CN1829063A - 用于高速数模转换器中电流源开关的电压限幅器 - Google Patents

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Abstract

一种用于高速数模转换器中电流源开关的电压限幅器，属于电气装置领域，该限幅器由一个PMOS管和一个NMOS管相连接组成的类反相器，以及插在这个类反相器中的另一个NMOS管和一个标准反相器组成。当采用本发明限幅器电路后，能有效减小输出信号的毛刺，从而能明显改善输出信号的SNR。提高了高速数模转换器的总体性能。

Description

用于高速数模转换器中电流源开关的电压限幅器
技术领域
本发明属于电气装置领域，特别涉及到应用于高速数模转换器(DAC)中电流源开关的电压限幅器装置，统属CMOS集成电路范畴。
背景技术
电流开关型DAC是数模转换器中的一种类型。高速数模转换器多采用这种结构。这种数模转换器的原理是，根据输入数码值的大小，将相应数量的单位电流源的开关打开，将这些电流汇总到一个电阻上，完成电流-电压的转换，从而完成数字到模拟的转换。首先，输入的二进制数码经过译码器，译码器以某种译码方式将二进制码译为温度计码和原码。这些码去控制相应电流源的开关。但是因为译码延时不同，这些码需要经同步器(LATCH)同步，同步后的码再经过缓冲器(BUFFER)，最终作为开关控制信号作用在电流源的开关上。典型的电流开关型数模转换器结构如图1所示；
但是由于转换器的工作频率可达几百M赫兹，高速变化的开关控制信号作用到电流开关上，会通过开关的寄生电容在数模转换器输出曲线上引起毛刺，这称为“时钟贯通”。毛刺会引起电流开关型数模转换器动态性能(SNR等)的恶化。时钟贯通效应的大小和“时钟”(在电流开关型数模转换器里开关控制信号不是时钟，但效果和时钟一样)的频率和幅值大小有关。频率越大、幅值越高，则毛刺越大。电流开关型数模转换器设计中，开关控制信号的频率是不可降低的，为减小输出毛刺，可行的办法就是限制开关控制信号的幅度，只要使其能正常关断电流镜的开关即可，由此也体现了对限幅器的需求。
但是，目前大多开关电流型DAC为了简便，仅用普通的反相器作为锁存器(LATCH)和电流镜开关之间的BUFFER，其电路如图2所示；
图中表示，电路最左和最右两部分是反相器，中间是LATCH。LATCH的输入为D和 D，输出是两个反相的信号。这两个反相的信号经过左右两个反相器缓冲输出，即Q和 。这个电路输出的开关控制信号Q和 Q的幅值是0～VDD，这样大的电压范围会造成DAC输出毛刺增大。因而是不可选的。
与此同时，也有些电路采用限幅电路，结构如图3所示；
该图中表示，左边部分为LATCH，中间部分为限幅电路，最右为电流源和开关。电流源由两个cascode结构的NMOS管组成。每个NMOS管的栅极由电流镜提供偏置。电流源上的两个对称的NMOS管就是电流开关。它们的栅极连到开关控制信号。每个LATCH输出两个反相的信号，两个反相信号就连到这对对称的NMOS开关管上。所以每一时刻，电流镜的电流流向两个电阻中的一个。具体流向由开关控制信号控制。
该限幅器是属于下限幅，即输出高电平为电源电压，低电平却不等于地电平。限幅器还可以是上限幅，即输出高电平不等于电源电压，低电平等于地电平。上限幅还是下限幅取决于电流镜和电流开关的类型，如果它们都是如上图所示属于NMOS的类型，那么限幅器该是下限幅；如果它们是PMOS的，则该是上限幅。对于LATCH输出的两个反相信号，上图中只画出其中一个的后续限幅器，另一个因为情况一致，所以省略。
