随机四元切换的制作方法

本发明涉及集成电路领域，特别涉及用于电流导引数模转换器的随机四元切换。

背景技术：

诸如温度、压力、声音或图像的真实世界模拟信号被常规地转换为可以在现代数字系统中容易地处理的数字表示。在许多系统中，该数字信息必须转换回模拟形式以执行一些真实世界的功能。执行此步骤的电路是数模转换器(dac)，其输出用于驱动各种器件。扬声器、视频显示器、电动机、机械伺服、射频(rf)发射器和温度控制仅是几个示例。dac通常被结合到数字系统中，其中真实世界信号由模数转换器(adc)数字化，处理，然后由dac转换回模拟形式。

当今，数字电路应用随着这些电路的应用范围的增加而变得越来越复杂。当在数字域中处理信号时，该信号通常被dac转换到模拟域，例如用于传输。dac存在许多架构，包括代尔塔-西格玛dac、r-2rdac、串dac和电流导引dac。这些架构具有不同的优点和缺点。对于高速或高转换器/采样率应用，电流导引dac往往是不同架构中最好的。随着公司推动实现高瞬时带宽，电流导引dac已经转向更高和更高的采样率。瞬时带宽的要求伴随着相对于现有的较低带宽，较低频率解决方案不应牺牲动态性能的额外要求。例如，希望减小高速电流控制dac中的失真，但是减少失真不是容易实现的。

技术实现要素：

在减少数模转换器中的失真对于电路设计者是一个挑战。对于电流导引数模转换器(dac)，已经使用四元切换方案来去除否则存在于双开关方案中的取决于码的毛刺。然而，由于电路中的各种损伤，例如晶体管中的失配，即使当实现四元开关方案时，一些码依赖的失真仍然存在。为了解决这个问题，四元开关方案可以随机化以改善动态线性度，同时放宽驱动电路设计和功率约束。有利地，随机化减少了失真的码依赖性，并且使得失真在dac的输出处看起来更像噪声。

附图说明

为了提供对本公开及其特征和优点的更完整的理解，参考结合附图进行的以下描述，其中相同的附图标记表示相同的部分，其中：

图1是具有双开关方案的电流导引dac单元；

图2是具有四元开关方案的电流导引dac单元；

图3示出四元开关方案的说明性波形；

图4示出了由于晶体管中的失配而导致的代码相关的扰动；

图5示出了在考虑实际开关驱动波形和寄生效应时出现的代码相关扰动；

图6示出根据本公开的一些实施例的具有随机化四元开关方案的电流导引dac单元；

图7示出根据本公开的一些实施例的随机四元开关方案的说明性波形；和

图8示出根据本公开的一些实施例的用于随机化电流导引dac单元的四元切换的方法。

具体实施方式

电流导引dac的基本原理

dac通常响应于数字输入代码(例如，二进制数字输入代码)产生量化(离散步进)模拟输出。电流导引dac通常通过将数字输入信号(例如，x位数字输入信号)转换为作为数字输入信号的模拟表示的电流来操作。提供代表数字输入信号的电流输出的一种示例性方式是通过将数字信号的位或部分作为驱动代码提供和分配到适当大小的电流导引dac单元的阵列。每个电流导引dac单元基于相应的驱动代码向单元提供适当加权的电流。

在二进制加权dac中，可以向dac的数字输入信号的每个比特提供一个单元，其中每个单元基于到dac的数字输入信号的相应比特提供二进制加权电流输出。在一些其它架构中，使用一元加权单元(接收温度计码)而不是二进制加权单元。不管单元的重量如何，电流导引dac单元每个通常利用用于产生适当量的电流的电流源以及用于基于数字输入的对应部分将电流导引到dac输出的开关来实现信号。

用于电流导引dac单元的一种常见架构是双开关方案，其中每一单元具有一对开关(即，差分对)，其中所述对开关将尾电流导向正或负输出节点作为结果驱动代码的二进制状态。图1是具有双开关方案的电流导引dac单元。dac单元具有产生电流iu的电流源和用作差分对的一对开关s1和s2。可以基于到dac的数字输入代码来产生对应于dac单元的驱动代码(即，与单元对应的数字代码)。在一些实例中，驱动代码可具有二进制状态(即，两个状态)，且驱动代码确定电流iu是否将朝向正输出节点vout+或负输出节点vout-导向。基于驱动代码，产生(例如，通过单元解码器或单元解码电路)驱动(用作开关的)晶体管对s1和s2的(门的)适当的信号c1和c2，以便(精确地)晶体管s1和s2导通，另一个截止。在双开关方案的示例中，可以生成信号c1和c2以分别在晶体管s1和s2的栅极处提供适当的电压，以导通晶体管s1和s2中的适当晶体管，从而将电流iu导向正输出节点vout+或负输出节点vout-。

在本文中，“晶体管”和“开关”可互换地用于dac单元的电流导引开关。

例如，假设指示电流iu的驱动代码＝1将被导向正输出节点vout+，并且晶体管s1和s2是p型金属氧化物半导体场效应晶体管(pmos晶体管)。信号c1可以降低或下拉(即，到足够低的电压)以导通晶体管s1，并且信号c2可以升高或上拉(即，足够高的电压)以关断晶体管s2。结果，电流iu朝向正输出节点vout+转向。对于相同的示例，当驱动代码＝0，指示电流iu将被导向负输出节点vout+时，信号c1可以被升高或上拉(即，到足够高的电压)以关断晶体管s1和信号c2可以被降低或下拉(即，足够低的电压)以导通晶体管s2。结果，电流iu被导向负输出节点vout-。

