数模转换器的制作方法

1.本技术涉及集成电路设计的技术领域，并且更具体地涉及一种数模转换器。


背景技术：

2.现今数－模转换器(digital to analog converter，dac)已经非常广泛地应用在电子装置的数据转换上，其主要是将数字信号转换为对应的模拟信号，并提供至电子装置来进行相关应用。其中，电流式数模转换器(current dac)为一种现今常见的高速数模转换器，由于其不需额外的放大器作为辅助而可直接对负载进行驱动，因此成为高解析度、高速的数模转换器常采用的最佳架构之一。
3.图1a为电流型数模转换器的基本结构。参照图1a，电流型数模转换器包含由多个电流开关单元，每个电流开关单元包括一个电流源以及与每个电流源相连接的一对开关单元，图1中仅示出其中一个电流开关单元进行说明。输入数字信号控制开关单元的通断，从而控制每个电流源的电流流向特定的输出端，来自电流源的电流在特定的输出端进行相加求和，数字信号对应的模拟量输出就是特定输出端输出的电流模拟量。例如，图1a中的第一开关k1和第二开关k2的第一端均与电流源i连接，第一开关k1的另一端与第一输出端连接，第二开关k2的另一端与第二输出端连接，控制信号控制开关单元的通断，从而控制电流源的电流流向第一输出端或者第二输出端，最终dac输出的电流iout为各组电流源流向第一输出端的总电流之和。
4.图1b示出现有技术中线性加权型数模转换器的基本结构。参照图1b，每个电流源单元包括一个电流源和一个开关k，线性加权控制模块控制电流源单元中开关k的导通与关断，从而控制输出电流的大小。每个电流源的电流大小是相等的，但控制信号的位数为n时，其电流源单元的个数为2
n-1，虽然步进线性以及均匀性好，但是控制开关和控制信号较多，结构复杂。
5.图1c示出现有技术中幂次加权型数模转换器的基本结构。参照图1c，每个电流源单元包括一个电流源和一个开关k，幂次加权控制模块控制电流源单元中开关k的导通与关断，从而控制输出电流的大小。每个电流源的电流大小成倍数增长，当控制信号的位数为n时，其电流源和开关k的个数为n，虽然控制开关较少，结构较为简单，但是步进非线性差，且随着电流的增大，每个单元对应的元器件尺寸也增大，对版图布局要求较高。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供一种数模转换器，对基准电流分别进行粗调以及细调达到高精度的电流步进，同时减少控制信号的数量。
7.根据本发明的第一方面，提供一种数模转换器，包括：第一数模转换模块，用于根据第一控制信号和第二控制信号对基准电流进行粗调以输出粗调电流和待细调电流；第二数模转换模块，与所述第一数模转换模块连接，用于根据第三控制信号和第四控制信号对所述待细调进行细调以输出细调电流；控制模块，用于根据m位的第一数字信号产生第一控
制信号和第二控制信号，以及根据n位的第二数字信号产生第三控制信号和第四控制信号，其中，m，n均为正整数；输出端，与所述第一数模转换模块的第一输出端和所述第二数模转换模块的第一输出端连接，将所述粗调电流和所述细调电流输出；其中，所述第一数模转换模块包括2m个级联的第一电流开关单元，所述第一数字信号选中的第一电流开关单元将所述基准电流流向第二输出端以输出待细调电流，在选中的第一电流开关单元之前级联的第一电流开关单元将所述基准电流流向第一输出端以输出粗调电流，在选中的第一电流开关单元之后级联的第一电流开关单元关闭。
8.优选地，所述第二数模转换模块包括2n个级联的第二电流开关单元，所述第二数字信号选中的第二电流开关单元由脉宽调制信号控制所述选中的第二电流开关单元的输出电流的大小，以及选中的第二电流开关单元之前级联的第二电流开关单元将所述待细调电流流向第一输出端以输出细调电流，在选中的第二电流开关单元之后级联的第二电流开关单元将所述待细调电流流向第二输出端形成冗余节点。
9.优选地，所述控制模块包括：第一译码器，用于对所述第一数字信号中的高m1位进行译码以输出多个第一行控制信号，以及对所述第一数字信号中的低m2位进行译码以输出多个第一列控制信号，其中，m＝m1 m2，m1和m2均为正整数；多个级联的第一控制单元，根据多个第一行控制信号和多个第一列控制信号产生多个第一控制信号和多个第二控制信号，分别控制第一数模转换模块中相应的第一电流开关单元的电流流向；第二译码器，用于对所述第二数字信号中的高n1位进行译码以输出多个第二行控制信号，以及对所述第二数字信号中的低n2位进行译码以输出多个第二列控制信号，其中，n＝n1 n2，n1和n2均为正整数；多个级联的第二控制单元，根据多个第二行控制信号和多个第二列控制信号产生多个第三控制信号和多个第四控制信号，分别控制第二数模转换模块中相应的第二电流开关单元的电流流向；根据脉宽调制信号控制所述选中的第二电流开关单元的输出电流的大小。
10.优选地，所述多个第一行控制信号和多个第一列控制信号形成2
m1
*2
m2
矩阵，相应的第一行控制信号和第一列控制信号产生的第一控制信号和第二控制信号控制第一数模转换模块中相应的第一电流开关单元的电流流向。
11.优选地，所述第一控制单元包括第一输入端、第二输入端、级联输入端、第一输出端、第二输出端以及级联输出端，其中，第一输入端和第二输入端分别接收相应的第一行控制信号和第一列控制信号，级联输入端接收上一级第一控制单元输出的第一级联信号，第一输出端输出第一控制信号，第二输出端输出第二控制信号，级联输出端输出第一级联信号。
12.优选地，首端的第一控制单元的级联输入端为无效电平，末端的第一控制单元的级联输出端悬空。
13.优选地，所述第一控制单元包括第一非门、第二非门、第一或非门、第二或非门和第三非门；其中，第一非门的输入端接收第一行控制信号，输出端与第一或非门的第一输入端连接；第二非门的输入端接收第一列控制信号；第一或非门的第一输入端与第一非门的输出端连接，第二输入端与第二非门的输出端连接，输出端输出第一控制信号；第二或非门的第一输入端接收第一控制信号，第二输入端接收上一级第一控制单元输出的第一级联信号，输出端输出第二控制信号；第三非门的输入端接收第二控制信号，输出端输出第一级联信号。
