一种16bit高低位两段式数模转换器

技术领域

本发明涉及数模转换器领域，特别涉及一种16bit高低位两段式数模转换器。

背景技术

在R-2R电阻网络型数模转换器中，开关的导通电阻会导致R-2R电阻网络中的电阻不匹配，从而导致数模转换器精度降低的问题。现有专利CN114070319A能根据位数的不同，调整每条R-2R支路中开关导通电阻的减小量，使开关导通电阻按照从最低位到最高位的二进制权重依次减小，从而进一步提高R-2R电阻网络的电阻匹配度，以及R-2R电阻网络数模转换器的精度。但其同时存在以下缺陷：

1)R-2R电阻网络中的模拟开关不同步会导致输出信号产生尖峰电压，从而影响数模转换器的精度；

2)R-2R电阻网络型数模转换器的电阻网络随着位数的增加，电阻数量也递增，使得版图面积和功耗增加。

发明内容

本发明的目的是提出一种16bit高低位两段式数模转换器，在现有R-2R数模转换器基础上降低输出信号产生的尖峰电压来提高精度，同时采用两段式结构减少电阻数量，降低功耗。

一种16bit高低位两段式数模转换器，其特征在于：包括电压电流转换器、高位温度计码网络、R-2R梯形电阻网络、电流源单元、电流源开关阵列和跨阻放大器；

电压电流转换器与电流源单元连接，电流源单元与电流源开关阵列连接，电流源开关阵列分别与高位温度计码网络和跨阻放大器连接；

所述的16bit高低位两段式数模转换器采用高6位温度计码结构和低10位R-2R结构相结合的结构，其中高位二进制码经高位温度计码网络产生相应的温度计码开关信号，控制相应电流的流向，低位采用R-2R梯形电阻网络。

进一步地，高位温度计码网络为两级行列译码器，把高6位二进制码转换成温度计码，其中选择高3位为行信号，低3位为列信号，然后再将高3位行信号和低3位列信号译成温度计码，把6位的译码简化成了3位的译码电路。

进一步地，高位温度计码网络的第一级译码器的信号为对等的3+3形式。

进一步地，高位温度计码网络中，在高6位二进制码中，高3位用来产生第二级的7个列信号，低3位用来产生第二级的7个行信号。每个温度计码的产生由1个行信号和2个列信号来决定。

进一步地，所述R-2R梯形电阻网络包括多路串联的R-2R电阻结构和开关阵列。

进一步地，所述电流源单元包括多路的电流源，其中电流权重通过调节MOS管不同宽长比来实现，当某电流源被选中时，电流经Iout叠加到输出端，反之则通过开关管与地线连接。

进一步地，所述电流源单元开关阵列包括多路对应于电流源单元的开关，其中开关由二进制码首先通过编码器转换为温度计码，然后控制开关。

进一步地，所述跨阻放大器包括差分运算放大器及电阻，所述差分运算放大器的反向输入端连接模转换器的输出电流端Iout，所述差分运算放大器的同相输入端接地，所述差分运算放大器的输出端通过电阻连接其反向输入端。

进一步地，所述电阻为Poly电阻，阻值为300kΩ。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)所述的一种16bit高低位两段式数模转换器中采用温度计码作为高位电流源的开关控制电路，温度计码电路中的所有电流源开关不直接由数字输入码字控制，权重相同，码字首先通过编码器转换为温度计码，然后控制开关，因为每个开关控制的电流大小相同，温度计码每次只切换一个开关，所以当开关切换不同步时，造成的毛刺会非常小，能明显减小模拟开关不同步导致输出信号产生的尖峰电压。

2)采用行信号和列信号组合对多位的温度计码电路进行简化，避免电路繁琐。

3)所述的一种16bit高低位两段式数模转换器中的电流源开关控制电路采用高6位温度计码电路和低10位R-2R电阻网络两段式结构，其中高位电流源开关控制电路使用温度计码减少了电阻数量，降低了功耗。

