一种二段式电阻网络及基于二段式电阻网络的数模转换器的制作方法

[0001]
本发明属于集成电路和模拟电路技术领域，涉及一种二段式电阻网络，以及基于该二段式电阻网络构成的高精度数模转换器。


背景技术：

[0002]
电阻网络是数模转换器(digital-to-analog convertor,dac)的重要组成部分，其对数模转换器dac的功耗、面积以及精度等各方面都有着很大的影响，现有的高精度dac有多种架构，比如：电阻串架构和r2r架构，这两种架构均为采用数字控制逻辑的模拟电路。
[0003]
如图1所示是简单电阻串架构的电阻网络构成的dac，简单电阻串dac有着很好的单调特性，但并不适合高分辨率的dac应用。从图1中可以看到，对于一个n位的电阻串dac，有2
n
个电阻串联，需要21+22+
……
+2
n
＝2
n+1-2个开关，最少的情况下也需要最左边的一列的2
n
个开关，开关数量与分辨率呈指数关系。如果要实现一个10位的dac，至少需要1024个开关，这对于面积以及版图工作都有很高的要求。
[0004]
如图2所示是r2r梯形电阻网络dac的结构示意图，r2r梯形电阻网络dac的每一位分辨率都由1个r电阻器、2r电阻器以及开关组成的集合实现，其中开关控制信号0、1表示控制对应开关常开和常关，开关控制信号d0和d
0z
、d1和d
1z
、
……
、d
n-1
和d
(n-1)z
分别是由n位输入数字码产生的n对互为反相的信号控制对应的开关在参考电压与接地之间切换。r2r梯形电阻网络dac能够通过二进制加权的方式，极大的简化面积与版图工作，但是其单调性较差，在full range/2处(即二分之一满量程范围处)容易出现非单调点。dac的单调性是指当数模转换器的输入信号在其满量程范围之内，模拟输出信号在一个转换台阶和下一个转换台阶之间不会降低。
[0005]
可见上述两种电阻网络构成的数模转换器都无法平衡面积和精度的要求。


技术实现要素：

[0006]
针对上述传统电阻串架构和r2r架构的数模转换器无法同时实现高精度和小面积的不足之处，本发明提出一种二段式电阻网络，相比电阻串架构的电阻网络大大减少了开关数目，极大的减小了面积与版图工作量；基于本发明的二段式电阻网络设计的数模转换器极大的继承了简单电阻串dac的单调特性，具有高精度的特点。
[0007]
本发明提出的二段式电阻网络的技术方案为：
[0008]
一种二段式电阻网络，包括级联的2
m
个第一电阻模块，m为正整数，第i个所述第一电阻模块的第一连接端连接第i+1个所述第一电阻模块的第二连接端，i为正整数且i∈[1,2
m-1]；第2
m
个第一电阻模块的第一连接端连接第1个第一电阻模块的第二连接端；
[0009]
所述第一电阻模块包括第一电阻、第一开关、第二开关和第三开关，第一电阻的第一连接端连接所述第一电阻模块的第一连接端，其第二连接端通过第一开关后连接所述第一电阻模块的第二连接端，第二开关接在第一开关的第一连接端和参考电压之间，第三开关接在第一开关的第二连接端和地电平之间；
[0010]
其中第2
m
个第一电阻模块的第一电阻由低位电阻单元构成，所述低位电阻单元包括2
l
个第二电阻和2
l
个第四开关，l为正整数，第j个第二电阻的第二连接端连接第j+1个第二电阻的第一连接端并通过第j个第四开关后连接所述二段式电阻网络的输出端，j为正整数且j∈[1,2
l-1]；第1个第二电阻的第一连接端连接所述低位电阻单元的第一连接端，第2
l
个第二电阻的第二连接端连接所述低位电阻单元的第二连接端并通过第2
l
个第四开关后连接所述二段式电阻网络的输出端。
[0011]
基于本发明提出的二段式电阻网络设计的数模转换器的技术方案为：
[0012]
一种基于二段式电阻网络的数模转换器，能够将n位数字信号转换为对应的模拟信号，n为大于1的正整数；将所述n位数字信号分为高m位和低l位两部分，m和l均为正整数且m+l＝n；
