一种高速低功耗的多通道数模转换器的制作方法

1.本实用新型属于集成电路设计技术领域，涉及一种高速低功耗的多通道数模转换器，能够应用于高精度快速波束转换的有源相控阵雷达天线领域。


背景技术：

2.相控阵雷达是通过控制阵列中各单元的信号相位来改变波束指向，因此相位控制是该类雷达的核心技术。移相器是相控阵雷达的核心部件，主要有数字调幅调相和矢量调幅调相两种。数字调幅调相具有快速波束转换能力，但受限于数字移相器芯片移相分辨率限制，最高只能实现7位精度。而矢量调幅调相采用矢量调制技术，幅度和相位连续可调，理论上分辨率无穷大。
3.将多通道数模转换器芯片配合矢量调制器芯片，可以实现高精度移相功能，从而更大地使用带宽。但目前的多通道数模转换器芯片存在两个问题：一是通道数足够实现系统小体积，但波束转换速度慢；另一种是波束转换速度快，但通道数少，增大了系统体积。


技术实现要素：

4.针对上述多通道数模转换器在通道数和波束转换速度之间难以平衡的问题，本实用新型提出一种高速低功耗的多通道数模转换器，既能实现足够的通道数，又能满足波束转换速度的要求，具有更高的集成度、更小的体积、更高的移相分辨精度。
5.本实用新型的技术方案为：
6.一种高速低功耗的多通道数模转换器，包括数字信号接收处理模块、电平转换模块、校准模块和数字
‑
模拟转换模块；
7.所述数字信号接收处理模块用于接收m位二进制的数字输入信号，并将所述m位二进制的数字输入信号进行译码获得n个译码数字信号，所述数字输入信号的分辨率为k位，k、m和n均为大于1的正整数，且n>m；
8.所述电平转换模块用于接收内部参考电压和所述n个译码数字信号，并根据所述n个译码数字信号将所述内部参考电压转换成n个子参考电平；
9.所述数字
‑
模拟转换模块包括n个dac数据寄存器、n个r
‑
2r电阻网络和n个电流
‑
电压转换单元；
10.所述数字信号接收处理模块每次接收所述数字输入信号后存入一个所述dac数据寄存器中，n个所述dac数据寄存器分别存储所述数字信号接收处理模块n次接收的所述数字输入信号；
11.n个所述dac数据寄存器分别将其存储的所述数字输入信号输出给n个所述r
‑
2r电阻网络；每个所述r
‑
2r电阻网络用于根据所述数字输入信号将一个所述子参考电平转换为对应的输出电流，则n个所述r
‑
2r电阻网络分别将n个所述子参考电平转换为对应的输出电流；
12.所述n个电流
‑
电压转换单元分别用于将n个所述r
‑
2r电阻网络的输出电流转换为
对应的输出电压并作为所述多通道数模转换器的模拟输出信号；
13.所述校准模块用于对所述多通道数模转换器进行校准，包括增益校准和失调校准。
14.具体的，设置参考电压处理模块提供具有足够驱动能力且稳定的所述内部参考电压，所述参考电压处理模块包括缓冲放大器，所述缓冲放大器的输入端连接外部输入参考电压，其输出端产生所述内部参考电压。
15.具体的，所述数字信号接收处理模块包括串行外设接口和译码器，所述串行外设接口采用4线接口进行通信并用于接收4位二进制的数字输入信号，m=4，k=12；所述译码器将所述4位二进制的数字输入信号转换成16个译码数字信号，n=16。
16.具体的，所述电流
‑
电压转换单元包括跨阻放大器，所述跨阻放大器的输入端连接所述r
‑
2r电阻网络的输出电流，其输出端产生对应的输出电压；当所述r
‑
2r电阻网络产生多个输出电流时，所述电流
‑
电压转换单元设置对应个数的跨阻放大器，将所述r
‑
2r电阻网络产生的每一个输出电流都转换为对应的输出电压。
17.具体的，所述r
‑
2r电阻网络用于将所述子参考电平分成多个电位，并选择其中一个或多个电位产生对应的输出电流。
18.具体的，所述校准模块包括用于调整失调误差的第一一次性可编程存储器单元和失调校准电路，所述第一一次性可编程存储器单元给出数字信号连接所述失调校准电路的控制端，所述失调校准电路的输入端连接所述电平转换模块产生的n个子参考电平，其输出端为所述r
‑
2r电阻网络的最低电压提供电位。
19.具体的，所述校准模块包括用于调整增益误差的第二一次性可编程存储器单元和增益校准电路，所述第二一次性可编程存储器单元给出数字信号连接所述增益校准电路的控制端，所述增益校准电路的输入端连接所述电平转换模块产生的n个子参考电平，其输出端为所述r
‑
2r电阻网络的最高电压提供电位。
20.具体的，所述多通道数模转换器还包括用于监控内部状态的缓冲放大器，所述缓冲放大器的输入端连接所述电流
‑
电压转换单元产生的输出电压，其输出端产生表征内部状态的标志信号。
21.本实用新型的有益效果为：本实用新型提出的多通道数模转换器能够兼容通道数和波束转换速度的要求，能够适用于相控阵雷达的幅相控制，相比其它相控阵雷达幅相控制方案，本实用新型同时具有波束切换速度快（小于100ns）、功耗低（小于30mw/通道）、精度高（调幅调相分辨率大于12位）、体积小（芯片级封装）等优点，可以满足5g通信、低轨卫星通信等领域应用。
附图说明
22.下面的附图有助于更好地理解下述对本实用新型不同实施例的描述，这些附图示意性地示出了本实用新型一些实施方式的主要特征。这些附图和实施例以非限制性、非穷举性的方式提供了本实用新型的一些实施例。为简明起见，不同附图中具有相同功能的相同或类似的组件或结构采用相同的附图标记。
23.图1是本实用新型提出的一种高速低功耗的多通道数模转换器在实施例中的具体实现结构图。
24.图2是本实用新型提出的一种高速低功耗的多通道数模转换器的输出信号转换时间测试结果示意图，表明本实用新型实现了小于100ns的波束切换速度。
具体实施方式
25.为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型进行详细地说明。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
26.本实用新型提出的多通道数模转换器包括数字信号接收处理模块、电平转换模块、校准模块和数字
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模拟转换模块；其中数字信号接收处理模块用于接收m位二进制的数字输入信号，并将m位二进制的数字输入信号进行译码获得n个译码数字信号，数字输入信号的分辨率为k位，k、m和n均为大于1的正整数，且n>m。对于数字信号接收处理模块接收的m位二进制的数字输入信号只需进行一次译码获得n个译码数字信号即可。
