一种用于深低温的电流型数模转换器电路

本发明涉及一种用于深低温的电流型数模转换器电路，属于微电子。

背景技术：

1、低温电子学尤其是低温cmos技术在提高器件性能、突破传统计算能效瓶颈方面具有很高的潜力，是后摩尔时代实现大规模量子计算的关键因素。

2、目前来说，由于低温金属氧化物半导体场效应管(mosfet)的低温电学特性的变化，如导通电流增加、亚阈值摆幅减小、阈值电压增大等，进而影响到低温cmos电路的性能变化。其中数模转换器(dac)作为信息系统中十分常见的电路模块，其静态特性和动态特性直接决定了量子/超导计算机信号控制电路、雷达、卫星导航以及航空电子图像处理电路在低温下的工作性能。由于受到mosfet低温下因载流子冻析效应造成阈值电压漂移以及低温失配变差的影响，传统的电流型dac电路在低温下的性能变差，在深低温(液氮温度77k以下)甚至会导致电路无法正常工作。目前已有的低温电流型dac所用的电流源都是片外的，会增加额外的面积和成本，且无法大规模集成，而且已有的低温dac为了保持较好的静态、动态性能不可避免地加入了校正(calibration)模块。因此，目前没有一种兼具面积、成本、功耗、性能和集成度的全片上的低温dac。

技术实现思路

1、本发明的目的是：提供一种带有片上全温区电流基准的且能够在全温区保持良好静态、动态特性的低功耗电流型数模转换器电路。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种用于深低温的电流型数模转换器电路，所述电流型数模转换器电路为n位数模转换器电路，其特征在于，所述电流型数模转换器电路为分段结构，其中，低n/2位采用二进制译码，高n/2位采用温度计译码，所述电流型数模转换器电路包括全温区片上参考电流基准、全温区电流源阵列、温度计译码器、锁存器、延迟均衡器及差分输出开关电路：

3、全温区片上参考电流基准，用于为全温区电流源阵列提供二进制的加权电流，进一步包括反相器型启动电路以及自偏置电流基准电路：反相器型启动电路用于确保片上电流基准在全温区都能正常工作；自偏置电流基准电路利用mos晶体管工作在弱反型区的特性产生纳安级别的参考电流；

4、外部输入的高n/2位二进制编码输入温度计译码器，温度计译码器将输入的二进制编码转换成温度计编码数据后，再通过锁存器输入全温区电流源阵列的列；

5、外部输入的低n/2位二进制编码输入延迟均衡器，通过延迟均衡器保证输入的n位二进制编码信号具有相同的延迟信息，再通过锁存器输入全温区电流源阵列的行；

6、全温区电流源阵列由2n-1个相同大小的电流镜复制组成，用于分辨外部输入的二进制编码和温度计编码数据的值，根据不同的二进制编码和温度计编码数据选择相对应的电流权重，从而通过差分输出开关电路以模拟电压或电流形式输出；

7、差分输出开关电路在锁存器的控制下输出差分电流或电压。

8、利用两个dummy管m3、m4在全温区内补偿沟道电荷注入效应，降低输出信号毛刺，保证输出信号的平滑，最后在锁存器的控制下输出差分电流或电压

9、优选地，所述反相器型启动电路包括n型mos管m18、n型mos管m19、p型mos管m16以及p型mos管m17，其中，p型mos管m16的源端与电源电压相连，p型mos管m16的漏端和栅端与p型mos管m17的源端与相连，p型mos管m17的漏断以及栅端分别与n型mos管m18的漏端以及栅端相连，n型mos管m18的源端接地，n型mos管m18的漏端与n型mos管m19的栅端相连，n型mos管m19的源端接地，p型mos管m17的栅端以及n型mos管m19的漏端与自偏置电流基准电路相连。

10、优选地，所述自偏置电流基准电路包括p型mos管m12、p型mos管m13、p型mos管m14以及p型mos管m15，p型mos管m12、p型mos管m13、p型mos管m14以及p型mos管m15的源端与电源电压相连，p型mos管m12、p型mos管m13、p型mos管m14以及p型mos管m15的栅端连接p型mos管m13的漏端，p型mos管m12、p型mos管m13、p型mos管m14以及p型mos管m15的漏端分别连接n型mos管m7的漏端、n型mos管m10的漏端、n型mos管m11的漏端以及n型mos管m9的漏端，n型mos管m7的漏端连接其栅端，n型mos管m7的栅端连接n型mos管m6的栅端，n型mos管m7的源端连接n型mos管m10的源端以及n型mos管m6的漏端，n型mos管m6的源端接地，n型mos管m10的漏端连接所述n型mos管m19的漏端，n型mos管m10的栅端连接n型mos管m11的栅端，n型mos管m11的栅端连接其漏端，n型mos管m11的源端连接n型mos管m9的源端以及n型mos管m8的漏端，n型mos管m9的栅端连接n型mos管m9的漏端以及n型mos管m8的栅端，n型mos管m8的源端接地。

11、优选地，所述差分输出开关电路利用两个dummy管在全温区内补偿沟道电荷注入效应，降低输出信号毛刺，保证输出信号的平滑。

12、优选地，所述差分输出开关电路包括dummy管m3以及dummy管m4，dummy管m3的一端连接p型mos管m1的漏端，dummy管m4的一端连接p型mos管m2的漏端，p型mos管m1、p型mos管m2的源端连接p型mos管m5的漏端，p型mos管m5的源端接电源电压，dummy管m3的另一端接差分时钟信号sn，dummy管m4的另一端接差分时钟信号sp，p型mos管m1的栅端接差分时钟信号sp，p型mos管m2的栅端接差分时钟信号sn，p型mos管m5的栅端接p型mos管m15的栅端。

13、优选地，所述锁存器包括cmos传输门一以及cmos传输门二，cmos传输门一的一端连接所述温度计译码器或所述温度计译码器的输出，所述温度计译码器或所述温度计译码器的输出还经由反相器一连接cmos传输门二的一端；cmos传输门一的另一端分别连接p型mos管m20以及n型mos管m22的栅极，n型mos管m22的漏极同时连接n型mos管m23的漏极、n型mos管m24的栅极、并联的反相器二及反相器三的一端、p型mos管m20的漏极，反相器二与反相器三反向并联，n型mos管m23的栅极同时连接n型mos管m24的漏极、n型mos管m25的漏极、并联的反相器二及反相器三的另一端、p型mos管m21的漏极，n型mos管m22、n型mos管m23、n型mos管m24、n型mos管m25的源极接地，p型mos管m20、p型mos管m21的源极接电源电压，p型mos管m21、n型mos管m25的栅极接cmos传输门二的另一端。

14、优选地，所述延迟均衡器采用多级反相器的设计形式。

15、本发明提供了一种在全温区(液氦温度4.2k到常温)工作的电流型模数转换器电路，该电路不仅带有片上全温区电流基准，集成片上电流型数模转换器的同时，基于功耗的考虑，去除掉低温校正模块，在全温区范围内均能保持良好静态、动态性能，以满足日益增加的深低温应用需求。