应用于数模转换器的动态元件匹配电路和方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010336224.5 (22)申请日 2020.04.26 (71)申请人 杭州城芯科技有限公司 地址 310000 浙江省杭州市西湖区三墩镇 西园三路3号5楼504室 (72)发明人 郁发新刘家瑞周苏萍李国儒 (74)专利代理机构 北京格允知识产权代理有限 公司 11609 代理人 周娇娇 (51)Int.Cl. H03M 1/66(2006.01) (54)发明名称 一种应用于数模转换器的动态元件匹配电 路和方法 (57)摘要 本发明涉及一种应用于数模转换器的动态 元。

2、件匹配电路和方法， 以及数模转换器和数模转 换方法。 其中动态元件匹配电路用于将N比特的 二进制码aN-1,， a1,a0通过伪随机码PN-1,， P1, P0编码为温度计码输出； 该动态元件匹配电路包 括： N级译码单元， 其中第i级译码单元包括2i-1个 译码器， i=1,2,， N； 第i级译码单元的每个译码 器用于根据伪随机码Pi-1对第一输入信号ai-1和 第二输入信号进行随机切换后输出分别作为下 一级译码器的第二输入信号， 第N级译码单元的 译码器输出温度计码。 本发明中每一级的译码器 结构相同， 大大简化了传统DEM的实现架构， 提升 了转换速率， 更适合高速高精度DAC应用。 。

3、权利要求书2页 说明书6页 附图5页 CN 111245439 A 2020.06.05 CN 111245439 A 1.一种应用于数模转换器的动态元件匹配电路， 其特征在于， 用于将N比特的二进制码 aN-1,， a1,a0通过伪随机码PN-1,， P1,P0编码为温度计码输出； 所述动态元件匹配电路包 括： N级译码单元， 其中第i级译码单元包括2i-1个译码器， i=1,2,， N； 第i级译码单元的每 个译码器用于根据伪随机码Pi-1对第一输入信号ai-1和第二输入信号进行随机切换后输出 分别作为下一级译码器的第二输入信号， 第N级译码单元的译码器输出温度计码。 2.根据权利要求1所。

4、述的应用于数模转换器的动态元件匹配电路， 其特征在于， 所述译 码器的逻辑式如下： ； ； 其中Y1和Y2对应译码器的两个输出端口的信号； A1和A2对应译码器的两个输入端口的 信号， P为该译码器的控制端口的信号。 3.根据权利要求1所述的应用于数模转换器的动态元件匹配电路， 其特征在于， 第1级 译码单元的第二输入信号为0。 4.一种数模转换器， 其特征在于， 包括： 权利要求1所述的动态元件匹配电路。 5.根据权利要求4所述的数模转换器， 其特征在于， 所述数模转换器为电流源型数模转 换器， 所述数模转换器还包括： 伪随机码生成电路和电流源阵列； 所述伪随机码生成电路用于产生并行的伪随机。

5、码PN-1,， P1,P0； 所述动态元件匹配电路与所述伪随机码生成电路及电流源阵列相连， 用于将输入的N 比特的二进制码aN-1,， a1,a0根据伪随机码PN-1,， P1,P0编码为温度计码输出到电流源阵 列； 所述电流源阵列， 用于根据温度计码输出模拟信号。 6.根据权利要求4所述的数模转换器， 其特征在于， 所述数模转换器为电荷型数模转换 器。 7.一种应用于数模转换器的动态元件匹配方法， 其特征在于， 用于将N比特的二进制码 aN-1,， a1,a0通过伪随机PN-1,， P1,P0编码为温度计码输出； 所述方法包括以下步骤： 将输入的N比特的二进制码拆分成第一输入信号aN-1,，。

