减少数模转换电压内插放大器输入差分对的方法和装置

申请号 CN201010282647.X 申请日 2010-09-14 公开(公告)号 CN102403966A 公开(公告)日 2012-04-04
申请人 意法半导体研发(上海)有限公司; 发明人 赵建华; 杨健;
摘要 本 发明 提供减少 数模转换 器 电压 内插 放大器 输入差分对的方法和装置。对于在 数模转换器 架构中所使用的电压内插放大器,所述电压内插放大器所需的输入差分对的数量可被减少为使得N位电压内插放大器包括N+1个通过 电阻 衰减网络连接的输入差分对,以提供二进制加权的有效跨导。对比于常规电压内插放大器设计,输入差分对的数量和 电路 所消耗的功率被显著地减少和降低,从而创造出节省面积与能耗的电压内插放大器。
权利要求

1.一种装置,包含:
多个输入差分对,每对包括第一晶体管和第二晶体管并且具有初始跨导,每个输入差分对的所述第一晶体管和第二晶体管在源节点处耦合;
与第一部分的所述第一晶体管的栅极相耦合的开关,所述开关可以响应于数字输入数据进行操作,以将所述栅极耦合到高输入电压节点或者低输入电压节点;
与第一部分的所述输入差分对的每个中的第一晶体管相耦合的第一衰减网络,所述第一衰减网络可操作以衰减所述第一部分的输入差分对中的所述第一晶体管的初始跨导,以产生二进制加权的有效跨导;以及
与所述第一部分的输入差分对的每个中的第二晶体管相耦合的第二衰减网络,所述第二衰减网络可操作以衰减所述第一部分的输入差分对中的所述第二晶体管的初始跨导,以产生二进制加权的有效跨导;
其中所述多个输入差分对中的输入差分对数量比所述装置所接收到的数字输入数据的位数量多一个。
2.如权利要求1中所述的装置,还包括:
与每个源节点相耦合的电流源;
在第一求和节点上与所述第一衰减网络相耦合,并且在第二求和节点上与所述第二衰减网络相耦合的求和电路,所述求和电路可操作以结合在所述第一求和节点和第二求和节点中每个上的有效跨导,并且在所述第一求和节点上为所述第一部分的输入差分对中的所述第一晶体管产生二进制加权的总有效跨导,并且在所述第二求和节点上为所述第一部分的输入差分对中的所述第二晶体管产生二进制加权的总有效跨导;以及与所述第一衰减网络和第二衰减网络相耦合的复本电路,所述复本电路可操作以接收来自所述第一衰减网络和第二衰减网络的电流的一部分。
3.如权利要求1中所述的装置,其中有K个输入差分对,每个输入差分对的初始跨导为K-1
Gm,而二进制加权的有效跨导是Gm/(2 )的函数。
4.如权利要求1中所述的装置,其中第二部分的所述第一晶体管的栅极直接耦合到所述低输入电压节点。
5.如权利要求2中所述的装置,其中:
所述求和电路在所述第一求和节点上直接耦合到第二部分的所述输入差分对中的第一晶体管,并且在所述第二求和点上直接耦合到所述第二部分的所述输入差分对中的第二晶体管;
所述求和电路可操作以在所述第一求和节点上结合来自所述第一衰减网络的有效跨导和来自所述第二部分的输入差分对中的所述第一晶体管的初始跨导,以为所述第一部分和第二部分的输入差分对中的所述第一晶体管产生二进制加权的总有效跨导;并且所述求和电路可操作以在所述第二求和节点上结合来自所述第二衰减网络的有效跨导和来自所述第二部分的输入差分对中的所述第二晶体管的初始跨导,以为所述第一部分和第二部分的输入差分对中的所述第二晶体管产生二进制加权的总有效跨导。
6.如权利要求2中所述的装置,其中所述第一衰减网络和第二衰减网络各自包括多个电阻串。
7.如权利要求6中所述的装置,其中构成所述第一衰减网络的所述多个电阻串中的每一个都被耦合到所述求和电路、所述复本电路、以及所述第一部分的输入差分对中的一个所述第一晶体管。
