专利名称：数模转换器的制作方法
技术领域：
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种具有校准功能的数模转换器结构。
背景技术：
随着无线通信技术的快速发展，特别是3G/4G、家庭基站等技术的不断涌现，对模 拟器件的性能提出了更高的要求。宽带、高速、高精度的数模转换器(DAC)是实现新一代宽 带无线移动通信基站系统的核心技术。由于电流舵型数模转换器结构(Current Steering DAC)具有高速高精度的特点，所以该结构成为应用于通信领域中的DAC的首选结构。一般情况下，电流舵型DAC主要包含温度计编码器和单位DAC电流源阵列。它的工 作原理是将二进制数字码流通过温度计编码器转换成温度计码，然后利用温度计码携带的 温度计码控制信号控制单位DAC电流源阵列的开启，从而得到模拟信号。DAC电流源阵列一 般采用分段式结构，分成高位电流源(Most significant Bit, MSB)，中低位电流源(Upper Least significant Bit, ULSB)禾口低位电流源(Lower Least significant Bit, LLSB)。 例如一个14位DAC可以分成6位MSB，6位ULSB和2位LLSB。采用分段式结构可以优化电 流源阵列的结构，减小电流源的面积，同时可以优化校准结构。由于集成电路在制造过程中，存在很多非理想因素，造成芯片上的载流子、栅氧厚 度等分布的不均勻。同时，工作中受到的焊接线(bonding wire)的压力、温度、电源线和地 线，以及时钟线的分布的影响，都会对DAC模拟电路造成误差。这些误差大大地降低了 DAC 的动态性能 SFDR (spurious-free dynamic range)。高性能DAC需要校准电路才能消除误差对性能的影响。消除DAC中系统性和随 机性误差分布主要有三种方法，分别为工艺调整(trimming)，动态元件匹配(DEM，Dynamic Element Matching)和校准电路(calibration)。工艺调整是在工艺制造中额外添加工序， 或者在制造完成后进行调整修正，虽然工艺调整可以消除误差分布，但是需要较高的成本， 不适合大量生产应用。动态元件匹配(DEM)通过随机化误差分布，将谐波转化为噪声，提 高DAC的动态性能。DEM算法有多种实现形式，例如全随机化DEM，部分随机化DEM等。类 似DEM的数据权重平均(Data Weighted Average，DWA)技术同样基于随机化失配误差来 提高SFDR。但DEM算法的引入会造成毛刺的增加。这时需要引入其他技术，如毛刺自归零 (Return-to-Zero)，约束DEM算法等技术。虽然随着数字综合技术的发展，在数字模块中可 以实现DEM算法，但是DEM算法的复杂性使得数字模块的面积和功耗过大。而且，实现复杂 DEM算法的数字模块对数模转换器的转换速度产生较大制约。校准电路是通过引入辅助电 路，以某种方式消除电流源阵列间的误差。例如，基于浮动电流源的模拟后台自校准，基于 最小均方(LMS)算法数字后台校准方法等等。校准电路相对于工艺调整和DEM，具有低复杂 度和高速的特点。但校准电路可能过多的引入辅助电路和冗余的电流源阵列，引起面积和 功耗的问题，且校准工作时可能会引入杂散噪声(spur)。所以，校准电路需要考虑与电流源 阵列结合的方式以减小面积和提高效率；同时，要求校准工作不能引人杂散。因此，本发明提出的DAC校准结构采用电流源分流技术代替冗余电流源阵列，并且在随机时钟的控制在进行校准工作。本发明的DAC结构具有小面积，同高校准效率等优 点，能够应用于宽带无线移动通信基站、显示面板、消费类电子等等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的数模转换器，其结构不仅能消除系统性误差和 随机性误差，不引入杂散噪声，而且能优化电流源阵列面积。本发明提供一种数模转换器，它包含温度计编码器、电流源阵列、电流源分流结构 以及相应的数字校准模块等。其中，温度计编码器，用于将输入的数字信号码流转换成温度 计码；电流源阵列，用于输出模拟信号；电流源分流结构将一个高位的电流源通过分流结 构形成低位的电流源，该结构可以减小电流源阵列面积；数字校准模块包括比较器、开关阵 列以及电流源补偿电路。