一种数模转换器及处理器的制作方法

本申请涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种数模转换器及处理器。

背景技术：

传统数模转换器(current-steeringdac：idac)在设计中各个电流源的匹配是很重要设计指标，尤其是idac精度高于12位后更是如此。此时，需要各个金氧半场效晶体管(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor：mosfet)彼此匹配来保证各种数字信号输入下输出电流的一致性。

参见图1，为数模转换器的基本架构。数模转换器接收n位数字输入，把这数字信号转换成模拟电流输出到输出端口。图1中数模转换器的每个电流源i1、i2、…、in是由图2所示的金氧半场效晶体管构成的。为了使金氧半场效晶体管输出预定电流，那么金氧半场效晶体管的栅极(gate：简称g)、漏级(drain：简称d)、源级(source：简称s)之间的电压差需要满足一定的条件。

图3为金氧半场效晶体管的输出电流随vds变化曲线，金氧半场效晶体管的匹配与诸多因素有关，关键的两点是金氧半场效晶体管的尺寸和金氧半场效晶体管的阈值电压(vth)的匹配。为了金氧半场效晶体管的尺寸的匹配需要更大的器件尺寸，这会使得占用版图面积更大。为了vth的失配降低，设计中会选择较大的过驱动电压(vgs-vth)，这样就可以降低vth失配引起的电流变化在整体电流中的贡献，进而降低失配。另外，也会选择vds与vgs-vth差大些，即vds-(vgs-vth)的差值更大，也就是在图3中固定限制区间(headroom)需要更大，使得电流工作点处在曲线里更平的区域，也让电流源输出阻抗更大，更接近于理想的电流源。这样vth在headroom里的占比更小，对失配贡献更小。

但是在这样的设计带来的问题就是在图3的拐点往右方向推，headroom变大。电流源输出额定恒定电流所需的压差更大，负载所利用的电压范围变小。

从图1的整体系统理解的话，负载电阻rload上端的电压有了限制，即不能超过vdd-vheadroom。有些大功率应用中，输出电流(il)很大，vdd到负载电阻上端消耗的无用功率(ploss＝ilxvheadroom)很大，整体系统的效率下降。要使消耗在负载的有用功率(peff＝il*rload)占比最大化，那就需要尽量减小vheadroom，理想情况下，希望vheadroom为0。

总而言之，如果多个金氧半场效晶体管匹配，需要多个金氧半场效晶体管固定限制区间电压较大，这会导致转换功率效率降低的问题。为了解决失配问题，需要综合考虑多个金氧半场效晶体管的性能以及尺寸，不利于生产。

技术实现要素：

本发明阐述了一种电流驱动的数模转换器及处理器，它解决的是数模转换器中电流源的两端电压差的固定限制区间需要尽可能做小，即数模转换器中电流源在某个偏置电压下，两端电压只有超过一定的电压后才能输出额定的最大输出电流。

第一方面，本申请提供了一种数模转换器，包括：

开关组，所述开关组用于接收数字信号，所述数字信号用于控制所述开关组的开关的开启或闭合；

电流单元模块，所述电流单元模块与所述开关组的第一端连接；所述电流单元模块用于在所述开关组开启时输出电流信号；

第一转换模块，所述第一转换模块与所述开关组的第二端连接，所述第一转换模块用于接收所述电流单元模块的电流信号，将所述电流信号转换为电压信号；

第二转换模块，所述第二转换模块与所述第一转换模块连接，所述第二转换模块用于接收所述电压信号，将所述电压信号转换成模拟电流信号并输出。

在上述实现过程中，所述开关组接收数字信号，根据不同的数字信号控制开关组内的开关的开启和闭合，电流单元模块通过开启的开关输出电流信号，第一转换模块接收电流单元模块产生的电流信号，并将电流信号转换为电压信号，第二转换模块接收第一转换模块输出的电压信号，并将电压信号转换为模拟电流信号并输出。与现有技术相比，该方案不是直接将电流单元模块的电流直接输出，而是将电流模块输出的电流信号转换为电压信号，再将电压信号转换为模拟电流信号。其中，保证模拟电流的精度，进一步保证外部设备能够根据模拟电流信号的大小获取精准的数字信号的模块为第一转换模块和第二转换模块，而第一转换模块和第二转换模块功能的实现通常不需要用到多个金氧半场效晶体管，因此整个数模转换器不需要有匹配的步骤，电流单元模块中不要求多个金氧半场效晶体管具有较大的固定限制区间电压，同时能保持较高的转换功率效率。