8.如权利要求6中所述的装置,其中构成所述第二衰减网络的所述多个电阻串中的每一个都被耦合到所述求和电路、所述复本电路、以及所述第一部分的输入差分对中的一个所述第二晶体管。
9.如权利要求2中所述的装置,其中所述第一衰减网络和第二衰减网络各自包括串联的电阻串,所述第一晶体管和第二晶体管与串中的不同分接头相耦合。
10.如权利要求9中所述的装置,其中构成所述第一衰减网络的所述电阻串被耦合到所述求和电路、所述复本电路、以及所述第一部分的输入差分对中的每一个所述第一晶体管。
11.如权利要求9中所述的装置,其中构成所述第二衰减网络的所述电阻串被耦合到所述求和电路、所述复本电路、以及所述第一部分的输入差分对中的每一个所述第二晶体管。
12.如权利要求2中所述的装置,还包括:
与所述第一求和节点和第二求和节点相耦合的差分放大器电路,所述差分放大器电路可操作以接收于所述第一求和节点和第二求和节点上接收的来自所述跨导的电流,并且产生输出电压
13.如权利要求12中所述的装置,其中所述输出电压被耦合到所有输入差分对中的第二晶体管的栅极。
14.如权利要求13中所述的装置,其中所述差分放大器电路可操作以调节所述输出电压,以在被接收于所述第二求和节点上的跨导的电流中产生变化,使得被接收于所述第二求和节点上的跨导的电流基本上等于被接收于所述第一求和节点上的跨导的电流。
15.如权利要求2中所述的装置,还包括:
与所述高输入电压节点和所述低输入电压节点相耦合的电阻串DAC,所述电阻串DAC可操作以在所述高输入电压节点上生成高输入电压并且在所述低输入电压节点上生成低输入电压。
16.一种装置,包括:
第一输入差分对和第二输入差分对,每对包括具有初始跨导的第一晶体管和第二晶体管,每个输入差分对的所述第一晶体管和第二晶体管在源节点上耦合;
与所述第一输入差分对的第一晶体管的栅极相耦合的开关,所述开关可以响应于数字输入数据进行操作,以将所述栅极耦合到高输入电压节点或者低输入电压节点;
与所述第一输入差分对和第二输入差分对中的每个的第一晶体管和第二晶体管相耦合的衰减网络,所述衰减网络可操作以衰减所述第一晶体管和第二晶体管的初始跨导,以产生二进制加权的有效跨导;以及
与所述衰减网络相耦合的求和电路,所述求和电路可操作以接收所述第一输入差分对和第二输入差分对的所述第一晶体管和第二晶体管的有效跨导;
其中所述第二输入差分对的所述第一晶体管的栅极直接耦合到所述低输入电压节点,并且所述第二输入差分对的第一晶体管和第二晶体管的有效跨导等于所述第一输入差分对的第一晶体管和第二晶体管的有效跨导。
17.如权利要求16中所述的装置,其中:
所述求和电路在第一求和节点上耦合到与所述第一输入差分对和第二输入差分对中的每个的第一晶体管相耦合的衰减网络,并且在第二求和节点上耦合到与所述第一输入差分对和第二输入差分对中的每个的第二晶体管相耦合的衰减网络,所述求和电路还可操作以结合在所述第一求和节点和第二求和节点中每个上的有效跨导,并在所述第一求和节点上为所述第一输入差分对和第二输入差分对中的每个的所述第一晶体管产生二进制加权的总有效跨导,并且在所述第二求和节点上为所述第一输入差分对和第二输入差分对中的每个的所述第二晶体管产生二进制加权的总有效跨导。
18.如权利要求17中所述的装置,其中所述衰减网络各自包括电阻串。
19.如权利要求18中所述的装置,其中每个电阻串都被耦合到所述求和电路、复本电路、以及所述第一输入差分对和第二输入差分对中的所述第一晶体管或第二晶体管之一;
其中所述复本电路可操作以接收来自每个衰减网络的电流的一部分。
20.如权利要求17中所述的装置,其中:
与所述第一输入差分对和第二输入差分对中的每个的第一晶体管相耦合的衰减网络包括串联的电阻串,所述第一晶体管与串中的不同分接头相耦合;并且与所述第一输入差分对和第二输入差分对中的每个的第二晶体管相耦合的衰减网络包括串联的电阻串,所述第二晶体管与串中的不同分接头相耦合。
21.如权利要求20中所述的装置,其中构成与所述第一晶体管相耦合的衰减网络的所述电阻串被进一步耦合到所述求和电路和复本电路,所述复本电路可操作以接收来自与所述第一晶体管相耦合的衰减网络的电流的一部分。
22.如权利要求20中所述的装置,其中构成与所述第二晶体管相耦合的衰减网络的所述电阻串被进一步耦合到所述求和电路和复本电路,所述复本电路可操作以接收来自与所述第二晶体管相耦合的衰减网络的电流的一部分。
23.如权利要求17中所述的装置,还包括:
与所述第一求和节点和第二求和节点相耦合的差分放大器电路,所述差分放大器电路可操作以接收于所述第一求和节点和第二求和节点上接收的来自所述跨导的电流,并产生输出电压。
24.如权利要求23中所述的装置,其中所述输出电压被耦合到所述第一输入差分对和第二输入差分对中的所述第二晶体管的栅极。
25.如权利要求23中所述的装置,其中所述差分放大器电路可操作以调节所述输出电压,以在被接收于所述第二求和节点上的跨导的电流中产生变化,使得被接收于所述第二求和节点上的跨导的电流基本上等于被接收于所述第一求和节点上的跨导的电流。
26.如权利要求17中所述的装置,还包括:
与所述高输入电压节点和所述低输入电压节点相耦合的电阻串DAC,所述电阻串DAC可操作以在所述高输入电压节点上生成高输入电压,并在所述低输入电压节点上生成低输入电压。
27.一种装置,包括:
第一输入差分对和第二输入差分对,每对包括具有初始跨导的第一晶体管和第二晶体管,每个输入差分对的所述第一晶体管和第二晶体管在源节点上耦合;
与所述第一输入差分对和第二输入差分对的第一晶体管的栅极相耦合的开关,所述开关可以响应于数字输入数据进行操作,以将所述栅极耦合到高输入电压节点或者低输入电压节点;
与所述第一输入差分对和第二输入差分对中的每个的第一晶体管和第二晶体管相耦合的衰减网络,所述衰减网络可操作以衰减所述第一晶体管和第二晶体管的初始跨导,以产生二进制加权的有效跨导;以及
与所述衰减网络相耦合的求和电路,所述求和电路可操作以接收所述第一输入差分对和第二输入差分对的所述第一晶体管和第二晶体管的有效跨导;
其中所述第一输入差分对的有效跨导等于所述第一输入差分对的初始跨导,并且所述第二输入差分对的有效跨导等于所述第一输入差分对的有效跨导的一半。
28.如权利要求27中所述的装置,其中:
所述求和电路在第一求和节点上耦合到与所述第一输入差分对和第二输入差分对中的每个的第一晶体管相耦合的衰减网络,并且在第二求和节点上耦合到与所述第一输入差分对和第二输入差分对中的每个的第二晶体管相耦合的衰减网络,所述求和电路还可操作以结合所述第一求和节点和第二求和节点中的每个上的有效跨导,并在所述第一求和节点上为所述第一输入差分对和第二输入差分对中的每个的所述第一晶体管产生二进制加权的总有效跨导,并且在所述第二求和节点上为所述第一输入差分对和第二输入差分对中的每个的所述第二晶体管产生二进制加权的总有效跨导。
29.如权利要求28中所述的装置,其中所述衰减网络各自包括电阻串。
30.如权利要求29中所述的装置,其中每个电阻串都被耦合到所述求和电路、复本电路、以及所述第一输入差分对和第二输入差分对中的所述第一晶体管或第二晶体管之一;
其中所述复本电路可操作以接收来自每个衰减网络的电流的一部分。
31.如权利要求28中所述的装置,其中:
与所述第一输入差分对和第二输入差分对中的每个的第一晶体管相耦合的衰减网络包括串联的电阻串,所述第一晶体管与串中的不同分接头相耦合;并且与所述第一输入差分对和第二输入差分对中的每个的第二晶体管相耦合的衰减网络包括串联的电阻串,所述第二晶体管与串中的不同分接头相耦合。
32.如权利要求31中所述的装置,其中构成与所述第一晶体管相耦合的衰减网络的所述电阻串被进一步耦合到所述求和电路和复本电路,所述复本电路可操作以接收来自与所述第一晶体管相耦合的衰减网络的电流的一部分。
33.如权利要求31中所述的装置,其中构成与所述第二晶体管相耦合的衰减网络的所述电阻串被进一步耦合到所述求和电路和复本电路,所述复本电路可操作以接收来自与所述第二晶体管相耦合的衰减网络的电流的一部分。
34.如权利要求28中所述的装置,还包括:
与所述第一求和节点和第二求和节点相耦合的差分放大器电路,所述差分放大器电路可操作以接收于所述第一求和节点和第二求和节点上接收的来自所述跨导的电流,并产生输出电压。
35.如权利要求34中所述的装置,其中所述输出电压被耦合到所述第一输入差分对和第二输入差分对中的所述第二晶体管的栅极。
36.如权利要求34中所述的装置,其中所述差分放大器电路可操作以调节所述输出电压,以在被接收于所述第二求和节点上的跨导的电流中产生变化,使得被接收于所述第二求和节点上的跨导的电流基本上等于被接收于所述第一求和节点上的跨导的电流。
37.如权利要求28中所述的装置,还包括:
与所述高输入电压节点和所述低输入电压节点相耦合的电阻串DAC,所述电阻串DAC可操作以在所述高输入电压节点上生成高输入电压,并在所述低输入电压节点上生成低输入电压。
38.一种装置,包括:
多个输入差分对,每对包括具有初始跨导的第一晶体管和第二晶体管,每个输入差分对的所述第一晶体管和第二晶体管在源节点上耦合;
与第一部分的所述输入差分对中的第一晶体管的栅极相耦合的开关,所述开关可以响应于数字输入数据进行操作,以将所述栅极耦合到高输入电压节点或者低输入电压节点;
与每一个所述输入差分对中的第一晶体管和第二晶体管相耦合的衰减网络,所述衰减网络可操作以衰减所述第一晶体管和第二晶体管的初始跨导,以产生二进制加权的有效跨导;以及
与所述衰减网络相耦合的求和电路,所述求和电路可操作以接收所述第一输入差分对和第二输入差分对的所述第一晶体管和第二晶体管的有效跨导;
其中最后的输入差分对中的所述第一晶体管的栅极直接耦合到所述低输入电压节点,并且所述最后的输入差分对的有效跨导等于前一个输入差分对的有效跨导;并且其中第一输入差分对的有效跨导等于所述第一输入差分对的初始跨导。
39.如权利要求38中所述的装置,其中所述多个输入差分对中的输入差分对数量比所述装置所接收的数字输入数据的位数量多一个。
40.如权利要求38中所述的装置,其中:
所述求和电路在第一求和节点上耦合到与所述多个输入差分对中的每一个中的第一晶体管相耦合的衰减网络,并且在第二求和节点上耦合到与所述多个输入差分对中的每一个中的第二晶体管相耦合的衰减网络,所述求和电路可操作以结合在所述第一求和节点和第二求和节点中的每个上的有效跨导,并在所述第一求和节点上为所述多个输入差分对中的所述第一晶体管产生二进制加权的总有效跨导,并且在所述第二求和节点上为所述多个输入差分对中的所述第二晶体管产生二进制加权的总有效跨导。
41.如权利要求38中所述的装置,其中有K个输入差分对,每个输入差分对的初始跨导K-1
为Gm,而二进制加权的有效跨导是Gm/(2 )的函数。
42.如权利要求40中所述的装置,其中所述衰减网络各自包括电阻串。
43.如权利要求42中所述的装置,其中每个电阻串都被耦合到所述求和电路、复本电路、以及所述多个输入差分对中的所述第一晶体管或第二晶体管之一;
其中所述复本电路可操作以接收来自每个衰减网络的电流的一部分。
