电流舵型数模转换器高位电流源单元开关解码电路及方法技术

本发明专利技术属于电流舵型数模转换器领域，具体涉及一种电流舵型数模转换器高位电流源单元开关解码电路，设置在电流舵型数模转换器的高位电流源单元组成的矩阵上，包括随机列解码电路和随机行解码电路，能够根据电流舵型数模转换器DAC输入码的高电位bit信号产生随机列解码信号和随机行解码信号，使得所述矩阵中与所述随机列解码信号、随机行解码信号相对应的高位电流源单元打开；每次根据所述DAC输入码的高电位bit信号产生的所述随机列解码信号、随机行解码信号均不相同，打开的所述高位电流源单元也不相同，从而提高所述电流舵型数模转换器的无杂散动态范围SFDR的性能，所述无杂散动态范围SFDR是指输入信号能量和最大失真能量的差值。

【技术实现步骤摘要】
电流舵型数模转换器高位电流源单元开关解码电路及方法
本专利技术属于电流舵型数模转换器(CurrentsteeringDAC)领域，具体涉及一种电流舵型数模转换器高位电流源单元开关解码电路及方法。
技术介绍
高速高精度电流舵型数模转换器(数模转换器简称DAC)，由于其在工艺要求、芯片面积、功耗和速度方面的巨大优势，近年来取得了较快的发展。以标准深亚微米CMOS工艺为基础，目前精度覆盖8～16位，速度高达1GHz，以该结构为基础的单一转换器芯片或作为IP集成于SOC芯片在通信、工业、医疗成像和国防领域都得到广泛的应用。在高速时钟速率，高频输入信号的应用中，SFDR这个动态指标异常的重要。传统的固定开关顺序由于会引入电流源单元匹配误差带来的谐波，该方法已经不能满足要求了。经典的电流舵型数模转换器系统如图1至图3所示(为了简化绘图和说明,以12bit单端电流输出数模转换器为例子，实际应用中会出现8～16位及差分电流输出的情况，但基本原理一致)，图1是一种最简单的实现方式,用2进制的方法控制电流源单元。D11～D0是输入的12位数字信号，D0为最低位，D11为最高位，用这些数字输入的高低电平控制12个电流源单元I0～I11的电流输出与否。高电平闭合电流源单元下面的开关，使其电流流向输出口，反之低电平使电流源单元下面的开关断开，电流不流向输出口。I0的电流为最小的电流I(1个LSB),I1的电流为2I,I2的电流为22I,以此类推,I11的电流为211I。这些电流源单元的电流输出之和为数模转换器总的输出电流IOUT，输出电流流过电阻R，转换成电压，比如通讯上常用的50Ω，视频上常用的75Ω。然而这种简单的实现方式，使静态性能的一个重要指标-微分非线性误差(DNL)非常的差，在高精度应用中不能接受。尤其是DAC输入码从011111111111，变为100000000000时，D11控制的211I打开(电流源单元打开,即电流源单元的电流流向输出端,下同)，D10～D0控制的1023I关闭，也就是说有1023个基本电流源I输出发生了改变，这些电流源的匹配误差被最大化，导致DNL很差。图2是另一种实现方式，用温度计码(thermometercode)控制所有电流源单元。D11～D0经过解码控制SW0～SW4094共4095个开关来控制212-1个电流值均为I的电流源单元。输入码增大1，就多打开一个基本电流源I。当DAC输入码从011111111111，变为100000000000时，已打开的电流源不变，只是多增加打开一个电流源单元，这种方法可以使数模转换器有很好的DNL。但是电流源个数太多，当精度越高,则电流源单元个数越多，解码，连线会很复杂，占用大量芯片面积。解码的复杂性导致工作的速率降低。在实际的产品实现中会是图1和图2方案的一种折中方案，高N位用温度计码控制,低M位用2进制码控制。如图3中的12bitDAC所示，低6位B0～B5控制6个二进制电流源单元I0～I5，电流大小分别为I，2I，4I，8I，16I，32I。