专利名称：指数数字模拟转换器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及指数数字模拟转换器(DAC)。
背景技术：
数字模拟转换是将具有几个(典型地是两个)限定的等级或状态 的信号转换为具有量化的模拟状态的信号的过程。数字信号典型地具 有两个状态零和一。然而，当通过数字模拟转换器(DAC)已经解
码了二进制的数字信号时，作为结果的模拟值具有相对大数目的状态， 并以变动频率或振幅的电子信号来传送数据，其中，可以将变动频率 或振幅的电子信号添加到给定频率的载波，以产生例如语音、图像、 乐音或机械运动等形式的输出。
典型地，DAC的传输特性是线性的，并且以偏置信号为例，通常 通过线性DAC是可编程的。然而，在线性DAC的情况下，步长(stepsize ) 是固定的，由最小的所要求的步(step)来指示。在使用线性DAC产 生偏置信号时，这意味着步的影响在低DAC值处远大于在高DAC值 处。许多偏置电流执行某种乘法函数，在这种情况下，指数DAC可能 是优选的，因为每一步具有相同的"相对影响"，因此在整个DAC范 围上一步的影响实质上是相同的，也就是，在低DAC值处为小增量， 在高DAC值处为大增量。这种情况下，以百分比来计量每步的影响， 例如，每一步表示10%的增长。使用指数DAC的附加优点是，需要更 少的比特来覆盖要求的范围。
美国专利No. 6,392,574描述了 一种基于传统线性DAC的指数 DAC，其中将部分(a)输出电流反馈至输入端。然而，正反馈环路 的使用可以引起内在的不稳定性，所提出的设计对反馈至输入端的部 分(o0输出电流的变化(例如，由失配引起的)非常敏感。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于指数数字模拟转换的系统和 方法，其中，相对于现有技术，设计实现更强健并且内在地更稳固。
根据本发明，提供了一种用于产生可编程指数模拟输出信号的系 统，该系统包括输入端，用于接收输入；数字模拟转换电路，用于
将数字码字转换为模拟输出信号，数字模拟转换电路由多个部^i^实现，
并具有由所述部件的值的比例限定的实质指数传输函数；和输出端， 用于输出所述模拟输出信号。
因此，基于变化的数字输入值，模拟输出信号是可编程的，并且 基于部件值的比例，近似了指数传输函数。
有利地，所述数字模拟转换电路包括采用电流镜配置的多个晶体 管，由所述电流镜的镜像比限定指数传输函数。有利地，传输函数是
，a^的形式，其中N是固定值，x由数字输入值限定，Iout和Iin
分别是所述电路的输出和输入电流。在由电流镜实现数字模拟转换电
路的情况下，N与晶体管器件的数目成比例。所述传输函数的每个值 是由限定数字模拟转换电路的步的数字输入值范围限定的一组值，优 选地，相邻步之间的比率在所述范围上实质上是常数。在本发明的一 个示例实施例中，在所述镜像晶体管之间提供限定所述数字模拟转换 电路的比特数目的多个晶体管，将所述多个晶体管从输入端切换至输 出端以实现所需模拟输出信号。可以将晶体管制作成实质上相等的尺 寸。这种情况下，晶体管可以包括单位晶体管或其縮放型式。在可选 示例实施例中，可以将晶体管相对于彼此进行二进制加权。
优选地，在线性解码器的控制下，能够将多个晶体管从输入端切 换至输出端。线性解码器可以包括至少一个"与"门和至少一个"或" 门，将其布置和配置为在切换晶体管之间具有延迟，延迟实质上等于
门延迟。
通过参考这里详细描述的实施例，本发明的这些和其它方面将显 而易见，并得以阐明。
现在将通过示例和参考附图，描述本发明的实施例，附图中 图la是根据本发明示例实施例的系统中带有单位晶体管的传输
曲线^的图示；其中，曲线A表示N40的情况，曲线B表示N-18的
情况 其中X (由DAC输入值限定)从-8到=8变化；
图lb是图la的曲线(A和B)与真实指数的偏差(％)的图示(分 别是曲线A'和B');
图2图示了根据本发明示例实施例的用于系统中晶体管的縮放权 重(scaled weight);
图3图示了 (曲线B")根据本发明示例实施例的对系统的电流镜 晶体管使用缩放权重对于曲线B (图la)的影响；
图4是根据本发明第一示例实施例的以温度计码为基础的DAC的 示意电路图5是根据本发明第二示例实施例的以二进制码为基础的DAC的 示意电路图6是示出了根据本发明示例实施例的供在实现系统时使用的单 位解码器单元的示意图和符号；以及