附图说明

图1为本发明实施例中的16bit高低位两段式数模转换器的结构示意图。

图2为本发明实施例中的电压电流转换器电路示意图。

图3为本发明实施例中的第十一位至第十六位的高位温度计码电路示意图。

图4为本发明实施例中的高位温度计码三输入或非门电路示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

参照图1根据本发明实施例的16bit高低位两段式数模转换器分为电压电流转换器10、高位温度计码网络20、R-2R电阻网络30、电流源单元40、电流源开关阵列50和跨阻放大器60。

电压电流转换器10与电流源单元40连接，电流源单元40与电流源开关阵列50连接，电流源开关阵列50分别与高位温度计码网络20和跨阻放大器60连接，高位温度计码网络20和R-2R电阻网络30共同接收X位二进制输入码。

带隙基准产生的高精度基准电压通过电压电流转换器10转换为高精度基准电流，提供给电流源阵列使用。输入X位二进制码以16位为例，将高6位二进制通过由行列译码器产生的63个温度计码控制相应的开关信号，以便控制相应电流源电流的流向。这些电流源拥有相同的权重即为512倍于单位电流源I。本发明实施例中输入的低M位为10，采用R-2R梯形电阻网络，将输入的低10位二进制信号根据位数调节R-2R电阻网络30开关阵列中的每条支路的MOS管数量，调整每条R-2R支路中开关导通电阻的减小量，使开关导通电阻从低位到最高位的二进制权重依次减小，其中R-2R电阻网络中的开关阵列基本单元数量从高位至低位成倍数递增。

参照图2，在本实施例中，电压电流转换器10运用运放虚短的特点将电阻R两端的电压值钳位为带隙基准产生的电压，这样可以完成从基准电压VREF转换到基准电流IREF，完成电压-电流转换任务的电路，其中可以调节MOS管不同宽长比来实现用于产生温度计码所控制的电流源阵列。

参照图3，在本实施例中，高位温度计码网络20中，为两级行列译码器。为了使各位温度计码的译码过程具有较好的同步性，第一级译码器的信号为对等的“3+3”形式。高6位二进制码中，D16、D15、D14用来产生第二级的7个列信号，D13、D12、D11用来产生第二级的7个行信号。高六位温度计码6-63温度计译码器中有两个3-7译码器，分别作为行译码器和列译码器。列信号总共有9个，分别为DVDD、C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6、DGND。行信号有8个，分别为R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、DVDD，其中DVDD和DGND分别为数字电源信号和数字地信号，其他为译码器产生的行列信号。每个方格代表一个温度计码，每个温度计码的产生由1个行信号和2个列信号来决定，逻辑关系如图中所示。且因DVDD和DGND存在，图中共产生64个温度计码。其中右下角的方格为第64个温度计码，用来控制对应的伪电流源。即由行列译码器产生的64个温度计码产生相应的开关信号，以便控制相应电流源电流的流向。

参照图4，在本实施例中，采用的高位温度计码网络20使用三输入或非门来实现，其中通过加两级的反相器来增加驱动电流，从而正常驱动选通逻辑电路使波形不失真。按照上述分析进行设计温度计码电路，输入信号经过或非门逻辑电路后经历两级反相器得到输出信号，在参照图中Q1-Q3为输入信号，用M66-M73实现反相器电路，并添加M74-M77两级反相器用于增加驱动电流，T0为输出信号，即图3中3-7行列译码器中输出的行列信号。

参照图1，R-2R电阻网络30所述低位所采用低位电阻网络是R-2R梯形电阻网络。低位继续使用开关阵列，高位开关阵列直接由产生的温度计码控制。

参照图1，本实施例中，电流源单元40的电流权重通过调节电压电流转换器10中的MOS管不同宽长比来实现，当该电流源被选中时，电流经Iout叠加到输出端，反之则通过开关管与地线连接。

参照图1，电流源单元开关阵列50中开关不直接由数字输入码字控制，由二进制码首先通过编码器转换为温度计码，然后控制开关。

参照图1，跨阻放大器60包括差分运算放大器及电阻，差分运算放大器的反向输入端连接电流输出端，差分运算放大器的同相输入端接地，差分运算放大器的输出端通过电阻连接其反向输入端。在本实施例中，电阻为Poly电阻，阻值为300kΩ。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。