到多个电流控制单元的驱动代码并不总是改变。一些驱动代码可以保持与其他驱动代码改变相同。对于双开关方案，如果对应于单元的驱动代码保持相同，则该对晶体管保持在相同的状态。当驱动代码改变时，意味着由开关转向的电流的方向改变，所以公共源极节点vs1处的电压将呈现一点跳跃或毛刺，这可能导致输出失真。此外，当晶体管s1或s2导通(以饱和操作)时，vout+或vout-的衰减复制分别泄漏通过并出现在共模节点。衰减的复制品的振幅与晶体管的固有增益有关)。当公共源极节点vs1处的电压受到衰减的复制品影响时，传送到正输出节点或负输出节点中的任一个的电流也受到影响，从而导致输出失真。这些输出失真是高度代码相关的(或依赖于开关事件)，这意味着失真可能出现在感兴趣的频带中，这是非常不期望的。

用于高性能电流导引dac的四元开关方案

为了更好的性能，优选地减小输出失真。为了减少对于双开关方案存在的上述输出失真，可以实现四元开关方案。四元开关方案(包括四差分电流开关配置)确保每个时钟转换发生毛刺。结果，输出失真较少代码相关。输出失真会出现更多的白噪声。图2是具有四路开关方案的电流导引dac单元。类似于双开关方案，图2中的电流导引dac单元具有产生电流iu的电流源。代替具有两个开关(例如，图1的s1和s2)，四元开关电流单元具有共享(单个)共源极节点vs1的四个开关m1、m2、m3和m4(示意性地示出为pmos晶体管作为示例)。开关m1、m2、m3和m4可以用合适的金属氧化物半导体(mos)晶体管来实现，用于将电流iu导向正输出节点vout+或负输出节点vout-。电流朝向正输出节点vout+或负输出节点vout-的最终方向保持依赖于驱动代码(示为c0)。然而，每一侧(正侧或负侧)的附加开关允许在每个时钟转变时发生开关活动，即使当驱动代码保持相同时(即，朝向正输出节点vout+或负输出节点vout-的电流方向保持为相同)。可以为电流导引dac单元提供四元开关逻辑202，以通过生成适当的信号g1、g2、g3和g4来实现开关行为。开关m1、m2、m3和m4的状态由提供给晶体管的各个栅极的信号g1、g2、g3和g4控制。

对于给定的时钟周期，三个开关将断开，而开关中的一个将导通。在每个时钟转换处，被关断的开关中的一个将转变到导通，并且被导通的开关将转变到截止。m1和m2可以交替地在电流将被导向vout+时导通，而m3和m4保持截止。类似地，当电流将被导向vout-时，m3和m4可以交替地导通，而m1和m2保持截止。因此，每个时钟跃迁具有开关活动性，并且毛刺将在每个时钟跃迁处出现在公共源极节点vs1，而电流朝向正确或预期的输出节点(vout+或vout-)被导引。

图3示出四元开关方案的说明性波形。如上所述，四个开关m1、m2、m3和m4由栅极驱动信号g1、g2、g3和g4控制。ф是频率fs的时钟信号。c0是对应于特定电流导引dac单元的驱动代码(例如，二进制码)，其指示电流iu朝向输出(例如，朝向正输出节点vout+或负输出节点vout-)的预期方向。例如，如果c0＝1，则电流流向vout+。如果c0＝0，则电流流向vout-。在每个时钟转换(即，每半个时钟周期)，通过例如将特定开关的栅极驱动为低(而所有其它三个栅极被保持)，可以仅接通四个中的一个特定开关。如波形所示，如果驱动代码c0＝1，指示iu需要流向vout+，则通过以乒乓方式(或交替方式)降低g1和g2来交替地导通和关断m1和m2，而m3和m4通过保持g3和g4向上而保持断开。当驱动代码c0从1变为0时，该对开关m1-m2的作用与m3-m4交换，使得m3和m4交替地通过以乒乓方式降低g3和g4而导通和关断(或交替方式)，而m1和m2通过保持g1和g2保持截止。有效地，该对晶体管m1-m2负责将电流iu导向正输出vout+，而该对晶体管m3-m4将电流iu导向vout-。第一对晶体管m1-m2对于c0＝1乒乓，而第二对晶体管m3-m4对于c0＝0乒乓。从公共源极节点vs1的波形可以看出，在每个时钟转变(即，每半个时钟周期)出现毛刺，并且电流iu仍然朝向预期输出。

四元开关方案的缺陷

理想地，如果所有四个mos开关完全相等(即匹配)，并且如果驱动其栅极的所有波形也完全平衡并且如图3所示的时间对准，则用于公共源的“毛刺”波形节点电压vs1将是周期性的，即，具有频率2fs和数据无关(或代码无关)。换句话说，如果所有毛刺相等，并且如果它们都朝向完全相同的静态(如图3所示，其中毛刺在每个毛刺之间稳定到相同的水平)，则该波形仅具有在dc，2fs，4fs，...，(2k)fs，...(k是正整数)，并且在取决于期望的dac输出信号vout的频率处没有分量。换句话说，没有源自波形vs1的输出信号失真的源。通过在每半个时钟周期用一致的和(理想地)代码无关的假信号代替，该方案可以有效地消除或显着减少由于在图1所示的传统双开关方案中在vs1处出现的代码相关假信号引起的失真。

