本发明涉及一种电流舵型数模转换器，尤其涉及一种实现数字化校准的电流舵型数模转换器，同时也涉及包括该电流舵型数模转换器的集成电路芯片及相应的通信终端，属于模拟集成电路技术领域。
背景技术：
数模转换器是连通数字信号与模拟信号的桥梁，被广泛应用在数模混合信号系统中。通常，采用电流舵型数模转换器来实现数字信号与模拟信号的转换。电流舵型数模转换器由于电流匹配程度高，能实现很高的转换精度。
如图1所示，现有的电流舵型数模转换器主要由若干个电流源和若干个电流选通开关组成。对于n(n为正整数，下同)位的电流舵型数模转换器来说，一般采用n个电流值以二进制形式进行编码的电流源，这些电流源分别通过选通开关连接至负载电阻上，选通开关在输入编码b<0:n－1>的控制下将所有电流源汇总为iout+和iout－两条电流支路。这样，两条电流支路流向负载电阻即形成差分输出电压vout+和vout－。但是，对于电流源采用二进制编码的电流舵型数模转换器而言，当最高位码值出现变化时，所有电流选通开关同时切换，并且所有电流源的失配均对输出产生影响，因此这种数模转换器的线性度较差。
为了提升电流舵型数模转换器的线性度，可以采用温度计编码的电流源阵列。这种结构下相邻码值变换时只会有一位编码出现变化，且只有一个单位电流源对输出产生影响，因此其微分非线性(dnl)较小，即线性度较好。但是，采用温度计编码的代价是需要大量的电流选通开关，编码位数也较高，这就使得这种结构下的版图非常庞大且难以设计。因此，为了折中设计，兼顾微分非线性和版图面积的问题，可采用二进制编码与温度计编码相结合的分段混合编码方式，如图2所示。在这个结构中电流源阵列被分为两组，一组采用二进制编码，另一组采用温度计编码。对于一个n位电流舵型数模转换器，低p位采用二进制编码，高n－p位采用温度计编码，这种结构与纯温度计编码结构相比微分非线性的方差扩大了2p+1－1倍。因此，现有技术下在选取固定的p值后为降低分段混合编码形式的电流舵数模转换器的微分非线性，只能通过单纯降低单位电流源的失配水平实现，但这势必会增加功耗与面积的消耗。
技术实现要素：
本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种实现数字化校准的电流舵型数模转换器。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种包括该电流舵型数模转换器的集成电路芯片及相应的通信终端。
为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种实现数字化校准的电流舵型数模转换器，包括数模转换单元和数字校准单元，所述数模转换单元包括二进制编码模块和温度计编码模块，所述数字校准单元包括电流减法器电路、比较器、控制与校准逻辑电路、参考电流源电路和多个校准电流源电路，所述二进制编码模块和所述温度计编码模块分别与所述电流减法器电路的输入端连接，所述电流减法器电路的输出端与所述比较器的同相输入端连接，所述比较器的输出端和所述控制与校准逻辑电路的输入端连接，所述控制与校准逻辑电路的输出端分别与每个所述校准电流源电路的输入端、所述二进制编码模块和所述温度计编码模块连接，每个所述校准电流源电路的输出端分别与所述温度计编码模块连接，所述参考电流源电路设置在所述二进制编码模块的旁侧；
通过所述电流减法器电路将接收的所述温度计编码模块逐位输出的电流分别与所述二进制编码模块和所述参考电流源电路输出的电流总和进行比较，比较结果通过所述比较器传输至所述控制与校准逻辑电路中，所述控制与校准逻辑电路调控对应的校准电流源电路输出的校准电流大小，直到所述比较器的输出发生翻转，完成对所述温度计编码模块逐位输出的电流的校准过程。
其中较优地，所述二进制编码模块包括低位电流源阵列和第一电流选通开关阵列；所述低位电流源阵列由p个电流值以二进制形式进行编码的电流源并联组成，其中p为正整数；
所述第一电流选通开关阵列由多个单刀三掷开关组成；所述低位电流源阵列中的每一个电流源与对应的单刀三掷开关连接，每个单刀三掷开关的第一端口和第二端口分别对应连接第一电流支路和第二电流支路。