44.如权利要求40中所述的装置,其中:
与所述多个输入差分对中的每一个中的第一晶体管相耦合的衰减网络包括串联的电阻串,所述第一晶体管与串中的不同分接头相耦合;并且
与所述多个输入差分对中的每一个中的第二晶体管相耦合的衰减网络包括串联的电阻串,所述第二晶体管与串中的不同分接头相耦合。
45.如权利要求44中所述的装置,其中构成与所述第一晶体管相耦合的衰减网络的所述电阻串被进一步耦合到所述求和电路和复本电路,所述复本电路可操作以接收来自与所述第一晶体管相耦合的衰减网络的电流的一部分。
46.如权利要求44中所述的装置,其中构成与所述第二晶体管相耦合的衰减网络的所述电阻串被进一步耦合到所述求和电路和复本电路,所述复本电路可操作以接收来自与所述第二晶体管相耦合的衰减网络的电流的一部分。
47.如权利要求40中所述的装置,还包括:
与所述第一求和节点和第二求和节点相耦合的差分放大器电路,所述差分放大器电路可操作以接收于所述第一求和节点和第二求和节点上接收的来自所述跨导的电流,并产生输出电压。
48.如权利要求47中所述的装置,其中所述输出电压被耦合到所述多个输入差分对中的所述第二晶体管的栅极。
49.如权利要求48中所述的装置,其中所述差分放大器电路可操作以调节所述输出电压,以在被接收于所述第二求和节点上的跨导的电流中产生变化,使得被接收于所述第二求和节点上的跨导的电流基本上等于被接收于所述第一求和节点上的跨导的电流。
50.如权利要求40中所述的装置,还包括:
与所述高输入电压节点和所述低输入电压节点相耦合的电阻串DAC,所述电阻串DAC可操作以在所述高输入电压节点上生成高输入电压,并在所述低输入电压节点上生成低输入电压。
51.一种用于产生内插电压的方法,包括:
接收高输入电压、低输入电压、以及数字输入数据;
响应于所述数字输入数据,选择性地将多个输入差分对中的第一晶体管耦合到所述高输入电压和低输入电压;
在所述多个输入差分对中的第二晶体管上接收反馈电压;
衰减所述多个输入差分对中的所述第一晶体管和第二晶体管的初始跨导,以为所述多个输入差分对中的所述第一晶体管和第二晶体管产生二进制加权的有效跨导;
将所述第一晶体管和第二晶体管的二进制加权的有效跨导用作对差分放大器的输入;
基于所述多个输入差分对中的所述第一晶体管和第二晶体管的二进制加权的跨导,产生内插电压;
将所述内插电压用作所述反馈电压;以及
输出所述内插电压;
其中所述多个输入差分对中的输入差分对数量比所接收的数字输入数据的位数量多一个。
52.如权利要求51中所述的方法,还包括:
通过切换所述第一晶体管所耦合的电压来调节所述第一晶体管的二进制加权的有效跨导;以及
响应于所述第一晶体管的二进制加权的有效跨导中的变化,调节所述第二晶体管的二进制加权的有效跨导。

说明书全文

减少数模转换电压内插放大器输入差分对的方法和装置

技术领域

[0001] 本发明总体上涉及数模转换电路,并且更具体地涉及用于减少数模转换器电压内插放大器的输入差分对的数量的方法和装置。

背景技术

[0002] 数模转换器(DAC)架构常用于需要单调性的混合模式系统中,其中DAC充当将数字码转换为模拟信号接口。常规DAC设计通常包括差分电阻串实施方式来产生输出电压。这些设计试图通过向电压内插放大器输入这一输出电压来扩展差分电阻串DAC的分辨率
[0003] 一种这样的电阻串DAC设计包括将M位DAC与N位电压内插放大器相结合,以实N现M+N位的总分辨率,其中DAC被用以生成具有2*VLSB的电压差的两个DAC电压,该电压差是跨粗DAC电路内的电阻串中的给定电阻器的电压差。这两个DAC电压被输入到电压内插N
