专利名称：电流型数模转换装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及数字信号处理领域，尤其涉及ー种电流型数模转换装置。
背景技术：
随着数字信号处理技术的飞速发展，对数模转换器(Digital to AnalogConverter, DAC)的速度要求和精度要求越来越高。在现有技术中，电流型DAC—直是数模转换器DAC的最优选择结构。但是，在电流型DAC中，电流源是最重要的単元，尤其电流源匹配程度的好坏直接决定了数模转换器的性能參数。η位精度电流型DAC电路一般由两部分组成，一部分由最高有效位(MostSignificant Bit, MSB)单元电流源组成的2a_l个单元阵列，称为MSB阵列，如图IA所示；另一部分是由最低有效位(Least Significant Bit, LSB)单元电流源组成的2b_l个单元阵列，称为LSB阵列，如图IB所。n = a+b(I)Imsb = 2b · Ilsb(2)Itotal = (2a-l) · Imsb+(2b-l) · Ilsb(3)其中n是DAC电路的精度位数，Imsb是MSB单元的电流，Ilsb是LSB单元的电流，Itotal是DAC电路的总电流。其中，MSB阵列和LSB阵列分别由两个不同的偏置(bias)电路设置偏置电压来产生电流。由于芯片上エ艺的因素，会造成MSB的电流与LSB的静态电流不匹配，这在高精度的DAC设计中是十分致命的。为了匹配MSB和LSB电流，通常会在芯片中加入ー个校准电路(calibration)模块，使得MSB与LSB电流的误差不影响DAC的静态性能。图2是现有技术的DAC校准电路结构框图，该校准电路包括MSB单元、LSB单元、开关K1、开关K2、时钟LI、时钟L2、电容C、比较器OAl、比较器0A2、电压源VI、电压源V2、校准模块310。图2中的校准电路利用两个比较器来调节MSB单元电流的大小，使MSB単元与LSB単元之间电流误差达到可以忽略不计。该校准电路只是校准ー个MSB単元，然后默认该MSB单元和其他的MSB单元之间是没有误差的。然而，由于芯片上エ艺的因素，MSB单元之间也存在不匹配的问题，这样直接导致高精度的DAC的微分非线性(Differential NonLinearity,DNL)和积分非线性(Integral Non Linearity, INL)这两个指标的值变得很差。因此，要想实现高精度的电流型DAC，必须解决MSB単元之间也存在不匹配的问题，而图2中的校准电路还无法实现高精度的电流型DAC。
实用新型内容本实用新型的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种电流型数模转换装置。该装置能够解决最高有效位单元之间的不匹配问题，使得微分非线性和积分非线性这两个指标很低，从而实现高精度的数模转换器。为实现上述目的，本实用新型实施例公开了ー种电流型数模转换装置，所述转换装置包括校准单元、预处理单元和数模转换核单元；所述校准单元与所述预处理单元相连接,所述预处理单元与所述数模转换核单元相连接；所述校准单元对最高有效位阵列 中每ー个最高有效位单元电流与最低有效位阵列中全部最低有效位单元总电流之间的电流误差转为时间误差进行測量，从而计算出所述每ー个最高有效位单元电流与所述全部最低有效位单元总电流之间的电流误差，并将所述电流误差发送给所述预处理单元；所述预处理单元根据所述校准単元的的所述每ー个最高有效位单元电流与所述全部最低有效位单元总电流之间的电流误差，对输入数字信号进行消除误差预处理，并将经过预处理的数字信号发送给所述数模转换器核単元；所述数模转换器核单元对所述经过预处理的数字信号进行数模转换，从而输出精确的模拟信号。优选的，所述校准単元包括误差测量子単元、误差计算子单元和误差存储子单元；所述误差测量子単元与所述误差计算子単元相连接，所述误差计算子単元与所述误差测量子単元相连接；所述误差测量子单元测量所述每ー个最高有效位单元电流与所述全部最低有效位单元总电流之间的电流误差转的时间误差，并发送给所述误差计算子单元；所述误差计算子単元根据所述时间误差计算所述每ー个最高有效位单元电流与所述全部最低有效位单元总电流的电流误差并发送给所述误差存储子单元；所述误差存储子单元将所述电流误差记录在寄存器中。