进一步地，所述第一转换模块与所述第二转换模块通过运算放大器连接，其中，所述运算放大器的第一输入端与所述第一转换模块连接，所述运算放大器的输出端分别与所述第二转换模块和所述运算放大器的第二输入端连接。

在上述实现过程中，第一转换模块将电压信号输入到运算放大器中，运算放大器将电压信号进行放大，输出到第二转换模块中；其中，第二转换模块还和运算放大器的第二输入端连接，由于第二输入端和输出端组成的回路的增益，使得第一转换模块与第二转换模块与运算放大器连接点的电压相同，运用该特性，可以使第一转换模块和第二转换模块输出预设比例大小的电流。

进一步地，所述第二转换模块包括第一电阻和第一金氧半场效晶体管，所述第一电阻的第一端和所述第一金氧半场效晶体管的源端分别与所述运算放大器的第二输入端连接，所述第一金氧半场效晶体管的栅端与所述运算放大器的输出端连接。

在上述实现过程中，由于所述运算放大器具有虚短的特点，因此，第一转换模块输出端电压信号的大小与第一金氧半场效晶体管的源端的电压大小相同。又由于运算放大器的输出端与第一金氧半场效晶体管的栅端连接，因此第一金氧半场效晶体管的控制端、输出端、输出端具有电压差，当输入端和输出端的电压差值大于阈值时，第一金氧半场效晶体管导通，第一金氧半场效晶体管输出额定电流，当输入端和输出端的电压差值小于阈值时，随着输入端和输出端的电压差值的改变，第一金氧半场效晶体管的输出端输出不同的模拟电流，基于上述实施方式，能够使用简单的结构将电压信号转换成电流信号。

进一步地，所述第一转换模块包括第二电阻，所述第二电阻的第一端分别与所述开关组的第二端和所述第二转换模块连接。

在上述实现过程中，第一转换模块通过开关组接收电流单元模块输出的不同大小的电流信号，电流信号流经第二电阻，在第二电阻上产生电压差，将电流信号转换成电压信号。基于上述实施方式，能够使用简单的结构将电流信号转换成电压信号。

进一步地，所述电流单元为第二金氧半场效晶体管，所述第二金氧半场效晶体管的漏端与所述开关组的第一端连接。

在上述实现过程中，第二金氧半场效晶体管在源极和漏极的电压差值达到稳定状态时，能够产生较为稳定的电流信号。

进一步地，所述第一金氧半场效晶体管为第一pmos管，所述第一pmos管的源极与所述第一电阻的第一端连接，所述第一pmos管的栅极与所述运算放大器连接。

在上述实现过程中，由于所述运算放大器具有虚短的特点，因此，第一转换模块输出端电压信号的大小与第一pmos管的源极的电压大小相同。又由于运算放大器的输出端与第一pmos管的漏极连接，因此第一pmos管的漏极、源极、栅极具有电压差，当源极和栅极的电压差值大于阈值时，第一pmos管导通，第一pmos管输出额定电流，当源极和栅极的电压差值小于阈值时，随着源极和栅极的电压差值的改变，第一pmos管的栅极输出不同的模拟电流，基于上述实施方式，能够使用简单的结构将电压信号转换成电流信号。

进一步地，所述第二金氧半场效晶体管为nmos管，所述nmos管的源极与所述开关组的第二端连接。

在上述实现过程中，nmos管的源极接地，栅极接稳定直流电源，可以保证nmos管输出稳定的电源。基于上述实施方式，能够有效地使电流单元模块输出稳定的电流。

进一步地，所述开关组内具有多个开关，所述电流单元模块具有多个电流单元，所述电流单元模块的每个所述电流单元分别与所述开关组内的一个开关连接。

在上述实现过程中，开关组内的每个开关分别接收数字信号的一位电平，根据电平的高低控制开关的开启，从而使得电流单元模块内的电流单元输出不同的大小的电流。基于上述实施方式，实现了一种多位的数模转换器。

进一步地，所述开关组的开关包括pmos管、nmos管、cmos管中的一种或多种。

在上述实现过程中，根据不同的场景选用不同的晶体管，可以有效地提高整个数模转换器的工作效率。

第二方面，本申请提供了一种处理器，包括第一方面所述的数模转换器。

在上述实现过程中，数据处理器在生产过程中金氧半场效晶体管的匹配需求降低，能够提高生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为现有技术中数模转换器的结构示意图；