6、 a1,a0； 按照低位到高位的顺序进行译码并根据伪随机码控制随机顺序， 其中在进行第i级译 码时， i=1,2,， N， 采用2i-1个译码器， 每个译码器根据伪随机码Pi-1对第一输入信号ai-1和 第二输入信号进行随机切换后输出分别作为下一级译码器的第二输入信号； 第N级译码的输出为动态切换的温度计码。 8.根据权利要求7所述的应用于数模转换器的动态元件匹配方法， 其特征在于， 所述方 法中采用的译码器的逻辑式如下： ； ； 其中Y1和Y2对应译码器的两个输出端口的信号； A1和A2对应译码器的两个输入端口信 权利要求书 1/2 页 2 CN 111245439 A 2 号， P为该译码。

7、器的控制端口信号。 9.根据权利要求7所述的应用于数模转换器的动态元件匹配方法， 其特征在于， 第1级 译码器的第二输入信号为0。 10.一种数模转换方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 产生并行的伪随机码PN-1,， P1,P0； 将输入的N比特的二进制码aN-1,， a1,a0通过伪随机码PN-1,， P1,P0编码为温度计码； 其中采用权利要求7所述的应用于数模转换器的动态元件匹配方法； 根据温度计码输出模拟信号。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111245439 A 3 一种应用于数模转换器的动态元件匹配电路和方法 技术领域 0001 本发明涉及集成电路技术领域， 尤其涉及一种应用。

8、于数模转换器的动态元件匹配 电路和方法， 以及数模转换器和数模转换方法。 背景技术 0002 高速高精度数模转换器 （DAC） 通常采用温度计码或者温度计码二进制码分段来提 升基本构成单元的匹配程度。 但温度计码存在一个缺陷， 其不同数据位的使用效率并不一 致， 也即如果DAC存在匹配误差， 将导致数据与失配相关， 从而降低了DAC的无杂散动态范围 （SFDR） ， 一般采用动态元件匹配算法来进行各数据位的分布平均化， 消除数据和梯度误差 的相关性， 提升DAC的动态特性。 0003 针对DAC的动态元件匹配 （DEM） 方法已有较多实现方式。 0004 现有技术中提供了一种经典DEM实现方式。

9、如图1所示， 它将Nbit的数据分为N+1层， 每一层对输入数据除2， 然后生成子节点、 切换开关选择不同路径。 图1中x(n)为输入的二进 制码， SN,1 ,S2,1 , S1,1,S1,M表示处理节点， cN,1 ,c2,1 , c1,1,c1,M 表示时钟信号， y1 (n), y2(n), y3(n), ,ym(n)表示各个温度计码控制的模拟信号， yn(n)表示最终输出的 模拟信号。 以4bit输入1101为例， 第一级将输入的1101译码为0110和0111， 第二级再将第一 级的输出分别译码为011、 011和100、 011， 同理第三级输出为 01、 10、 01、 10、。

10、 10、 10、 01、 10， 第四级输出则为0/1,1/1,0/1,1/1,1/1,1/1,0/1,1/1。 开关共有1+2+4+2N-1个， 即为2N-1 个， 选择可通过并行的PRBS产生。 每个开关在时钟到来时选择MUX的输出值。 0005 现有技术中还提供了一种差值型DEM算法， 具体过程如下： 计算本周期数据与上周 期数据的差值n， 如果差值n 为正， 就从值为0 的温度计码位中， 随机选择n 个变为1 ； 如果 差值n 为负， 就从值为1 的位中随机选择n 个变为0 ； 如果差值为0， 随机选取一位值为1 的位和一位值为0 的位， 调换他们的取值。 0006 上述现有技术的缺陷。

11、在于实现结构复杂， 每一级器件架构不一致， 速度难以提升， 因此难以用于高速DAC。 上述图1的经典DEM方法将N位输入分解为两个N-1的数， 至少需要1 个N-1位的半加器， 一个N-1位的选择器； 下一级需要2个N-2位的半加器， 2个N-2位的选择 器， 以此类推， 共需要N个不同种类的半加器和选择器。 上述差值型DEM算法虽未提及实现电 路， 但具体实现至少须包括比较、 不同位数的加减法、 不同位数的路径选择等过程， 难度较 大。 0007 因此， 针对以上不足， 亟待提供一种结构简单、 占用资源更少的动态元件匹配方法 及电路。 发明内容 0008 本发明要解决的技术问题在于， 针对现。