14.优选地，所述多个第二行控制信号和多个第二列控制信号形成2
n1
*2
n2
矩阵，相应的第二行控制信号和第二列控制信号产生的第三控制信号和第四控制信号控制第二数模转换模块中相应的第二电流开关单元的电流流向。
15.优选地，所述第二控制单元包括第一输入端、第二输入端、级联输入端、第一输出端、第二输出端以及级联输出端，其中，第一输入端和第二输入端分别接收相应的第二行控制信号和第二列控制信号，级联输入端接收上一级第二控制单元输出的第二级联信号，第一输出端输出第三控制信号，第二输出端输出第四控制信号，级联输出端输出第二级联信号。
16.优选地，首端的第二控制单元的级联输入端为无效电平，末端的第二控制单元的级联输出端悬空。
17.优选地，所述第二控制单元包括第四非门、第五非门、第三或非门、第四或非门、选择器、第六非门、第七非门和第八非门；其中，第四非门的输入端接收第二行控制信号；第五非门的输入端接收第二列控制信号；第三或非门的第一输入端与第四非门的输出端连接，第二输入端与第五非门的输出端连接，输出端输出选择信号；第四或非门的第一输入端与第三或非门的输出端连接，第二输入端接收上一级第二控制单元输出的第二级联信号；选择器的第一输入端与第四或非门的输出端连接，第二输入端接收脉宽调制信号，选择端与第三或非门的输出端连接，接收选择信号；第六非门的输入端与选择器的输出端连接，输出端输出第三控制信号；第七非门的输入端与第六非门的输出端连接，输出端输出第四控制信号；第八非门的输入端与第四或非门的输出端连接，输出端输出第二级联信号。
18.优选地，所述数模转换器还包括：第一偏置模块，用于根据基准电流产生第一偏置电压；第二偏置模块，与所述第一数模转换模块的第二输出端连接，根据所述待细调电流和所述基准电流产生第二偏置电压。
19.优选地，所述第一偏置模块包括第一晶体管至第三晶体管以及第一参考电流源和第二参考电流源，其中，第一参考电流源和第一晶体管串联连接在电源电压和接地端之间；第二参考电流源、第二晶体管和第三晶体管串联连接在电源电压和接地端之间；第一晶体管的控制端与第二晶体管的控制端连接，并且与第一晶体管的漏端连接；第三晶体管的控制端与第二晶体管的漏端连接，并输出第一偏置电压。
20.优选地，所述数模转换器还包括：第一偏置模块，还用于根据基准电流以及基准电压产生第三偏置电压。
21.优选地，所述第一偏置模块包括第一晶体管至第三晶体管、第九晶体管至第十三晶体管、第一电阻、第一参考电流源、第二参考电流源和参考电压源，其中，第一晶体管连接在第一参考电流源和接地端之间；第十一晶体管、第十晶体管、第二晶体管和第三晶体管串联连接在电源电压和接地端之间；第十二晶体管、第十三晶体管和参考电压源串联连接在电源电压和接地端之间；第一电阻、第九晶体管和第一参考电流源串联连接在电源电压和接地端之间；第一晶体管的控制端与第二晶体管的控制端连接，并且与第一晶体管的漏端连接；第三晶体管的控制端与第二晶体管的漏端连接，并输出第一偏置电压；第九晶体管、第十晶体管以及第十三晶体管的控制端连接，并且与第九晶体管的漏端连接；第十一晶体管和第十二晶体管的控制端连接，并且与第十三晶体管的漏端连接，并且输出第三偏置电压。
22.优选地，所述第一晶体管至所述第三晶体管为nmos管，第九至第十三晶体管为pmos管。
23.优选地，所述数模转换器还包括：第三数模转换模块，与所述第一偏置模块连接，用于根据第五控制信号和第六控制信号对所述基准电流进行粗调以输出粗调电流和待细调电流；第四数模转换模块，与所述第三数模转换模块连接，用于根据第七控制信号和第八控制信号对所述待细调进行细调以输出细调电流；第三偏置模块，与所述第三数模转换模块的第二输出端连接，根据所述待细调电流和所述基准电流产生第四偏置电压；其中，所述第三数模转换模块包括2m个级联的第三电流开关单元，所述第一数字信号选中的第三电流开关单元将所述基准电流流向第二输出端以输出待细调电流，在选中的第三电流开关单元之前级联的第三电流开关单元将所述基准电流流向第一输出端以输出粗调电流，在选中的第三电流开关单元之后级联的第三电流开关单元关闭；所述第四数模转换模块包括2n个级联的第四电流开关单元，所述第二数字信号选中的第四电流开关单元由脉宽调制信号控制所述选中的第四电流开关单元的输出电流的大小，以及选中的第四电流开关单元之前级联的第四电流开关单元将所述待细调电流流向第一输出端以输出细调电流，在选中的第四电流开关单元之后级联的第四电流开关单元将所述待细调电流流向第二输出端形成冗余节点。
24.优选地，每个所述第一电流开关单元包括：第一电流源单元，根据所述第一偏置电压输出所述基准电流；第一输出端，与数模转换器的输出端连接；第二输出端，与第二数模转换模块连接；第四晶体管，连接在第一电流源单元和第一输出端之间，其控制端接收第一控制信号；第五晶体管，连接在第一电流源单元和第二输出端之间，其控制端接收第二控制信号。
25.优选地，所述第一电流源单元包括第六晶体管，其控制端接收第一偏置电压，其源端接地，其漏端与第四晶体管以及第五晶体管的源端连接。
26.优选地，所述第二电流开关单元包括：第二电流源单元，根据所述第二偏置电压输出中间细调电流，其中，所述中间细调电流为所述待细调电流的1/2n；第一输出端，与数模转换器的输出端连接；第二输出端；第一传输门，连接在第二电流源单元和第一输出端之间，其负控制端接收第三控制信号，其正控制端接收第四控制信号；第二传输门，连接在第二电流源单元和第二输出端之间，其负控制端接收第四控制信号，其正控制端接收第三控制信号。
27.优选地，所述第二电流源单元包括第七晶体管，其控制端接收第二偏置电压，其源端接收中间细调电流，其漏端与第一传输门和第二传输门的输入端连接。