高6位B11～B6控制26-1个相同的电流源单元IMSB，电流大小相等，均为64I。这样一共有6+63＝69个电流源单元。高6bit控制的26-1个相同的电流源单元在实际芯片物理版图中为了实现很好的匹配，会集中摆放在一起，组成矩阵摆放是最好的选择。如图4，摆成8X8的矩阵，这种摆法使电流源单元之间最紧凑，占用的面积最小，故而匹配也最好。D11～D9经过列解码控制列信号，D8～D6经过行解码控制行信号。这26-1个的电流源单元由其所在行，列的控制信号经过特定逻辑来控制打开与否。但这26-1个相同的电流源单元由于匹配的需求并不是简单的按照一行行或一列列依次打开，而是有特定的打开顺序。如图5中从左往右数，物理列的第五列是被打开的第1列，物理列的第四列是被打开的第2列…，从上往下数，物理行的第四行是被打开的第1行，物理行的第五行是被打开的第2行…。先选择第1列，对应行的电流源单元按开关顺序打开，第1列的所有行打开后，再按开关顺序选择另2列，对应行的电流源单元按开关顺序打开…。D11～D6输入码从000001增大到111111依次打开63个电流源单元的顺序如图5，具体解码逻辑的设计可参考文献[1]。从上面描述中可以看到，在目前高速高精度电流舵型数模转换器的实现中，低M位用二进制控制M个电流源单元，电流从I到2MI，高N位用温度计码控制，即经过行列解码控制2N-1个相同的电流源单元，电流大小相等均为2M+1I。决定数模转换器性能的是高N位控制的2N-1个相同的电流源单元。在实际的物理实现中，电流源单元间不是完美的完全相同，由于这些不完美造成了电流源单元间的电流大小不一致,彼此间有匹配误差。而现在开关解码顺序一个重要的特点是每个码对应选择的电流源单元被固定了。比如在图5，若D11～D6＝101110，编号1～46的电流源单元被选中。由于每个码对应选择的电流源单元是确定的，匹配误差是固定的，有规律的，所以DAC输出的谐波就会出现，动态性能SFDR就会不好，信号频率越高会越差，如图6。随着高速高精度应用的迅速发展，电流舵型数模转换器的速度精度也在不断提高，目前最高已经出现精度高达16bit,1GHz转换速率的转换器。对高频信号的SFDR指标要求也越来越高，比如通信。现在通用的开关解码方式是高N位用温度计码控制2N-1个相同的电流源单元，低M位用二进制码控制。为了减小高2N-1个电流源单元的匹配误差，往往会把这些电流源单元在物理实现上集中放在一起，形成一个矩形的阵列。现在通用的解码方法是使用特定的电流源单元开关顺序来最大限度的消除匹配误差。以图5中为例介绍目前最常用的开关顺序。在高速DAC的应用中，为了使输入的高频信号性能好，就必须要求每个电流源单元的寄生电容小。而为了使电流源单元的寄生电容小，就只能让电流源单元的面积小。然而电流源单元面积小后，彼此间的匹配误差就会大。当电流源单元矩阵的开关顺序被固定后，每个DAC的输入码对应的电流源单元选取就固定了，其对应电流源单元带来的匹配误差就确定了。而这种确定的电流源单元带来的匹配误差将会使输出的DAC信号引入谐波。从而使SFDR这个异常重要的动态性能指标很差，如图6。目前为了解决电流源单元面积减小而带来匹配差，进而影响SFDR性能的矛盾，一般会采用以下两种方法：1).使用更加复杂的电流源单元排列方法，更复杂的电流源单元开关顺序减小匹配误差如Q2walk方法。由此带来的弊端是，更复杂的解码逻辑，更长的解码路径，更大的寄生电容，更复杂的连线，这些都将降低电流舵型数模转换器的最大工作速率，而无法满足高速应用。2).使用静态校正的办法，引入特殊工艺，如熔丝(fuse)工艺，在芯片生产后对每颗芯片的每个DAC编码进行测试，根据测试结果来熔断熔丝，调整电流源单元的电流值，尽量减小匹配误差。但是这种方法，使工艺复杂，测试过程复杂繁琐，很耗测试时间，增加很大的测试成本。