进一步的，电流源分流结构是将一个与MSB电流源相同的电流源进行分流，分流 是通过并联多个MOS管实现的。进一步的，通过电流源分流形成ULSB和LLSB电流。进一步的，每个MSB电流源都与一个电流源补偿电路并联。进一步的，电流源分流结构中有两个与MSB电流源相同的电流源，其中当一个电 流源用于提供ULSB和LLSB电流时，另一个进行校准；并在校准控制下，两个电流源进行轮换。进一步的，电流源分流结构中有两个与MSB电流源相同的电流源，每个电流源分 别与一个电流源补偿电路并联。进一步的，校准电路是在随机时钟控制下进行工作。进一步的，校准电路中的比较器可以是电流比较器也可以是电压比较器。进一步的，校准电路不仅对每个MSB电流源进行校准，而且对电流源分流结构中 的电流源进行校准。根据本发明的一个实施例，提供了一个14位的数模转换器(DAC)。该DAC包括: 14位数字输入信号，同步锁存器，编码及校准控制模块，锁存器及开关阵列，电流源阵列，电 流源分流模块以及校准模块。其中，编码模块将14位分成6位MSB，6位ULSB和2位LLSB 结构，并将6位MSB和6位ULSB分别转化为温度计码。校准模块是在随机时钟控制下进行 工作，并对63个MSB电流源和电流源分流模块中的电流源进行校准。通过校准模块，MSB、 ULSB以及LLSB电流源的电流值大小都得到了修正，大大提高了 DAC的性能。并且随机时钟 可以避免校准模块引人的杂散噪声。因而，本发明可以实现高速高精度DAC。本发明的数模转换器结构简单，能较大缩 小DAC模拟部分的面积，达到降低数模转换器制造成本的效果。
图1为本发明的DAC结构示意图。图2为根据本发明的实施例14位DAC结构示意图。图3为ULSB和LLSB开关阵列示意图。图4为电流源补偿电路的一种实现方式。
图5为校准时序图。图6为随机时钟电路的一种实现方式。
具体实施例方式以下将配合附图详细说明本发明的数模转换器。然而，应该想到，本发明提供了可 以在多种特定环境中被具体化的多种可应用发明思想。所述的实施例仅示出了制造和使用 本发明的特定方式，而不限制本发明的范围。如图1所示，为根据本发明的一个具体实施例14位数模转换器(DAC)。包括电 流源阵列100，校准模块200，编码及校准控制模块300，锁存器和开关阵列400，同步锁 存器500，以及电流源分流结构600。数字输入信号通过同步锁存器500与DAC内部时钟 进行同步。编码模块300将14位分成6位MSB、6位ULSB和2位LLSB，并将6位MSB和6 位ULSB分别转换成63位的温度计码，通过锁存器和开关阵列400对电流源进行控制。MSB 电流源共65个，其中63个提供MSB电流值，另外两个提供给电流源分流结构600，通过分 流机制形成ULSB和LLSB电流。用两个电流源是为了进行校准，即一个电流源处在工作中， 另一个进行校准。校准模块200包含一个比较器，在校准控制模块300的控制下，将65个 MSB电流源分别与一个基准电流值进行比较，修正65个MSB电流源值。校准控制模块300 在随机时钟的控制下工作。如图2所示，为14位DAC的部分结构图，包括MSB电流源单元10广163，MSB开关 阵列410，ULSB与LLSB开关阵列420，电流源分流结构600和校准模块200。如图2中所 示，该实例采用的MOS管由PMOS管组成，同理，采用NMOS管同样可以实现本发明。对于MSB 电流源单元101，由电流源管^1、(^%0如管仏1以及电流源补偿电路701组成。对于MSB 电流源单元102，由电流源管MS2、cascode管Mc2以及电流源补偿电路702组成。同理，第 63个MSB电流源单元163由电流源管MS63、cascode管Mra3以及电流源补偿电路763组成。 偏置电压VBl和VB2分别为电流源管Ms广Ms65和cascode管MC1 Mc63提供偏压。MSB开关阵列410由63组开关管组成，分别控制电流源管Ms广Ms63中的电流。其 中，MOS管MtiIt63的电压由电压信号VM1 VM63进行控制，电压信号VM1 VM63由校准控制 模块300提供。例如，当VMl为低电平时，电流源管Msi中的电流通过MOS管Mn，同理，当 VM63为低电平时，电流源管Ms63中的电流通过MOS管MT63。电流源分流结构600中的电流源由两个电流源管Ms64和Ms65，以及补偿电流电路 764和765组成。