高速高分辨率数模转换器制造技术

本公开涉及与数模转换器(DAC)相关的系统和方法，并且特别地，涉及可以在源测量单元(SMU)中使用的具有高分辨率的以高速操作的数模转换器。数模转换器，包括接收数字信号的输入端；第一比较器，被配置为接收数字信号并且基于数字信号和第一阈值输出第一信号；第二比较器，被配置为接收数字信号并且基于数字信号和第二阈值输出第二信号，第二阈值不同于第一阈值；以及积分器，被配置为接收第一信号和第二信号，并且将第一信号和第二信号积分成表示数字信号的模拟信号。

【技术实现步骤摘要】
高速高分辨率数模转换器
本公开涉及与数模转换器(DAC)相关的系统和方法，并且特别地，涉及可以在源测量单元(SMU)中使用的具有高分辨率的以高速操作的数模转换器。
技术介绍
常规的DAC通常提供具有较慢的速度和/或延时的高分辨率或者较低分辨率之间的折衷，它们需要不切实际的数据速率或者生成太多宽带噪声而无法用于创建例如源测量单元输出信号。此外，这两个类型的常规DAC中的每一个都相对昂贵，当在SMU中使用这些常规DAC时，会导致较高的制造成本。本公开的实施例解决了现有技术的这些和其他缺陷。附图说明参考随附附图，从以下对实施例的描述中，本公开的实施例的方面、特征和优点将变得显而易见，其中：图1是根据本公开的一些实施例的DAC的示例图；图2是根据本公开的其他实施例的DAC的示例图；图3是根据本公开的其他实施例的DAC的示例图；图4是包括图1至图3的DAC中的一个的源测量单元的示例框图。
技术实现思路
本文公开了一种高分辨率、高速DAC，其包括多个并行增益级，所述多个并行增益级的输出通过积分器级组合成模拟信号。在一些实施例中，仅使用单个积分器级将输出组合成模拟信号。本公开的实施例允许更高的更新速率，例如用于数模转换的等于或者大于150兆个样本每秒(Msps)。本公开的DAC的实施例还允许在诸如源测量单元的一些测试和测量设备中，在诸如脉冲、受控的压摆率的领域中具有更好的性能，以及随具体应用领域而变化的更灵活的行为。图1图示了根据本公开的一些实施例的DAC100的示例实施例。DAC100包括在第一到第N增益级104处接收数字信号102的输入端，其中N是大于1的值。每个增益级104包括比较器106和电阻器108。每个比较器106将数字值与唯一的阈值进行比较。也就是说，在每个比较器106处接收的阈值是不同的。此外，每个电阻器108的电阻不同。积分器级110从增益级104中的每一个接收输出。所述积分器级将增益级104的多个输出求和并且滤波成单个模拟输出信号118。积分器级110可以包括积分器，例如运算放大器积分器，其包括运算放大器114和具有电容器116的反馈回路。DAC100的模拟输出118响应于来自增益级104中的每一个的积分器级110的输入电压随时间的改变，使得积分器级110的模拟输出118与输入电压的积分成比例。也就是说，当发生负反馈时，在通过反馈回路中的电容器116的电流对电容器116充电或者放电时，输出信号的幅度由电压在积分器级110的输入处存在的时间长度决定。如在上面提到的，每个比较器106都具有不同的阈值输入。比较器106接收整个数字信号102，并且当数字信号102大于相应的阈值时，相应的比较器106输出正值。当数字信号小于第二阈值时——该第二阈值可以是第一阈值的负值(即，与第一阈值大小相等但是符号相反)，比较器106输出负值。当数字信号在阈值和第二阈值之间时，比较器106输出零值。如在上面描述的，然后在积分器级110中将各个增益级的输出中的每一个相加在一起，并且作为模拟输出118输出。针对每个增益级104的阈值可以不同。在一些实施例中，比较器106可以在与第一阈值相比较时输出正值，并且在与第二阈值相比较时输出负值。在该实施例中，第二阈值小于第一阈值。然而，与上面不同，第一阈值和第二阈值可以不对称。与上面类似，当数字值在第一阈值和第二阈值之间时，比较器106输出零值。并且，还与上面类似的是，针对每个增益级104的第一阈值和第二阈值可以不同。图2图示了DAC200的实施例的另一个示例。在该示例中，DAC200的结构类似于DAC100的结构，并且因此，相同的组件被赋予相同的附图标记，并且将不再附加地关于该实施例进行详细讨论。在图2的实施例中，增益级104被十进制加权，这可以提供比较器106的数量相对于信号延时和信号电平之间平衡。例如，在十进制加权的增益级104中，每个阈值是前一增益级阈值的十分之一。因此，第二增益级104中的第二比较器106的阈值是第一比较器阈值的十分之一，并且第N增益级104中的第N比较器106的阈值是第一阈值的10^(-N)倍。每个增益级中的相应电阻器108也被十进制加权。第二增益级108中的第二电阻器108具有是第一增益级108中的电阻器108的十倍的电阻。第N增益级108中的第N电阻器108具有是第一电阻器108的电阻的10^N倍的电阻。DAC200可以提供高分辨率。例如，对于具有五个双极增益级104的DAC200，原本的采样率分辨率仅仅是(2*2^5=64)个可能的状态。然而，DAC200的每个时钟周期可以从先前到达的状态到达64个更多的状态，这意味着在3个周期之后有64*64*64=2^18个可能的状态(等同于18位DAC)。DAC200在3个周期之后的跨度仅为+/-33333(略好于16位DAC)；但是在9个周期之后，有可能达到几乎等同于18位DAC的跨度(2*10^5-2=199998相对于2^18=262144的跨度)。以高采样率(诸如150MHz或者更高)操作DAC200，允许几乎等同于18位、15Msps的DAC的性能。由于在这些水平处的系统中已经存在的噪声的抖动效应，将模拟输出118平均到小于原本的采样率可以导致可能的分辨率的进一步提高。这允许DAC200以诸如150MHz或者更高的高采样率操作，同时当在更长的时间段内进行平均时，生成具有更高分辨率水平的信号。图3图示了DAC300的另一个示例实施例。在该示例中，DAC300的结构类似于DAC100的结构，并且因此，相同的组件被赋予相同的附图标记，并且将不再附加地关于该实施例进行详细讨论。在图3中图示的实施例中，一些比较器106可以利用不同的数字信号驱动。也就是说，可以在比较器106之前提供一个或多个滤波器302。一个或多个滤波器302可以包括例如用于减小噪声的移动平均滤波器、用于减小带宽的低通滤波器、用于减少开关转变的下采样滤波器或者上述中的任何的组合。尽管图3图示了在每个比较器106之前的滤波器302，但是本领域普通技术人员应当认识到，可以仅对到比较器106的输入中的一些进行滤波。例如，在一些实施例中，可以仅在针对较慢和/或最低有效位的增益级104的前面提供滤波器302，以提高精度并且降低输出噪声。此外，图3的增益级104可以包括关于图2描述的十进制加权增益级104。也就是说，图3的滤波器302可以与图2中所示出的实施例进行组合。取决于信号转换，DAC100、DAC200和DAC300每个都提供低的输出噪声。具有高过采样比率的常规DAC通过使用高阶滤波来移除由于输入量化噪声而引起的纹波，从而实现低噪声。然而，对于由本公开的实施例生成的小信号，只有最低有效位增益级104（即第N增益级）将是有效的，这意味着第N增益级上的滤波器302可以确保噪声与预期的信号偏差相比更小。使用图3的实施例作为示例，利用五个十进制加权增益级104，在输入编码的10个周期之后，可达到的输出信号跨度为22220，并且本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数模转换器，包括：/n接收数字信号的输入端；/n第一比较器，被配置为接收数字信号并且基于所述数字信号和第一阈值输出第一信号；/n第二比较器，被配置为接收数字信号并且基于所述数字信号和第二阈值输出第二信号，所述第二阈值不同于所述第一阈值；/n积分器，被配置为接收所述第一信号和所述第二信号，并且将所述第一信号和所述第二信号积分成表示数字信号的模拟信号；/n耦合在所述第一比较器和所述积分器的输入端之间的第一电阻器；以及/n耦合在所述第二比较器和所述积分器的输入端之间的第二电阻器。/n