其中较优地，所述参考电流源电路与所述低位电流源阵列的首位电流源并联，所述参考电流源电路包括一个电流源和与所述电流源连接的单刀三掷开关，所述单刀三掷开关的第一端口和第二端口分别接地，所述单刀三掷开关的第三端口在校准状态时与所述电流减法器电路导通。
其中较优地，所述参考电流源电路的所述电流源输出的电流与所述低位电流源阵列中首位电流源相同；并且所述参考电流源电路的所述电流源输出的电流与所述二进制编码模块输出的电流组成基准输出电流，用于与所述温度计编码模块逐位输出的电流进行比较。
其中较优地，所述温度计模块包括高位电流源阵列和第二电流选通开关阵列；所述高位电流源阵列由2(n－p)个电流值以温度计形式进行编码的电流源并联组成，其中n、p均为正整数；
所述第二电流选通开关阵列由多个单刀三掷开关组成；所述高位电流源阵列中的每一个电流源与对应的单刀三掷开关连接，每个单刀三掷开关的第一端口和第二端口对应连接第一电流支路和第二电流支路。
其中较优地，所述高位电流源阵列中的每一位电流源分别并联一个校准电流源电路，每个所述校准电流源电路包括由2(n－p+1)个电流源和电流选通开关组成的2(n－p+1)个校准单元，所述校准电流源电路中的每个电流源与对应的电流选通开关连接；所述校准电流源电路中的每个电流选通开关分别与所述控制与校准逻辑电路连接，用于通过所述控制与校准逻辑电路控制一个或多个所述电流选通开关处于导通或断开状态，调控所述校准电流源电路输出的校准电流的大小，使所述高位电流源阵列中的每一位电流源输出的电流与基准输出电流相等。
其中较优地，所述电流减法器电路包括电流镜电路、电流－电压转换电路；所述电流镜电路采用威尔逊电流镜或共源共栅型电流镜，其中，所述威尔逊电流镜由三个nmos晶体管组成，第一nmos晶体管的源极与第二nmos晶体管的源极串联在一起并与地线连接，所述第一nmos晶体管的栅极与所述第二nmos晶体管的栅极连接，所述第二nmos晶体管的栅极与所述第二nmos晶体管的漏极短接，所述第二nmos晶体管的漏极与第三nmos晶体管的源极连接，所述第三nmos晶体管的栅极分别与所述第一nmos晶体管的漏极和所述二进制编码模块及所述参考电流源电路中的每个单刀三掷开关的第三端口连接，所述第三nmos晶体管的漏极分别与所述温度计编码模块中的每个单刀三掷开关的第三端口连接；
所述电流－电压转换电路由运算放大器与电阻组成，所述电阻串联在所述运算放大器的反向输入端与输出端之间，所述运算放大器的正向输入端连接参考电压，所述运算放大器的反向输入端连接第三nmos晶体管的漏极，所述运算放大器的输出端与所述比较器的正向输入端连接，所述比较器的反向输入端连接参考电压。
其中较优地，所述控制与校准逻辑电路分别与所述二进制编码模块、所述参考电流源电路和所述温度计编码模块中的每一个单刀三掷开关连接，用于控制每个单刀三掷开关切换至不同的端口上。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种集成电路芯片，包括上述的电流舵型数模转换器。
根据本发明实施例的第三方面，提供一种通信终端，包括上述的电流舵型数模转换器。
本发明所提供的电流舵型数模转换器，通过在二进制编码模块中并联参考电流源电路，并在温度计编码模块中的每个电流源的两端并联校准电流源电路，利用电流减法器电路逐位判别温度计编码模块中的电流源的失配情况，并通过校准电流源电路对每个电流源的失配进行校准。本电流舵型数模转换器可以在不过多增加芯片面积、功耗和单位电流源大小的前提下，降低分段混合型编码的电流舵型数模转换器的微分非线性，提高电流舵型数模转换器的线性度。
附图说明
图1为现有技术中，采用二进制编码的电流舵型数模转换器的结构示意图；
图2为现有技术中，采用分段混合型编码的电流舵型数模转换器结构示意图；
图3为本发明所提供的电流舵型数模转换器的电路原理图；
图4为本发明所提供的电流舵型数模转换器中，校准电流源电路的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容做进一步的详细说明。
本发明所提供的电流舵型数模转换器可以在不过多增加芯片面积、功耗和单位电流源大小的前提下，提升分段混合型编码的电流舵数模转换器的线性度。下面以n位电流舵型数模转换器为例，对本发明所提供的电流舵型数模转换器的电路结构和工作原理进行详细说明。