放大器中并被进行内插以生成最终DAC电压输出。常规电压内插放大器设计使用2 个一元加权(unary-weighted)的相同输入差分对,它们的漏极求和在一起并且各自的栅极由数字码控制。相应地,对于这些常规放大器,随着内插位N的增加,差分对的数量指数地增加。
每个差分对需要独立的电流源;因此,差分对的增加不仅需要更多的电路基板面,还造成功耗的大幅增加。因此,需要有改进的电压内插放大器设计,来降低目前的电压内插设计的电路复杂度和功耗,从而创造出节省面积与功耗的电压内插放大器。

发明内容

[0004] 本公开内容的实施方式提供电压内插放大器,其包括通过电阻衰减网络连接的N+1个输入差分对,用以提供二进制加权的有效跨导。对比于常规电压内插放大器设计,输入差分对的数量和电路所消耗的功率得到了显著地减少。
[0005] 本公开内容的前述的和其他的特征与优点将通过连同附图阅读实施方式的以下详细描述而进一步明显。详细的描述与附图仅仅是本公开内容的示例说明,而不是对本发明由附加的权利要求及其等同物所定义的范围所做出的限制。

附图说明

[0006] 实施方式在附图中通过举例的方式被示例说明,其中相似附图标记表示类似部件,并且在其中:
[0007] 图1是示例DAC架构的电路图;
[0008] 图2是包括有如图1中的DAC架构中所展示的电压内插放大器的级的大体概况;
[0009] 图3是在图1的DAC中所展示的电压内插放大器的前置放大级的示例实施方式的电路图;
[0010] 图4是示出在图3的电压内插放大器中所展示的电阻串的细节的示例说明;
[0011] 图5A和图5B示例说明用于示例复本电路和求和点的共模偏置方案;
[0012] 图6是在图1的DAC架构中所展示的电压内插放大器的低失调前置放大级的另一示例实施方式的电路图;
[0013] 图7是示例说明图6的输入差分对至电阻衰减网络的连接的电路图;
[0014] 图8是示例说明图1的电压内插放大器的内部电路的示例实施方式的电路图。

具体实施方式

[0015] 在以下描述中,相似特征或元件在整个说明书及全部附图中相应地以相同的附图标记标示。
[0016] 本公开内容提供电压内插放大器,其包括各自通过电阻衰减网络连接的N+1个输入差分对,用以提供二进制加权的有效跨导。对比于常规电压内插放大器设计,输入差分对的数量和电路所消耗的功率得到了显著地减少,因为差分对的数量对于输入位数量的任意增加仅仅线性地增加。
[0017] 现在参考图1,其示例说明了依照本公开内容而描述的总体DAC架构100,该架构包括示例DAC电路150和电压内插放大器200(又被称为“内插放大器”、“放大器”,和“amp”)。输入数据被提供给DAC架构100作为输入数据位AmpBit<1:N>和DACBit<1:M>。图1的DAC电路150是M位DAC,其接收输入数据位DACBit<1:M>,并输出高输出电压VOH,以及低输出电压VOL。DAC电路150不限于特定的DAC电路并且可包括任何差分电阻串DAC或其他DAC电路。内插放大器200是N位电压内插放大器,其接收输入数据位AmpBit<1:N>。
M位DAC电路150和N位内插放大器200构成具有M+N位总分辨率的DAC架构100。
[0018] 图1的DAC电路150包括高参考电压节点VREFHIGH和低参考电压节点VREFLOW。DAC电路150在VREFHIGH节点接收高参考电压并在VREFLOW节点接收低参考电压。DAC电路150响应于DACBit<1:M>信号,产生高输出电压和低输出电压,即VOH和VOL。对于示例电阻串DAC,两个输出电压VOH与VOL之间的电压差是跨粗DAC电路150内的电阻串中的一个电阻器的电压差。例如,如果DAC电路150是具有128个电阻器的7位DAC,并且1.024V的参考电压跨电阻串平均分配,那么跨位于这两个电压之间的一个电阻器的差异,并且因此,VOH与VOL之间的差异大约为8mV(跨128个电阻器分配1.024V)。跨电阻串中的一个电阻器的N 3电压差值还可以被表示为2*VLSB,其中VLSB=1mV。因此,如图1中所示,N=3,并且2*1mV=8mV。