cascode管M1 M4的偏置电压Vc和Vcb由电压控制模块610提供。Vc 和Vcb电压值的范围为VB2至电源电压VDD。电压控制模块是在电压信号Vcalu的上升沿 被触发，以改变Vc和Vcb的电压值，电压信号Vcalu由校准控制模块300提供。例如，开 始时Vc的电压值为VB2时，Vcb电压值为VDD，当Vcalu的上升沿触发时，Vc的电压值变为 VDD时，Vcb电压值变为VB2，当Vcalu的上升沿再次触发时，Vc与Vcb电压值进行互换。模 块620位电流选通器，即当Vcalu为高电平时M5管关闭，电流流经M6管，当Vcalu为低电 平时M6管关闭，电流流经M5管。电流源分流结构600可以将电流源管Ms64或Ms65中的电流通过cascode管Ml至 M4中的一个管子流入ULSB和LLSB开关阵列420中，以形成ULSB和LLSB电流。如图3所 示为ULSB和LLSB开关阵列420，包括63对ULSB开关管ULSBl ULSB63，以及3对LLSB开关管LLSB1、LLSB2、LLSB3以及1对LLSB冗余管DUMMY。通过开关管对电流源管Ms64或Ms65 中的电流进行分流，形成63个ULSB电流和3个LLSB电流。图2中的模块200为图1中的校准模块200，由比较器和开关阵列组成。其中，比 较器可以由电压比较器或电流比较器组成。开关阵列是由校准控制模块300进行控制，在 每个校准周期内，将比较器的输出信号分别与一个电流源补偿电路70广765相连接。比较 器的输出信号控制电流源补偿电路70广765中的电流大小，用于修正电流源Ms^ Ms65的电 流值。如图4所示，为电流源补偿电路70广765的一种实现方式700，其中包括一个电流管 Ma和一个电容CA，电容Ca连接到校准模块200，用于存储电压信号，对电流管的栅源电压进 行控制，从而修正电流源Ms^ Ms65的电流值。如图5所示，为校准时序示意图。校准控制模块300提供的电压信号VM1 VM63以 及Vcalu在每个时钟周期时依次变成低电平，并持续一个时钟周期。在校准周期701时，电 压信号VMl变为低电平，同时MSB开关阵列410中相应的开关对管关闭，电流源Msi的电流 和补偿电路701中的补偿电流一起通过Mn管，进入校准模块200中，其中的比较器对此电 流和基准电流进行比较得到一个控制电压值，通过开关阵列，反馈到补偿电路701中的电 容Ca上，电流管Ma的栅源电压发生改变，直到电流源Msi的电流和补偿电路701中的补偿 电流之和与基准电流相等时，反馈回路中的控制电压值稳定。此过程即是通过电流值的比 较而产生的控制电压对补偿元件进行控制的过程，目的是使补偿元件中的电流值来修正单 位电流源。在校准周期702时，电压信号VM2变为低电平，同时MSB开关阵列410中相应的 开关对管关闭，电流源Ms2的电流和补偿电路702中的补偿电流一起通过Mt2管，进入校准 模块200中，其中的比较器对此电流和基准电流进行比较得到一个控制电压值，通过开关 阵列，反馈到补偿电路702中的电容Ca上，电流管Ma的栅源电压发生改变，直到电流源Ms2 的电流和补偿电路702中的补偿电流之和与基准电流相等时，反馈回路中的控制电压值稳 定。以此类推，直到校准周期763结束时，电流源Ms63得到补偿。下一校准周期对电 流源分流结构600中的电流源进行补偿。其过程如下在校准周期70广763时，控制电压 Vcalu为高电平，电压Vc值为VB2，Vcb值为VDD，电流源Ms64通过Ml管和M6管接地，而电 流源Ms65通过M4管进入ULSB和LLSB开关阵列420为ULSB和LLSB提供电流。在校准周 期764时，控制电压Vcalu为低电平，M5管和M6管的状态发生变化，即电流源Ms64通过Ml 管和M5管进入校准模块200，于是补偿电路764进入校准状态。当校准周期764结束且 进入763 701校准状态时，控制电压Vcalu出现上升沿，电压控制模块610被触发，电压Vc 和Vcb的状态发生变化，即电压Vc值为VDD，Vcb值为VB2，电流源Ms65通过Ml管和M6管 接地，而电流源Ms64通过M4管进入ULSB和LLSB开关阵列420为ULSB和LLSB提供电流。 在校准周期765时，控制电压Vcalu为低电平，M5管和M6管的状态发生变化，即电流源Ms65 通过Ml管和M5管进入校准模块200，于是补偿电路765进入校准状态。