限幅器在限幅的同时也起到BUFFER的作用。该限幅器输出的高电平为VDD，低电平被限制在VB+Vt附近，其中VB是限幅器中间PMOS管的栅极电压，Vt是PMOS管的阈值。因为限幅器的输出电平降低到这个电压时，PMOS管关断。该电路结构虽能限幅，但这种结构的缺陷在于限幅器输出的控制信号的跳变沿很缓慢，因为限幅器的输出越接近于VB+Vt，PMOS管的Vgs越小，从而限幅器的下拉电流也越小。因而这种电路也是不理想的。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是，针对已有技术中在高速数转换器中，由于开关寄生电容在该转换器输出曲线产生毛刺，为消除毛刺的几种电路结构都不能理想的对毛刺消除，或不能给出跳变沿陡的控制信号曲线。为了克服这些诸多不足之处，就需要重新设计一种限幅器电路，本发明的目的在于提供一种用于高速数模转换器中电流源开关的电压限幅器，以产生幅值小、跳变沿陡的控制信号。为实现本发明的目的，所采用的技术方案是，一种用于高速数模转换器中电流源开关的电压限幅器，其特征在于：该限幅器由一个PMOS管和一个NMOS管相连接组成的类反相器，以及插在这个类反相器中的另一个NMOS管和一个标准反相器组成。
本限幅器和前面所述的限幅器相反，该限幅器为上限幅电路，因为其应用中的电流源是PMOS型的。电路输出的低电平为0，高电平为图中反相器的阈值。反相器的阈值可以通过设计反相器尺寸进行调整。假设某一时刻输入信号IN为VDD，则输出OUT为0。OUT经反相器反相，所以MN1栅极上的电平为电源电压。也就是说此时MN1是打开的。过了一段时刻，IN逐渐由VDD变为0电平，这一过程中，MP1逐渐打开，而MN1本来就是打开的，所以有充电电流流向OUT节点，引起该节点电压上升。一旦OUT电压超过反相器阈值，MN1的栅极电压迅速降为0V，从而OUT停止上升。和上面所列限幅器相比，本设计中的输出电压跳变速度要更快一些。因为MN1上的电平在初期一直都是VDD，所述电路中限制输出电压幅度的NMOS管的Vgs开始具有一个较大数值，而后该Vgs又能快速减小。因为跳变速度快，所以该限幅器可以应用在更高速的电流开关型数模转换器中。
本发明的有益效果是，当采用本发明限幅器电路后，能有效减小输出信号的毛刺，从而能明显改善输出信号的SNR。提高了高速数模转换器的总体性能。
附图说明
图1为已有曲型的电流开关型数模转换器电路结构图；
图2为采用反相器作为锁存器，无限幅器的电路结构图；
图3为以往的采用限幅电路的电流开关，控制信号电路图；
图4为本发明所述限幅器电路图；
图5为DAC输入为正弦数码时未限幅的输出信号波形图；
图6为DAC输入为正弦数码时有限幅的输出信号波形图；
图7为将本发明方案，应用于高速数模转换器中电流源开关电路结构图。
具体实施方式
图1-3表示已有技术电路。
参照图4，表示本发明技术方案中所述限幅器电路，用于高速数模转换器中电流源开关的电压限幅器，该限幅器由一个PMOS管和一个NMOS管相连接组成的类反相器结构、以及插在这个类反相器中的另一个NMOS管和一个标准反相器组成。由附图5与附图6所表现的不同曲线可见，当DAC的输入为正弦数码，则未限幅前存在毛刺的输出信号波形如附图5所示，而附图6则是限幅后的输出波形，已消除了毛刺。
参照图7，将本发明方案应用于高速数模转换器中的电流源开关电路的具体结构图。
图中电压限幅器的输入端IN接前面同步器(已省略)的输出，限幅器输出接电流源开关管PM4的栅极。

Claims (2)

1.一种用于高速数模转换器中电流源开关的电压限幅器，其特征在于：该限幅器由一个PMOS管和一个NMOS管相连接组成的类反相器，以及插在这个类反相器中的另一个NMOS管和一个标准反相器组成。
2.如权利要求1所述的用于高速数模转换器中电流源开关的电压限幅器，其特征在于：所述电路中限制输出电压幅度的NMOS管的Vgs开始具有一个较大数值，而后该Vgs又能快速减小。
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