28.优选地，每个所述第三电流开关单元包括：第三电流源单元，根据所述第三偏置电压输出所述基准电流；第一输出端，与数模转换器的输出端连接；第二输出端，与第四数模转换模块连接；第十四晶体管，连接在第三电流源单元和第一输出端之间，其控制端接收第五控制信号；第十五晶体管，连接在第三电流源单元和第二输出端之间，其控制端接收第六控制信号。
29.优选地，所述第三电流源单元包括第十六晶体管，其控制端接收第三偏置电压，其源端接地，其漏端与第十四晶体管以及第十五晶体管的源端连接。
30.优选地，所述第四电流开关单元包括：第四电流源单元，根据所述第四偏置电压输
出中间细调电流，其中，所述中间细调电流为所述待细调电流的1/2n；第一输出端，与数模转换器的输出端连接；第二输出端；第三传输门，连接在第二电流源单元和第一输出端之间，其负控制端接收第七控制信号，其正控制端接收第八控制信号；第四传输门，连接在第二电流源单元和第二输出端之间，其负控制端接收第八控制信号，其正控制端接收第七控制信号。
31.优选地，所述第四电流源单元包括第十七晶体管，其控制端接收第四偏置电压，其源端接收中间细调电流，其漏端与第三传输门和第四传输门的输入端连接。
32.优选地，所述第一数模转换模块还包括第一运算放大器和第八晶体管，其中，第一运算放大器的第一输入端接收基准电流，第二输入端接收粗调电流，输出端与第八晶体管的控制端连接；第八晶体管的源端与第一运算放大器的第二输入端连接，漏端输出粗调电流。
33.优选地，所述第二偏置模块包括第二运算放大器，其中，第二运算放大器的第一输入端接收基准电流，第二输入端接收所述待细调电流并且与多个第二电流源单元中的多个第七晶体管的源端连接，输出端与第七晶体管的控制端连接。
34.优选地，所述第三数模转换模块还包括第三运算放大器和第十八晶体管，其中，第三运算放大器的第一输入端接收基准电流，第二输入端接收粗调电流，输出端与第十八晶体管的控制端连接；第十八晶体管的源端与第三运算放大器的第二输入端连接，漏端输出粗调电流。
35.优选地，所述第三偏置模块包括第四运算放大器，其中，第四运算放大器的第一输入端接收基准电流，第二输入端接收所述待细调电流并且与多个第四电流源单元中的多个第十七晶体管的源端连接，输出端与第十七晶体管的控制端连接。
36.优选地，所述控制模块还包括：第一译码器，用于对所述第一数字信号中的高m1位进行译码以输出多个第一行控制信号，以及对所述第一数字信号中的低m2位进行译码以输出多个第一列控制信号，其中，m＝m1 m2，m1和m2均为正整数；多个级联的第一控制单元，根据使能信号以及多个第一行控制信号和多个第一列控制信号产生多个第一控制信号和多个第二控制信号，分别控制第一数模转换模块中相应的第一电流开关单元的电流流向；第二译码器，用于对所述第二数字信号中的高n1位进行译码以输出多个第二行控制信号，以及对所述第二数字信号中的低n2位进行译码以输出多个第二列控制信号，其中，m＝n1 n2，m1和m2均为正整数；多个级联的第二控制单元，根据多个第二行控制信号和多个第二列控制信号以及脉宽调制信号产生多个第三控制信号和多个第四控制信号，分别控制第二数模转换模块中相应的第二电流开关单元的电流流向；多个级联的第三控制单元，根据使能信号以及多个第一行控制信号和多个第一列控制信号产生多个第五控制信号和多个第六控制信号，分别控制第三数模转换模块中相应的第三电流开关单元的电流流向；多个级联的第四控制单元，根据使能信号以及多个第二行控制信号和多个第二列控制信号产生多个第七控制信号和多个第八控制信号，分别控制第四数模转换模块中相应的第四电流开关单元的电流流向；根据脉宽调制信号控制所述选中的第四电流开关单元的输出电流的大小；其中，当所述使能信号为有效电平时，第一数模转换模块和第二数模转换模块工作，第三数模转换模块和第四数模转换模块不工作。
37.优选地，所述多个第一行控制信号和多个第一列控制信号形成2
m1
*2
m2
矩阵，当所
述使能信号为有效电平时，相应的第一行控制信号和第一列控制信号产生的第一控制信号和第二控制信号控制第一数模转换模块中相应的第一电流开关单元的电流流向；当所述使能信号为无效电平时，相应的第一行控制信号和第一列控制信号产生的第五控制信号和第六控制信号控制第三数模转换模块中相应的第三电流开关单元的电流流向。
38.优选地，所述第一控制单元和所述第三控制单元均包括第一输入端、第二输入端、使能输入端、级联输入端、第一输出端、第二输出端以及级联输出端，其中，第一输入端和第二输入端分别接收相应的第一行控制信号和第一列控制信号，使能输入端接收使能信号；第一控制单元的级联输入端接收上一级第一控制单元输出的第一级联信号，第一输出端输出第一控制信号，第二输出端输出第二控制信号，级联输出端输出第一级联信号；级联输入端接收上一级第三控制单元输出的第三级联信号，第一输出端输出第五控制信号，第二输出端输出第六控制信号，级联输出端输出第三级联信号。
39.优选地，首端的第一控制单元以及第三控制单元的级联输入端为无效电平，末端的第一控制单元以及第三控制单元的级联输出端悬空。
40.优选地，所述第一控制单元和所述第三控制单元均包括第一非门、第二非门、第一或非门、第二或非门和第三非门；其中，第一非门的输入端接收第一行控制信号，输出端与第一或非门的第一输入端连接；第二非门的输入端接收第一列控制信号；第一或非门的第一输入端与第一非门的输出端连接，第二输入端与第二非门的输出端连接，第一控制单元中输出端输出第一控制信号，第三控制单元中输出端输出第三控制信号；第一控制单元中第二或非门的第一输入端接收第一控制信号，第二输入端接收上一级第一控制单元输出的第一级联信号，输出端输出第二控制信号；第三控制单元中第二或非门的第一输入端接收第五控制信号，第二输入端接收上一级第三控制单元输出的第三级联信号，输出端输出第六控制信号；第一控制单元中第三非门的输入端接收第二控制信号，输出端输出第一级联信号；第三控制单元中第三非门的输入端接收第六控制信号，输出端输出第三级联信号；其中，第一控制单元中第一或非门的第三输入端接收使能信号；第三控制单元中第一或非门的第三输入端接收非使能信号，其中，非使能信号与使能信号的电平相反。
