[发明专利]降低输出开关毛刺的数模转换器及方法

说明书

本发明公开了一种降低输出开关毛刺的数模转换器及方法。该数模转换器包括：输入寄存器，用于对数字信号的输入缓存；列编码器，针对各象限进行列编码，控制电流源阵列的开关顺序；行编码器，针对各象限进行行编码，控制电流源阵列的开关顺序；锁存器，对开关信号进行锁存；开关电流源阵列，进行各个象限的开关电流源阵列排布；多相位时钟产生器，产生多个相位的时钟单元，并加强驱动。本发明通过多相位时钟，分摊开关边沿的毛刺功率，降低输出毛刺对于DAC精度的影响，滤波后充分滤除高频噪声，输出更为平滑；通过开关电流源阵列的四项限中心对称布局，并且通过开关序列的对称控制，降低二维梯度误差和对称误差，提高DAC的精度。

技术领域

本发明涉及一种数模转换器，特别涉及一种降低输出开关毛刺的数模转换器，属于集成电路设计与测试技术领域。

背景技术

传统的开关电流型数模转换器(DAC)主要受到两种误差，即梯度误差和对称误差的影响。在论文Yasuyuki Nakamura,Takahiro Miki,Atsushi Maeda,Harufusa Kondoh，and Nobuharu Yazawa，“A10-b 70-MS/s CMOS D/A Converter”IEEE Journal of Solid-State Circuits,vol.26,No.4,April 1991等中有较为详细的论述，并且后续的数模转换器都是采用这种结构进行设计。主要的误差消除方法是采用“等级对称开关阵列”的方式，将开关阵列划分为四个象限。当输出依次增加时，象限之间采用中心对称的开关次序，在每个象限内部又采用对称的开关次序(如等级对称开关次序)。这种开关次序可以有效地消除二维梯度分布的浓度误差和二维对称分布的浓度误差。由于每次开关中，四个象限同时均有一个电流源导通或者关断，所以不会造成水平方向和垂直方向的梯度误差和对称误差的积累，从而降低了系统的INL误差。

高速高精度数模转换器通过对电流源开关得到输出的模拟波形，并通过低通滤波器的平滑作用，从而对应于数字信号的输入得到连续的模拟输出。然而，在依据数字编码的不同，实际电流源进行开关切换时，不可避免会产生毛刺，当数字编码的翻转较大时，如二进制编码(0011)连续切换到(0100)时，如图1所示，二进制权重编码涉及到低3位的电流源切换。当采用温度计编码时，类似的(0111)切换到(1111)时，如图2所示，温度计编码MSB编码切换涉及到大量的电流源切换。以上两种情况的切换会带来输出波形中较大的毛刺，在采用分段编码以及四项限等级开关序列等方法时，依然有可能会造成误码以及精度降低等不利影响。

通常数字信号输入数模转换器(DAC)，通过DAC的转换后得到模拟信号，并通过低通滤波器(LPF)滤波后得到模拟输出，如图3。

传统的开关电流型高速高精度数模转换器DAC的框图如图4。主要包括如下模块：

输入寄存器Input Register，主要用于对数字信号的输入缓存。

列编码Row Decoding，主要针对四象限进行列编码，控制电流源阵列的开关顺序。

行编码Column Decoding，主要针对四项限进行编码，控制电流源阵列的开关顺序。

锁存器Latches，对开关信号进行锁存，减小开关噪声以减小输出毛刺。

时钟缓存Clock Buffer，对时钟输出进行分模块缓存，并加强驱动，减小时钟树的延迟。

开关电流源阵列Current Source Cell Array，进行四个象限的开关电流源阵列排布，减少二维的梯度误差和对称误差。

传统开关电流型数模转换器DAC的控制策略为开关电流源阵列按照(I，II，III，IV)四个象限进行对称布局，如图5。