电流注入混合型宽输出电压范围的DAC转换器及转换方法与流程

本发明涉及一种dac转换器，具体涉及一种电流注入混合型宽输出电压范围的dac转换器及转换方法。

背景技术：

1、dac转换器(digital-to-analog converter)是将数字(digital)量转换为模拟(analog)量的器件，最近几年又出现一种全新的dac结构就是：电流输入型dac，主要采用分段电流源，达到高的速度和分辨率，其工作原理为通过输入数字码来控制不同位权电流源产生的电流，电流的输出将数字信号转换为模拟信号。其核心单元为电流源阵列，内置dac译码器在每次dac刷新的时刻，驱动差分电流开关，使得电流源阵列有两个电流输出，两路输出互补，在提高速度的同时，改善动态性能和确保其线性度。该电流输出型dac的缺点为：对于n位dac，需要2n-1个电流源，静态损耗大；同时当dac输入的二进制权重的电流很大时，就会产生很大的静态误差，导致输出的模拟信号精度不够。

2、现有大多数的dc/dc电源模块，输出的最低电压一般为0.7v，其内部的dac选择电阻串式dac结构，其输出电压控制原理图如图1所示。

3、对于n位的dac数字控制码，对应电阻串式dac结构输出电压控制原理为：n位的数字控制码控制电阻串的开关，确保输出电压在fb电压的基础上，增加所需要接入的电阻上面的电压。图1中vref连接误差放大器ea的同相输入端，误差放大器的反相输入端为fb电平，ea的补偿网络连接在ea的反相输入端和输出端之间，通过补偿网络误差放大器ea将fb点的电压箝位在vref,即vfb＝vref。电阻串式dac结构输出电压受到dac输入数字码的控制，如图1中的k0、k1、k2、k3分别对位n位数字译码后的4种状态，即n位的最低2位如果为00，则会使得k0、k01、k03导通，其余开关断开，输出vout＝vr1+vfb；n位的最低2位如果为11，则会使得k3、k23、k03导通，其余开关断开，输出vout＝vr1+vr2+vr3+vr4+vfb。对于要求其他更高的输出电压，可以通过在图1的r4电阻上面堆叠更多的电阻串，用其他更高的dac位数取控制其对应开关的导通来实现。通过对电阻串式dac结构输出电压的分析，可以看出现有技术是在fb电压的基础上，通过电阻串实现对大于fb电压的控制。

4、现有的这种电阻串式dac结构对输出电压的控制模式，要求输出电压都会比vfb高，随着用户对电子产品中电池更高的续航能力的需求，对于电源的输出电压要求越来越低，如：很多apt产品中为了提供pa供电的效率，要求输出电压可以达到0.4v或者0.5v。现有的这种电阻串式dac结构对输出电压的控制模式，要求输出电压都会比vfb高，无法实现输出电压为0.4v或者0.5v的要求，也就无法满足电子产品中电池更高的续航能力的需求。当今，大多数电源内部具有一个0.6v的基准，即vfb＝0.6v，这意味着输出电压必须大于0.6v。对于要求输出电压为0.4v或者0.5v的场合，需要专门设计低于0.4v或者0.5v的基准电压源，其拓扑模式比较复杂，同时对工艺的选择要求也非常高，实现起来比较困难。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有电阻串式dac转换器对输出电压的控制模式，要求输出电压比vfb高，无法实现输出电压为0.4v或者0.5v的技术问题，而提供电流注入混合型宽输出电压范围的dac转换器及转换方法。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、本发明提供了一种电流注入混合型宽输出电压范围的dac转换器，其特殊之处在于：

4、包括基准电流注入模块iref、电阻串模块、控制模块、电压调整模块和误差放大模块；

5、基准电流注入模块iref用于为电压调整模块提供电流，其输入端接外部电压vdd，输出端接电阻串模块的输入端，并通过控制模块接fb端；电阻串模块的输出端接地；fb端为电压调整模块的输入端；