如图3所示，本发明所提供的电流舵型数模转换器包括数模转换单元和数字校准单元；其中，数模转换单元包括二进制编码模块1和温度计编码模块2，数字校准单元包括电流减法器电路3、比较器4、控制与校准逻辑电路5、参考电流源电路7和多个校准电流源电路6，二进制编码模块1和温度计编码模块2分别与电流减法器电路3的输入端连接，电流减法器电路3的输出端与比较器4的同相输入端连接，比较器4的输出端和控制与校准逻辑电路5的输入端连接，控制与校准逻辑电路5的输出端分别与每个校准电流源电路6的输入端、二进制编码模块1和温度计编码模块2连接，每个校准电流源电路6的输出端分别与温度计编码模块2连接，参考电流源电路7设置在二进制编码模块1的旁侧，并与二进制编码模块1中的首个电流源并联连接。
本电流舵型数模转换器中，通过控制与校准逻辑电路5控制二进制编码模块1、参考电流源电路7输出电流，并控制温度计编码模块2依次逐位输出电流，电流减法器电路3接收温度计编码模块2、二进制编码模块1和参考电流源电路7输出的电流，并将温度计编码模块2逐位输出的电流分别与二进制编码模块1和参考电流源电路7输出的电流总和进行比较，通过比较器将该比较结果传输至控制与校准逻辑电路5中，控制与校准逻辑电路5调控对应的校准电流源电路输出的校准电流的大小，直到比较器的输出发生翻转，从而完成对温度计编码模块2逐位输出的电流的校准过程。因此，本电流舵型数模转换器利用电流减法器电路判别温度计编码模块中电流源的失配情况，并通过校准电流源电路对失配进行校准。
如图3所示，二进制编码模块1包括低位(低数据位段)电流源阵列101和第一电流选通开关阵列102；低位电流源阵列101由p个电流值以二进制形式进行编码的电流源ib1～ibp并联组成，p为正整数。因此，也可将低位电流源阵列称为低p位电流源阵列。其中，低位电流源阵列101中每位电流源的大小成二进制比例关系。第一电流选通开关阵列102由多个单刀三掷开关sb1～sbp组成。低位电流源阵列101中的每一个电流源与第一电流选通开关阵列102中对应的电流选通开关连接，第一电流选通开关阵列102中的每个电流选通开关的第一端口连接第一电流支路iout+，每个电流选通开关的第二端口连接第二电流支路iout－。
其中，与低位电流源阵列101中的首个电流源ib1并联连接的参考电流源电路7包括一个电流源ib0和与该电流源ib0相连接的电流选通开关sb0；电流源ib0输出的电流的大小与低位电流源阵列101中的首个电流源ib1相同。电流选通开关也采用单刀三掷开关，该单刀三掷开关的第一端口和第二端口分别接地。参考电流源电路7只有在本电流舵型数模转换器处于校准工作模式时才参与工作，在非校准工作模式下其并不参与工作。参考电流源电路7的作用是，在本电流舵型数模转换器处于校准工作模式时，与二进制编码模块1输出的电流一起组成基准输出电流，用于与温度计编码模块2逐位输出的电流进行比较，得出温度计编码模块2中的电流源的失配情况。便于控制与校准逻辑电路5根据比较结果控制对应的校准电流源电路逐位校准温度计编码模块2中的电流源(校准电流源的失配)。
温度计编码模块2包括高位(高数据位段)电流源阵列201和第二电流选通开关阵列202；高位电流源阵列201由2(n－p)个电流值以温度计形式进行编码的电流源iu1～iu2(n－p)并联组成。因此，也可将高位电流源阵列称为高n－p位电流源阵列。其中，高位电流源阵列201中每位电流源的大小相同。第二电流选通开关阵列202由多个单刀三掷开关su1～su2(n－p)组成。高位电流源阵列201中的每一位电流源与第二电流选通开关阵列202中对应的电流选通开关连接，第二电流选通开关阵列202中的每个电流选通开关的第一端口连接第一电流支路iout+，每个电流选通开关的第二端口连接第二电流支路iout－。通过控制第一电流选通开关阵列102和第二电流选通开关阵列202中的电流选通开关选通低位电流源阵列101和高位电流源阵列201中对应的电流源，所有被电流选通开关选通的电流源的输出电流加和后得到整个数模转换单元的输出电流。因此，可以分别得到第一电流支路iout+和第二电流支路iout－。将第一电流支路iout+与第二电流支路iout－分别与一个负载电阻rload连接，通过使第一电流支路iout+与第二电流支路iout－流经相应的负载电阻rload后形成第一输出电压vout+和第二输出电压vout－，该第一输出电压vout+与第二输出电压vout－组成差分输出电压。
