一種差分分段電流源數模轉換器的製作方法

2023-11-02 19:44:22 1

本實用新型涉及集成電路技術領域，具體地講，是涉及一種差分分段電流源數模轉換器。

背景技術：

數模轉換器(Digital to Analog Converter，簡稱為DAC)是能夠將數位訊號轉換成模擬信號的一種信號轉換器，廣泛應用於需要進行信號處理的各個領域。

DAC的作用是將數字量轉換成相應的模擬量(一般為電壓信號)，這種轉換一般與輸入成線性關係。數模轉換器的輸入是在時間和幅值上均為離散的並行的二進位信號，而輸出的是在時間上連續幅值上離散的模擬信號。

數模轉換器的輸入是一個並行數位訊號，數模轉換器利用一個基準源作為參考量，將該二進位信號轉換為等價的模擬信號。數模轉換器按照參考量的二進位比例縮放方式可大致劃分為串行和並行兩種工作方式。目前廣泛應用的電流源DAC並行結構有三種，分別是二進位加權電流源結構、單位電流源型電流源結構和這兩種結構結合而成的分段式電流源結構。

傳統的分段式電流源結構的普遍做法是低位採用二進位加權電流源結構以節省面積，高位採用單位電流源型電流源結構以提高性能。但是內部為單端結構，或使用雙倍的電路結構進行差分處理。

技術實現要素：

為克服現有技術中的上述問題，本實用新型提供一種簡化其結構、能節省分段式結構面積，以提高DNL(差分非線性)指標的差分分段電流源數模轉換器。

為了實現上述目的，本實用新型採用的技術方案如下：

一種差分分段電流源數模轉換器，包括接收N位數位訊號的解碼電路，由2N-M-1個相同的電流源構成的溫度計碼電流源陣列，具有M級的R-2R電阻梯陣列，以及與溫度計碼電流源陣列和R-2R電阻梯陣列均連接的輸出級，其中，溫度計碼電流源陣列對應數位訊號的高位，R-2R電阻梯陣列對應數位訊號的低位。

進一步地，所述溫度計碼電流源陣列包括2N-M-1個相同的電流源，所述電流源由依次串聯的2R電阻和單刀雙擲開關SW1組成，其中，2R電阻一端連接參考電源Vref，另一端連接該單刀雙擲開關SW1的單端，該單刀雙擲開關SW1的雙端分別連接所述輸出級的正負輸入端，且該單刀雙擲開關SW1受解碼電路產生的溫度計碼控制。輸入的數位訊號N-M個高位先經解碼電路轉換為對應的溫度計碼，從而控制該單刀雙擲開關SW1的切合，以輸出加權電流。

進一步地，所述M級的R-2R電阻梯陣列由R電阻和2R電阻構成，其將由參考電源Vref發出的電流在每個串聯節點進行二分，使得流過各2R電阻的電流比例關係為2M-1：2M-2：…：2：1；各2R電阻的負端均連接一個單刀雙擲開關SW2，該單刀雙擲開關SW2的雙端分別連接所述輸出級的正負輸入端。輸入的數位訊號M個低位由輸入碼字直接控制各SW2開關控制輸出電流流向，從而利用R-2R電阻梯分流產生各低位電流。

由於本實用新型中所採用的電阻只有R和2R兩種阻值，這使得在製造時電阻的相對精度較高。同時，該結構使用的電阻數量較小，該M級R-2R電阻梯陣列用到的電阻個數為3M-1個；該R-2R電阻梯陣列利用運放將電流轉化成電壓輸出，能夠獲得低阻抗的電壓輸出。

由於R-2R電阻梯陣列中2R支路上接的單刀雙擲開關SW2具有一定導通電阻，為了保證該陣列的匹配精度，所述M級的R-2R電阻梯陣列中還在其每個R電阻支路上各設置一傳輸門TG，該傳輸門TG的結構與開關SW2結構相同，從而實現了電阻梯陣列的精確匹配。

更進一步地，所述輸出級由差分運放OPA，連接於該差分運放OPA正輸入端和正輸出端之間的一個R電阻和連接於該差分運放OPA負輸入端和負輸出端之間的另一個R電阻組成，其中，該差分運放OPA的正負輸入端中一端還連接偏置電源Vcom。該OPA正負輸入端接溫度計碼電流源陣列和R-2R電阻梯陣列的差分輸出電流，並對電流進行相加後緩衝輸出；該OPA的共模電平確定了分段電流源的電流舵和電阻梯的輸出電壓。

與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果：

本實用新型通過高位採用溫度計碼電流源陣列和低位採用R-2R電阻梯陣列的差分分段設計，大大簡化了差分電路結構，提高了電路性能，可廣泛應用於分段DAC的結構設計中。

附圖說明

圖1為本實用新型的電路原理圖。

圖2為本實用新型-實施例中解碼示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明，本實用新型的實施方式包括但不限於下列實施例。

實施例

如圖1和圖2所示，為一採用差分分段結構的11為分段式電流源數模轉換器，其高3位為溫度計碼電流源陣列實現，低8位為R-2R電阻梯陣列實現。

該溫度計碼電流源陣列由7個2R電阻和分別與各個2R電阻連接的單刀雙擲開關SW10～SW16組成。高3位D數位訊號經解碼電路解碼，從3位二進位數轉化為7位的溫度碼M，並對7個電流源支路直徑進行控制，每一路的電流大小均為(Vref-Vcom)/2R。當控制位為1時，輸出電流到正支路，當控制位為0時，輸出電流到負支路。

低8位D數位訊號的位碼直接控制R-2R電阻梯陣列的開關SW2，D7～D1位控制的7個2R電阻支路阻值均為2R，電阻梯從Vref到D0為控制支路上的9個R電阻阻值均為R，電阻梯將由Vref發出的電流在每個串聯節點進行等值二分，從D7到D0位控制支路的電流之比為128:64:32:16:8:4:2:1，D7位控制支路電流大小為(Vref-Vcom)/4R。針對D7～D0的8個控制位控制的電流支路，當控制位為1時，輸出電流到正支路，當控制位為0時，輸出電流到負支路。同時，R2R電阻梯陣列網絡的R支路上設置傳輸門TG，實現同2R支路開關的精確匹配。

輸出級採用差分運放OPA的電阻負反饋連接，其將正負支路中的電流相加後轉換成模擬電流信號進行DAC輸出。

上述實施例僅為本實用新型的優選實施例，並非對本實用新型保護範圍的限制，但凡採用本實用新型的設計原理，以及在此基礎上進行非創造性勞動而作出的變化，均應屬於本實用新型的保護範圍之內。