一种消除失调误差的电流比较器及比较方法与流程

本发明应用于高速高精度的电流舵模数转换器,涉及一种电流比较方法。

背景技术：

数模转换器(dac)广泛应用于通信和音频领域以及视频处理系统。目前，高速、高精度、低功耗的dac已成为模拟集成电路领域的研究热点。dac的设计通常存在速度，精度，功耗，芯片面积等方面的折中。电流舵dac具有体积小，速度快，易于兼容数字cmos工艺的优点，被视为dac的最佳选择。电流舵dac芯片可以达到的采样频率很高、芯片面积可以做得很小、并且较电阻结构的dac来说精度可以做的非常高，所以这种架构的dac在视频处理、通信、数字频率合成等领域中得到了非常广泛的应用。目前国内外市场上比较成熟的高速高精度dac大部分都是电流舵结构。

常见的数模转换器的指标有，动态参数：无杂散动态范围(sfdr)，信噪失真比(sndr)，信噪比(snr)以及静态参数：非线性微分(dnl)，非线性积分(inl)。它们是衡量dac线性度的动态参数，更高的动态参数意味着更高的线性度。

电流舵dac的主要组成部分为具有一定权重的电流源、共源共栅管、开关驱动电路、译码器等。电流舵dac通过二进制开关控制2n-1个电流源的通断来实现，优点是无需译码电路，电路较简单、转换速度快；缺点是二进制对应的电流源很难完美匹配，dac输出单调性较差，非线性误差较大。

电流舵结构dac的性能极大地受到非理想因素的限制,限制高精度电流舵结构dac的主要因素是电流失配。目前国际上提出了一种开关顺序调整技术(参考文献:t.chenandg.gielen,“a14-bit200-mhzcurrent-steeringdacwithswitching-sequencepost-adjustmentcalibration,”ieeej.solid-statecircuits,vol.42,no.11,pp.2386-2394,nov.2007.)可以很大程度上提高电流舵数模转换器的各项性能指标。该技术通过比较电流源的大小，然后将电流源进行排序重组，以达到降低各电流源之间的失配的效果。该技术需要用额外的电流比较器来进行电流比较，传统的cmos电流比较器如图1所示(参考文献:a.t.k.tangandc.toumazou,"highperformancecmoscurrentcomparator,"electronicsletters,vol.30,no.1,pp.5-6,6jan.1994.)。传统的cmos电流比较器无法消除失调带来的影响，本技术是一种新的电流比较方法，无需额外的电流比较器就能实现电流的比较，且可以消除失调误差，实现高精度。

技术实现要素：

本发明通过一个跨导放大器(ota)和电容实现电流舵dac的电流比较，解决现有二进制对应的电流源很难完美匹配，dac输出单调性较差，非线性误差较大的问题。

本发明技术方案为一种消除失调误差的电流比较器，该比较器包括：参考电流源iu、跨导放大器(ota)、k个电流源、k个电流源开关、开关k0、开关k′0、电容ca1、电容ca2、比较器预防大级，其中k大于等于2；所述参考电流源iu正极接电压源，负极接开关k0，开关k0另一端接跨导放大器的负输入端；电容ca1一端接跨导放大器的负输入端，另一端接地；跨导放大器的正极接地，输出端接参考电流源iu的负极；第k个电流源ik正极接第k个电流源开关kk,负极接地，第k个电流源开关kk另一端接电流源iu的负极，其中k＝1、2、3......k；电容ca2的左极板接电流源iu的负极，右极板接比较器预放大级的负输入端；比较器预放大级的负输入端与输出端通过开关k′0连接，比较器预放大级的正输入端接地，比较器预放大级的输出端为本发明电流比较器的输出。

一种用于消除失调误差的电流比较器的电流比较方法，当第i个电流源ii和第j个电流源ij比较时：

首先将开关k0、开关k′0和第i个电流源开关ki闭合，其他开关断开，比较器预放大级处于单位增益负反馈状态；

然后，开关k0、开关k′0和第i个电流源开关ki断开，第j个电流源开关kj闭合；

如果本发明电流比较器输出高电平，则ii＜ij；电流比较器输出低电平，则ii＞ij。

本发明通过一个跨导放大器(ota)和电容实现电流舵dac的电流比较，无需单独的电流比较器，并且能够消除失调误差。

附图说明

图1是传统电流比较器的电路图。

图2是电流舵数模转换器的通常架构。

图3是本发明的电流比较结构。

具体实施方式

本发明的特征在于，将电流信号的差异转换成电压信号的差异，以4个需要比较的电流源为例，其中含有：

参考电流源iu，跨导放大器(ota)，电流源i1，电流源i2，电流源i3，电流源i4，开关k0，开关k0′，开关k1，开关k2，开关k3，开关k4，电容ca1，电容ca2和比较器预防大级。