[0013]
所述数模转换器包括第一译码器、第二译码器和二段式电阻网络，
[0014]
所述二段式电阻网络包括级联的2
m
个第一电阻模块，第i个所述第一电阻模块的第一连接端连接第i+1个所述第一电阻模块的第二连接端，i为正整数且i∈[1,2
m-1]；第2
m
个第一电阻模块的第一连接端连接第1个第一电阻模块的第二连接端；
[0015]
所述第一电阻模块包括第一电阻、第一开关、第二开关和第三开关，第一电阻的第一连接端连接所述第一电阻模块的第一连接端，其第二连接端通过第一开关后连接所述第一电阻模块的第二连接端，第二开关接在第一开关的第一连接端和参考电压之间，第三开关接在第一开关的第二连接端和地电平之间；
[0016]
其中第2
m
个第一电阻模块的第一电阻由低位电阻单元构成，所述低位电阻单元包括2
l
个第二电阻和2
l
个第四开关，第j个第二电阻的第二连接端连接第j+1个第二电阻的第一连接端并通过第j个第四开关后连接所述数模转换器的输出端，j为正整数且j∈[1,2
l-1]；第1个第二电阻的第一连接端连接所述低位电阻单元的第一连接端，第2
l
个第二电阻的第二连接端连接所述低位电阻单元的第二连接端并通过第2
l
个第四开关后连接所述数模转换器的输出端；
[0017]
所述第一译码器用于根据高m位数字信号进行译码获得2
m
个高位控制信号分别用于控制所述2
m
个第一电阻模块，每次译码获得的所述2
m
个高位控制信号中有且只有一个所述高位控制信号为第一状态，其余所述高位控制信号为第二状态，所述第一状态的高位控制信号控制对应的所述第一电阻模块中的第一开关断开、第二开关和第三开关闭合，所述第二状态的高位控制信号控制对应的所述第一电阻模块中的第一开关闭合、第二开关和第三开关断开；
[0018]
所述第二译码器用于根据低l位数字信号进行译码获得2
l
个低位控制信号分别用于控制所述2
l
个第四开关，每次译码获得的所述2
l
个低位控制信号中有且只有一个所述低位控制信号为第一状态，其余所述低位控制信号为第二状态，所述第一状态的低位控制信号控制对应的第四开关闭合，所述第二状态的低位控制信号控制对应的第四开关断开。
[0019]
具体的，n为偶数时，取
[0020]
具体的，所述第一状态为高电平，所述第二状态为低电平。
[0021]
本发明的有益效果为：本发明提出一种二段式电阻网络并基于该二段式电阻网络构成了一个高精度、低面积的数模转换器，既具有简单电阻串dac的单调特性，又将开关数
量从简单电阻串dac的2
n
个减少到3
×2m
+2
l
个，大大减少了开关数目，极大的减小了面积与版图工作量。
附图说明
[0022]
下面的附图有助于更好地理解下述对本发明不同实施例的描述，这些附图示意性地示出了本发明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发明的一些实施例。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。
[0023]
图1为简单电阻串dac的结构示意图。
[0024]
图2为r2r梯形电阻网络dac的结构示意图。
[0025]
图3为本发明提出的一种基于二段式电阻网络的数模转换器的一种具体框架示意图。
[0026]
图4为实施例中将本发明提出的一种基于二段式电阻网络的数模转换器用于实现4bit输入为din＝4’b1110时，电阻网络中各个开关的连接示意图。
[0027]
图5为实施例中将本发明提出的一种基于二段式电阻网络的数模转换器用于实现4bit输入为din＝4’b0100时，电阻网络中各个开关的连接示意图。
[0028]
图6是实施例中第一译码器和第二译码器的一种译码实现方式。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图和具体实施例详细本发明的技术方案。
[0030]