图2为现有技术中数模转换器的基本组成结构示意图；

图3为现有技术中金氧半场效晶体管的输出电流随vds变化曲线图；

图4为本申请实施例提供的数模转换器的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的数模转换器的电路结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明阐述了一种电流驱动的数模转换器及处理器，它解决的是数模转换器中电流源的两端电压差的固定限制区间需要尽可能做小，即数模转换器中电流源在某个偏置电压下，两端电压只有超过一定的电压后才能输出额定的最大输出电流。

实施例1

参见图4，图5，本申请提供了一种数模转换器，包括：

开关组1，所述开关组1用于接收数字信号，所述数字信号用于控制所述开关组1的一个或多个开关的开启或闭合；

电流单元模块2，所述电流单元模块2与所述开关组1的第一端连接；所述电流单元模块2用于在所述开关组1开启时输出电流信号；

第一转换模块3，所述第一转换模块3与所述开关组1的第二端连接，所述第一转换模块3用于接收所述电流单元模块2的电流信号，将所述电流信号转换为电压信号；

第二转换模块4，所述第二转换模块4与所述第一转换模块3连接，所述第二转换模块4用于接收所述电压信号，将所述电压信号转换成模拟电流信号并输出。

开关组1接收数字信号，根据不同的数字信号控制开关组1内的开关的开启和闭合，电流单元模块2通过开启的开关输出电流信号，第一转换模块3接收电流单元模块2产生的电流信号，并将电流信号转换为电压信号，第二转换模块4接收第一转换模块3输出的电压信号，并将电压信号转换为模拟电流信号并输出。与现有技术相比，该方案不是直接将电流单元模块2的电流直接输出，而是将电流模块输出的电流转换为电压信号，再将电压信号转换为模拟电流信号。其中，保证模拟电流的精度，进一步保证外部设备能够根据模拟电流信号的大小获取数字信号的模块为第一转换模块3和第二转换模块4，而第一转换模块3和第二转换模块4功能的实现通常不需要用到金氧半场效晶体管来作为镜像的方案，因此对镜像的电路匹配要求降低，电流单元模块中不要求多个金氧半场效晶体管具有较大的固定限制区间电压，同时能保持较高的转换功率效率。

在一种可能的实施方式中，所述第一转换模块3与所述第二转换模块4通过运算放大器op连接，其中，所述运算放大器op的第一输入端与所述第一转换模块3连接，所述运算放大器op的输出端分别与所述第二转换模块4和所述运算放大器op的第二输入端连接。

示例性地，参见图5，运算放大器op的同相输入端连接第一转换模块3，输出端和反相输入端连接第二转换模块4。

第一转换模块3将电压信号输入到运算放大器op中，运算放大器op将电压信号进行放大，输出到第二转换模块4中；其中，第二转换模块4还和运算放大器op的第二输入端连接，因此，由于第二输入端和输出端组成的回路的增益，使得第一转换模块3与第二转换模块4与运算放大器op连接点的电压相同，运用该特性，可以使第一转换模块3和第二转换模块4输出预设比例大小的电流。

在一种可能的实施方式中，所述第二转换模块4包括第一电阻r1和第一金氧半场效晶体管mp1，所述第一电阻r1的第一端和所述第一金氧半场效晶体管mp1的源端分别与所述运算放大器op的栅端连接，所述第一金氧半场效晶体管mp1的控制端与所述运算放大器op的输出端连接。

由于运算放大器op具有虚短的特点，因此，第一转换模块3输出端电压信号的大小与第一金氧半场效晶体管mp1的源端的电压大小相同。又由于运算放大器op的输出端与第一金氧半场效晶体管mp1的栅端连接，因此第一金氧半场效晶体管mp1的控制端、输出端、输出端具有电压差，当输入端和输出端的电压差值大于阈值时，第一金氧半场效晶体管mp1导通，第一金氧半场效晶体管mp1输出额定电流，当输入端和输出端的电压差值小于阈值时，随着输入端和输出端的电压差值的改变，第一金氧半场效晶体管mp1的输出端，输出不同的模拟电流，基于上述实施方式，能够使用简单的结构将电压信号转换成电流信号。