然而，实际上，由于各种损伤，具有毛刺的vs1波形不是完全独立于码的，因此残留失真仍将被引入到dac的输出vout。例如，如果m1、m2、m3和m4具有稍微不同的(失配的)阈值电压，则vtj＝vt+△j(对于j＝1，...，4)，则vs1的波形看起来像图4所示的波形代替。图4示出了由于晶体管中的失配而导致的代码相关的扰动。理想地，四元开关配置作为差分对工作，其中“中心点”vs1理想地具有恒定的静止点，或者应该返回到相同的电平。当开关中存在不匹配时，使用不匹配的开关从一侧摆动到另一侧将意味着差分对将不再返回到相同的电平。例如，假设开关之间的阈值电压不匹配。即使当开关中的一个导通时，电流iu总是相同的，由于电流的结果将产生的栅极到源极电压将不同，因为阈值电压不同。例如，如果使用一个开关将电流转向到正输出vout+，如果使用不同的开关将电流转向到负输出vout-，则中心点不再相同。因此，vs1的稳定状态或静态点将不是每半个时钟周期相同。vs1的一个电平可以不同于先前的半个时钟周期，因为方向已经改变和/或具有不同阈值电压的开关被接通。

例如，当电流iu朝向vout+转向时，m1和m2交替。如果m1和m2具有不同的阈值电压，则当m1导通并且m2截止时，在vs1处出现某个源电压。当晶体管m1和m2交换时，m2的栅极到源极电压是不同的，因为阈值电压不同，因此vs1的静态点也不同。静态点的差异由m1和m2之间的阈值电压差确定。假设电流的方向改变并且电流被切换为朝向vout-转向。当m1关断以使m3可以导通时，m1和m3的阈值电压的失配也可以在vs1中显示为具有不同的电平。因此，与不匹配相关的变化的静态点可以是代码相关的。不同电平出现的顺序取决于驱动代码。具有由于失配而变化的静态点的vs1的电平可以调制电流源并影响朝向输出的电流量。结果，在输出处出现与代码相关的输出失真。通过观察图4中的波形可以看出，当频率2fs的分量仍然存在时，该波形不会在如图3所示的时钟速率的整数倍上相同地重复本身。相比于图3中看到的vs1的先前代码无关波形，这种失配引入偏差δk-m到vs1的静态电压电平。此外，这种偏差系列产生的顺序取决于四端开关将电流iu转向正或负输出。

除了失配之外，四元开关方案具有可以影响vs1的波形的寄生。通常，vs1的波形不具有图3和4所示的平坦部分。而是，vs1的波形可能在毛刺之间的电平稳定之前(由于vs1的缓慢建立而示为“尾部”)需要一些时间。图5示出了在考虑实际开关驱动波形和寄生参数时出现的代码相关扰动。考虑开关中以及驱动开关的电路中的杂散，vs1的波形具有曲线部分，示出了可能导致不期望的输出失真的另一损伤，因为弯曲部分用作另一个失真源，其中波形不是以时钟速率的整数倍相同地重复自身。

当与上述损伤(考虑失配，寄生效应和现实的开关驱动波形)组合的频率2fs(发生在每个单个半时钟周期，即四元开关方案)的周期性毛刺出现在码上时，vs1实际上可能比如果切换将仅作为代码c0转变(即，双开关方案)的结果而发生的情况更差。在(2k)fs处的组件之间的非线性混频和期望的输出信号在vout的频谱上引入输出失真。虽然四元开关可以提高dac线性度，但是由于vs1上的活动导致的一些残余失真实际上可能由于实际电路损伤而重新出现。

随机四元切换减少了代码相关的失真

为了解决存在于vs1的波形中的一些代码相关分量，四元切换被随机化。执行四元开关以在一对开关m1-m2和一对开关m3-m4之间进行乒乓。然而，乒乓跳跃随时间，即随机地跳跃。换句话说，每隔一段时间，跳过毛刺。代替使每两个开关每半个时钟周期交换，两个开关不会交换，并且不会出现否则将出现在正常四元开关方案中的毛刺。电流的方向仍然是基于驱动代码的期望的方向，因此保持了电流控制单元的行为。经常跳过周期性毛刺的结果是毛刺的频率是随机的。作为将码相关性与常数2fs相乘的结果的失真被破坏。代替始终交替地关闭和打开两对(m1-m2中的每个开关，用于将电流转向到正输出vout+，用于负输出vout-的m3-m4)，每隔一段时间，随机出现，m1-m2交换或m3-m4交换，而电流方向保持原样。虽然失真保留，但是不是在2fs处具有杂波，而是在fs和2fs之间随机混合杂波，其中频率调制随机(在2fs和fs之间)跳跃。马刺散布在本底噪声上。结果，可以减少出现在感兴趣频带中的码相关输出失真。