12、有数模转换器的动态元件匹配电路结构复 杂的缺陷， 提供一种应用于数模转换器的动态元件匹配电路和方法， 以及数模转换器和数 模转换方法， 其中从低位到高位进行译码， 并在译码的同时进行开关切换。 说明书 1/6 页 4 CN 111245439 A 4 0009 为了解决上述技术问题， 本发明第一方面， 提供了一种应用于数模转换器的动态 元件匹配电路， 用于将N比特的二进制码aN-1,， a1,a0通过伪随机码PN-1,， P1,P0编码为温 度计码输出； 所述动态元件匹配电路包括： N级译码单元， 其中第i级译码单元包括2i-1个译码器， i=1,2,， N； 第i级译码单元的每 个译码器用于。

13、根据伪随机码Pi-1对第一输入信号ai-1和第二输入信号进行随机切换后输出 分别作为下一级译码器的第二输入信号， 第N级译码单元的译码器输出温度计码。 0010 在根据本发明所述的应用于数模转换器的动态元件匹配电路中， 优选地， 所述译 码器的逻辑式如下： ； ； 其中Y1和Y2对应译码器的两个输出端口的信号； A1和A2对应译码器的两个输入端口的 信号， P为该译码器的控制端口的信号。 0011 在根据本发明所述的应用于数模转换器的动态元件匹配电路中， 优选地， 第1级译 码单元的第二输入信号为0。 0012 本发明第二方面， 提供了一种数模转换器， 包括： 如前所述的动态元件匹配电路。 0。

14、013 在根据本发明所述的数模转换器中， 优选地， 该数模转换器可以为电流源型数模 转换器， 所述数模转换器还包括： 伪随机码生成电路及电流源阵列； 所述伪随机码生成电路用于产生并行的伪随机码PN-1,， P1,P0； 所述动态元件匹配电路与所述伪随机码生成电路及电流源阵列相连， 用于将输入的N 比特的二进制码aN-1,， a1,a0根据伪随机码PN-1,， P1,P0编码为温度计码输出到电流源阵 列； 所述电流源阵列， 用于根据温度计码输出模拟信号。 0014 在根据本发明所述的数模转换器中， 优选地， 所述数模转换器为电荷型数模转换 器。 0015 本发明第三方面， 提供了一种应用于数模转。

15、换器的动态元件匹配方法， 用于将N比 特的二进制码aN-1,， a1,a0通过伪随机PN-1,， P1,P0编码为温度计码输出； 所述方法包括 以下步骤： 将输入的N比特的二进制码拆分成第一输入信号aN-1,， a1,a0； 按照低位到高位的顺序进行译码并根据伪随机码控制随机顺序， 其中在进行第i级译 码时， i=1,2,， N， 采用2i-1个译码器， 每个译码器根据伪随机码Pi-1对第一输入信号ai-1和 第二输入信号进行随机切换后输出分别作为下一级译码器的第二输入信号； 第N级译码的 输出为动态切换的温度计码。 0016 在根据本发明所述的应用于数模转换器的动态元件匹配方法中， 优选地，。

16、 采用的 译码器的逻辑式如下： ； ； 其中Y1和Y2对应译码器的两个输出端口的信号； A1和A2对应译码器的两个输入端口信 说明书 2/6 页 5 CN 111245439 A 5 号， P为该译码器的控制端口信号。 0017 在根据本发明所述的应用于数模转换器的动态元件匹配方法中， 优选地， 第1级译 码器的第二输入信号为0。 0018 本发明第四方面， 提供了一种数模转换方法， 包括以下步骤： 产生并行的伪随机码PN-1,， P1,P0； 将输入的N比特的二进制码aN-1,， a1,a0通过伪随机码PN-1,， P1,P0编码为温度计码； 其采用如前所述的应用于数模转换器的动态元件匹配方。