41.优选地，所述多个第二行控制信号和多个第二列控制信号形成2
n1
*2
n2
矩阵，当所述使能信号为有效电平时，相应的第二行控制信号和第二列控制信号产生的第三控制信号和第四控制信号控制第二数模转换模块中相应的第二电流开关单元的电流流向；当所述使能信号为无效电平时，相应的第二行控制信号和第二列控制信号产生的第七控制信号和第八控制信号控制第四数模转换模块中相应的第四电流开关单元的电流流向。
42.优选地，所述第二控制单元和第四控制单元均包括第一输入端、第二输入端、使能输入端、级联输入端、第一输出端、第二输出端以及级联输出端，其中，第一输入端和第二输入端分别接收相应的第二行控制信号和第二列控制信号，使能输入端接收所述使能信号；第二控制单元的级联输入端接收上一级第二控制单元输出的第二级联信号，第一输出端输出第三控制信号，第二输出端输出第四控制信号，级联输出端输出第二级联信号；第四控制单元的级联输入端接收上一级第四控制单元输出的第四级联信号，第一输出端输出第七控制信号，第二输出端输出第八控制信号，级联输出端输出第四级联信号。
43.优选地，首端的第二控制单元以及第四控制单元的级联输入端为无效电平，末端的第二控制单元以及第四控制单元的级联输出端悬空。
44.优选地，所述第二控制单元和第四控制单元均包括第四非门、第五非门、第三或非门、第四或非门、选择器、第六非门、第七非门和第八非门；其中，第四非门的输入端接收第二行控制信号；第五非门的输入端接收第二列控制信号；第三或非门的第一输入端与第四非门的输出端连接，第二输入端与第五非门的输出端连接，输出端输出选择信号；第四或非门的第一输入端与第三或非门的输出端连接，第二控制单元中第二输入端接收上一级第二控制单元输出的第二级联信号，第四控制单元中第二输入端接收上一级第四控制单元输出的第四级联信号；选择器的第一输入端与第四或非门的输出端连接，第二输入端接收脉宽调制信号，选择端与第三或非门的输出端连接，接收选择信号；第六非门的输入端与选择器的输出端连接，第二控制单元中输出端输出第三控制信号，第二控制单元中输出端输出第七控制信号；第七非门的输入端与第六非门的输出端连接，第二控制单元中输出端输出第四控制信号，第四控制单元中输出端输出第八控制信号；第八非门的输入端与第四或非门的输出端连接，第二控制单元中输出端输出第二级联信号，第四控制单元中输出端输出第四级联信号；其中，第二控制单元中第三或非门的第三输入端接收使能信号；第四控制单元中第三或非门的第三输入端接收非使能信号，其中，非使能信号与使能信号的电平相反。
45.优选地，所述数模转换器还包括：失调模块，位于所述数模转换器的输出端和冗余节点之间，用于消除数模转换器中运算放大器的失调电压。
46.优选地，所述失调模块包括第五运算放大器、第六运算放大器以及第一开关至第四开关，其中，所述第五运算放大器的第一输入端与所述数模转换器的输出端连接，以及经由第一开关与第六运算放大器的第一输入端连接；所述第五运算放大器的第二输入端与冗余节点连接，以及经由第二开关与第六运算放大器的第二输入端连接；所述第五运算放大器的输出端经由第三开关与第六运算放大器的第一输入端连接，经由第四开关与第六运算放大器的第二输入端连接；所述第六运算放大器的输出端与冗余节点连接。
47.本发明实施例提供的数模转换器，采用第一数模转换模块对基准电流进行粗调以输出粗调电流和待细调电流，采用第二数模转换模块对所述待细调进行细调以输出细调电流，可以实现高精度的电流步进。
48.进一步地，第一数模转换模块和第二数模转换模块均为矩阵型的数模转换模块，即分别将数字信号中的高位和低位进行译码产生多个行控制信号和多个列控制信号，以优化控制信号的数量，即用最少的控制信号控制尽可能多的电流开关单元，减少寄生效应，适用于中高速数模转换器。
49.进一步地，每个数模转换模块中的行控制信号和列控制信号的控制阵列可以根据需要进行增减，提高设计的灵活性。
50.进一步地，在第二数模转换模块中采用脉宽调制信号控制被选中的第二电流开关单元的流向，可以通过改变脉宽调制信号的占空比来提高数模转换器的精度。
51.进一步地，采用对称型的数模转换结构，即第一数模转换模块和第三数模转换模块对称，第二数模转换模块和第四数模转换模块对称，即第一数模转换模块和第二数模转换模块采用nmos管，第三数模转换模块和第四数模转换模块采用pmos管，根据使能信号来控制对称结构中的一侧工作，既可以实现电流的上拉，也可以实现电流的下拉。
52.进一步地，在数模转换器的输出端和冗余节点之间设置失调电路，可以消除数模转换器中运算放大器的失调电压对输出电流的影响。
附图说明
53.通过参照以下附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
54.图1a-图1c分别示出了电流型数模转换器、线性加权型数模转换器和幂次加权型数模转换器的基本结构；
55.图2示出了矩阵型数模转换器的基本结构；
56.图3示出了本发明实施例的数模转换器的结构示意图；
57.图4a和图4b分别示出了本发明实施例中第一电流开关单元和第二电流开关单元的电路图；
58.图5a和图5b分别示出本发明实施例的第一控制单元的电路图以及第一控制单元的控制信号阵列示意图；
59.图6和图7分别示出本发明实施例的第一控制单元的电路图以及第一控制单元的控制信号阵列示意图；
60.图8示出了本发明另一实施例的数模转换器的结构示意图；
61.图9a和图9b分别示出本发明另一实施例中第三电流开关单元和第四电流开关单元的电路图；
62.图10示出本发明另一实施例中第一控制单元至第四控制单元的电路图；
63.图11示出本发明实施例提供的失调模块的电路图。
具体实施方式
64.以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程没有详细叙述。另外附图不一定是按比例绘制的。