[0019] 高输出电压和低输出电压VOH与VOL作为输入,与输入数据位AmpBit<1:N>一同被提供给N位电压内插放大器200。如图2中所示,电压内插放大器200包括三个级:前置放大级210、增益级220,和输出级230。一般而言,电压内插放大器200在前置放大级210处接收N个输入数据位(AmpBit<1:N>)、电压VOH和VOL,以及来自最终输出电压VOUT的反馈。每个输入差分对包括第一晶体管和第二晶体管。输入数据位AmpBit<1:N>选择性地将电压VOH和电压VOL施加到输入差分对中的第一晶体管,同时,来自于输出电压VOUT的反馈被施加到第二晶体管。输入差分对的电压在随后被衰减,以产生有效跨导,其中有效跨导是二进制加权的。来自输入差分对中的第一晶体管和第二晶体管的电流随后被发送至增益级220。为了驱动电路负载,在增益级220的输入上所接收到的来自第二晶体管的电流必须等于接收自第一晶体管的电流。为确保相等的电流,增益级220对最终输出电压VOUT进行调节,以控制与前置放大级210相连的反馈。这强制来自输入差分对中的第二晶体管的电流与来自输入差分对中的第一晶体管的电流相匹配。经调节的最终输出电压VOUT被提供在DAC架构100的输出级230上作为内插电压值。
[0020] 本公开内容的几个部件或部分可包括多重元件或元素,并且能够被表示为所述元件按照特定顺序的组。例如,图1的电压内插放大器200的输入数据包括N个位。相应地,这些位可被表示为“AmpBit<1:N>”,其中“1”和“N”以升序的顺序标示AmpBit 1或AmpBit<1>直到AmpBit N或AmpBit(及其之间的全部位)。另外,如果这些位被表示为“N:1”,则这些数字以降序的顺序标示AmpBit直到AmpBit<1>(及其之间的全部位)。这种表示法可被应用到本公开内容内的任何元素/元件的组。另外,在本公开内容提到“第K”输入差分对时,K被定义为对于输入差分对PAIR<1:N>而言的特定输入差分对编号,而不是第N+1对。例如,对于第一输入差分对(PAIR<1>)而言K=1,对于第二输入差分对(PAIR<2>)而言K=2...,并且对于第N输入差分对(PAIR)而言K=N。
[0021] 本发明的实质主要涉及电压内插放大器200的前置放大级210;因此,本领域中的技术人员应当明白,于此公开的改进的前置放大级可被应用到具有各式各样的增益提升级和输出级的各种内插放大电路,而不背离在本公开内容中所陈述和定义的本发明的范围。
[0022] 现在参考图3,其示例说明了图1中所展示的示例N位内插放大器200的低失调前置放大级210的示例实施方式。依照本公开内容,前置放大级210包括N+1个电流源,CS<1:N+1>,以及N+1个输入差分对PAIR<1:N+1>,其中电流源CS<1:N+1>相应地向输入差分对PAIR<1:N+1>提供电流,如图3中所示。每个输入差分对PAIR<1:N+1>包括第一晶体管303a和第二晶体管303b,其中每个晶体管303具有初始跨导Gm,并且每对的第一晶体管303a与第二晶体管303b的源极在源节点305处被连接在一起。同时被连接到每对的源节点305的是输入差分对PAIR<1:N+1>的相应电流源CS<1:N+1>。