17、法； 根据温度计码输出模拟信号。 0019 实施本发明的应用于数模转换器的动态元件匹配电路和方法， 以及数模转换器和 数模转换方法， 具有以下有益效果： 本发明从低位到高位进行译码， 并在译码的同时进行开 关切换， 仅需采用一种元件电路即可实现二进制码到温度计码的转换、 以及动态元件匹配 路径的构建， 大大简化了DEM的实现架构， 节省了器件面积， 提升了转换速率。 附图说明 0020 图1为现有技术中经典DEM实现方式的原理图； 图2为根据本发明的应用于数模转换器的动态元件匹配电路第一实施例的原理图； 图3为根据本发明的应用于数模转换器的动态元件匹配电路中译码器的示意图； 图4为根据本发明的。

18、应用于数模转换器的动态元件匹配电路的第二实施例的原理图； 图5为根据本发明优选实施例的数模转换器的电路原理图； 图6a为采用该译码器构建的DAC结构； 图6b为图6a的DAC结构在输入25MHz的正弦数字序列仿真得到的输出电压的时域波形 图； 图6c为图6b对应的频谱图。 具体实施方式 0021 为使本发明实施例的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合本发明实施例 中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施例是 本发明的一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人 员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实。

19、施例， 都属于本发明保护的范围。 0022 请参阅图2， 为根据本发明的应用于数模转换器的动态元件匹配电路第一实施例 的原理图。 该实施例提供的应用于数模转换器的动态元件匹配电路用于将N比特的二进制 码aN-1,， a1,a0通过伪随机码 （PRBS） PN-1,， P1,P0编码为M位温度计码b0, b1,， bM-1输出， M=2N。 如图2所示， 该动态元件匹配电路包括： N级译码单元， 其中第i级译码单元包括2i-1个译码器， i=1,2,， N。 例如， 第1级译码单 元包括1个译码器D1,1， 第2级译码单元包括2个译码器D2,1、 D2,2， ， 第N级译码单元包括2N -1个译。

20、码器DN,1至DN,M/2。 0023 每个译码器的典型结构如图3所示， 具有第一输入端A1、 第二输入端A2、 第一输出 端Y1和第二输出端Y2， 以及时钟信号输入端CLK和开关控制端P。 该译码器可以根据开关控 制端P接收的伪随机码对第一输入端A1和第二输入端A2的输入信号进行随机切换后分别通 说明书 3/6 页 6 CN 111245439 A 6 过第一输出端Y1和第二输出端Y2输出。 该译码器的真值表可以如下表所示： 当使用上述译码器搭建如图2所示的动态元件匹配电路时， 第i级译码单元的每个译码 器的第一输入端A1用于接收由二进制码拆分成的第一输入信号ai-1； 第二输入端A2用于接。

21、 收第二输入信号。 第1级译码单元的第二输入信号为0。 时钟信号输入端CLK用于接入数模转 换器的时钟频率信号。 开关控制端P用于接入并行的伪随机码Pi-1作为控制码。 第i级译码单 元的译码器可以根据伪随机码Pi-1对第一输入信号ai-1和第二输入信号进行随机切换后输 出分别作为下一级译码器的第二输入信号。 例如， 第i级译码单元的第j个译码器的第一输 出信号可以作为第i+1级译码单元第2j-1个译码器的第二输入信号, j=1,2,， 2i-1。 第i级 译码单元的第j个译码器的第二输出信号可以作为第i+1级译码单元第2j个译码器的第二 输入信号。 其中， 第1级译码单元的第二输入信号为0，。