6、电压调整模块用于将fb端的电压调整后输出，其输出端作为dac转换器的输出端，用于输出电压vout；

7、误差放大模块用于通过反馈调节使fb端的电压与基准电压vref相等，其输入端接外部的基准电压vref，误差放大模块的连接端接电压调整模块的连接端；

8、电阻串模块的数字端和控制模块的控制端用于接外部的数字输入信号，电阻串模块根据数字输入信号调整其电阻值，控制模块根据数字输入信号控制基准电流注入模块iref、电阻串模块与电压调整模块之间的通断状态。

9、进一步地，电阻串模块包括多个开关，以及依次串联的多个电阻；

10、位于两端的其中一个电阻接地，另一个电阻通过至少一个开关与基准电流注入模块iref的输出端连接，且相邻两个电阻之间设置有连接节点，该连接节点通过至少一个开关与基准电流注入模块iref的输出端连接。

11、进一步地，控制模块包括依次连接的电阻r15和开关k03；

12、电阻r15的一端接基准电流注入模块iref的输出端，开关k03的一端接fb端，其控制端用于接外部的数字输入信号，根据数字输入信号控制其通断状态；

13、电阻串模块包括开关k0、开关k1、开关k2、开关k3、开关k01、开关k23，以及依次串联的电阻r11、电阻r12、电阻r13和电阻r14；

14、开关k0、开关k1、开关k2、开关k3、开关k01、开关k23的控制端作为电阻串模块的数字端，用于分别接外部的数字输入信号；

15、电阻r11和电阻r12的一端接开关k0的一端，电阻r11的另一端接地，电阻r12的另一端和电阻r13的一端接开关k1的一端，开关k0和开关k1的另一端接开关k01的一端；电阻r14的一端接开关k3的一端，电阻r14和电阻r13的另一端接开关k2的一端，开关k2和开关k3的另一端接开关k23的一端；开关k01和开关k23的另一端接基准电流注入模块iref的输出端；

16、基准电流注入模块iref包括mos管m1、mos管m2、mos管m3、电阻r30、运算放大器op；

17、运算放大器op的同相输入端用于接外部基准电压vref2，反相输入端接mos管m1的源极，mos管m1的源极通过电阻r30接地，mos管m1的栅极接运算放大器op的输出端，mos管m1的漏极与mos管m2的漏极连接，mos管m2的栅极与漏极短接，mos管m2的栅极接mos管m3的栅极，mos管m2和mos管m3的源极均用于接外部电压vdd，mos管m3的漏极作为基准电流注入模块iref的输出端，接开关k01、开关k23的另一端和电阻r15的一端；

18、电压调整模块包括电阻r0和电阻r10；

19、电阻r10的一端和电阻r0的一端连接，并接fb端，电阻r10的另一端作为dac转换器的输出端，用于输出电压vout；电阻r0的另一端接地；

20、误差放大模块包括误差放大器ea和补偿网络；

21、误差放大器的同相输入端接外部的基准电压vref，反相输入端与fb端连接，误差放大器的输出端通过补偿网络反馈至其反相输入端。

22、基于上述的电流注入混合型宽输出电压范围的dac转换器，本发明提供了一种电流注入混合型宽输出电压范围的dac转换方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

23、步骤1、根据需要的输出电压vout大小，编辑对应的数字输入信号；

24、步骤2、将编辑好的数字输入信号发送给电阻串模块和控制模块，电阻串模块根据数字输入信号调整其电阻值，控制模块根据数字输入信号控制基准电流注入模块iref、电阻串模块与电压调整模块之间的通断状态；

25、步骤3、通过基准电流注入模块iref输出基准电流，再通过电阻串模块和控制模块对基准电流进行分流；

26、步骤4、通过误差放大模块将fb端电压调整至与基准电压vref相等；

27、步骤5、通过电压调整模块将将fb端的电压进行分压得到输出电压vout。

28、本发明还提供了另一种电流注入混合型宽输出电压范围的dac转换器，其特殊之处在于：

29、包括第一电阻串模块、第二电阻串模块、基准电流注入模块iref、电压调整模块、误差放大模块和控制模块；

30、基准电流注入模块iref用于为电压调整模块提供电流，其输入端接外部电压vdd，输出端接第一电阻串模块的输入端，并通过控制模块接fb端；第一电阻串模块的输出端接地；fb端为电压调整模块的输入端；