65.图2示出了矩阵型数模转换器的基本结构。参见图2，二维矩阵数模转换器在线性加权型的数模转换器的基础上增加了一个维度，控制信号由行控制信号(d4d5d6)和列控制信号(d1d2d3)形成控制信号阵列，每个单元中的电流源的电流大小是相等的，控制信号的位数为n时，其电流源和选通开关的个数为2n，其优点为精度更高，寄生效应低，适合高速应用。本技术中的数模转换模块为矩阵型数模转换器。
66.图3示出了本发明实施例的数模转换器的结构示意图。如图3所示，所述数模转换器包括第一数模转换模块110、第二数模转换模块120以及控制模块130。
67.其中，第一数模转换模块110用于根据第一控制信号和第二控制信号对基准电流进行粗调以输出粗调电流和待细调电流。
68.在本实施例中，所述第一数模转换模块包括2m个级联的第一电流开关单元，所述第一数字信号data1选中的第一电流开关单元将所述基准电流iref流向第二输出端以输出待细调电流i2，在选中的第一电流开关单元之前级联的第一电流开关单元将所述基准电流流向第一输出端以输出粗调电流i1，在选中的第一电流开关单元之后级联的第一电流开关单元关闭。
69.第二数模转换模块120与所述第一数模转换模块连接，用于根据第三控制信号和
第四控制信号对所述待细调进行细调以输出细调电流。
70.在本实施例中，所述第二数模转换模块包括2n个级联的第二电流开关单元，所述第二数字信号选中的第二电流开关单元由脉宽调制信号控制所述待细调电流的流向，以及选中的第二电流开关单元之前级联的第二电流开关单元将所述待细调电流流向第一输出端以输出细调电流，在选中的第二电流开关单元之后级联的第二电流开关单元将所述待细调电流流向第二输出端形成冗余节点。
71.控制模块130用于根据m位的第一数字信号data1产生第一控制信号s1和第二控制信号s2，以及根据n位的第二数字信号data2产生第三控制信号s3和第四控制信号s4，其中，m，n均为正整数。
72.在本实施例中，所述控制模块包括第一译码器131、多个级联的第一控制单元132、第二译码器133以及多个级联的第二控制单元134。
73.其中，第一译码器131用于对所述第一数字信号data1中的高m1位进行译码以输出多个第一行控制信号row1[1,2
m1
]，以及对所述第一数字信号中的低m2位进行译码以输出多个第一列控制信号col1[1,2
m2
]，其中，m＝m1 m2，m1和m2均为正整数。
[0074]
多个级联的第一控制单元132根据多个第一行控制信号row1[1,2
m1
]和多个第一列控制信号col1[1,2
m2
]产生多个第一控制信号s1[1,2m]和多个第二控制信号s2[1,2m]，分别控制第一数模转换模块中相应的第一电流开关单元的电流流向。
[0075]
本实施例中，所述多个第一行控制信号row1[1,2
m1
]和多个第一列控制信号col1[1,2
m2
]形成2
m1
*2
m2
矩阵，相应的第一行控制信号row1和第一列控制信号col1产生的第一控制信号和第二控制信号控制第一数模转换模块中相应的第一电流开关单元的电流流向。
[0076]
第一数字信号data1的位数以及高m1位、低m2位可以根据需求调整。本实施例以m＝5，m1＝3，m2＝2为例进行说明。
[0077]
参见图5b，当第一数字信号data1为01011时，第一译码器131输出8个行控制信号row1和4个列控制信号col1，仅010对应的行控制信号为有效电平(例如为高电平，以“1”表示)，其余对应的第一行控制信号均为无效电平(例如为高电平，以“0”表示)；以及11对应的第一列控制信号为有效电平，其余对应的第一列控制信号均为无效电平。由此可知第一数字信号选中的第一电流开关单元为第12个第一电流开关单元将所述基准电流iref流向第二输出端以输出待细调电流i2，即i2＝iref；在选中的第一电流开关单元之前的第一电流开关单元将所述基准电流iref流向第一输出端以输出粗调电流i1，即i1＝11iref。
[0078]
当第一数字信号data1为00110时，粗调电流i1＝6iref，待细调电流i2＝iref。
[0079]
参见图5a，所述第一控制单元132包括第一输入端、第二输入端、级联输入端、第一输出端、第二输出端以及级联输出端，其中，第一输入端和第二输入端分别接收相应的第一行控制信号row1和第一列控制信号col1，级联输入端接收上一级第一控制单元132输出的第一级联信号，第一输出端输出第一控制信号s1，第二输出端输出第二控制信号s2，级联输出端输出第一级联信号cs1。
[0080]
例如，首端的第一控制单元132的级联输入端为无效电平，末端的第一控制单元132的级联输出端悬空。
[0081]
第一行控制信号row1和第一列控制信号col1形成控制信号阵列，分别对应于相应的第一控制单元的输入信号和输出信号。例如，第一控制单元132的输入信号为a1_[1,j]、
b1_[1,j]、cs1_[0,j-1]，输出信号为s1_[1,j]、s2_[1,j]、cs1_[1,j-1]，a1_[1,j]为控制信号阵列中的第一行控制信号，b1_[1,j]为控制信号阵列中的第一列控制信号，例如a1_1＝0，b1_1＝0；a1_11＝1，b1_11＝1。
[0082]
参见图5a，所述第一控制单元包括第一非门not1、第二非门not2、第一或非门nor1、第二或非门nor1和第三非门not3；其中，第一非门not1的输入端接收第一行控制信号row1，输出端与第一或非门nor1的第一输入端连接；第二非门not2的输入端接收第一列控制信号col1；第一或非门nor1的第一输入端与第一非门的输出端连接，第二输入端与第二非门的输出端连接，输出端输出第一控制信号s1；第二或非门nor2的第一输入端接收第一控制信号s1，第二输入端接收上一级第一控制单元输出的第一级联信号cs1，输出端输出第二控制信号s2；第三非门not3的输入端接收第二控制信号，输出端输出第一级联信号cs1。
[0083]