图7、 8和9分别示意性示出了根据本发明示例实施例的用于系统 的2线、3线和4线解码器。
具体实施例方式
因此，本发明涉及一种用于产生指数可编程电流(也就是以dB步 可编程)的机制，具有相邻两步之间的比例近似是常数的特征。这种 情况下，每一步表示相同百分比的增长。在下文中，将描述本发明的 两个示例实施例第一，具有可编程镜像比的电流镜；第二，适于控 制上述第一实施例的、基于树的温度计解码器(tree based thermometer decoder)。
本发明的如下示例实施例基于如下事实对于lx卜W-M (其中M用于控制传输曲线的斜率，X取决于DAC输入值)，函数^lf具有很
好的指数行为。因为分子和分母的总和是常数(也就是，当可编程DAC 输入值是零时，使得传输函数是l并且Iout^in)，所以该行为通过使用 电流镜(其中可以由开关控制将多个晶体管从输入切换至输出)可以 容易地实现。—'
下文中将使用以下定义
N = DAC比特数目
D = DAC输入值(二进制数)
n = m + 2"，其中MX); M控制能够实现的最大范围(增益) x (D) =d_2"-'
换言之，其中输出电流/赠-(^2一的DAC在上述范围上将具有
近似指数的传输函数，其中(^t三)限定步长。因为x取决于(可控制的)
DAC输入值(分子和分母的总和是常数)，所以当DAC输入值是零时， Iou，Iin，使得可以通过电流镜配置来实现传输函数。
n表示在平衡点一侧的器件的数量(因此2fN是器件的总数)。值
x可以是负的(将器件从输出端移走，将其切换至输入端)或正的(将 从输入端移走的器件添加到输出端)。M0和M1表示在两侧的固定器件 的数目。这显著地减少了可以实现的比率，从而控制斜率(或增益)。 M0和M1不需要一定是相等的。这里将M定义为(M0+M1)/2，并将M单
独引入以简化公式。
图la示出了在此分别用于M^2和IVN10的传输曲线A和B。选择对
于M (=2)的极低值来表示曲率。M的值控制能够对输出电流进行编 程的范围越高的M将导致越低的范围(-越低的增益)，然而也更为 精确。应该认识到，在此所示出的图中的步被诠释为表现出平滑的曲 线图，然而步实际上是离散的。因此，如图lb所示，当M-2(曲线A') 时，增益可以更大而传输曲线与真实指数的偏差是显著的，然而当 M—0时，增益更低而传输曲线(B')与真实指数的偏差不明显得多。更具体地，考虑M:2， x (=D_2"-')是-8至+8 (从而N40)，且 n=4。这种情况下，有
给出相邻步之间的比率0.61， 0.72， 0.76， 0.77， 0.80， 0.81， 0.82， 0.82， 0.82， 0.81， 0.81， 0.80， 0.78， 0.71， 0.63。
因此，两个相邻值之比在15% "常数"之内。
有时，需要更精确。选择更大的M可能足够了，然而，还可以通 过将单位尺寸晶体管替换为縮放型式的晶体管，将传输线性化，以产 生真实的指数。
考虑N^10的情况，另一方面，N=18，得到的步长是
10/ 11/ 12/ 13/ 14/ 15/ 16/ 17/ 18/ 19/ 20/ 21/ 22/ 23/ 24/ 25/ 26/ 726， /25, 724' 723' 722' 721， 720' /l9， 7l8， 7l7， 7l6， /l5, 74' 7l2， 7ll， 7l0，
给出相邻步长之间的比率0.86， 0.88， 0.88， 0.89， 0,90， 0.89， 0.90， 0.89， 0.89， 0.90， 0.89， 0.89， 0.89， 0.89， 0.88， 0.87，也就是在整 个范围上更接近相邻步长之间的所需常数比率，然而范围本身已经减 小了。
如图4和5所示，可以使用电流镜100实现图1的曲线(B)。可以将 电流镜中的晶体管做成相等的尺寸(图4:温度计码)或进行二进制加 权(图5)。宽度M0和M1的晶体管控制控制范围的对称性(M= (M0+M1) /2)。为MO和Ml选择不同的值事实上仅改变x (D)函数 中的"偏移"。基于温度计码的型式(图4)将具有更小的跳动，并且 当使用有效的温度计解码器时将不会显著地大于二进制加权的型式 (见以下关于图6-9的描述)。
在需要更精确然而选择更大的M不是选项(由于以上提到的范围 减小)时，可以将温度计型式的单位晶体管(在图4中与50...515连接)
替换为缩放型式(见图2) =,X(D)2 (略小于O，以产生真实指
数传输函数(如图3所示)。