进ー步优选的，所述误差测量子単元包括误差测量电路和控制模块，所述误差测量电路和控制模块相连接。更进ー步优选的，所述误差測量电路包括最高有效位阵列、最低有效位阵列、第一开关、第二开关、第一时钟、第二时钟、电容、比较器和电压源；所述最高有效位阵列和第一时钟分别与所述第一开关相连，所述最低有效位阵列和第二时钟分别与第二开关相连，所述第一开关和第二开关分别与所述电容相连；所述比较器的同相端分别与所述第一开关、第二开关和电容相连，所述比较器的反相端与所述电压源相连；所述最高有效位阵列、第一开关和第二开关分别与所述控制模块相连接。优选的，所述校准单元位于电流型数模转换装置的本体内，或位于电流型数模转换装置的本体外。优选的，所述预处理单元还包括温度译码器，所述温度译码器与所述校准単元相连接。 本实用新型的电流型数模转换装置，通过对所述每ー个最高有效位单元电流与所述全部最低有效位单元总电流之间的电流误差用时间误差来测量并保存在寄存器中，对输入数据进行预处理，把相应的误差消除，从而得到精确的输出。本实用新型克服了由于芯片上エ艺的因素而产生的最高有效位单元之间存在不匹配的问题，从而实现高精度的数模转换器。
图IA为现有技术的电流型DAC中最闻有效位阵列的结构不意图；[0023]图IB为现有技术的电流型DAC中最低有效位阵列的结构示意图；图2为现有技术的DAC校准电路结构框图；图3为本实用新型电流型数模转换方法的校准电路图；图4为本实用新型电流型数模转换方法的校准流程图；图5为本实用新型电流型数模转换方法的流程图；图6为本实用新型电流型数模转换装置的结构框图；图7为本实用新型电流型数模转换装置的校准单元结构框图；图8为本实用新型电流型数模转换装置的误差测量子单元电路图。
具体实施方式
下面通过附图和以温度计码结构的DAC为实施例，对本实用新型的技术方案做进一歩的详细描述。本实用新型实施例公开了ー种电流型数模转换方法，其特征在于，所述转换方法包括以下步骤对MSB阵列中每ー个MSB单元电流Imsb与LSB阵列中全部LSB单元总电流んB(,e、)之间的电流误差Λ I转为时间误差At进行测量、计算出每ー个MSB单元电流与全部LSB単元总电流之间的电流误差ΔΙ ;根据每ー个MSB单元电流Imsb与全部LSB单元总电流んΒ(,6)之间的电流误差Λ I，对输入数字信号进行消除误差预处理；对经过预处理的数字信号进行数模转换，从而输出精确的模拟信号。优选的，还进一歩包括对每ー个MSB单元电流Imsb与全部LSB单元总电流し“总)之间的电流误差ΛΙ用时间误差At来測量，根据对每ー个MSB単元和全部LSB単元对电容的充电时间误差At来计算每ー个MSB单元电流Imsb与全部LSB単元总电流んβ(,6)的电流误差Λ I，把计算得到的每ー个MSB单元电流Imsb与全部LSB単元总电流1，(,6)之间的电流误差△ I记录在寄存器中，此过程一直持续到所有的MSB単元都校准完为止。优选的，对于温度码型DAC，还进一歩包括首先将输入的数字信号转换为温度计码；然后，根据每ー个MSB单元电流Imsb与全部LSB単元总电流1，(,6)之间的电流误差Λ I对输入的温度计码进行消除误差预处理。其中定义姆ー个MSB单元电流用Imsb表示,第i个MSB单元电流用IBB(i)表示，I ^ i ^ 2a ;每ー个LSB单元电流用表示，第i个MSB单元电流用ん犯)表示，I < i < 2b ;Δ I是每ー个MSB单元电流Imsb与全部LSB单元总电流んB(总)之门的电流误差ΔΙ ；Δ Ii是第i个MSB单元电流用IMSB(i)与全部LSB单元总电流んB(总)之间的电流
误差;aI = Imsb-Ilsb(A)⑷AIi — Imsb ⑴ _ILSB(总)(5)Δ t是对每ー个MSB单元与全部LSB单元对电容的充电时间误差；全部LSB单元总电流用ILSB(总)表示。计算全部LSB单元总电流用しB(总)有两种方式[0046]a、若2b个LSB単元之间的误差忽略不计的情况下，Ilsb(总)=2bX Ilsb(6)[0048]b、若2b个LSB単元之间的误差需要考虑的情况下，