参见图5，在一种可能的实施方式中，所述第一转换模块3包括第二电阻r2，所述第二电阻r2的第一端分别与所述开关组1的第二端和所述第二转换模块4连接。

第一转换模块3通过开关组1接收电流单元模块2输出的不同大小的电流信号，电流信号流经第二电阻r2，在第二电阻r2上产生电压差，将电流信号转换成电压信号。基于上述实施方式，能够使用简单的结构将电流信号转换成电压信号。

参见图5，在一种可能的实施方式中，所述电流单元为第二金氧半场效晶体管，所述第二金氧半场效晶体管的漏端与所述开关组1的第一端连接。

第二金氧半场效晶体管在源极和漏极的电压差值达到稳定状态时，能够产生较为稳定的电流信号。

在一种可能的实施方式中，所述第一金氧半场效晶体管mp1为第一pmos管，所述第一pmos管的源极与所述第一电阻r1的第一端连接，所述第一pmos管的栅极与所述运算放大器op连接。

由于运算放大器op具有虚短的特点，因此，第一转换模块3输出端电压信号的大小与第一pmos管的源极的电压大小相同。又由于运算放大器op的输出端与第一pmos管的漏极连接，因此第一pmos管的漏极、源极、栅极具有电压差，当源极和栅极的电压差值大于阈值时，第一pmos管导通，第一pmos管输出额定电流，当源极和栅极的电压差值小于阈值时，随着源极和栅极的电压差值的改变，第一pmos管的栅极输出不同的模拟电流，基于上述实施方式，能够使用简单的结构将电压信号转换成电流信号。

在一种可能的实施方式中，所述第二金氧半场效晶体管为nmos管，所述nmos管的源极与所述开关组1的第二端连接。

nmos管的源极接地，栅极接稳定直流电源，可以保证nmos管输出稳定的电源。基于上述实施方式，能够有效地使电流单元模块2输出稳定的电流。

示例性，参加图4，将上述几种可能的实施的方案进行结合，n位的数模转换器可以用nmos管来设计。n位数字信号控制n个开关(sw1、sw2...swn)，根据数字信号的不同的电流，这样就形成一个电流沉数模转换器。数模转换器电流沉电流信号在第二电阻r2产生压降，电流信号被转换为电压信号，该电压再被运算放大器op检测并迫使第一电阻r1的下端节点netn电位与netp的电位一致，再由第一电阻r1把netn的电压信号转换成电流，输出到芯片输出引脚。

以上结构中，第一电阻r1，第二电阻r2没有headroom需求。只要能保证r1、r2下端电位相等，那就可以输出设计的输出的模拟电流信号的大小。此结构中，需要一定的headroom要求的是mp1.但是此mos管不需要太大的headroom，没有匹配要求，只需保证电流能力。所以相比原有的设计能够大大减小电流对headroom的需求。

在一种可能的实施方式中，所述开关组1内具有多个开关，所述电流单元模块2具有12个电流单元，所述电流单元模块2的每个所述电流单元分别与所述开关组1内的一个开关连接。

示例性地，参见图4，开关组1由sw1、sw2...swn组成，当开关组1内有12个开关时，则n为12，其中，开关sw1连接电流单元i1、开关sw2连接电流单元i2，swn连接in。

开关组1内的每个开关分别接收数字信号的一位电平，根据电平的高低控制开关的开启，从而使得电流单元模块2内的电流单元输出不同的大小的电流。基于上述实施方式，实现了一种多二位的数模转换器。

在一种可能的实施方式中，所述开关组的开关包括pmos管、nmos管、cmos管中的一种或多种。根据不同的场景选用不同的晶体管，可以有效地提高整个数模转换器的工作效率。

实施例2

本申请实施例提供了一种处理器，包括第一方面的数模转换器。

在上述实现过程中，数据处理器在生产过程中金氧半场效晶体管的匹配需求降低，能够提高生产效率。

综上，本申请实施例提供的数模转换器占用面积大大减小。大功率应用中，电阻比有源器件占用的面积更小；电阻的匹配比有源器件更好把握。由于有源器件的匹配除了尺寸还会跟阈值电压有关，还会引入二阶非线性。由于第一电阻r1、第二电阻r2能够按比例调节，增加了设计自由度。即流过第二电阻r2的满量程电流可以是系统满量程的k倍，这样电流单元模块2的设计就也会有较大的自由度。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。