第二译码器133用于对所述第二数字信号中的高n1位进行译码以输出多个第二行控制信号，以及对所述第二数字信号中的低n2位进行译码以输出多个第二列控制信号，其中，n＝n1 n2，n1和n2均为正整数。
[0084]
多个级联的第二控制单元134根据多个第二行控制信号和多个第二列控制信号以及脉宽调制信号产生多个第三控制信号和多个第四控制信号，分别控制第二数模转换模块中相应的第二电流开关单元的电流流向。
[0085]
在本实施例中，所述多个第二行控制信号row2和多个第二列控制信号col2形成2
n1
*2
n2
矩阵，相应的第二行控制信号和第二列控制信号产生的第三控制信号s3和第四控制信号s4控制第二数模转换模块中相应的第二电流开关单元的电流流向。
[0086]
第二数字信号data2的位数n以及高n1位、低n2位可以根据需求调整。本实施例以n＝4，n1＝2，n2＝2为例进行说明。
[0087]
参见图7，当第二数字信号data2为0110时，第二译码器133输出4个行控制信号row2和4个列控制信号col2，仅01对应的第二行控制信号row2为有效电平(例如为高电平，以“1”表示)，其余对应的第二行控制信号row2均为无效电平(例如为高电平，以“0”表示)；以及11对应的第二列控制信号col2为有效电平，其余对应的第二列控制信号col2均为无效电平。由此可知第二数字信号选中的第二电流开关单元为第7个第二电流开关单元，其根据脉宽调制信号pwm将所述待细调电流i2流向第一输出端或第二输出端；在选中的第二电流开关单元之前的第二电流开关单元将所述待细调电流i2流向第一输出端以输出细调电流i4，其余第二电流开关单元将所述待细调电流i2流向第二输出端以形成冗余节点rest。其中，从第一数模转换模块输出的待细调电流i2流向多个第二电流开关单元，每个第二电流开关单元中的电流i3＝i2/2n＝i2/16。一般情况下，脉宽调制信号pwm常置为有效电平，占空比为100％，那么第二数模转换模块输出的细调电流i4＝7i3＝7iref/16。当第二数字信号data2为0101时，细调电流i4＝6i3＝6iref/16。
[0088]
如果精度仍然达不到要求，可以通过修改脉宽调制信号pwm的占空比d来提高精度，例如此时的占空比d＝20％，则最小分辨率可变为1/16
×
20％
×iref
＝0.0125
×iref
。此时的输出电流i
dac
不再是一个静态电流，而是变为在一定周期内的平均值，控制也会变得更加复杂，在一般应用场景下，pwm信号接高电平即可。
[0089]
参见图6，所述第二控制单元134包括第一输入端、第二输入端、级联输入端、第一输出端、第二输出端以及级联输出端，其中，第一输入端和第二输入端分别接收相应的第二
行控制信号row2和第二列控制信号col2，级联输入端接收上一级第二控制单元输出的第二级联信号cs3，第一输出端输出第三控制信号s3，第二输出端输出第四控制信号s4，级联输出端输出第二级联信号cs3。首端的第二控制单元134的级联输入端为无效电平，末端的第二控制单元134的级联输出端悬空。
[0090]
第二行控制信号row2和第二列控制信号col2形成控制信号阵列，分别对应于相应的第二控制单元134的输入信号和输出信号。例如，第二控制单元134的输入信号为a2_[1,j]、b2_[1,j]、cs2_[0,j-1]，输出信号为s3_[1,j]、s4_[1,j]、cs2_[1,j]，a2[1,j]为控制信号阵列中的第二行控制信号，b2[1,j]为控制信号阵列中的第二列控制信号，例如a2_1＝0，b2_1＝0；a1_7＝1，b1_7＝1。
[0091]
参见图6，所述第二控制单元134包括第四非门not4、第五非门not5、第三或非门nor3、第四或非门nor4、选择器mux、第六非门not6、第七非门not7和第八非门not8。其中，第四非门not4的输入端接收第二行控制信号row2；第五非门not5的输入端接收第二列控制信号col2；第四或非门nor4的第一输入端与第四非门not4的输出端连接，第二输入端与第五非门not5的输出端连接，输出端输出选择信号sel；第五或非门nor5的第一输入端与第四或非门nor4的输出端连接，第二输入端接收上一级第二控制单元输出的第二级联信号cs2；选择器mux的第一输入端与第五或非门nor5的输出端连接，第二输入端接收脉宽调制信号pwm，选择端与第四或非门nor4的输出端连接，接收选择信号sel；第六非门not6的输入端与选择器的输出端连接，输出端输出第三控制信号s3；第七非门not7的输入端与第六非门的输出端连接，输出端输出第四控制信号s4；第八非门not8的输入端与第五或非门的输出端连接，输出端输出第二级联信号cs2。
[0092]
输出端，与所述第一数模转换模块110的第一输出端和所述第二数模转换模块120的第一输出端连接，将所述粗调电流i1和所述细调电流i4输出。输出端的输出电流idac＝i1 i4。
[0093]
所述数模转换模块还包括第一偏置模块140和第二偏置模块150。其中，第一偏置模块140，用于根据基准电流iref产生第一偏置电压vb1。第二偏置模块150与所述第一数模转换模块110的第二输出端连接，根据所述待细调电流i2和所述基准电流iref产生第二偏置电压vb2。
[0094]
具体地，所述第一偏置模块140包括第一晶体管m1至第三晶体管m3以及第一参考电流源iref1和第二参考电流源iref2，第一参考电流源iref1和第二参考电流源iref2的大小相同，均输出基准电流iref。
[0095]
其中，第一参考电流源iref1和第一晶体管m1串联连接在电源电压vdd和接地端gnd之间；第二参考电流源iref1、第二晶体管m2和第三晶体管m3串联连接在电源电压vdd和接地端gnd之间；第一晶体管m1的控制端与第二晶体管m2的控制端连接，并且与第一晶体管m1的漏端连接；第三晶体管m3的控制端与第二晶体管m2的漏端连接，并输出第一偏置电压vb1。
[0096]