Ilsb(总尸y 2 Ilsbu)( 7 )图3为本实用新型电流型数模转换方法的校准电路图。该校准电路图由校准电路和控制模块301两部分組成。校准电路包括MSB阵列、LSB阵列、第一开关K1、第二开关K2、第一时钟LI、第二时钟L2、电容C、比较器、电压源Vref。其中，IMSB(i)为MSB阵列中第i个MSB单元电流，Ilsb(,6)为LSB阵列中全部LSB单元总电流。MSB阵列与第一开关Kl相连，LSB阵列与第二开关K2相连，第一时钟LI输出时钟信号至第一开关K1，第二时钟L2也输出时钟信号至第二开关K2。第一开关Kl、第二 K2与电容C连接于a点，具体地，MSB阵列中ー个MSB单元在第ー开关Kl闭合时对电容C进行充电，LSB阵列即全部LSB单元在第二开关K2闭合时对电容C进行充电。第一开关Kl、第二开关K2与电容C之间的连接点为a点。比较器同相端与电容C、第一开关K1、第二开关K2相连(连接点为a)，因此比较器同相输入电压Vin即为MSB阵列中ー个MSB单元或LSB阵列中全部LSB单元对电容C进行充电的充电电压；比较器反相端与电压源Vref相连，因此该比较器用于比较Vin与Vref的大小。下面详细阐述控制模块301、MSB阵列、LSB阵列、第一开关Kl、第二开关K2的工作原理。第一，控制模块301选择MSB阵列中哪ー个MSB単元需要校准，并控制第一开关Kl和第二开关K2皆打开，此时Vin端电容C放电，当控制模块501检测到比较器的输出端Vout为低电平时控制第一开关Kl闭合，同时第一时钟LI输出时钟信号至第一开关K1，经过第一时间tl，当控制模块301检测到比较器的输出端Vout的输出跳变为高电平时，打开第一开关Kl并记录下第一开关Kl闭合tl。第二，Vin端电容C放电，当控制模块301检测到比较器的输出端Vout为低电平时控制第二开关K2闭合，同时第二时钟L2输出时钟信号至第二开关K2，经过第二时间t2，当控制模块301检测到比较器的输出端Vout的输出跳变为高电平时，打开第二开关K2并记录下第二开关K2闭合时间t2，校正結束。图4为本实用新型电流型数模转换方法的校准流程图。首先，对每ー个MSB单元电流Imsb与全部LSB单元总电流んB(总)之间的电流误差转为时间误差来測量；然后，根据对每ー个MSB単元和全部LSB単元对电容的充电时间误差来计算每ー个MSB单元电流Imsb与全部LSB単元总电流IuB(,6)的电流误差；最后，把计算得到的每ー个MSB单元电流Imsb与全部LSB単元总电流IuB(,6)之间的电流误差记录在寄存器中，此过程一直持续到所有的MSB単元都校准完为止。具体步骤如下步骤410，开始对高精度电流型DAC进行校准。步骤420，校准ー个MSB单元。利用图3所示校准电路和控制模块301校准ー个MSB单元，首先，控制模块301选择MSB阵列中哪ー个MSB单元需要校准，并控制第一开关Kl和第二开关K2皆打开，此时a端电容C放电，当控制模块301检测到比较器的输出端Vout为低电平时控制第一开关Kl闭合，同时第一时钟LI输出时钟信号至第一开关K1，经过第一时间tl，当控制模块301检测到比较器的输出端Vout的输出跳变为高电平时，打开第一开关Kl并记录下开关Kl闭合时间即第一时间tl ;然后，a端电容C放电，当控制模块301检测到比较器的输出端Vout为低电平时控制第二开关K2闭合，同时第二时钟L2输出时钟信号至第二开关K2，经过第二时间t2，当控制模块301检测到比较器的输出端Vout的输出跳变为高电平时，打开第二开关K2并记录下第二开关K2闭合时间即第二时间t2 ;最后，校准ー个MSB单元结束。 步骤430，计算误差并将结果存入寄存器中。首先，根据第一时间tl、第二时间t2，计算时间差At = trt2，然后将，从而由时间误差At计算出电流误差Λ I ;然后，将计算得到的 Imsb 和 Ilsb (总) 之间的误差记录到寄存器中。该步骤可由软件完成，也可有硬件电路实现。At = trt2(8)