图6示出根据本公开的一些实施例的具有随机化四元开关方案的电流导引dac单元。随机四元开关方案可以通过将杂散扩展在本底噪声上来减少失真，并且减少在输出处感兴趣的频带中出现的失真。类似于图2，dac单元具有用于产生电流iu的电流源602。在一些实施方案中，可使用共源共栅配置中的晶体管来实施电流源602。dac单元耦合到或包括随机四元开关逻辑(或电路)604a-b。随机四元开关逻辑604a-b实现乒乓行为并且在随机出现时跳过乒乓，其中跳过可以由随机化块606控制或确定。随机四元开关逻辑604a-b还确保电流基于驱动代码c0在预期方向上转向。时钟信号ф可以提供给随机四元开关逻辑604a-b和随机化块606，以确保由任一部分产生的信号与时钟信号ф同步。类似于图2-3，ф是频率fs的时钟信号。c0是对应于特定电流导引dac单元的驱动代码(例如，二进制码)，指示电流iu朝向输出(例如，朝向正输出节点vout+或负输出节点vout-)的预期方向。

图6的dac单元类似于图2中的dac单元，包括四个开关，其被实现为四个晶体管：第一、第二、第三和第四晶体管(分别示为m1、m2、m3和m4)。分别由第一、第二、第三和第四信号(分别示为g1、g2、g3和g4)驱动第一、第二、第三和第四晶体管，用于将电流iu导向第一输出作为vout+)或电流导引dac单元的第二输出(vout-)，这取决于到电流导引dac单元的驱动代码c0。所有四个晶体管耦合到公共源极节点vs1。四个晶体管m1和m2中的两个耦合到第一输出节点vout+；四个晶体管m3和m4中的两个其它晶体管耦合到第二输出节点vout-。一次只有一个晶体管导通，以将电流引导到预期的输出节点(基于驱动代码c0)。

四元开关逻辑604a-b可以产生第一和第二信号(g1和g2)，其周期性地交替选择第一和第二晶体管(m1和m2)中的一个导通，而第一以及当所述驱动代码处于第一状态(例如，c0＝0，指示所述电流将被导向到vout+)时，所述第二晶体管关断。当驱动代码处于第一状态时，第三和第四信号关断第三和第四晶体管。类似地，当驱动代码处于第二状态(例如，c0＝1，指示电流将朝向vout-导向)，四元开关逻辑604a-b还可以产生第三和第四信号，其周期性地交替选择第三和第四晶体管中的一个导通，而第三和第四晶体管中的另一个断开。当驱动代码处于第二状态时，第一和第二信号关断第一和第二晶体管。一对晶体管m1-m2或一对晶体管m3-m4的交替选择每半个时钟周期(一个周期＝一半时钟周期)或在频率2fs(当不随机跳过交换时)发生。

当驱动代码处于第一状态时，耦合到四元开关逻辑604a-b的随机化块606可以(例如，两个连续周期＝一个全时钟周期)随机地维持第一和第二晶体管的相同选择达至少两个连续周期。当驱动代码处于第二状态时，随机化块606可以在至少两个连续周期中随机地保持第三和第四晶体管的相同选择。随机出现，跳过晶体管对m1-m2和m1-m4(否则每半个时钟周期出现)的交换或交替。对于完整时钟周期(或更多)，使用(或导通)与前一半时钟周期相同的晶体管，以在下一半时钟周期将电流导向期望的输出节点。在一些实施例中，四元开关逻辑604a-b可以包括由随机化块606控制的电路，用于随机交换第一和第二信号的状态(例如，使用随机交换网络交换g1，g2)以随机维持相同的选择的第一和第二晶体管。四元开关逻辑604a-b可以包括由随机化块606控制的电路，用于随机交换第三和第四信号的状态(例如，使用随机交换网络交换g3，g4)以随机地保持第一和第四信号的相同选择第二晶体管(使得每半个时钟周期的周期性交换不发生或被跳过)。

随机化块606可以被实现为生成随机序列(例如，具有特定概率分布的1和0的随机序列)，或者提供可以使乒乓行为随机化的电路(例如，改变计数周期的计数器从n到2n，具有xor(具有随机化周期/频率的“异或”逻辑运算)电路的计数器)。在一些实施例中，随机化块606产生随机的一系列状态以控制是否(1)交替选择第一和第二晶体管中的一个(在m1或m2之间交换)以接通，而另一个断开，并且(2)随机保持相同的选择。同样地，随机化块606可以产生随机状态序列，以控制是否(1)交替选择第三和第四晶体管(在m3或m4之间交换)中的一个导通，而另一个截止，以及(2)以随机保持相同的选择。对于一些半时钟周期，发生交换，并且对于一些半时钟周期(随机出现)，跳过交换，并且相同的晶体管在下一半时钟周期保持导通。跳越交换意味着切换活动不再每半个时钟周期发生或者始终在2fs，并且毛刺不随时间(即，对于具有随机发生的一半时钟周期)出现在vs1。

四元开关逻辑604a-b调制将电流源连接到第一、第二、第三和第四晶体管(m1、m2、m3)的节点(即，公共源极节点vs1)处的代码相关假信号与分别具有在预定频率(例如，fs)和预定频率(例如，2fs)的两倍之间的随机变化频率的分量)。当交换发生时，毛刺可以由2fs调制，并且当随机跳过交换时，毛刺可以由fs调制。

