[發(fā)明專利]非對稱電流源陣列的開關(guān)序列的生成方法、裝置及其應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110457915.1
• 申請日: 2011-12-30
• 公開（公告）號: CN102522993A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李學(xué)清;楊華中;喬飛;魏琦;劉偉航
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: H03M1/66
• 分類號: H03M1/66
• 代理公司: 北京路浩知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電流舵型數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital?to?Analog?Converter，DAC)(簡稱電流型DAC)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種非對稱電流源陣列的開關(guān)序列的生成方法、裝置及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著信號處理技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字信號和模擬信號之間的接口技術(shù)成為制約數(shù)模混合系統(tǒng)的瓶頸。為了滿足高速高精度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換要求，DAC和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog?to?Digital?Converter，ADC)需要達(dá)到盡可能高的速度和精度。在現(xiàn)代高速DAC中，電流型DAC成為廣大工程師的首選結(jié)構(gòu)，因為它可以直接驅(qū)動阻性負(fù)載，并且具有較快的速度。

常見的電流型DAC結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括以下幾個部分：輸入數(shù)字信號譯碼模塊(Decoder)、開關(guān)模塊(Switches)、電流源陣列(Current?Sources)。其中，輸入數(shù)字信號譯碼模塊用于將輸入的數(shù)字信號進(jìn)行譯碼和再處理，使得輸出的信號可以直接作為開關(guān)模塊的控制信號。開關(guān)模塊在控制信號的作用下將電流源陣列輸出的電流引導(dǎo)到正輸出端IOUTP或者負(fù)輸出端IOUTN，這兩個輸出端中的任一個輸出都可以作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出，也可以使用這兩個輸出端的差值作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出。

在實現(xiàn)中，電流源陣列通常組成一個二維陣列，置于一塊芯片上。陣列中，每一個電流源的電流大小通常設(shè)計成相同，輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成溫度計編碼后的控制信號以控制每一個電流源的電流流向：或到正輸出端，或到負(fù)輸出端。常見的電流源陣列可以分為對稱陣列和非對稱陣列兩種。如圖2、圖3所示為非對稱的電流源陣列。圖中每一個格子代表一個電流源。

在數(shù)模轉(zhuǎn)換器工作時，隨著輸入數(shù)字信號越來越大，越來越多的電流源被引導(dǎo)到正輸出端，從而使正輸出端及差分輸出時的輸出電流跟隨輸入的變化也越來越大。在理想情況下，輸出電流嚴(yán)格正比于輸入的數(shù)字信號。但是在實現(xiàn)電路中，由于各種非理想因素的存在，電流源陣列中的每一個電流源的電流值都與其設(shè)計值存在一定的偏差。這種偏差分為兩種，一種是隨機(jī)偏差，即偏差的值的大小是隨機(jī)的；另一種常稱為系統(tǒng)偏差，或稱系統(tǒng)匹配誤差。電流型DAC的電流源一般由MOS管構(gòu)成，這些MOS管被設(shè)計成具有完全相同的大小和形狀，但是由于在芯片制造過程中的工藝偏差，造成這些理論上完全一致的MOS管實際上是有偏差的，這種偏差就稱為器件失配，器件失配所造成的偏差即為系統(tǒng)匹配誤差。這種系統(tǒng)偏差在芯片中以一次偏差和二次偏差為主。隨著輸出電流的增加，這種偏差不斷地累積，從而影響數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度。

積分非線性(即INL)是描述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差的一種指標(biāo)，它描述的是數(shù)模轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)輸出值與理想輸出值之間的偏差。INL越小，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度也就越高。因此，通常用INL來描述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度。

當(dāng)前有很多方法減小INL。第一種思路是增加電流源陣列中電流源之間的匹配精度，即減小每一個電流源的電流大小與理想電流大小之間的偏差。這種思路的實現(xiàn)通常依賴于更先進(jìn)的芯片制造工藝、更高的過驅(qū)動電壓、更大的晶體管面積。在給定的芯片制造工藝下，過驅(qū)動電壓的增加會減小數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出電壓的幅度，而更大的晶體管面積會導(dǎo)致整個電流源陣列的面積過大并可能導(dǎo)致芯片中相距較遠(yuǎn)的電流源之間的電流值匹配精度更差。因此，第一種思路的效果很有限，即當(dāng)前情況下依靠它實現(xiàn)高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器是很難的。第二種思路是使用校正技術(shù)和動態(tài)元件匹配技術(shù)。這種技術(shù)可以使數(shù)模轉(zhuǎn)換器達(dá)到16比特的精度，但是增加了數(shù)模轉(zhuǎn)換器的復(fù)雜度和設(shè)計難度。第三種思路是使用合適的開關(guān)序列(Switching?sequence)。開關(guān)序列描述的是當(dāng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入不斷增加時，電流源陣列中依次選通的次序。由于電流源陣列中的電流誤差有正亦有負(fù)，合適的開關(guān)序列既可以避免正的誤差的過度積累，也可以避免負(fù)的誤差的過度積累。目前使用第三種思路可以使數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度達(dá)到14比特，且實現(xiàn)方式相對于第二種思路更為簡單。

目前已公開的開關(guān)序列主要有Row-Column、Q2Random?Walk、GET、SPBR、以及美國專利US20050012650中所公開的開關(guān)序列等等。這些開關(guān)序列能夠在一定程度上減小電流誤差的積累，但是效果有限，相應(yīng)的電流型DAC的精度不高。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種電流誤差的積累遠(yuǎn)小于當(dāng)前已經(jīng)公開的各種開關(guān)序列，能夠提高相應(yīng)的電流型DAC精度的非對稱電流源陣列的開關(guān)序列的生成方法、裝置及其應(yīng)用。

(二)技術(shù)方案