Al = (―) * ILSB (总)(9 )
,2步骤440，判断MSB阵列中所有的MSB单元是否校准完？若对所有的MSB单元还没有校准完，则回到步骤420继续对剩余的MSB单元进行校准。若对所有的MSB单元已经校准完，则进入下一步骤。步骤450，对高精度电流型DAC校准结束。图5为本实用新型电流型数模转换方法的流程图。首先，对每ー个MSB单元电流Imsb与全部LSB单元总电流んB(总)之间的电流误差Δ I转为时间误差Λ t进行测量、计算出每ー个MSB单元电流Imsb与全部LSB単元总电流ILSB(,6)之间的电流误差；然后，根据每ー个MSB单元电流Imsb与全部LSB单元总电流IuB(,e、)之间的电流误差，对输入数字信号进行消除误差预处理；最后，对经过预处理的数字信号进行数模转换，从而输出精确的模拟信号。对于温度码型DAC，还进一歩包括将输入的数字信号转换为温度计码；根据每ー个MSB单元电流Imsb与全部LSB単元总电流IuB(,6)之间的电流误差对输入的温度计码进行消除误差预处理。具体步骤如下步骤510，开始，即高精度电流型DAC开始工作。步骤520，DAC输入数据，将需要数模转换的数字信号输入到高精度电流型DAC中。对于温度码型DAC，还进一歩包括将输入的数字信号转换为温度计码；步骤530，对输入数据进行预处理。利用图3所示校准电路和控制模块301对每ー个MSB单元进行时间误差At測量，由时间误差At计算出电流误差Λ I并记录在寄存器中。取出存在寄存器中的每ー个MSB単元Imsb与全部LSB単元总电流しΒ(总)之间的误差Ali，根据输入数字信号的值N，由公式(10)得到消除误差的数字信号。
N'= N-J1-nAIi(10)[0075]其中，N是输入数字信号的值，Λ Ii是第i个MSB单元电流IMSB(i)与全部LSB単元总电流Ιμ(,6)之间的误差，I取值为I到N之间的任意数值。输入的数字信号与经过预处理的数字信号相比，经过预处理的数字信号已经克服了现有技术中由于芯片上エ艺的因素而产生的MSB単元之间存在不匹配的问题，从而使得高精度电流型DAC的微分非线性(Differential Non Linearity DNL)和积分非线性(Integral Non Linearity INL)这两个指标达到很低的值。步骤540，处理后的数据输入到DAC核，即经过预处理的数字信号输入到DAC核中。步骤550，DAC输出数据，即经过预处理的数字信号经过DAC转换输出模拟信号。 步骤560，高精度电流型DAC工作结束。图6为本实用新型电流型数模转换装置的结构框图，如图所示，本实施例的电流型数模转换装置包括校准单元611、预处理单元612、DAC核单元613。校准单元611对每ー个MSB单元电流Imsb与全部LSB单元总电流んB(,6)进行校准；预处理单元612对DAC输入数据进行预处理，将相应的误差消除；DAC核単元613将数字信号转换为模拟信号。还有，X (η) 601为输入DAC的未经过预处理的数字信号，Λ Ι 602为第i个MSB单元电流Imsb与全部LSB単元总电流U之间的误差，N' 603为输入DAC的经过预处理消除误差的数字信号，x(t)604为DAC输出的模拟信号。下面详细阐述校准単元611、预处理単元612和DAC核単元613的工作原理。第一，输入数字信号X (η)到预处理单元612，预处理单元612取出校准单元611存储的每个MSB単元校准后的误差△〗，根据输入数字信号X (η)的值N，由公式(10)得到消除误差的数字信号N,；第二，输入数字信号V到DAC核单元613，经过DAC核单元613的数模转换得到模拟信号X (t)。图7为本实用新型电流型数模转换装置的校准单元结构框图，如图所示，校准单元包括误差测量単元701、误差计算单元702和误差存储单元703。误差测量子单元701利用比较电容充电时间的方法来校准DAC的每个MSB单元的不匹配误差。误差计算子单元702根据误差测量单元701得到的第一时间tl、第二时间t2，代入公式⑶和公式(9)中，从而分别得到第一时间tl、第二时间t2的时间差At和Imsb和Ilsb(总) 之间的误差Al。