图7示出根据本公开的一些实施例的随机化四元开关方案的说明性波形。说明性波形示出了随机跳过交替选择或晶体管或晶体管状态的交换的结果。随机跳过在本文中可以称为“交换跳过”。虚线波形示出了如果根据传统(非随机化)四元开关方案发生交换则会发生的情况。为了减少波形的混乱，在不限制本公开的范围的情况下，省略了由寄生或其他损伤(如图5所示)导致的vs1的拖尾或缓慢建立。在该示例中，示出了五个完整时钟周期/周期(＝十个半时钟周期/周期)的波形，其中用于第一，第二和第四时钟周期的驱动代码c0＝1，并且驱动代码c0＝0用于第三和第五时钟周期。m1和m2之间的交换或乒乓在第一个时钟周期内定期发生。晶体管中的一个被选择为第一时钟周期的一半；并且另一个晶体管被选择用于第一时钟周期的另一半。当交换发生时，即在前半个时钟周期之后，在后半个时钟周期之后，毛刺出现在vs1。随机跳过m1和m2之间的交换或乒乓，使得调制出现在vs1处的假信号的频率分量被随机化。在该示例中，在第二时钟周期期间不发生m1和m2之间的交换或乒乓。将跳过在第三个半时钟周期之后发生的交换。结果，vs1的波形在第三个半个时钟周期之后和电平变化(以及由于缓慢建立时间导致的任何尾部效应)中缺少毛刺。通常在第三和第四时钟周期期间进行交换。最终，在第五时钟周期期间，m3和m4之间的交换也被跳过(随机地)。结果，vs1的波形在第九个半时钟周期之后丢失另一个毛刺，并且另一个电平变化(以及由于缓慢建立时间引起的任何尾部效应)。

注意，该“交换跳过”不改变由c0确定的电流的方向。因此，转向对的功能被保留。然而，随着在2fs和fs之间的间隔中或在2fs和fs之间的间隔中随机变化的分量调制代码相关的毛刺(由图4-5示出)，随机改变vs1波形的形状。这有效地在宽频率范围上传播由码相关毛刺引起的噪声。通过跳过随机交换，vs1波形通过改变其周期性并减少vs1和码序列c0之间的相关性而被随机化。随机化vs1的开关活动的周期可以导致相应产品的频率也随机地改变它们的频率。虽然仍然存在杂散内容，但是杂散内容不再与输出信号谐波相关，而是表现为类似噪声的分量。当使用随机四元切换时，由传统四元开关方案引入的谐波失真由噪声谱密度的适度增加代替。随机四元切换可以显着放宽设计高度匹配的开关和非常快速，非常耗电的开关驱动器(通常这样做以减少图4-5中所示的损伤)的需要。通过放宽开关上的匹配要求并允许较慢的转换时间，随机四元开关允许设计者通过使用更小(更紧凑)的转向单元来实现相当好的性能和总体更低的功耗。

为了完全比较，如图1所示的典型的双开关对将仅在代码转变处看到毛刺(因此它非常依赖于代码)；如图2-3所示的传统四元开关对在每半个时钟周期看到毛刺。相反，随机跳跃引入的随机四元切换在半时钟周期或在全时钟周期(或更长)随机地发展毛刺，因此毛刺(或切换活动)以fs和2fs之间的随机跳频出现。利用随机四元开关方案，由于开关和驱动器中的损伤，传统的四元开关方案不能完全消除的残余失真被随机化，并且更像是类似白噪声的分量。

随机化使用哪个晶体管的选择

注意，在图7的示例中，如果使用pmos晶体管来实现开关，则g2和g4首先分别在c0的代码转变之后或之后分别接通m2和m4(即在时钟的上升沿)。由于m1或m2可以将电流导向正输出节点vout+，并且m3或m4可以将电流导向负输出节点vout-，因此m1和m2是可互换的，并且m3和m4是可互换的。通过随机化第一开关的选择以在代码转换时接通，可以实现进一步的线性改进。例如，当c0从低到高时，m1或m2可以随机选择为第一个打开。当c0从高电平变为低电平时，m3或m4可随机选择为第一个导通。在一些实施例中，随机化块606可以生成随机的一系列状态，以便在驱动代码从第二状态改变到第一状态之后立即随机选择第一和第二晶体管中的一个导通一段时间。随机化块606还可以生成随机的一系列状态，以便在驱动代码从第一状态改变到第二状态之后立即随机选择第三和第四晶体管中的一个导通一段时间。

