位而产生。产生该数字中间信号的方式具其使得该数字中间信号采用锯齿状形状之优点，此使得其不必要，做为实例，将极限值侦测器整合至该数字模拟转换器装置以集中该数字中间信号的范围。

特别有利为提供该至少两数字模拟转换器及该第一及第二单元于共同基材上，做为实例，本发明数字模拟转换器装置可使用CMOS(互补金属氧化物半导体)技术被制造。

本发明方法被使用于数字输入信号成为模拟输出信号的线性转换。为达此目的，该数字输入信号先被使用以产生两数字中间信号，该数字中间信号被产生使得他们不会超过指定范围。接着，该数字中间信号被转换为模拟中间信号，该模拟输出信号经由该模拟中间信号的线性组合而产生。

对数字模拟转换，本发明方法较习知方法的一重要优点为使用本发明方法所得到的分辨率较该数字中间信号成为该模拟中间信号的数字模拟转换的分辨率为高。结果，本发明方法可被使用以特别不昂贵地得到高分辨率。

附图说明

本发明藉由实例及参考图标被详细叙述于下，其中：

第1图标出本发明数字模拟转换器装置的原则之图标说明；

第2图标出转换特性以说明本发明数字模拟转换器装置的原则；

第3图标出本发明数字模拟转换器装置的第一示例具体实施例的图标说明；

第4图标出本发明数字模拟转换器装置的第二示例具体实施例的图标说明；

第5图显示该第二示例具体实施例的转换特性；

第6图标出本发明数字模拟转换器装置的第三示例具体实施例的图标说明；

第7图显示该第三示例具体实施例的转换特性；及

第8图显示产生数字中间信号的电路之图标。

具体实施方式

第1图图标地显示本发明数字模拟转换器装置所基于的原则，数字输入信号D于数字模拟转换器DAC被线性地转换为模拟输出信号A。在此情况下，该数字输入信号D一般为二进数及该模拟输出信号A为正比于所讨论二进数的电压，该比例因子以LSB(最低有效位)表示及对应于与该最低有效位相关的电压。所以下列方程式施用：

A＝LSB*D (1)

当该模拟输出信号A对该数字输入信号D绘制时，该数字模拟转换器DAC的结果因而为一直线，其梯度由该比例因子LSB提供。所以该比例因子LSB订定该数字模拟转换器DAC的增益。第1图绘制三个不同数字模拟转换器DAC、DAC1及DAC2的该转换特性DAC、DAC1及DAC2，该转换特性由比例因子LSB、LSB1及LSB2特征化。做为实例，该比例因子LSB、LSB1及LSB2具值1毫伏特、3毫伏特及4毫伏特。

该数字模拟转换器DAC、DAC1及DAC2已以相同参考符号被提供做为它们的个别转换特性DAC、DAC1及DAC2而被提供。此实施为合理的，因为该数字模拟转换器DAC、DAC1及DAC2明显地由它们的个别转换特性DAC、DAC1及DAC2特征化。

该转换特性DAC可由自该转换特性DAC2减去该转换特性DAC1而产生，若该转换特性DAC1及DAC2具加常数应用于它们(对两转换特性DAC1及DAC2此加常数为相同的)及因此在A轴的方向位移相同的量，上述亦可适用。减去该两转换特性DAC1及DAC2结果允许无论该加常数(对转换特性DAC1及DAC2加常数为相同的)的值，该转换特性DAC可被得到。为说明此事实，第1图显示经位移的转换特性DAC1’及DAC2’、DAC1”及DAC2”及亦DAC1’”及DAC2’”，在个别对中该转换特性具相同加常数。在此内文中，具相同加常数的该转换特性形成个别束B、B’、B”或B’”。

因为在关于共同加常数的该转换特性DAC2及DAC1间的差的上述不变性其可能在不同束B、B’、B”或B’”之间突升以产生该转换特性DAC。做为实例，第1图显示转换特性系当束B被用于点P0及P1之间，束B’被用于点P1及P2之间，束B”被用于点P2及P3之间时得到，及束B’”被用于点P3及P4之间，此方法具当他们被用于产生该转换特性DAC，该转换特性DAC仅由在该模拟输出信号A的范围I的束形成之优点。