【技术特征摘要】
20181227 US 16/2344451.一种数模转换器，包括：
接收数字信号的输入端；
第一比较器，被配置为接收数字信号并且基于所述数字信号和第一阈值输出第一信号；
第二比较器，被配置为接收数字信号并且基于所述数字信号和第二阈值输出第二信号，所述第二阈值不同于所述第一阈值；
积分器，被配置为接收所述第一信号和所述第二信号，并且将所述第一信号和所述第二信号积分成表示数字信号的模拟信号；
耦合在所述第一比较器和所述积分器的输入端之间的第一电阻器；以及
耦合在所述第二比较器和所述积分器的输入端之间的第二电阻器。


2.根据权利要求1所述的数模转换器，其中第二阈值是第一阈值的十分之一。


3.根据权利要求1所述的数模转换器，其中第二电阻器的电阻是第一电阻器的电阻的十倍。


4.根据权利要求1所述的数模转换器，其中第一比较器进一步被配置为基于第三阈值输出第一信号，其中当数字信号大于第一阈值时，所述第一信号是正信号，当所述数字信号小于所述第三阈值时，所述第一信号是负信号，并且当所述数字信号在所述第一阈值和所述第三阈值之间时，所述第一信号是零值。


5.根据权利要求4所述的数模转换器，其中第二比较器进一步被配置为基于第四阈值输出第二信号，其中当数字信号大于所述第二阈值时，所述第二信号是正信号，当所述数字信号小于所述第四阈值时，所述第二信号是负信号，并且当所述数字信号在所述第二阈值和所述第四阈值之间时，所述第二信号是零值。


6.根据权利要求1所述的数模转换器，进一步包括滤波器，所述滤波器被配置为接收数字信号并且输出经滤波的数字信号，其中第二比较器被配置为接收所述经滤波的数字信号。


7.根据权利要求1所述的数模转换器，其中积分器是单个积分器。


8.一种源测量单元，包括：
用于生成数字信号的处理器；
数模转换器，被配置为接收所述数字信号并且输出模拟信号，所述数模转换器包括：
第一比较器，被配置为接收所述数字信号并且基于所述数字信号和第一阈值输出第一信号，
第二比较器，被配置为接收所述数字信号并且基于所述数字信号和第二阈值输出第二信号，所述第二阈值不同于所述第一阈值，
积分器，被配置为接收所述第一信号和所述第二信号，并且将所述第一信号和所述第二信号积分成表示数字信号的模拟信号，
耦合在所述第一比较器和所述积分器的输入端之间的第一电阻器，以及
耦合在所述第二比较器和所述积分器的输入端之间的第二电阻器；
输出端，用于将模拟信号输出到被测试设备；以及
测量单元，被配置为接收来自被测试设备的基于模拟信号的信号。


9.根据权利要求8所述的源测量单元，其中第二阈值是第一阈值的十分之一。


10.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：WC维曼，G罗伯茨二世，
申请(专利权)人：基思利仪器有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US