用于随机化四元切换以减少码依赖失真的方法

图8示出根据本公开的一些实施例的用于随机化电流导引dac单元的四元切换的方法。该方法关于图6-7中的图示来描述。

在任务802中，随机四元开关逻辑可基于驱动代码(例如，c0)产生第一、第二、第三和第四信号(例如，g1、g2、g3和g4)以驱动第一、第二、第三和第四晶体管(例如，m1、m2、m3和m4)。第一和第二信号(例如，分别为g1和g2)周期性地交替选择第一或第二晶体管(分别为m1和m2)以将电流引导到电流导引dac单元的第一输出(例如vout+)，同时驱动代码处于第一状态(例如，c0＝1)。例如，第一和第二晶体管m1和m2耦合到正输出节点vout+。当驱动代码c0＝1并且电流旨在朝向vout+转向时，选择晶体管m1和m2中的一个，使得恰好一个晶体管导通以将电流导向vout+，并且该选择周期性地交替。其它晶体管，即第三和第四晶体管截止。类似地，第三和第四信号(例如，分别为g3和g4)周期性地交替选择第三或第四晶体管(例如，分别为m3和m4)以将电流导引到电流导引dac单元的第二输出(例如，vout-)，而驱动代码处于第二状态(例如，c0＝0)。例如，第三和第四晶体管m3和m4耦合到负输出节点vout-。当驱动代码c0＝0并且电流旨在朝向vout-导向时，选择晶体管m3和m4中的一个，使得恰好一个晶体管导通以将电流导向vout-，并且选择交替定期。其它晶体管，即第一和第二晶体管截止。在每半个时钟周期，选择在第一和第二晶体管m1和m2之间交换，或者在第三和第四晶体管m3和m4之间的选择交换，并且毛刺出现在公共源节点(例如，图5的vs1(例如，图6的电流源602)将每个半时钟周期(例如，图6的第一、第二、第三和第四晶体管(例如，m1、m2、m3和m4)当交换不随机跳过时)。

在任务804中，当驱动代码处于第一状态(例如，c0＝1)时，随机跳过由第一和第二信号g1和g2对第一和第二晶体管m1和m2的周期性交替选择。此外，当驱动代码处于第二状态(例如，c0＝0)时，随机跳过由第三和第四信号g3和g4周期性交替选择第三和第四晶体管m3和m4。晶体管对的晶体管的周期性交替选择的随机化跳过可以通过图6中所示的随机化块606来实现。

在一些实施例中，第一和第二信号g1和g2在驱动代码处于第一状态(例如，c0＝1)时每半个时钟周期周期性地交替选择第一或第二晶体管m1和m2。由于晶体管的交替选择，两个不同的晶体管在完整时钟周期期间一个接一个地导通，从而导致毛刺出现在公共源极节点vs1。在完整时钟周期(例如，图7中看到的第二和第五时钟周期)期间跳过该对晶体管中的晶体管的周期性交替选择，其中同一晶体管在全时钟周期期间导通两个连续的半个时钟周期。

响应于驱动代码处于第一状态，当第一和第二晶体管的随机跳过时，第一和第二信号交替地使第一和第二晶体管中的一个导通，并且第一和第二晶体管中的另一个关闭每半个时钟周期周期性交替选择不发生。响应于当周期性交替选择的随机跳过时驱动代码处于第二状态，第三和第四信号交替地使第三和第四晶体管中的一个导通并且第一和第二晶体管中的另一个关闭每半个时钟周期不发生。随机地跳过周期性交替选择意味着在驱动代码处于第一状态时保持(相同)第一和第二晶体管的状态两个或更多个连续周期(即，两个或更多个半时钟周期)，并且维持(相同)当驱动代码处于第二状态时，第三和第四晶体管的状态为两个或更多个连续周期，即两个或更多个半时钟周期)。

在任务806中，可以通过在驱动代码从第二状态改变到第一状态之后立即随机选择第一和第二晶体管中的一个导通一段时间，和/或随机选择所述第三和第四晶体管中的一个在所述驱动代码从所述第一状态改变到第二状态之后立即导通一段时间。耦合到同一输出节点的一对晶体管中的晶体管的随机选择可以进一步随机化由晶体管之间的失配引起的失真。

其他解决方案是无效的

为了减少由损伤引起的上述失真源，开关及其驱动器被设计为使得图4-5中所示的波形看起来尽可能接近图3中所示的波形。例如，较小的δk-m’s通过更紧密的开关匹配获得。通过在驱动器中更快的转换时间并通过最小化与开关和通向它们的信号路径相关联的所有寄生，获得比图5所示更快的衰减开关瞬变。开关中更好的匹配主要是通过设计开关中的大的过驱动电压(vgs>>vt)来实现的。通过使用具有低输出阻抗的大开关驱动器可获得更快的转换时间。讽刺的是，这样的设计策略彼此冲突(例如，更好的匹配引线也会导致大的物理器件尺寸以及因此大的寄生效应，因此加剧了图5的波形中的开关拖尾)，并且它们都导致消耗大功率的大电路(其问题用于低电压或低功率设计)。反过来，后者触发了额外的不期望的问题的“多米诺效应”，包括相当大的噪声供应和衬底注入。通过随机化四元开关方案，可以解决不匹配问题，而不必使用大型设备并消耗大量功率。当可以使用更小的器件时，可以减少由于寄生引起的失真。不再需要更大的装置，因为由于匹配引起的失真可以通过随机化处理。

示例性dac单元

在一些实施例中，具有随机化四元开关以减少失真的电流导引数模转换器(dac)单元可以包括四通道开关和随机或随机四通道开关逻辑。四元开关包括分别由第一、第二、第三和第四信号驱动的第一、第二、第三和第四元开关，用于根据驱动电流将电流导引到电流导引dac单元的第一输出或第二输出代码到电流导引dac单元。类似于本文所描述的其它实例，四个开关全部耦合到同一节点(例如，共同源极节点)处的电流源。两个开关耦合到第一输出，两个其它开关耦合到第二输出。