下面所述实施例中的具体细节，实施例中的具体电路结构和这些电路元件的具体参数，都用于对本发明的实施例提供更好的理解，如电阻、电阻单元、电阻模块的第一连接端和第二连接端只是表示电阻器件的两个连接端，第一和第二用于区分而非用于限定，控制信号的第一状态和第二状态也只是用于区分高低电平，开关可以是具有开关功能的晶体管或其他开关结构。本技术领域的技术人员可以理解，即使在缺少一些细节或采用其他方法、元件、材料等结合的情况下，本发明的实施例也可以被实现。
[0031]
与简单电阻串结构相比，本发明将电阻网络分成了二段式，大大减少了开关数量。如图3所示，本发明提出的二段式电阻网络包括级联的2
m
个第一电阻模块(rmsb,0-rmsb,2
m-1)，m为正整数，每个第一电阻模块都包括第一电阻，其中将第2
m
个第一电阻模块的第一电阻低位电阻单元构成，使得电阻网络分成了二段式。如图3所示，低位电阻单元包括2
l
个第二电阻(rlsb,0-rlsb,2
l-1)和2
l
个第四开关，l为正整数，低位电阻单元中第j个第二电阻的第二连接端连接第j+1个第二电阻的第一连接端并通过第j个第四开关后连接二段式电阻网络的输出端vout，j为正整数且j∈[1,2
l-1]；第1个第二电阻的第一连接端连接低位电阻单元的第一连接端，第2
l
个第二电阻的第二连接端连接低位电阻单元的第二连接端并通过第2
l
个第四开关后连接二段式电阻网络的输出端vout。低位电阻单元的第一连接端和第二连接端分别连接到第2
m
个第一电阻模块中，两个连接端可互换。
[0032]2m
个第一电阻模块中，第i个第一电阻模块的第一连接端连接第i+1个第一电阻模块的第二连接端，i为正整数且i∈[1,2
m-1]；第2
m
个第一电阻模块的第一连接端连接第1个第一电阻模块的第二连接端。第一电阻模块包括第一电阻、第一开关、第二开关和第三开
关，第一电阻的第一连接端连接第一电阻模块的第一连接端，其第二连接端通过第一开关后连接第一电阻模块的第二连接端，第二开关接在第一开关的第一连接端和参考电压之间，第三开关接在第一开关的第二连接端和地电平之间。同样的，第一电阻模块的两个连接端和开关的两个连接端可互换，比如图3所示是第一电阻上端作为第一连接端连接第一电阻模块的第一连接端，第一电阻下端通过第一开关后连接第一电阻模块的第二连接端，第一开关上端作为第一连接端通过第二开关后连接参考电压，第一开关下端作为第二连接端通过第三开关后接地；但是本发明也可以令第一电阻下端作为第一连接端连接第一电阻模块的第一/二连接端，第一电阻上端通过第一开关后连接第一电阻模块的第二/一连接端，或者将第二开关和第三开关交换位置，令第二开关接在第一开关下端和参考电压之间，第三开关接在第一开关上端和地之间，同样不影响本发明实现二段式电阻网络。
[0033]
根据图3可知，2
m
个第一电阻模块的电阻值都为第一电阻的电阻值相等，而第2
m
个第一电阻模块中第一电阻由2
l
个第二电阻串联组成，即2
l
个第二电阻的阻值相等且为个第二电阻的阻值相等且为并且2
m
个第一电阻模块的电阻值相等且为个第一电阻模块的电阻值相等且为
[0034]
n位的简单电阻串开关数量至少为2
n
个，但本发明将n分为了两段即m和l，要实现n位的二段式电阻网络只需要3
×2m
+2
l
个开关。比如对于一个12位的简单电阻串dac，其开关数量至少为2
12
＝4096个，而对于本发明提出的二段式电阻网络，若取m＝l＝6，其开关数量减小到3
×26
+26＝256个。
[0035]
将本发明提出的二段式电阻网络用于实现nbit的数模转换器时，将n位数字信号分为高m位和低l位两部分，第一译码器为m-bit转2
m
位译码器，第二译码器为l-bit转2
l
位译码器。高m位数字信号dm
0-dm
m-1
通过第一译码器进行译码获得2
m
个高位控制信号控制2
m
个第一电阻模块，低l位数字信号dl
0-dl
l-1