参见图4a，每个所述第一电流开关单元包括第一电流源单元、第一输出端1、第二输出端2、第四晶体管m4以及第五晶体管m5，其中，第一电流源单元根据所述第一偏置电压vb1输出所述基准电流iref；第一输出端1与数模转换器的输出端连接；第二输出端2与第二数模转换模块120连接；第四晶体管m4连接在第一电流源单元和第一输出端之间，其控制端
接收第一控制信号s1；第五晶体管m5连接在第一电流源单元和第二输出端之间，其控制端接收第二控制信号s2。所述第一电流源单元包括第六晶体管m6，其控制端接收第一偏置电压vb1，其源端接地，其漏端与第四晶体管m4以及第五晶体管m5的源端连接。
[0097]
参见图4b，所述第二电流开关单元包括第二电流源单元、第一输出端1、第二输出端2、第一传输门t1和第二传输门t2，其中，第二电流源单元根据所述第二偏置电压vb2输出中间细调电流i3，其中，所述中间细调电流i3为所述待细调电流i2的1/2n，即i3＝i2/2n。第一输出端，与数模转换器的输出端连接；第二输出端，与第二控制单元中的各个第二电流开关单元对应的第二输出端连接；第一传输门t1连接在第二电流源单元和第一输出端1之间，其负控制端接收第三控制信号s3，其正控制端接收第四控制信号s4；第二传输门t2连接在第二电流源单元和第二输出端之间，其负控制端接收第四控制信号s4，其正控制端接收第三控制信号s3。所述第二电流源单元包括第七晶体管m7，其控制端接收第二偏置电压vb2，其源端接收中间细调电流，其漏端与第一传输门t1和第二传输门t2的输入端连接。
[0098]
所述第一数模转换模块110还包括第一运算放大器op1和第八晶体管m8，其中，第一运算放大器op1的第一输入端接收基准电流iref，第二输入端接收粗调电流i1，输出端与第八晶体管m8的控制端连接；第八晶体管m8的源端与第一运算放大器op1的第二输入端连接，漏端输出粗调电流i1。
[0099]
具体地，所述第二偏置模块150包括第二运算放大器op1，其中，第二运算放大器op2的第一输入端接收基准电流iref，第二输入端接收所述待细调电流i2并且与多个第二电流源单元中的多个第七晶体管m7的源端连接，输出端与第七晶体管m7的控制端连接。本实施例中的第一晶体管m1至第八晶体管m8均为nmos管。
[0100]
本发明实施例提供的数模转换器，采用第一数模转换模块对基准电流进行粗调以输出粗调电流和待细调电流，采用第二数模转换模块对所述待细调进行细调以输出细调电流，可以实现高精度的电流步进。
[0101]
进一步地，第一数模转换模块和第二数模转换模块均为矩阵型的数模转换模块，即分别将数字信号中的高位和低位进行译码产生多个行控制信号和多个列控制信号，以优化控制信号的数量，即用最少的控制信号控制尽可能多的电流开关单元，减少寄生效应，适用于中高速数模转换器。
[0102]
进一步地，每个数模转换模块中的行控制信号和列控制信号的控制阵列可以根据需要进行增减，提高设计的灵活性。
[0103]
进一步地，在第二数模转换模块中采用脉宽调制信号控制被选中的第二电流开关单元的流向，可以通过改变脉宽调制信号的占空比来提高数模转换器的精度。
[0104]
图8示出本发明另一实施例的数模转换器的结构示意图。与上述实施例相比，本实施例中新增加了与第一数模转换模块210以及第二数模转换模块220对称设置的第三数模转换模块260和第四数模转换模块270。
[0105]
第三数模转换模块260和第一数模转换模块210的结构相同，区别在于第三数模转换模块260采用pmos管，第一数模转换模块210采用nmos管。第四数模转换模块270和第二数模转换模块220的结构相同，区别在于第四数模转换模块270采用pmos管，第二数模转换模块220采用nmos管。
[0106]
相应地，第一偏置模块240还用于根据基准电流iref以及基准电压vref产生第三
偏置电压vb3。
[0107]
在本实施例中，所述第一偏置模块240包括第一晶体管m1至第三晶体管m3、第九晶体管m9至第十三晶体管m13、第一电阻r1、第一参考电流源iref1、第二参考电流源iref2和参考电压源vref。其中，第一晶体管m1连接在第一参考电流源iref1和接地端之间；第十一晶体管m11、第十晶体管m10、第二晶体管m2和第三晶体管m3串联连接在电源电压vdd和接地端之间；第十二晶体管m12、第十三晶体管m13和参考电压源vref串联连接在电源电压vdd和接地端之间；第一电阻r1、第九晶体管m9和第二参考电流源iref2串联连接在电源电压vdd和接地端之间；第一晶体管m1的控制端与第二晶体管m2的控制端连接，并且与第一晶体管m1的漏端连接；第三晶体管m3的控制端与第二晶体管m2的漏端连接，并输出第一偏置电压vb1；第九晶体管m9、第十晶体管m10以及第十三晶体管m13的控制端连接，并且与第九晶体管m9的漏端连接；第十一晶体管m11和第十二晶体管m12的控制端连接，并且与第十三晶体管m13的漏端连接，并且输出第三偏置电压vb3。
[0108]
第三数模转换模块260与所述第一偏置模块240连接，用于根据第五控制信号s5和第六控制信号s6对所述基准电流iref进行粗调以输出粗调电流i1和待细调电流i2。
[0109]
第四数模转换模块270与所述第三数模转换模块260连接，用于根据第七控制信号s7和第八控制信号s8对所述待细调电流进行细调以输出细调电流i4。
[0110]
其中，所述第三数模转换模块260包括2m个级联的第三电流开关单元，所述第一数字信号选中的第三电流开关单元将所述基准电流流向第二输出端以输出待细调电流，在选中的第三电流开关单元之前级联的第三电流开关单元将所述基准电流流向第一输出端以输出粗调电流，在选中的第三电流开关单元之后级联的第三电流开关单元关闭。
[0111]