随机化四元开关逻辑产生第一和第二信号，当驱动代码处于第一状态时，第一和第二信号以预定频率或预定频率的两倍之间随机跳频的频率交替打开第一开关或第二开关。随机四元开关逻辑还产生第三和第四信号，当驱动代码处于第二状态时，第三和第四信号在预定频率或预定频率的两倍之间随机跳频交替地导通第三开关或第四元开关。预定频率可以是时钟频率fs。交替通常每半个时钟周期发生(即，与2fs的频率分量相关)，但是随机发生，跳过周期交替，使得选择不交替全时钟周期(或更长)(例如，相关到频率分量fs)。结果，可以用fs和2fs之间的随机跳频来调制毛刺(包括码相关失真)。使用随机四元开关方案，由于开关和驱动器中的损伤，传统的四元开关方案不能完全消除的残余失真可以被随机化，并且更多地表现为在宽频率范围上扩展的类似白噪声的分量。

在一些实施例中，第一和第二信号周期性地交替选择第一和第二开关中的一个开关，并且当驱动代码处于第一状态时，第一和第二开关中的另一个开关在每半个时钟周期之后关断(如果交换不被跳过)。当驱动代码在具有随机出现的整个时钟周期(当跳过交换时)处于第一状态时，第一和第二信号保持第一和第二开关的状态。当每半个时钟周期之后驱动代码处于第二状态时，第三和第四信号周期性地交替选择第三和第四元开关中的一个导通，并且使第三和第四元开关中的另一个关断。不跳过交换)。当驱动代码在具有随机出现的全时钟周期(当跳过交换时)处于第一状态时，第三和第四信号保持第三和第四元开关的状态。

随机化四元开关逻辑随机地以预定频率的两倍(相对于交替正常发生的频率)随机地跳过交替，在驱动代码处于第一状态时接通第一或第二开关，以及或随机地以预定频率的两倍(相对于交替正常发生的频率)交替地随机跳过，在驱动代码处于第二状态时接通第三或第四元开关。

随机化四元开关逻辑可以包括(四通道开关电路和)由随机系列控制的电路，用于随机交换第一和第二信号的状态以保持随机出现的第一和第二开关的相同选择，以及或由随机序列控制的电路，用于随机交换第三和第四信号的状态，以保持随机出现的第一和第二开关的相同选择。

为了进一步改善dac单元的性能，第一和第二信号可以在驱动代码从第二状态改变到第一状态之后立即随机选择第一和第二开关中的一个开启一段时间。第三和第四信号可以在驱动代码从第一状态改变到第二状态之后立即随机地选择第三和第四元开关中的一个开启一段时间。

变体和实现

具有随机正方形开关的电流导引dac单元可以用作具有电流导引dac单元阵列的dac的一部分。一般来说，dac可以包括任何数量的电流导引dac单元。电流导引dac单元中的一个或多个可以实现随机四方切换。在一些情况下，一些dac单元可能不实现随机四元切换。例如，电流导引dac单元中的一些可以实现双开关方案或传统的四元开关方案，而电流导引dac单元中的一个或多个可以实现随机四元开关。在一些情况下，dac可以是分段dac，其可以包括其他dac架构，其中dac的一部分可以用不涉及电流导引dac单元的电路来实现。

最后，本领域技术人员将理解，虽然已经针对具有包括pmos晶体管的p型四方的四元开关方案描述了本文的示例，但是随机化的“交换跳过”操作可以容易地扩展到n型四边形(其中尾电流吸收iu到地并且开关是nmos晶体管)，以及互补型结构(其中p型结构与n型结构源极和汇流电流结合到公共输出节点对)。

注意，上文参考图式所论述的活动可适用于涉及数字到模拟转换器(特别是电流导引数/模转换器)的任何集成电路。在某些上下文中，本文讨论的特征可以应用于医疗系统、射频信号处理、中频信号处理、基带信号处理、无线和有线通信、雷达、工业过程控制、音频和视频设备、视频显示器、电流感测、仪器仪表、工业自动化、可编程逻辑控制器、光收发器、数据采集、光通信、电缆系统、超宽带宽应用、电子战、高端测试和测量设备、信号合成、直接数字合成(dds)应用程序。

在上述实施例的讨论中，诸如时钟、驱动器、开关、晶体管和/或其他组件的电路组件可以容易地被替换、替换或以其它方式修改，以适应特定的电路需要。此外，应当注意，互补电子设备、硬件、软件等的使用为实现本公开的教导提供了同样可行的选择。尽管本公开/权利要求描述了使用pmos晶体管(p型金属氧化物半导体晶体管)器件的实现方式，但是预期使用nmos晶体管(n型金属氧化物半导体晶体管))或等效双极结型晶体管(bjt)也可以代替一个或多个pmos晶体管(或晶体管器件)，以提供所公开的电流导引dac。本领域技术人员应当理解，晶体管器件可以被概括为具有三个(主)端子的器件。此外，本领域技术人员应当理解，晶体管器件在操作期间可以具有对应于诸如nmos，pmos，npnbjt，pnpbjt器件(以及任何其他等效晶体管器件)的器件的晶体管的特性行为。例如，本公开/权利要求包括其中所有pmos器件被nmos器件代替的实现。与使用nmos器件的本文所公开的电路相比，使用nmos器件的电路将以“上下颠倒”的方式配置。各种实施方式等效于使用pmos晶体管器件的所公开的实施方式，因为不同的实施方式将以基本相同的方式执行基本相同的功能以产生基本上相同的结果。对于本领域普通技术人员，将认为互补或等效配置(使用bjt代替nmos晶体管)可与本文所述使用nmos晶体管的实施例互换。