当校准周期765 结束时，控制电压Vcalu出现上升沿，电压控制模块610被触发，电压Vc和Vcb的状态再 次发生变化，电流源Ms64通过Ml管和M6管接地，而电流源Ms65通过M4管进入ULSB和LLSB 开关阵列420为ULSB和LLSB提供电流。至此，一个校准周期结束。校准周期一开始对补偿电路701进行校准，下一个时钟周期对补偿电路702进行校准，以此类推，在第63个时钟周期时，对补偿电路763进行校准。再下一个时钟周期 时，电流源分流结构600中的补偿电路764进入校准状态，而电流源分流结构600中另一 个电流源处在工作的状态。再下一个时钟周期时，补偿电路70广763又分别进入一轮校准 状态。隔63个时钟周期后，电流源分流结构600中的补偿电路765进入校准状态，而另一 个电流源处在工作的状态。在一个校准周期中，电流源管MS1 Ms65电流值依次得到补偿电 路70广765的修正。本领域的技术人员将明白，在一个校准周期中，电流源管都将得到校 准，但是校准的次序和次数可以任意设置。在该实例中，如图5所示，校准时钟为一个固定周期，但是如果采用随机时钟作为 校准时钟，可以消除校准过程引入的杂散噪声。所谓的随机时钟即是时钟周期不固定，为一 个随机变化的量。如图6所示，为一种随机时钟实现方式。该实施例中的随机时钟主要包含线性反 馈位移寄存器(LFSR)和计数器。LFSR输出数与一个可调的固定数进行加和，求和后传给计 数器，作为计数器的预存数。计数器在一个固定周期的时钟控制下进行计数。当计数值达 到预存数时，计数器变产生一个上升沿脉冲，宽度为固定周期时钟的周期宽度。本发明中的编码及校准控制模块300和随机时钟模块，均可通过硬件描述语言 VerilogHDL代码编写，并通过数字综合的方式来实现；也可以采用全定制的方式实现。本发明的实施例DAC是一种实时的后台校准电路，校准的同时不打断DAC的正常 工作，而且后台校准能够克服工作芯片温度变化的影响。当然，本发明可以采取前台校准的 方式实现，即再DAC工作之前，通过设置补偿电路以达到校准的目的。本发明的数模转换器通过引入电流源分流技术优化了电流源阵列，减小了电流源 的实现面积。同时，采用校准技术对电流源进行校准以消除匹配误差，大大提高DAC的性 能。并且可以采用随机时钟消除校准过程引人的杂散噪声。虽然已经详细描述了本发明及其优点，但是，在不脱离所附权利要求限定的本发 明的精神和范围的情况下，在此可以做出多种改变、替换和修改。例如，可以以软件、硬件或 固件或其结合来实现上述多个特征和功能。而且，本发明的范围不限于在说明书中描述的 处理、机器、制造、物质成分、装置、方法和步骤的特定实施例。如本领域技术人员根据本发 明的公开内容、现有或后来开发的处理、机器、制造、物质成分、装置、方法和步骤能够容易 地想到的，可以根据本公开利用执行基本上与本文中所描述的对应实施例相同的功能或者 基本实现与本文所描述的对应实施例相同的结果。因此，所附权利要求包括在这样的处理、 机器、制造、物质成分、装置、方法或步骤的范围内。
权利要求
1.一种数模转换器，包含温度计编码器，用于将输入的数字信号码流转换成温度计码；电流源阵列，用于输出模拟信号；电流源分流结构，将一个高位的电流源通过分流结构形成低位的电流源；数字校准模块，包括数字校准控制模块、比较器、开关阵列以及电流源补偿电路；其特征在于，所述数模转换器的数字校准模块用于校准高位电流源；同时，电流分流结 构优化低位电流源的结构，并具有校准的功能，通过校准模块的控制对电流分流结构中的 电流源进行校准，使低位电流源阵列的电流值也得到修正。
2.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，电流源分流结构包含两个电流源，一 个为低位提供电流，同时另一个处于校准状态。
3.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，电流源分流结构包含多个电流源，一 个或多个提供工作电流，同时另一个或多个处于校准状态。
4.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，电流源分流结构通过控制电流源上 串联的MOS管，使电流源分流结构中电流产生不同流向，使电流源处于校准或工作等不同 状态中。