31、电压调整模块用于将fb端的电压调整后输出，其第一输出端接第二电阻串模块的输入端；电压调整模块的第二输出端和第二电阻串模块的输出端作为dac转换器的输出端，用于输出电压vout；

32、误差放大模块用于通过反馈调节使fb端的电压与基准电压vref相等，其输入端接外部的基准电压vref，误差放大模块的连接端接电压调整模块的连接端；

33、第一电阻串模块的数字端、第二电阻串模块的数字端、控制模块的控制端和电压调整模块的控制端分别用于接外部的数字输入信号，第一电阻串模块和第二电阻串模块根据数字信号调整各自的电阻值，控制模块根据数字信号控制基准电流注入模块iref、电阻串模块与电压调整模块之间的通断状态，电压调整模块根据数字信号控制其与第二电阻串模块之间的通断状态。

34、进一步地，第一电阻串模块包括多个第一开关，以及依次串联的多个第一电阻；

35、位于两端的其中一个第一电阻的一端接地，另一个第一电阻的一端通过至少一个第一开关与基准电流注入模块iref的输出端连接，且相邻两个第一电阻之间设置有第一连接节点，该第一连接节点通过至少一个第一开关与基准电流注入模块iref的输出端连接；

36、第二电阻串模块包括多个第二开关，以及依次串联的多个第二电阻；

37、位于两端的其中一个第二电阻一端作为第二电阻串模块的输入端，与开关k04的一端分别接电压调整模块的输出端，并通过至少一个第三开关与开关k04的另一端连接，另一个第二电阻的一端通过至少一个第三开关与开关k04的另一端连接；相邻两个第二电阻之间设置有第二连接节点，该第二连接节点通过至少一个第三开关与开关k04的另一端连接。

38、进一步地，控制模块包括依次连接的电阻r15和开关k03；

39、电阻r15的一端接基准电流注入模块iref的输出端，开关k03的一端接fb端，其控制端用于接外部的数字输入信号，根据数字输入信号控制其通断状态；

40、电压调整模块包括开关k04、电阻r0和电阻r10；

41、电阻r10的一端和电阻r0的一端连接，并接fb端，电阻r10的另一端接开关k04一端；开关k04的另一端作为电压调整模块的输出端，电阻r0的另一端接地；

42、第二电阻串模块包括开关k4、开关k5、开关k6、开关k7、开关k45、开关k67、开关k47，以及依次串联的电阻r6、电阻r7和电阻r8；

43、开关k4、开关k5、开关k6、开关k7、开关k45、开关k67、开关k47的控制端作为第二电阻串模块的数字端，用于分别接外部的数字输入信号；

44、电阻r6的一端作为第二电阻串模块的输入端，接电压调整模块的输出端，并接开关k4的一端；电阻r6的另一端和电阻r7的一端接开关k5的一端，电阻r7的另一端和电阻r8的一端接开关k6的一端，电阻r8的另一端接开关k7的一端；

45、开关k4和开关k5的另一端接开关k45的一端，开关k6和开关k7的另一端接开关k67的一端，开关k45和开关k67的另一端接开关k47的一端；

46、开关k47的另一端接开关k04的另一端；

47、第一电阻串模块包括开关k0、开关k1、开关k2、开关k3、开关k01、开关k23，以及依次串联的电阻r11、电阻r12、电阻r13和电阻r14；

48、开关k0、开关k1、开关k2、开关k3、开关k01、开关k23的控制端作为第一电阻串模块的数字端，用于分别接外部的数字输入信号；

49、电阻r11和电阻r12的一端接开关k0的一端，电阻r11的另一端接地，电阻r12的另一端和电阻r13的一端接开关k1的一端，开关k0和开关k1的另一端接开关k01的一端；电阻r14的一端接开关k3的一端，电阻r14和电阻r13的另一端接开关k2的一端，开关k2和开关k3的另一端接开关k23的一端；开关k01和开关k23的另一端接基准电流注入模块iref的输出端。