第2A及2B图藉由实例再次显示上述实务。第2A图显示该原先转换特性DAC1及DAC2，其形成该束B，及亦显示由此产生的该转换特性DAC。在第2B图中，该转换特性DAC系来自该束B及来自在A方向对该束B平行偏移的束。由该转换特性DAC1、DAC1’、DAC1”等的该转换特性可由BDAC1表示，据此，由该转换特性DAC2、DAC2’、DAC2”等所得到的该转换特性可由BDAC2表示。结果，该转换特性DAC在该数字输入信号D的32个不同数值的范围具32个不同电压值以用于其模拟输出信号A，然而该转换特性BDAC1及BDAC2仅分别需要4及11个不同的模拟电压值，以产生该转换特性DAC。在此之后为具该转换特性DAC及具分辨率5位的该数字模拟转换器系由两分别具分辨率2位及4位的数字模拟转换器形成。

所以，如上所述，该两数字模拟转换器DAC1及DAC2产生具较该数字模拟转换器DAC1及DAC2的分辨率为高的分辨率之该数字模拟转换器DAC，该转换特性DAC1及DAC2有利地具不同梯度。

第3图以图标说明的形式显示出本发明数字模拟转换器装置DAC的第一示例具体实施例，该数字模拟转换器DAC包括数字模拟转换器DAC1及DAC2、单元F1及F2以进行数字信号处理、单元K1及K2以进行模拟信号处理、及一加法器ADD。数字输入信号D馈送至该单元F1及F2，于此该数字输入信号D被处理，特别是以非线性基准，及接着以数字中间信号D1及D2的型式被馈至该数字模拟转换器DAC1及DAC2。接着为数字模拟转换，由此得到的模拟中间信号A1及A2以模拟型式由该单元K1及K2被进一步处理及由该加法器ADD相加，该加法器ADD的输出输出模拟输出信号A。

数学地，本发明数字模拟转换器装置DAC的运算可被叙述于下，该数字输入信号D进行，特别是，非线性函数F1及F2，所得数字中间信号D1及D2使用比例因子LSB1及LSB2转换为模拟电压，及由此得到的模拟中间信号A1及A2被使用以形成具系数k1及k2的线性组合，其结果表示该模拟输出信号A。此可摘要为如下的数学方程式：

A＝k1*LSB1*f1(D)+k2*LSB2*f2(D) (2)

在方程式(2)的两被加数的其中一亦可具负的数学符号，此表示减法为总结果。在此内文中，做为实例，该负的数学符号可由系数k1或k2或由函数f1或f2提供。

先前提及方法(根据此该转换特性DAC1及DAC有利地具不同梯度)可使用不同系数k1及k2或使用不同比例因子LSB1及LSB2或使用该数字模拟转换器DAC1及DAC2的不同参考电压被实施。

为产生”平滑的”转换特性DAC，特别重要的是在该转换特性BDAC1及BDAC2内彼此同步个别发生(例如在第2B图所示)的该步阶位准精确地相符。否则，该结果在该转换特性DAC为不连续。为达到此目的，特别有利地为该两数字模拟转换器DAC1及DAC2来自相同电路结构。若该数字模拟转换器DAC1及DAC2系基于串联连接电阻器，较有利为使用共同电阻器串于该两数字模拟转换器DAC1及DAC2，在该电阻器串的可能误差因而再次被抵销。

第4图显示本发明数字模拟转换器装置DAC的第二示例具体实施例之示意图，本第二示例具体实施例强化第3图所示的第一示例具体实施例。在该第二示例具体实施例，在所得数字中间信号D1及D2馈入该数字模拟转换器DAC1及DAC2的输入前，函数C1及C2在加法器ADD1及ADD2被加至该数字输入信号D，函数c1及c2在单元C被产生。做为实例，函数c1及c2可为阶梯函数，该阶梯函数确保该转换特性BDAC1及BDAC2系在特定范围内。连接于该数字模拟转换器DAC1及DAC2下游的是具运算放大器OP及电阻器R1、R2、R3及R4之减法器SUB。该电阻器R1、R2、R3及R4的尺寸之合适选择允许系数k1及k2可在本示例具体实施例被设定。