5.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，数字校准模块提供校准的控制信号， 通过比较器，对电流源阵列中的补偿电路进行控制，以修正电流源阵列的失配误差。
6.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，比较器由电压比较器或电流比较器 组成。
7.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，数字校准控制模块提供控制信号，控 制开关阵列中开关的开启和关闭，由此决定哪个电流源进入校准状态。
8.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，补偿电路由一个MOS管和电容组成， 电容控制MOS管的栅源电压以改变MOS管的电流。
9.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，数字校准模块在一个校准周期中，不 仅对高位的电流源进行校准，而且对电流源分流结构中的电流源进行校准，即对低位的电 流源进行校准。
10.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，校准控制模块在一个随机时钟的控 制下进行工作。
11.一种14位数模转换器，包含14位数字输入信号；14位数字输入信号的6位为高 位，6位为中低位，2位为低位；其结构包括两个温度计编码器，分别为6位为高位和6位为中低位输入的数字信号码流转换成63 位的温度计码；电流源阵列，由65个电流源组成，其中63个为高位提供电流，另2个通过电流源分流 结构，可以转换成为低位的电流源，即为6位为中低位和2位低位提供电流；数字校准模块，包括数字校准控制模块、比较器、开关阵列以及电流源补偿电路；其特征在于，所述数模转换器的数字校准模块产生64个控制信号，其中63个控制63 个高位电流源进入校准状态，另1个控制电流源分流结构中的两个电流源，使其中一个处 于校准或接地的状态，一个为中低位和低位提供电流；该数字校准模块校准高位电流源； 同时，电流分流结构优化低位电流源的结构，并具有校准的功能，通过校准模块的控制对电流分流结构中的电流源进行校准，使低位电流源阵列的电流值也得到修正。
12.如权利要求11所述的数模转换器，其特征在于，电流源分流结构通过控制电流源 上串联的MOS管，使电流源分流结构中电流产生不同流向，使电流源处于校准或工作等不 同状态中。
13.如权利要求11所述的数模转换器，其特征在于，数字校准模块提供校准的控制信 号，通过比较器，对电流源阵列中的补偿电路进行控制，以修正电流源阵列的失配误差。
14.如权利要求11所述的数模转换器，其特征在于，比较器由电压比较器或电流比较 器组成。
15.如权利要求11所述的数模转换器，其特征在于，数字校准控制模块提供控制信号， 控制开关阵列中开关的开启和关闭，由此决定哪个电流源进入校准状态。
16.如权利要求11所述的数模转换器，其特征在于，补偿电路由一个MOS管和电容组 成，电容控制MOS管的栅源电压以改变MOS管的电流。
17.如权利要求11所述的数模转换器，其特征在于，数字校准模块在一个校准周期中， 不仅对高位的电流源进行校准，而且对电流源分流结构中的电流源进行校准，即对低位的 电流源进行校准。
18.如权利要求11所述的数模转换器，其特征在于，校准控制模块在一个随机时钟的 控制下进行工作。
全文摘要
本发明属于微电子技术领域，具体为一种数模转换器结构。它包含温度计编码器、电流源阵列、电流源分流结构以及相应的数字校准模块等。其中，温度计编码器，用于将输入的数字信号码流转换成温度计码；电流源阵列，用于输出模拟信号；电流源分流结构将一个高位的电流源通过分流结构形成低位的电流源；数字校准模块包括比较器、开关阵列以及电流源补偿电路。数字校准电路是在随机时钟控制下进行工作，对高位电流源以及电流源分流结构进行校准。本发明采用电流源分流结构以及相应的数字校准电路，可减少电路实现的面积成本，提高数模转换精度。
文档编号H03M1/66GK102006079SQ20101059954
公开日2011年4月6日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者任俊彦, 叶凡, 李宁, 李巍, 杨海峰, 程龙, 许俊 申请人:复旦大学