文献[1]T.Miki,Y.Nakamura,M.Nakaya,S.Asai,Y.Akasaka,andY.Horiba,“An80-MHz8-bitCMOSD/Aconverter,”IEEEJ.Solid-Stat本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电流舵型数模转换器高位电流源单元开关解码电路，设置在电流舵型数模转换器的高位电流源单元组成的矩阵上，其特征是：包括随机列解码电路和随机行解码电路，能够根据电流舵型数模转换器的DAC输入码的高电位bit信号产生随机列解码信号和随机行解码信号，使得所述矩阵中与所述随机列解码信号、随机行解码信号相对应的高位电流源单元打开；每次根据所述DAC输入码的高电位bit信号产生的所述随机列解码信号、随机行解码信号均不相同，打开的所述高位电流源单元也不相同，从而提高所述电流舵型数模转换器的无杂散动态范围SFDR的性能，所述无杂散动态范围SFDR是指输入信号能量和最大失真能量的差值。

【技术特征摘要】
1.一种电流舵型数模转换器高位电流源单元开关解码电路，设置在电流舵型数模转换器的高位电流源单元组成的矩阵上，其特征是：包括随机列解码电路和随机行解码电路，能够根据电流舵型数模转换器的DAC输入码的高电位bit信号产生随机列解码信号和随机行解码信号，使得所述矩阵中与所述随机列解码信号、随机行解码信号相对应的高位电流源单元打开；每次根据所述DAC输入码的高电位bit信号产生的所述随机列解码信号、随机行解码信号均不相同，打开的所述高位电流源单元也不相同，从而提高所述电流舵型数模转换器的无杂散动态范围SFDR的性能，所述无杂散动态范围SFDR是指输入信号能量和最大失真能量的差值。2.如权利要求1所述的电流舵型数模转换器高位电流源单元开关解码电路，其特征是：所述矩阵为2n1×2n2矩阵，所述n1≥3，所述n2≥3；所述DAC输入码的高电位bit信号包括输入到所述随机列解码电路中的最高位n1bit信号和输入到所述随机行解码电路中的次高位n2bit信号，所述n1≥3，所述n2≥3；所述高电位bit信号为n位，所述n＝n1+n2；所述高电位bit信号采用温度计码控制，所述电流舵型数模转换器的所述DAC输入码的低电位bit信号采用2进制码控制。3.如权利要求2所述的电流舵型数模转换器高位电流源单元开关解码电路，其特征是：所述随机列解码电路包括第一PRNG电路,若干个MUX选择器和若干个与门电路；所述随机列解码电路接受所述最高位n1bit信号，并根据所述最高位n1bit信号产生并输出所述随机列解码信号，所述随机列解码信号为2n1个COL_SEL信号和2n1个COL信号；每个所述COL_SEL信号、COL信号对应所述矩阵中的一个列；所述n1≥3；当所述COL信号为高电平时，对应的所述列中的高位电流源单元全部打开；当所述COL_SEL信号为高电平时，对应的所述列中的高位电流源单元能够根据所述随机行解码电路产生的所述随机行解码信号被打开；全部所述COL_SEL信号中只有一个是高电平，该高电平的所述COL_SEL信号对应的列与高电平的所述COL信号对应的列不相同。4.如权利要求3所述的电流舵型数模转换器高位电流源单元开关解码电路，其特征是：所述随机行解码电路包括第二PRNG电路,若干个MUX选择器；所述随机行解码电路接受所述次高位n2bit信号，并根据所述次高位n2bit信号产生并输出所述随机行解码信号，所述随机行解码信号为2n2个ROW信号；每个所述ROW信号对应所述矩阵中的一个行；所述n2≥3...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴明远，
申请(专利权)人：灿芯创智微电子技术北京有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11