22、 第N级译码单元的译码器DN,1至DN,M输 出温度计码， 即b0, b1,， bM-1。 0024 本发明采用的译码器具备译码和路径选择的功能， 可以为二元加法器， 既可实现 加法又可以实现输出切换， 该译码器的逻辑可以为： ； ； 其中Y1和Y2对应译码器的两个输出端口的信号； A1和A2对应译码器的两个输入端口的 信号， P为该译码器的控制端口的信号。 0025 本发明的动态元件匹配电路中输入的并行PRBS码可以采用经典架构即可， 此处不 再赘述。 0026 本发明的输入为二进制码， 输出为由随机序列控制顺序的温度计码， 并且仅需一 种元件电路即可实现二进制码到温度计码的转换、 以及动态。

23、元件匹配路径的构建。 并且每 一级译码单元使用的译码器相同， 大大简化了传统DEM的实现架构， 速度更快， 更适合高速 高精度DAC应用。 且每一级电路通过同步时钟进行锁存输出， 避免了DEM开关切换时带来的 电荷泄漏等影响。 0027 下面以三级DEM为例， 对本发明的应用于数模转换器的动态元件匹配电路的具体 实施进行详细说明。 请参阅图4， 为根据本发明的应用于数模转换器的动态元件匹配电路的 第二实施例的原理图。 该实施例输入的二进制码为， 输入3位并行的伪随机码为,输出温度计码为； 该基于三级DEM的动态元件匹配电路包括3级译码单元； 第1级译码单元包括1个译码器D1,1， 输入为a0和。

24、0， 输出为s1_1， S1_2， 控制码值为P0； 第2级译码单元包括2个译码器， 其中第1个译码器D2,1的第一输入信号为a1， 第二输入 信号为S1_1， 输出为S2_1和S2_2； 第2个译码器D2,2的第一输入信号为a1， 第二输入信号为 S1_2， 输出为S2_3和S2_4； 2个译码器控制码值都为P1； 第3级译码单元包括4个译码器， 其中第1个译码器D3,1的第一输入信号为a2， 第二输入 说明书 4/6 页 7 CN 111245439 A 7 信号为S2_1， 输出为S3_1和S3_2； 第2个译码器D3,2的第一输入信号为a2， 第二输入信号为 S2_2， 输出为S3_3。

25、和S3_4； 第3个译码器D3,3的第一输入信号为a2， 第二输入信号为S2_3， 输 出为S3_5和S3_6； 第4个译码器D3,4的第一输入信号为a2， 第二输入信号为S2_4， 输出为S3_7 和S3_8； 4个译码器控制码值都为P2。 0028 第3级译码单元的输出S3_1S3_8分别对应温度计码b0b7。 0029 本发明还提供了一种数模转换器， 至少包括如前所述的动态元件匹配电路。 本发 明提供的是一种通用的二进制码-温度计码的转换方法， 可以适用于各种类型的数模转换 器， 例如但不限于电流源型DAC， 电荷型DAC等等。 下面以电流源型DAC为例进行说明。 请参阅 图5， 为根据。

26、本发明优选实施例的数模转换器的电路原理图。 如图5所示， 该数模转换器至少 包括动态元件匹配电路200、 伪随机码生成电路100及电流源阵列300。 0030 其中伪随机码生成电路100用于产生并行的伪随机码PN-1,， P1,P0。 0031 动态元件匹配电路200与伪随机码生成电路100及电流源阵列300相连， 用于将输 入的N比特的二进制码aN-1,， a1,a0根据伪随机码PN-1,， P1,P0编码为温度计码输出到电 流源阵列300。 该动态元件匹配电路200的具体原理即电路构成如前所述， 在此不再赘述。 0032 电流源阵列300用于根据温度计码输出模拟信号。 电流源阵列300至少。

27、包括M个电 流值相同的电流源， 每个电流源具有一个开关， 该开关由温度计码数字控制信号进行控制， 当温度计码为1时输出该单元电流， 否则不输出。 因此电流源阵列300可根据动态元件匹配 电路100输出的温度计码得到相应的电流值。 0033 可以理解地是， 上述数模转换器还可以包括其它本领域基础技术人员熟知的基本 功能模块， 例如时钟产生模块， 用于与前述各个模块连接， 提供时钟频率信号； 例如锁存器 电路， 可将二进制码锁存后对齐输出。 0034 请参阅图6a为采用了该译码器构建的一个DAC案例， 该DAC为14bit的分段式电流 型架构， 其中低10位 （LSB） 为二进制码， 高4位 （M。