该第二示例具体实施例的可能转换特性DAC(其转换特性系来自该转换特性BDAC1及BDAC2)被示于第5图。

第6图显示本发明数字模拟转换器装置DAC的第三示例具体实施例之示意图，该第三示例具体实施例与第4图所示的第二示例具体实施例不同在于为形成该模拟输出信号A，该数字模拟转换器DAC1及DAC2具加法器ADD3，其具运算放大器OP及电阻器R1、R2及R3连接于它们下游。藉由提供电阻器R1、R2及R3的合适比例，规定该系数k1及k2为可能的。

该第三示例具体实施例的可能转换特性DAC(其转换特性系来自该转换特性BDAC1及BDAC2)被示于第7图。

第8图显示可被用来自该数字输入信号D产生该数字中间信号D1及D2的电路之图标，为达此目的，该数字输入信号D馈送至两单元F1及F2以进行数字信号处理，该单元F1或F2包括加法器ADD11，...，ADD18或ADD21，...，ADD28。该数字13-位信号D被分为两数字信号成分，每一包含较高有效位B5，...，B12及较低有效位B0，...，B4。位B0，...，B12分别馈入在加法器ADDxy(其中x＝1，2及y＝1，...，8)的输入A及B。加法器ADD11，...，ADD18将该较高有效位B5，...，B12加至该较低有效位B0，...，B4及因而产生该数字中间信号D1。加法器ADD21，...，ADD28将该较高有效位B5，...，B12加至该个别倒反较低有效位B0，...，B4及因而产生该数字中间信号D2。为达此目的，该加法器ADD21，...，ADD25的输入B具连接于它们上游的个别倒反器INV21，...INV25。若在二进制制加法期间产生载波，则它们在加法器ADDxy的输出CO被输出，该加法器ADDxy的输出CO系连接至在加法器ADDx(y+1)的输入CI，当偏离此时，在加法器ADDx1的输入CI具逻辑值零0施用于它们，及该加法器ADDx8的输出CO系连接至该单元F1及F2的输出。

该加法器ADDxy相加被施用于其输入A、B及CI的值，所计算和在输出S被输出。若加法产生下一有效位的载波，该载波经由输出CO前馈至该加法器ADDx(y+1)，加法器并入载波于加法中，在该输出S及在该加法器ADDx8的输出CO被输出的位Dxz(其中x＝1，2及z＝0，...，8)在该单元F1及F2的每一产生数字9-位中间信号D1或D2，该数字中间信号D1及D2为来自该单元F1及F2的输出信号。

第8图所示电路的优点为其可被使用以产生满足该数字中间信号D1及D2的本发明范围限制的数字中间信号D1及D2，结果，本发明电路传送具锯齿型结构的数字中间信号D1及D2。此结果可仅由依所示连接该加法器ADDxy而得到及不需极限值侦测器的协助。

Claims

1.一种数字模拟转换器装置(DAC)被用于数字输入信号(D)成为模拟输出信号(A)的线性转换，其具

-至少两数字模拟转换器(DAC1、DAC2)，

-第一单元(F1、F2)，其系连接于该至少两数字模拟转换器(DAC1、DAC2)上游及为一种型式使得其以来自数字输入信号(D)的数字中间信号(D1、D2)馈入在该至少两数字模拟转换器(DAC1、DAC2)的输入侧，及使得该数字中间信号(D1、D2)系在预先指定的范围(I)内，及

-第二单元(K1、K2、ADD)，其系连接于该至少两数字模拟转换器(DAC1、DAC2)的下游，及为一种型式使得其由模拟中间信号(A1、A2)的线性组合形成该模拟输出信号(A)，所述模拟中间信号(A1、A2)可在该至少两数字模拟转换器(DAC1、DAC2)的输出分流，