因为本发明的上述实施例是基于电流镜的，所以显然，各晶体管 中失配的影响是非常有限的(没有乘法出现)，此外，在小DAC值处影响也是小的，并且对于越高的DAC值影响越大，然而输出电流和失 配电流之间的比例几乎是常量。
本发明的示上述例实施例是基于电流镜的，然而显然，可以将其 扩展为任何基于部件值比例的(例如，采用增益由电阻器比例确定的
反向OpAmp配置)、实现指数传输函数的电路。在具有可编程增益的 (反向)放大器的情况下，增益二R1/R2，其中R1是从运算放大器的输 出端至反向输入端的电阻器，R2是输入电阻器(从电路输入端至运算 放大器的反向输入端)。设想这样的电路，其中电阻器R1和R2替换为 --系列串联连接的(单位)电阻器以及开关阵列(可以从抽头中的(仅) 一个连接到运算放大器的反向输入端)。在有2N个电阻器时，可以将 增益改写为
增益R2/R1二(N+Rx)/(N-Rx)，其中x在-N+M至2N-M的范围内。
所以该电路是(线性)放大器，能够以指数步(-采用dB的线性) 编程该放大器的增益。
温度计解码器将二进制输入(D)转化为温度计编码的字(开始 D比特为高，其余为低)。在图6至9中示出了用于实现温度计解码器的 有效装置。单位构造模块是采用"与"门和"或"门的2线解码器(图 6)。为了在切换码字时最小化跳动能量，选择延迟与门延迟相等。图7、 8和9示出了对于2、 3和4输入的解码器的实现。
本发明的实现具有许多优点，包括
1、 内在的稳固性；
2、 相对于现有技术更加强健的设计；
3、 更小的面积，因为其对于部件失配不敏感；
4、 非常直接的前向实现；
5、 能够将其线性化以遵循准确的指数曲线(如图3所示)。 本发明尤其适合用于(深)超微CMOS工艺；应用的范围包括 -可编程偏置电路；
-对数/指数数字模拟转换； -对数/指数模拟数字转换；和 -功率控制电路。
权利要求
1、一种用于产生可编程指数模拟输出信号的系统，该系统包括输入端(In)，用于接收输入；数字模拟转换电路(100)，用于将数字码字转换为模拟输出信号，数字模拟转换电路(100)由多个部件实现，并具有由所述部件的值的比例限定的实质指数传输函数；和输出端(Out)，用于输出所述模拟输出信号。
2、 根据权利要求l的系统，其中，所述数字模拟转换电路(100) 包括采用电流镜配置的多个晶体管，由所述电流镜的镜像比限定所述 指数传输函数。
3、 根据权利要求l的系统，其中，所述传输函数是，<formula>formula see original document page 2</formula>的形式，其中N与所述部件值成比例，x由数字输入值限定，Iout和Iin分 别是所述电路的输出和输入电流。
4、 根据权利要求3的系统，其中，由电流镜实现所述数字模拟转 换电路(100)。
5、 根据权利要求l的系统，其中，所述传输函数的每个值是由限 定数字模拟转换电路(100)的步的数字输入值范围限定的一组值。
6、 根据权利要求5的系统，其中，在所述镜像晶体管之间提供限 定所述数字模拟转换电路(100)的比特数后的多个晶体管，将所述多 个晶体管从输入端切换至输出端以实现所需模拟输出信号(Out)。
7、 根据权利要求6的系统，其中，晶体管是单位晶体管。
8、 根据权利要求7的系统，其中，所述晶体管是縮放的。
9、 根据权利要求8的系统，其中，将所述晶体管相对于彼此进行 二进制加权。
10、 根据权利要求7的系统，其中，在线性解码器的控制下，能够将所述多个晶体管从所述输入端切换至输出端。
11、 根据权利要求10的系统，其中，所述线性解码器包括至少一 个"与"门和至少一个"或"门，将其布置和配置为在切换晶体管之 间具有延迟，所述延迟实质上等于门延迟。
全文摘要
一种用于产生可编程指数模拟输出信号的系统，包括数字模拟转换电路，用于将所述数字信号转换为模拟输出信号，数字模拟转换电路具有由部件的值的可编程比例限定的实质指数传输函数。优选地，将转换电路实现为电流镜(100)，由镜像比限定指数传输函数。因此，电流镜(100)的每个晶体管限定数字模拟转换电路的步，相邻步之间的比率实质上是常数。可以将晶体管做成实质上相等的尺寸或相对于彼此进行二进制加权，并且在基于树的温度计线性解码器的控制下，可以将其从输入端切换至输出端。
文档编号H03M1/66GK101416396SQ200780006005
公开日2009年4月22日 申请日期2007年2月6日 优先权日2006年2月21日
发明者保罗·马特曼 申请人:Nxp股份有限公司