用于随机四元切换的各种装置的部分可以包括用于执行本文所述功能的电子电路。在一些情况下，装置的一个或多个部分可以由专门配置用于执行本文所述功能的处理器或数字处理电路来提供，例如控制或实现随机化。例如，处理器可以包括一个或多个专用组件，或者可以包括被配置为执行本文描述的功能的可编程逻辑门。该电路可以在模拟域、数字域或混合信号域中操作。在一些情况下，处理器可以被配置为通过执行存储在非暂时性计算机介质上的一个或多个指令来执行本文所描述的功能。

在一个示例实施例中，附图的任何数量的电路可以在相关联的电子设备的板上实现。板可以是能够保持电子设备的内部电子系统的各种部件，并且还提供用于其他外围设备的连接器的通用电路板。更具体地，板可以提供电连接，系统的其他部件可以通过该电连接电通信。基于特定配置需要、处理需求、计算机设计等，任何合适的处理器(包括数字信号处理器、微处理器、支持芯片组等)，计算机可读非瞬时存储器元件等可以适当地耦合到板。诸如外部存储器、附加传感器、用于音频/视频显示器的控制器、接收器、发射器和外围设备的其它组件可以作为插入卡，通过电缆附接到板或者集成到板本身中。在各种实施例中，本文描述的功能可以仿真形式实现为在布置在支持这些功能的结构中的一个或多个可配置(例如，可编程)元件内运行的软件或固件。提供仿真的软件或固件可以在包括允许处理器执行那些功能的指令的非暂时性计算机可读存储介质上提供。

在另一示例实施例中，附图的电路可以被实现为独立模块(例如，具有被配置为执行特定应用或功能的相关组件和电路的设备)或实现为应用中的插件模块电子设备的特定硬件。注意，本公开的特定实施例可以容易地部分地或整体地包括在片上系统(soc)封装中。soc表示将计算机或其他电子系统的组件集成到单个芯片中的ic。它可以包含数字、模拟、混合信号和通常的射频功能：所有这些可以提供在单个芯片衬底上。其它实施例可以包括多芯片模块(mcm)，其具有位于单个电子封装内的多个分离的ic，并且被配置为通过电子封装彼此紧密地相互作用。在各种其它实施例中，随机化的四边切换功能可以在专用集成电路(asic)，现场可编程门阵列(fpga)和其他半导体芯片中的一个或多个硅核中实现。

还必须注意，这里概述的所有规范、尺寸和关系(例如，处理器的数量，逻辑操作等)仅仅是为了示例和教导的目的而提供的。在不脱离本公开的精神或所附权利要求的范围的情况下，可以相当大地改变这样的信息。该规范仅适用于一个非限制性示例，因此，它们应当这样解释。在前面的描述中，已经参考特定的处理器和/或组件布置描述了示例实施例。在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以对这样的实施例进行各种修改和改变。因此，描述和附图被认为是说明性的而不是限制性的。

注意，利用本文提供的大量示例，可以根据两个、三个、四个或更多个电子部件来描述交互。然而，这仅仅是为了清楚和示例的目的。应当理解，系统可以以任何合适的方式合并。沿着类似的设计替代方案，图中所示的部件，模块和元件中的任何一个可以以各种可能的配置组合，所有这些都明显在本说明书的广泛范围内。在某些情况下，可以通过仅参考有限数量的电气元件来更容易地描述给定的一组流的一个或多个功能。应当理解，附图的电路及其教导是容易扩展的，并且可以容纳大量部件，以及更复杂/复杂的布置和配置。因此，所提供的示例不应限制可能应用于无数其它架构的电路的范围或抑制电路的广泛教导。

注意，在本说明书中，对“一个实施例”、“示例性实施例”、“实施例”、“另一实施例”、“一些实施例”、“各种实施例”、“其它实施例”、“替代实施例”等中包括的各种特征(例如，元件、结构、模块、组件、步骤、操作、特性等)旨在表示任何这样的特征包括在本公开的一个或多个实施例中，或者可以不必在相同的实施例中组合。

还重要的是注意，与随机化四元切换相关的功能仅示出可以由图中所示的系统实现或执行的一些可能的功能。这些操作中的一些可以在适当时被删除或移除，或者这些操作可以被显着地修改或改变而不脱离本公开的范围。此外，这些操作的定时可以相当大地改变。前面的操作流程已经被提供用于示例和讨论的目的。通过在此描述的实施例提供了基本的灵活性，因为在不脱离本公开的教导的情况下可以提供任何合适的布置、时间顺序、配置和定时机制。

本领域技术人员可确定许多其它改变、取代、变化、改变和修改，并且意图是本公开包括所有这样的改变、替代、变化、改变和修改。注意，上述装置的所有可选特征也可以相对于本文所述的方法或过程实现，并且实施例中的细节可以在一个或多个实施例中的任何地方使用。