50、进一步地，基准电流注入模块iref包括mos管m1、mos管m2、mos管m3、电阻r30、运算放大器op；

51、运算放大器op的同相输入端用于接外部基准电压vref2，反相输入端接mos管m1的源极，mos管m1的源极通过电阻r30接地，mos管m1的栅极接运算放大器op的输出端，mos管m1的漏极与mos管m2的漏极连接，mos管m2的栅极与漏极短接，mos管m2的栅极接mos管m3的栅极，mos管m2和mos管m3的源极均用于接外部电压vdd，mos管m3的漏极作为基准电流注入模块iref的输出端，接第一电阻串模块的输入端和电阻r15的一端；

52、误差放大模块包括误差放大器ea和补偿网络；

53、误差放大器的同相输入端接基准电压vref，反相输入端接fb端，误差放大器的输出端通过补偿网络反馈至其反相输入端。

54、基于前述的电流注入混合型宽输出电压范围的dac转换器，本发明提供了另一种电流注入混合型宽输出电压范围的dac转换方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

55、当需要的输出电压vout小于等于0.6v时；

56、步骤1、根据需要输出的输出电压vout大小，编辑对应的数字输入信号；

57、步骤2、将编辑好的数字输入信号发送给第一电阻串模块、第二电阻串模块、控制模块和电压调整模块，第一电阻串模块根据数字输入信号调整其电阻值，控制模块根据数字信号调整控制基准电流注入模块iref、第一电阻串模块与电压调整模块之间为连通状态，电压调整模块根据数字信号控制其与第二电阻串模块之间为断开状态；

58、步骤3、通过基准电流注入模块iref输出基准电流，再通过第一电阻串模块和控制模块对基准电流进行分流；

59、步骤4、通过误差放大模块将fb端电压调整至与基准电压vref相等；

60、步骤5、通过电压调整模块将fb端的电压进行分压得到输出电压vout；

61、当需要的输出电压vout大于0.6v时：

62、步骤1、根据需要的输出电压vout大小，编辑对应的数字输入信号；

63、步骤2、将编辑好的数字输入信号发送给第一电阻串模块、第二电阻串模块、控制模块和电压调整模块，第二电阻串模块根据数字输入信号调整其电阻值，控制模块根据数字信号调整控制基准电流注入模块iref、第一电阻串模块与电压调整模块之间为断开状态，电压调整模块根据数字信号控制其与第二电阻串模块之间为连通状态；

64、步骤3、通过误差放大模块将fb端电压调整至与基准电压vref相等；

65、步骤4、通过电压调整模块将fb端的电压进行第一次增压，并输出至第二电阻串模块；

66、步骤5、通过第二电阻串模块对fb端的电压进行多次增压，即获得需要的输出电压vout。

67、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

68、1、本技术的方案在电路中设计了电流注入型和电阻串相结合的混合型dac，通过选择合适的电阻阻值和电流值，达到输出电压小于0.6v的目的，实现dac极低输出电压的要求。

69、2、本技术的方案为了拓宽输出电压的范围，对于要求输出电压大于0.6v的状态，dac转换器电路只选择电阻串模块，减小电阻变化的多样性，提高输出电压的精度，同时dac具备结构简单、可靠性高的特点。

70、3、本技术的方案中为了消除电流注入引起的误差，专门设计了基准电流注入模块，基准电流注入模块通过反馈mos管m1的调节作用使运放的反向输入电压与正向基准电压值相等，再通过电流镜的镜像作用，复制r30上的电流，在电流镜的输出端得到基准电流iref，基准电流注入模块通过选用与dac中电阻串相同类型和相同方阻的电阻，来实现需要注入的电流，减小工艺、温度、电压对输出电压的影响。

71、4、本技术的方案提出的混合型dac转换器，在满足极低输出电压的同时，通过电流注入和电阻串式的混合使用，拓宽输出电压的范围，在大幅度提升电源输出电压范围的同时，提升了电源效率，提高电池续航能力。