28、SB） 通过上述的动态元件匹配电路转换为温 度计码。 图6b和图6c为该DAC案例的仿真结果图。 其中图6b为输入25MHz的正弦数字序列仿 真得到的输出电压的时域波形， 图6c为图6b对应的频谱图。 可见该DACSFDR仿真可达80dB以 上， 动态性能良好。 0035 本发明还提供了一种应用于数模转换器的动态元件匹配方法， 用于将N比特的二 进制码aN-1,， a1,a0通过伪随机PN-1,， P1,P0编码为温度计码输出。 该实施例提供的应用 于数模转换器的动态元件匹配方法包括以下步骤： S1、 将输入的N比特的二进制码拆分成第一输入信号aN-1,， a1,a0； S2、 按照低位到高位。

29、的顺序进行译码并根据伪随机码控制随机顺序， 其中在进行第i级 译码时， i=1,2,， N， 采用2i-1个译码器， 每个译码器根据伪随机码Pi-1对第一输入信号ai-1 和第二输入信号进行随机切换后输出分别作为下一级译码器的第二输入信号， 第1级译码 时的第二输入信号为0； 第N级译码的输出为动态切换的温度计码。 例如， 可以采用如前所述 的应用于数模转换器的动态元件匹配电路实现。 0036 上述方法中， 对于输入的二进制码Din=， 其对应的输出应为Dout=aN-1* 2N-1+a1*2 +a0*1。 因此， 本发明将每一项进行拆分， 即包括2N-1个aN-1、 、 2个a1和1个 a0。

30、。 再用二元加法器实现上述计算关系， 并按照低位 （LSB） 到高位 （MSB） 的顺序来排列， 同时 加入PBRS控制随机顺序输出。 说明书 5/6 页 8 CN 111245439 A 8 0037 本发明方法中采用的译码器具备译码和路径选择的功能， 可以为二元加法器， 既 可实现加法又可以实现输出切换， 该译码器的逻辑可以为： ； ； 其中Y1和Y2对应译码器的两个输出端口的信号； A1和A2对应译码器的两个输入端口的 信号， P为该译码器的控制端口的信号。 0038 本发明还提供了一种数模转换方法， 包括以下步骤： 产生并行的伪随机码PN-1,， P1,P0； 将输入的N比特的二进制码。

31、aN-1,， a1,a0通过伪随机码PN-1,， P1,P0编码为温度计码； 其采用如上所述的应用于数模转换器的动态元件匹配方法； 根据温度计码输出模拟信号。 0039 综上所述， 本发明提供了一种结构简单、 占用资源更少的DEM实现架构， 以加速DEM 的速度， 降低高速DAC的杂散。 其仅需采用一种元件电路即可实现二进制码到温度计码的转 换、 以及动态元件匹配路径的构建， 大大简化了DEM的实现架构， 节省了器件面积， 提升了转 换速率。 0040 最后应说明的是： 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案， 而非对其限制； 尽管 参照前述实施例对本发明进行了详细的说明， 本领域的普通技术人员。

32、应当理解： 其依然可 以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分技术特征进行等同替换； 而这些修改或者替换， 并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和 范围。 说明书 6/6 页 9 CN 111245439 A 9 图 1 说明书附图 1/5 页 10 CN 111245439 A 10 图 2 图 3 说明书附图 2/5 页 11 CN 111245439 A 11 图 4 说明书附图 3/5 页 12 CN 111245439 A 12 图 5 图6a 说明书附图 4/5 页 13 CN 111245439 A 13 图 6b 图 6c 说明书附图 5/5 页 14 CN 111245439 A 14 。