其特征在于，

-该第一单元(F1、F2)经由该数字输入信号(D)的非线性数字信号处理产生该数字中间信号(D1、D2)，及

-该第一单元(F1、F2)产生锯齿状数字中间信号(D1、D2)。

2.根据权利要求第1项的数字模拟转换器装置(DAC)，

其特征在于，

该第一单元(F1、F2)是使用极限值侦测器产生该锯齿状数字中间信号(D1、D2)。

3.根据权利要求第1项的数字模拟转换器装置(DAC)，

其特征在于，

-该至少两数字模拟转换器(DAC1、DAC2)具不同增益及/或不同分辨率。

4.根据权利要求第1项的数字模拟转换器装置(DAC)，

其特征在于，

-对每一该至少两数字模拟转换器(DAC1、DAC2)，该第二单元(K1、K2、ADD)具一种放大器以放大其模拟中间信号(A1、A2)。

5.根据权利要求第4项的数字模拟转换器装置(DAC)，

其特征在于，

该放大器具不同增益因子。

6.根据权利要求第4项的数字模拟转换器装置(DAC)，

其特征在于，

-该第二单元(K1、K2、ADD)系为一种形式使得其形成该放大的模拟中间信号的差及/或和。

7.根据权利要求第2至6项中一项的数字模拟转换器装置(DAC)，

其特征在于，

-两个别数字模拟转换器(DAC1、DAC2)的增益比值为一整数。

8.根据权利要求第2至6项中一项的数字模拟转换器装置(DAC)，

其特征在于，

-两个别数字模拟转换器(DAC1、DAC2)的增益比值等于一。

9.根据权利要求第1至6项中一项的数字模拟转换器装置(DAC)，

其特征在于，

-该至少两数字模拟转换器(DAC1、DAC2)具不同的参考电压。

10.根据权利要求第1至6项中一项的数字模拟转换器装置(DAC)，

其特征在于，

-该至少两数字模拟转换器(DAC1、DAC2)系基于串联连接的电阻器之原则，且该至少两数字模拟转换器(DAC1、DAC2)具不同数目的串联连接的电阻器。

11.根据权利要求第1至6项中一项的数字模拟转换器装置(DAC)，

其特征在于，

-该至少两数字模拟转换器(DAC1、DAC2)系基于串联连接的电阻器之原则及具共同的电阻器串。

12.根据权利要求第1至6项中一项的数字模拟转换器装置(DAC)，

其特征在于，

-该至少两数字模拟转换器(DAC1、DAC2)、该第一单元及该第二单元系整合于共同基材上。

13.一种数字输入信号(D)成为模拟输出信号(A)的线性转换之方法，其具下列方法步骤：

(1)第一数字中间信号(D1)及第二数字中间信号(D2)系经由该数字输入信号(D)的数字信号处理而产生，及该两数字中间信号(D1、D2)被产生使得它们在预先指定的范围(I)内；

(2)该第一数字中间信号(D1)进行数字模拟转换以得到第一模拟中间信号(A1)，及该第二数字中间信号(D2)进行数字模拟转换以得到第二模拟中间信号(A2)；及

(3)该模拟输出信号(A)系由该两模拟中间信号(A1、A2)的线性组合形成。

其特征在于，

-该两数字中间信号(D1、D2)系经由该数字输入信号(D)的非线性数字信号处理而产生，及

-该两数字中间信号(D1、D2)为锯齿状。

14.根据权利要求第13项的方法，

其特征在于，

-该两数字中间信号(D1、D2)使用不同增益及/或使用不同分辨率被转换为该两模拟中间信号(A1、A2)。

15.根据权利要求第13项的方法，

其特征在于，

-方法步骤(3)包括该两模拟中间信号(A1、A2)被放大。

16.根据权利要求第15项的方法，

其特征在于，

-该两模拟中间信号(A1、A2)被放大是通过使用不同增益因子而完成。

17.根据权利要求第15项的方法，

其特征在于，

-方法步骤(3)包括该两经放大模拟中间信号(A1、A2)的和及/或差被形成。

18.根据权利要求第14至17项中一项的方法，

其特征在于，

-在该数字模拟转换期间，该两数字中间信号(D1、D2)的增益比值为一整数。

19.根据权利要求第14至17项中一项的方法，

其特征在于，

-在该数字模拟转换期间，该两数字中间信号(D1、D2)的增益比值等于一。

20.根据权利要求第13至17项中一项的方法，

其特征在于，

-该两数字中间信号(D1、D2)的数字模拟转换系使用不同的参考电压执行。

21.根据权利要求第13至17项中一项的方法，

其特征在于，

-该两数字中间信号(D1、D2)的数字模拟转换系使用基于串联连接的电阻器之原则且具不同数目的串联连接的电阻器之数字模拟转换器(DAC1、DAC2)而执行。

22.根据权利要求第13至17项中一项的方法，

其特征在于，

-该两数字中间信号(D1、D2)的数字模拟转换系使用基于串联连接的电阻器之原则且具共同电阻器串之数字模拟转换器(DAC1、DAC2)而执行。