参考电流源iu正极接电压源，负极接开关k0，开关k0接ota的负输入端；电容ca1一端接ota的负输入端，另一端接地；ota的正极接地，输出端接参考电流源iu的负极；电流源i1正极接开关k1,负极接地，开关k1接电流源iu的负极；电流源i2正极接开关k2,负极接地，开关k2接电流源iu的负极；电流源i3正极接开关k3,负极接地，开关k3接电流源iu的负极；电流源i4正极接开关k4,负极接地，开关k4接电流源iu的负极；电容ca2的左极板接电流源iu的负极，右极板接比较器预防大级的负输入端；比较器预防大级的负输入端与输出端通过开关k0′连接，比较器预防大级的正输入端接地。

当电流源i1和电流源i2比较时，开关k0、k0′和开关k1闭合，其他开关断开，比较器预放大级处于单位增益负反馈状态，负输入端电压

v2＝vos2

电流源iu和i1的差电流将对电容ca1充电，ota处于负反馈状态，输出电流会补偿电流源iu和i1的差值，此时ota负输入端电压为v1。

v1＝vos1＝(iu-iota-i1)r1

r1是电流源iu和i1的输出电阻并联的等效电阻。

电容ca2上的电荷为q

q＝(v2-v1)ca2＝[vos2-(iu-iota-i1)r1]ca2

然后，k0、k′0和k1断开，k2闭合，电容ca2左极板电压为v′1

v′1＝(iu-iota-i2)r2

r2是电流源iu和i2的输出电阻并联的等效电阻。

因为电容ca2上的电荷保持不变，电容ca2右极板的电压是v′2。

(v′2-v′1)ca2＝[v2-v1]ca2

[v′2-(iu-iota-i2)r2]ca2＝[vos2-(iu-iota-i1)r1]ca2

v′2＝(iu-iota-i2)r2-(iu-iota-i1)r1+vos2

此时，比较器输入端电压

vi＝(iu-iota-i2)r2-(iu-iota-i1)r1。

因为电流源输出电阻很大，假定r1＝r2＝req。所以

vi＝(i1-i2)req

如果比较器输出高电平，则i1＜i2；比较器输出低电平，则i1＞i2。

当电流源i1和电流源i3比较时，开关k0、k0′和开关k1闭合，其他开关断开，比较器预放大级处于单位增益负反馈状态，负输入端电压

v2＝vos2

电流源iu和i1的差电流将对电容ca1充电，ota处于负反馈状态，输出电流会补偿电流源iu和i1的差值，此时ota负输入端电压为v1。

v1＝vos1＝(iu-iota-i1)r1

r1是电流源iu和i1的输出电阻并联的等效电阻。

电容ca2上的电荷为q

q＝(v2-v1)ca2＝[vos2-(iu-iota-i1)r1]ca2

然后，k0、k′0和k1断开，k3闭合，电容ca2左极板电压为v′1

v′1＝(iu-iota-i3)r2

r2是电流源iu和i3的输出电阻并联的等效电阻。

因为电容ca2上的电荷保持不变，电容ca2右极板的电压是v′2。

(v′2-v′1)ca2＝[v2-v1]ca2

[v′2-(iu-iota-i3)r2]ca2＝[vos2-(iu-iota-i1)r1]ca2

v′2＝(iu-iota-i3)r2-(iu-iota-i1)r1+vos2

此时，比较器输入端电压

vi＝(iu-iota-i3)r2-(iu-iota-i1)r1。

因为电流源输出电阻很大，假定r1＝r2＝req。所以

vi＝(i1-i3)req

如果比较器输出高电平，则i1＜i3；比较器输出低电平，则i1＞i3。

当电流源i1和电流源i4比较时，开关k0、k0′和开关k1闭合，其他开关断开，比较器预放大级处于单位增益负反馈状态，负输入端电压

v2＝vos2

电流源iu和i1的差电流将对电容ca1充电，ota处于负反馈状态，输出电流会补偿电流源iu和i1的差值，此时ota负输入端电压为v1。

v1＝vos1＝(iu-iota-i1)r1

r1是电流源iu和i1的输出电阻并联的等效电阻。

电容ca2上的电荷为q

q＝(v2-v1)ca2＝[vos2-(iu-iota-i1)r1]ca2

然后，k0、k′0和k1断开，k4闭合，电容ca2左极板电压为v′1

v′1＝(iu-iota-i4)r2

r2是电流源iu和i4的输出电阻并联的等效电阻。

因为电容ca2上的电荷保持不变，电容ca2右极板的电压是v′2。

(v′2-v′1)ca2＝[v2-v1]ca2

[v′2-(iu-iota-i4)r2]ca2＝[vos2-(iu-iota-i1)r1]ca2

v′2＝(iu-iota-i4)r2-(iu-iota-i1)r1+vos2

此时，比较器输入端电压

vi＝(iu-iota-i4)r2-(iu-iota-i1)r1。

因为电流源输出电阻很大，假定r1＝r2＝req。所以

vi＝(i1-i4)req

如果比较器输出高电平，则i1＜i4；比较器输出低电平，则i1＞i4。

采用相同的方法就可以比较出其他电流源的大小。