通过第二译码器进行译码获得2
l
个低位控制信号控制低位电阻单元中的2
l
个第四开关。
[0036]
以第一译码器对采用二进制表示的高m位数字信号进行译码为例，二进制表示的高m位数字信号dm
0-dm
m-1
共有2
m
种情况，将这2
m
种情况分别用2
m
个高位控制信号表示出来，2
m
种译码结果分别对应2
m
个高位控制信号中有且只有一个对应高位控制信号为第一状态，其余高位控制信号为第二状态。这样高m位数字信号的2
m
种情况分别控制2
m
个第一电阻模块中有且只有一个对应第一电阻模块的第一开关断开、第二开关和第三开关闭合，将参考电平和地电平接入；其余第一电阻模块中的第一开关闭合、第二开关和第三开关断开，与其他第一电阻模块连接。
[0037]
由于则本发明提出的基于二段式电阻网络的数模转换器输出的模拟信号为：
[0038][0039]
其中vref为参考电压值，令n＝m+l，dm0＝dl
l
,dm1＝dl
l+1
,
…
,dm
m-1
＝dl
n-1
，则
[0040][0041]
由上式可见，数模转换器输出的模拟信号vout实现了n＝m+l位的数模转换。
[0042]
下面以将本发明实现4bit数模转换器为例进行说明，取如图4和图5所示，包括级联的2
m
＝4个第一电阻模块，第4个电阻模块的第一电阻由低位电阻单元构成，低位电阻单元包括2
l
＝4个第二电阻和＝4个第四开关。结合如图6所示的第二译码器的一种l-2
l
的译码实现真值表来说明本发明开关控制，本实施例中第一译码器的译码实现真值表也采用图6原理，令第一状态为高电平1，所述第二状态为低电平0。
[0043]
如图4所示，输入din＝4’b1110时，高2位数字信号为11，对应控制信号为1000，高位控制信号s3为高电平，s0、s1、s2为低电平，控制第4个电阻模块中的第一开关断开、第二开关和第三开关闭合，将参考电平和地电平接入，第1至第3个第一电阻模块中的第一开关闭合、第二开关和第三开关断开，与其他第一电阻模块连接。低2位数字信号为10，对应控制信号为0100，即低位控制信号sl2为高控制第3个第四开关闭合连接到数模转换器的输出端vout，低位控制信号sl0、sl1、sl3为低控制第1个第四开关、第2个第四开关、第4个第四开关断开。
[0044]
如图5所示，输入din＝4’b0100时，高2位数字信号为01，对应控制信号为0010，高位控制信号s1为高电平，s0、s2、s3为低电平，控制第2个电阻模块中的第一开关断开、第二开关和第三开关闭合，将参考电平和地电平接入，第1个第一电阻模块、第3个第一电阻模块、第4个第一电阻模块中的第一开关闭合、第二开关和第三开关断开，与其他第一电阻模块连接。低2位数字信号为00，对应低位控制信号为0001，即低位控制信号sl0为高控制第1个第四开关闭合连接到数模转换器的输出端vout，低位控制信号sl1、sl2、sl3为低控制第2-4个第四开关断开。
[0045]
综上所述，本发明创新的采用了二段式电阻网络，将n＝m+l位的dac，分成m bit高位和l bit低位的二段式电阻网络构成的dac，其中m∈[1，n-1]，l∈[1，n-1]且m+l＝n，不考虑设计面积、电阻值、速度等因素时优选m＝l＝n/2。本发明实现了一个精度近似于简单电阻dac，但复杂度远远降低的dac架构的二段式电阻网络dac，一方面极大的继承了简单电阻串dac的单调特性，另一方面极大的减小了开关数量，减小了面积与版图工作量。
[0046]
本发明以示例性的方式对二段式电阻网络和基于二段式电阻网络的数模转换器的具体结构进行了说明，并不限定本发明的范围，对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中器件的等同变化变化可以被本领域技术人
员所了解，如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。