所述第四数模转换模块包括2n个级联的第四电流开关单元，所述第二数字信号选中的第四电流开关单元由脉宽调制信号控制所述待细调电流的流向，以及选中的第四电流开关单元之前级联的第四电流开关单元将所述待细调电流流向第一输出端以输出细调电流，在选中的第四电流开关单元之后级联的第四电流开关单元将所述待细调电流流向第二输出端形成冗余节点。
[0112]
参见图9a，每个所述第三电流开关单元包括第三电流源单元、第一输出端、第二输出端以及第十四晶体管m14和第十五晶体管m15；其中，第三电流源单元，根据所述第三偏置电压vb3输出所述基准电流iref；第一输出端，与数模转换器的输出端连接；第二输出端，与第四数模转换模块连接；第十四晶体管m14连接在第三电流源单元和第一输出端之间，其控制端接收第五控制信号s5；第十五晶体管m15连接在第三电流源单元和第二输出端之间，其控制端接收第六控制信号s6。第三电流源单元包括第十六晶体管m16，其控制端接收第三偏置电压vb3，其源端接地，其漏端与第十四晶体管m14以及第十五晶体管m15的源端连接。
[0113]
参见图9b，所述第四电流开关单元包括第四电流源单元、第一输出端、第二输出端以及第三传输门t3和第四传输门t4。其中，第四电流源单元根据所述第四偏置电压vb4输出中间细调电流i3，其中，所述中间细调电流为所述待细调电流的1/2n；第一输出端，与数模转换器的输出端连接；第二输出端；第三传输门t3连接在第二电流源单元和第一输出端之间，其负控制端接收第七控制信号s7，其正控制端接收第八控制信号s8；第四传输门t4连接在第二电流源单元和第二输出端之间，其负控制端接收第八控制信号s8，其正控制端接收第七控制信号s7。所述第四电流源单元包括第十七晶体管m17，其控制端接收第四偏置电压
vb4，其源端接收中间细调电流i3，其漏端与第三传输门t3和第四传输门t4的输入端连接。
[0114]
所述第三数模转换模块还包括第三运算放大器op3和第十八晶体管m18，其中，第三运算放大器op3的第一输入端接收基准电流iref，第二输入端接收粗调电流i1，输出端与第十八晶体管m18的控制端连接；第十八晶体管m18的源端与第三运算放大器op3的第二输入端连接，漏端输出粗调电流i1。
[0115]
所述第二偏置模块250包括第二运算放大器op1和第四运算放大器op4，其中，其中，第二运算放大器op2的第一输入端接收基准电流iref，第二输入端接收所述待细调电流i2并且与多个第二电流源单元中的多个第七晶体管m7的源端连接，输出端与第七晶体管m7的控制端连接；第四运算放大器op4的第一输入端接收基准电流iref，第二输入端接收所述待细调电流i2并且与多个第四电流源单元中的多个第十七晶体管m17的源端连接，输出端与第十七晶体管m17的控制端连接。本实施例中的第一晶体管m1至第八晶体管m8均为nmos管，第九晶体管m9至第十三晶体管m13以及第十六晶体管m16至第十八晶体管m18为pmos管。
[0116]
参见图10，所述控制模块230包括多个级联的第一控制单元、多个级联的第二控制单元、多个级联的第三控制单元以及多个级联的第四控制单元。第三控制单元和第一控制单元的结构相同，区别在于，两者的使能端接收相反电平的使能信号，例如，第一控制单元的使能输入端接收使能信号en，第三控制单元的使能输入端接收非使能信号。同样地，第四控制单元和第二控制单元的结构相同，区别在于，两者的使能端接收相反电平的使能信号，例如，第二控制单元的使能输入端接收使能信号en，第四控制单元的使能输入端接收非使能信号。当使能信号en为有效电平时，第一控制单元和第二控制单元工作，从而使第一数模转换模块210和第二数模转换模块220工作，此时第三数模转换模块260和第四数模转换模块270关闭不工作；当使能信号en为无效电平时，第三控制单元和第四控制单元工作，从而第三数模转换模块260和第四数模转换模块270工作，此时第一数模转换模块210和第二数模转换模块220关闭不工作。
[0117]
在本实施例中，所述第一晶体管m1至所述第八晶体管为nmos管，第九至第十八晶体管为pmos管。
[0118]
在一个优选地实施例中，在数模转换器的输出端和冗余节点rest之间设置失调模块280，用于消除数模转换器中运算放大器的失调电压。
[0119]
参见图11，所述失调模块280包括第五运算放大器op5、第六运算放大器op6以及第一开关k1至第四开关k4，其中，所述第五运算放大器op5的第一输入端与所述数模转换器的输出端连接，以及经由第一开关k1与第六运算放大器的第一输入端连接；所述第五运算放大器op5的第二输入端与冗余节点rest连接，以及经由第二开关k2与第六运算放大器op6的第二输入端连接；所述第五运算放大器op5的输出端经由第三开关k3与第六运算放大器op6的第一输入端连接，经由第四开关k4与第六运算放大器op6的第二输入端连接；所述第六运算放大器op6的输出端与冗余节点连接。
[0120]
当第一开关k1和第二开关k2闭合，第三开关k3和第四开关k4断开时，数模转换器的输出端和冗余节点rest通过第六运算放大器op6构成的缓冲器结构，将冗余节点rest的电压与数模转换器的输出端的电压钳位；当第一开关k1和第二开关k2断开，第三开关k3和第四开关k4闭合时，第六运算放大器op6的输入端被短接，消除失调电压，同时第五运算放大器op5的输入分别接数模转换器的输出端和冗余节点rest，第五运算放大器op5的输出此
时用于确定共模电平。
[0121]
本发明实施例采用对称型的数模转换结构，即第一数模转换模块和第三数模转换模块对称，第二数模转换模块和第四数模转换模块对称，即第一数模转换模块和第二数模转换模块采用nmos管，第三数模转换模块和第四数模转换模块采用pmos管，根据使能信号来控制对称结构中的一侧工作，既可以实现电流的上拉，也可以实现电流的下拉。
[0122]
进一步地，在数模转换器的输出端和冗余节点之间设置失调电路，可以消除数模转换器中运算放大器的失调电压对输出电流的影响。
[0123]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。