因此，本电流舵型数模转换器在处于非校准工作模式时，其工作过程与现有技术中的分段混合编码型电流舵数模转换器相同。由于控制与校准逻辑电路5分别与电流选通开关sb0～sbp、电流选通开关su1～su2(n－p)连接，控制与校准逻辑电路5输出多组控制信号，用于控制每个电流选通开关切换至所需的端口上。因此，第一电流选通开关阵列102和第二电流选通开关阵列202中的电流选通开关将在控制与校准逻辑电路5的控制下在1号、第二端口之间切换，从而形成第一输出电压vout+和第二输出电压vout－。
在高位电流源阵列201中，每一位电流源分别并联一个校准电流源电路6，每个校准电流源电路6分别接受控制与校准逻辑电路5的控制。如图4所示，每个校准电流源电路6包括由2(n－p+1)个电流源6011和电流选通开关6012组成的2(n－p+1)个校准单元601，每个电流源6011分别与对应的电流选通开关6012连接，2(n－p+1)个校准单元601并联在a和b两端。电流选通开关6012可以采用单刀单掷开关，每个单刀单掷开关分别与控制与校准逻辑电路5，通过控制与校准逻辑电路5发出多组控制信号，控制一个或多个电流选通开关处于导通或断开状态，在每个校准电流源电路6的校准精度范围内，从而在每个校准电流源电路的a端和b端之间形成不同大小的校准电流。将每个校准电流源电路的a端和b端分别对应并联到高位电流源阵列201中的每一位电流源的两端，利用所得到的校准电流完成对温度计编码模块输出的每一个电流的校准过程。
电流减法器电路3包括电流镜电路、电流－电压转换电路，电流镜电路与电流－电压转换电路连接。其中，电流镜电路可以采用威尔逊电流镜、共源共栅型电流镜或其它类似的结构。例如，如图3所示，当电流镜电路301采用威尔逊电流镜电路时，该威尔逊电流镜电路由第一nmos晶体管m1、第二nmos晶体管m2以及第三nmos晶体管m3组成，它们之间的连接关系描述如下：第一nmos晶体管m1的源极与第二nmos晶体管m2的源极串联在一起并与地线连接，第一nmos晶体管m1的栅极与第二nmos晶体管m2的栅极连接，第二nmos晶体管m2的栅极与第二nmos晶体管m2的漏极短接，第二nmos晶体管m2的漏极与第三nmos晶体管m3的源极连接，第三nmos晶体管m3的栅极与第一nmos晶体管m1的漏极连接，第三nmos晶体管m3的漏极与电流－电压转换电路连接。由威尔逊电流镜的原理可知：当有电流通过该威尔逊电流镜时，流经第三nmos晶体管m3的电流是流经第一nmos晶体管m1电流的镜像，也就是说，流经第三nmos晶体管m3的电流与流经第一nmos晶体管m1电流的大小相同。
如图3所示，电流－电压转换电路302可以由一个电阻r与一个运算放大器u组成，运算放大器u的正向输入端与参考电压vref连接，运算放大器u的反向输入端与电流镜电路连接，具体地，运算放大器u的反向输入端可以与第三nmos晶体管m3的漏极连接，运算放大器u的输出端与运算放大器u的反向输入端之间串联电阻r。由于在运算放大器u的反向输入端与输出端串联电阻r组成了电压负反馈型运算放大器，所以，根据负反馈的原理，电阻r左端的电压值始终与运算放大器u的正向输入端的参考电压vref相同，参考电压vref与电阻r之间的电压差值即为运算放大器u输出端输出的电压值。运算放大器u的输出端还与比较器4的正向输入端连接，比较器4的反相输入端与参考电压vref连接，比较器4的输出端与控制与校准逻辑电路5连接。通过将电流选通开关sb0～sbp的第三端口分别与电流减法器电路的第一nmos晶体管m1的漏极连接，电流选通开关su1～su2(n－p)的第三端口分别与第三nmos晶体管m3的漏极连接，根据本电流加法器电路输出的电压值以及参考电压值，从而实现对基准输出电流和温度计编码模块2输出的电流的差别检测，得出温度计编码模块中的每一位电流源的失配情况，并可以将该检测结果(失配情况)转换为电压进行输出。