27.一些实施例中，数字信号接收处理模块采用串行外设接口2（serial peripheral interface，spi接口）进行通信，串行外设接口2是高速全双工同步通信总线，采用4线接口进行通信，接收4位二进制的数字输入信号，从而可以节省系统体积，提高通信速率。本实用新型提出的多通道数模转换器可为多个射频通道提供幅相控制功能，采用串行外设接口2可以节省系统内部的通信线数量，设置4位二进制的数字输入信号的分辨率为12位，即m=4，k=12。另外实施例中数字信号接收处理模块可采用译码器3将4位二进制的数字输入信号转换成16个译码数字信号，n=16，这16个译码数字信号是用于控制电平转换模块4将内部参考电压转换为16个子参考电平用于控制芯片内所有数字电路。数字信号接收处理模块获取数字输入信号是按帧长度，分多次获取，本实施例采用一帧为25个字节，包含3个模式字节、5个地址字节、5个寄存器字节、12个dac数据字节。
28.电平转换模块4用于接收内部参考电压和数字信号接收处理模块产生的n个译码数字信号，并根据n个译码数字信号将内部参考电压转换成n个子参考电平；如本实施例中译码器3将将4位二进制的数字输入信号转换成16个译码数字信号，则电平转换模块4将内部参考电压对应转换为16个子参考电平，例如可将16个子参考电平平均分布于0~1.6v之间；这16个子参考电平可以为后级增益校准电路6、r
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2r电阻网络8和失调校准电路9提供所需的电平，从而进行增益、失调校准和数字
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模拟转换。
29.内部参考电压可以通过设置参考电压处理模块1来产生，参考电压处理模块1包括缓冲放大器，缓冲放大器的输入端连接外部输入参考电压，其输出端产生具有足够驱动能力且稳定的内部参考电压。一些实施例中，缓冲放大器可采用单位增益放大器的方式实现，能够起到较好隔离作用；缓冲放大器可以为两级结构，第一级采用共源级差分对折叠结构，第二级采用共源共栅结构提供较大增益。内部参考电压用于为芯片提供所有的参考电平，参考电压处理模块1可为内部参考电压提供足够大的驱动能力，并且在输入信号有干扰时能较好的保护内部信号，提高芯片抗干扰能力。
30.数字
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模拟转换模块（digital to analog converter，数模转换）包括n个dac数据寄存器7、n个r
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2r电阻网络8和n个电流
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电压转换单元11，电流
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电压转换单元11结合dac数据寄存器7、r
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2r电阻网络8可现波束的快速转换。
31.其中dac数据寄存器7用于存储数字信号接收处理模块接收的数字输入信号并输出给r
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2r电阻网络，如本实施例中dac数据寄存器7存储串行外设接口2接收的12位dac的数字信号，串行外设接口2每接收一次就存入一个dac数据寄存器7中，接收16次就存入16个dac数据寄存器7中。
32.r
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2r电阻网络8用于根据dac数据寄存器7存储的数字输入信号将一个子参考电平转换为对应的输出电流，本实施例中将16个dac数据寄存器7分别输出给16个r
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2r电阻网络8，16个r
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2r电阻网络8分别将16个子参考电平转换为对应的输出电流。单个r
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2r电阻网络8的工作过程是通过将一个子参考电平分成多个电位，如可以分成1024个电位，分布于0~1.6v之间，从1024个电位中选取一个或多个电位产生对应的输出电流。
33.电流
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电压转换单元用于将r
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2r电阻网络的输出电流转换为对应的输出电压并作为多通道数模转换器的模拟输出信号；由于r
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2r电阻网络8将子参考电平分成分布于0~1.6v之间的1024个电位，则电流
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电压转换单元可实现0~1.6v内的模拟电压输出。
34.当r
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2r电阻网络8产生多个输出电流时，电流
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电压转换单元11也设置对应个数的跨阻放大器，从而将r
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2r电阻网络产生的每一个输出电流都转换为对应的输出电压。如图1所示，一个r
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2r电阻网络产生2个输出电流，一个电流
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电压转换单元包括两个跨阻放大器tia