此误差计算单元可由软件完成，也可有硬件电路实现。误差存储子单元703将误差计算单元702计算得出的误差记录在寄存器中，如表I所示。在表I中，MSBi为第i个MSB单元，AIi为第i个MSB单元电流IBB(i)与全部LSB単元和电流IuB(,6)之间的误差。校正结束后，将计算得到的误差Λ Ii记录到寄存器中，当全部MSB単元都校准结束，则所有的MSB単元IMSB(i)与全部LSB単元总电流しβ(,6)之间的误差都被记录到寄存器中。表I
权利要求1.一种电流型数模转换装置，其特征在于，所述转换装置包括校准単元、预处理単元和数模转换核単元； 所述校准单元与所述预处理单元相连接，所述预处理单元与所述数模转换核单元相连接; 所述校准单元对最高有效位阵列中每ー个最高有效位单元电流与最低有效位阵列中全部最低有效位单元总电流之间的电流误差转为时间误差进行測量，从而计算出所述每ー个最高有效位单元电流与所述全部最低有效位单元总电流之间的电流误差，并将所述电流误差发送给所述预处理単元；所述预处理单元根据所述校准単元的的所述每ー个最高有效位单元电流与所述全部最低有效位单元总电流之间的电流误差，对输入数字信号进行消除误差预处理，并将经过预处理的数字信号发送给所述数模转换器核単元；所述数模转换器核单元对所述经过预处理的数字信号进行数模转换，从而输出精确的模拟信号。
2.如权利要求I所述的ー种电流型数模转换装置，其特征在于，所述校准単元包括误差测量子単元、误差计算子单元和误差存储子单元； 所述误差测量子単元与所述误差计算子単元相连接，所述误差计算子単元与所述误差测量子单元相连接； 所述误差测量子单元测量所述每ー个最高有效位单元电流与所述全部最低有效位单元总电流之间的电流误差转的时间误差，并发送给所述误差计算子单元；所述误差计算子単元根据所述时间误差计算所述每ー个最高有效位单元电流与所述全部最低有效位单元总电流的电流误差并发送给所述误差存储子单元；所述误差存储子单元将所述电流误差记录在寄存器中。
3.如权利要求2所述的ー种电流型数模转换装置，其特征在于，所述误差测量子単元包括误差测量电路和控制模块，所述误差測量电路和控制模块相连接。
4.如权利要求3所述的ー种电流型数模转换装置，其特征在于，所述误差測量电路包括最高有效位阵列、最低有效位阵列、第一开关、第二开关、第一时钟、第二时钟、电容、比较器和电压源； 所述最高有效位阵列和第一时钟分别与所述第一开关相连，所述最低有效位阵列和第ニ时钟分别与第二开关相连，所述第一开关和第二开关分别与所述电容相连； 所述比较器的同相端分别与所述第一开关、第二开关和电容相连，所述比较器的反相端与所述电压源相连； 所述最高有效位阵列、第一开关和第二开关分别与所述控制模块相连接。
5.如权利要求I所述的ー种电流型数模转换装置，其特征在于，所述校准単元位于电流型数模转换装置的本体内，或位于电流型数模转换装置的本体外。
6.如权利要求I所述的ー种电流型数模转换装置，其特征在于，所述预处理单元还包括温度译码器，所述温度译码器与所述校准単元相连接。
专利摘要本实用新型涉及一种电流型数模转换装置，所述电流型数模转换装置包括校准单元、预处理单元和数模转换核单元；校准单元与预处理单元相连接，预处理单元与数模转换核单元相连接；校准单元对每一个最高有效位单元电流与全部最低有效位单元总电流之间的电流误差转为时间误差进行测量，计算出电流误差，并将电流误差发送给预处理单元；预处理单元根据电流误差对输入数字信号进行消除误差预处理，并将经过预处理的数字信号发送给数模转换器核单元；数模转换器核单元对经过预处理的数字信号进行数模转换，从而输出精确的模拟信号。本实用新型克服了由于芯片上工艺的因素而产生的最高有效位单元之间存在不匹配的问题，从而实现高精度的数模转换。
文档编号H03M1/66GK202424690SQ201220042618
公开日2012年9月5日 申请日期2012年2月10日 优先权日2012年2月10日
发明者朱循宇 申请人:英特格灵芯片(天津)有限公司