本发明所提供的实现数字化校准的电流舵型数模转换器的校准过程为：当本电流舵型数模转换器进入校准工作模式后，通过控制与校准逻辑电路5分别控制电流选通开关sb0～sbp全部连接至第三端口，这样输入到电流减法器电路3的i1通路的电流大小为2p×ib1；接下来在控制与校准逻辑电路5的控制下，逐位校准温度计编码模块2中的高位电流源阵列201中每一位电流源；例如，首先将与电流源iu1相连接的开关su1连接至第三端口，因此电流减法器电路3的i2通路的电流大小为iu1；此时电流减法器电路3输出的电压表示为：
vout＝vref+(2p×ib1-iu1)r(1)
当2p×ib1大于iu1时比较器4输出高电平，否则输出低电平；比较器4将输出的高电平或低电平输入到控制与校准逻辑电路5中，通过控制与校准逻辑电路5调控与iu1相并联的校准电流源电路6输出的校准电流的大小，直到比较器4的输出发生翻转，此时在校准精度范围内可以认为iu1与2p×ib1相等；之后以此类推，完成温度计编码电流源阵列中每一位电流源的校准，校准的结果是电流源iu1～iu2(n－p)的大小均为2p×ib1。当二进制编码电流源阵列在向温度计编码电流源阵列进位时，微分非线性也仅受到一个单位电流源失配的影响；如果单位电流源的失配比率为k，那么，本电流舵型数模转换器的最大微分非线性发生在二进制编码最高位发生变化时，最大微分非线性的方差为(2p－1)k2，与现有的分段混合型编码的电流舵数模转换器相比，最大微分非线性的方差缩小了一倍。
为了使本发明所提供的电流舵型数模转换器的技术方案更加清晰，下面以一个实施例为典型示例进行详细说明。
在该实施例中，假设本电流舵型数模转换器采用高5位低5位分段混合型编码的电流舵型数模转换器；其中，低5位采用二进制编码，高5位采用温度计编码。低5位二进制编码输出的总电流为ibx＝2p－1×10ua，其中p为1～5的正整数；高5位温度计编码中含有32(25)个电流源，iu1～iu32大小均设置为316.8ua。参考电流源电路输出的电流为10ua；校准电流源中含有2×32－1＝63个电流源，每个电流源输出的电流均设置为0.1ua，控制与校准逻辑电路采用6位编码控制校准电流源电路输出的校准电流的大小，其可在0～6.3ua范围内以0.1ua精度调节。当本电流舵型数模转换器处于校准工作模式时，电流器电路分别接收低5位二进制编码与参考电流源电路输出的电流组成的基准输出电流、高5位温度计编码的电流源逐位输出的电流，并进行比较，该比较结果通过比较器输入到控制与校准逻辑电路中，通过控制与校准逻辑电路控制校准电流源输出的校准电流的大小，使得高5位温度计编码中每位电流源输出的电流大小可以在316.8ua～323.1ua范围内进行调节，从而使高5位温度计编码中每位电流源输出的电流大小在0.1ua精度内等于低5位二进制编码与参考电流源电路输出的电流组成的基准输出电流。
本发明所提供的实现数字化校准的电流舵型数模转换器通过在二进制编码模块中并联参考电流源电路，并在温度计编码模块中的每个电流源的两端并联校准电流源电路，利用电流减法器电路逐位判别温度计编码模块中的电流源的失配情况，并通过校准电流源电路对每个电流源的失配进行校准。本电流舵型数模转换器可以在不过多增加芯片面积、功耗和单位电流源大小的前提下，降低分段混合型编码的电流舵型数模转换器的微分非线性，提高电流舵型数模转换器的线性度。
本发明所提供的实现数字化校准的电流舵型数模转换器可以被用在集成电路芯片中。对于该集成电路芯片中的电流舵型数模转换器的具体结构，在此就不再一一详述了。
另外，上述实现数字化校准的电流舵型数模转换器还可以被用在通信终端中，作为模拟集成电路的重要组成部分。这里所说的通信终端是指可以在移动环境中使用，支持gsm、edge、td_scdma、tdd_lte、fdd_lte等多种通信制式的计算机设备，包括移动电话、笔记本电脑、平板电脑、车载电脑等。此外，本发明所提供的技术方案也适用于其他模拟集成电路应用的场合，例如通信基站等。
以上对本发明所提供的实现数字化校准的电流舵型数模转换器、芯片及通信终端进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本发明专利权的保护范围。