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a和tia
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b分别将r
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2r电阻网络的2个输出电流转换成2个输出电压vout_a和vout_b。当将本实用新型的多通道数模转换器用于多射频通道的幅相控制时，可设置输出电压vout_a和vout_b反相。
35.校准模块用于对多通道数模转换器进行校准，包括增益校准和失调校准。如图1所示，校准模块的增益校准采用第二一次性可编程存储器单元5和增益校准电路6实现，本实施例中6位e
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fuse单元（即第二一次性可编程存储器单元5）用于进行增益校准，增益误差调整范围为1.5~1.7v，6位e
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fuse单元可一次性修调200mv内的64个电平。增益校准电路6利用前级不同的电平配合e
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fuse选择，减小电路中因制造而带来的增益误差，最小增益误差调整范围是3mv。本实施例中第二一次性可编程存储器单元5为增益校准电路6提供6位数字控制信号，数字控制信号000000对应电位1.44v，111111对应电位1.616v。第二一次性可编程存储器单元5将数字信号连接至增益校准电路6的控制端，增益校准电路6的输入端连接的是电平转换模块产生的n个子参考电平，其输出端产生信号用于为r
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2r电阻网络8的最高电压提供电位，目的是将最高电压控制在1.595v~1.605v之间，最大调整范围是1.44v~1.616v，调整步进为5mv/bit。
36.如图1所示，校准模块的失调校准采用第一一次性可编程存储器单元10和失调校准电路9实现，本实施例中5位e
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fuse单元（即第一一次性可编程存储器单元10）用于进行失调校准，失调误差调整范围为
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0.1~0.1v，可一次性修调200mv内的32个电平；失调校准电路9配合e
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fuse可减小电路中的失调误差，最小失调误差调整范围是6.4mv。本实施例中第一一次性可编程存储器单元10为失调校准电路9提供5位数字控制信号，数字控制信号00000对应电位
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80mv，11111对应电位+80mv，第一一次性可编程存储器单元10将数字信号连接至失调校准电路9的控制端，失调校准电路的输入端连接的是电平转换模块产生的n个子参考电平，其输出端产生信号用于为r
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2r电阻网络8的最低电压提供电位，目的是将r
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2r电阻网络8的最低电压控制在
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5mv~+5mv之间，最大调整范围是
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80mv~+80mv，调整步进为5mv/bit。
37.一些实施例中，多通道数模转换器还设置了用于监控内部状态的缓冲放大器12，
缓冲放大器12的输入端连接电流
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电压转换单元11产生的输出电压，其输出端产生表征内部状态的标志信号。例如实施例中设置两个缓冲放大器12，分别根据电流
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电压转换单元11产生的两个输出电压vout_a和vout_b产生两个标志信号mout_a和mout_b，根据标志信号mout_a和mout_b可监控芯片的内部状态。
38.本实用新型提出的多通道数模转换器可全部采用cmos工艺设计和制造，以将本实用新型应用于4个射频通道的信号相位和幅度控制为例，每个射频通道需要4个幅相控制信号i、i’、q和q’，共16个幅相控制信号，则可以采用一个16通道12位高速数模转换器来产生对应的16个幅相控制信号，从而控制4个射频通道的信号相位和幅度。比如n取16，每个电流
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电压转换单元包括一个跨阻放大器，产生一个输出电压作为i、i’、q或q’中的一个；或者n取8，每个电流
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电压转换单元包括两个跨阻放大器，产生两个输出电压作为i和i’或作为q和q’。如图2所示是在≤50ns范围内本实用新型的输出信号转换时间测试结果，从图2可以看出，本实用新型实现了小于100ns的波束切换速度，另外经过试验仿真的分析，采用本实施例的方案实现的多通道数模转换器，可实现数字调幅调相所具有的小于100ns的快速波束转换能力，且芯片功耗小于100mw，可见本实用新型拥有更高的集成度、更小的体积、更高的移相分辨精度。
39.上面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了详细说明，但本实用新型并不限制于上述实施方式，在不脱离本技术的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以做出各种修改和优化。