[0023] 在特别参考输入差分对中的第一晶体管或第二晶体管时,将会相应地使用附图标记“303a”和“303b”。但是,在对晶体管做出一般参考,并且晶体管到底是第一晶体管还是第二晶体管是无关紧要的时候,将会使用附图标记“303”。因此,当在此使用附图标记“303”时,应当明白,对晶体管的参考适合于第一晶体管或第二晶体管,或者此全部二者。
[0024] 电压内插放大器200的前置放大级210充当利用负反馈输入的多个并联的差分放大器。前置放大级210的负反馈输入被连接为接收输入差分对的第二晶体管303b的栅极上的输出电压VOUT。相应地,每个第二晶体管303b的栅极上的电压VG等于输出电压VOUT(即,对于每个第二晶体管303b,VG=VOUT)。前置放大级210的正输入被连接为接收在高输入电压节点VINHIGH上和在低输入电压节点VINLOW上的电压。在一种实施方式中,在高输入电压节点VINHIGH上所接收的电压是来自DAC电路150的高输出电压VOH,而在低输入电压节点VINLOW上所接收的电压是来自DAC电路150的低输出电压VOL。输入差分对PAIR<1:N>的第一晶体管303a的栅极经由开关302连接到输入电压节点VINHIGH或VINLOW,而第N+1输入差分对PAIR中的第一晶体管303a直接连接到低输入电压节点VINLOW。相应地,对于输入差分对PAIR<1:N>,每个第一晶体管303a的栅极上的电压VG等于VOH或VOL;而在第N+1输入差分对的第一晶体管303a的栅极上的电压VG等于VOL。
[0025] 所述开关302由输入数据位AmpBit<1:N>所控制,从而使得当一个输入数据位AmpBit<1:N>为“1”时,相应的开关302将其相应的第一晶体管栅极连接到高输入电压节点VINHIGH,并且晶体管303a的栅极上的电压VG为VOH。当一个输入数据位AmpBit<1:N>为“0”时,相应的开关302将其相应的第一晶体管栅极连接到低输入电压节点VINLOW,并且晶体管303a的栅极上的电压VG为VOL。如图3中所示,输入数据位AmpBit<1:N>以相反顺序连接到输入差分对PAIR<1:N>,从而使输入数据位AmpBit<1:N>相应地控制与输入差分对PAIR相连的开关302。因此,第一输入差分对PAIR<1>由AmpBit所控制,而第N输入差分对PAIR由AmpBit<1>所控制。相应地,输入数据位AmpBit<1:N>被选择用以向输入差分对PAIR<1:N>的第一晶体管303a施加特定电压VOH或VOL。
[0026] 如图3中所示,第一晶体管和第二晶体管303a和303b的漏极各自连接到电阻衰减网络315。每个电阻衰减网络315为输入差分对PAIR<1:N>的每个晶体管303产生二进制加权的有效跨导,并将相连的晶体管303的电流传递到求和点306。
[0027] 对于输入差分对PAIR<1:N>,第K输入差分对的有效跨导被定义为Gm/(2K-1),其中每个输入差分对的有效跨导随着K的增加而减小。第N+1输入差分对PAIR的有效跨N-1导等于第N输入差分对的有效跨导,该值为Gm/(2 )。这可以在几种方式中实现。例如,如图3中所示,第N+1输入差分对PAIR中的晶体管303的漏极联结到第N输入差分对PAIR中的晶体管303的漏极。但是,应当明白在其他实施方式中,第N+1输入差分对中的晶体管303的漏极可以与第N输入差分对中的晶体管303的漏极相分离,并且连接到独立的电阻衰减网络315,该网络和与第N输入差分对的晶体管303的漏极相连的电阻衰减网络315是相同的。
[0028] 图4提供了图3中所示的电阻衰减网络315之一的更为详细的示例说明。每个电阻衰减网络315包括由电阻器404串联成的串402,其中每个电阻器404具有电阻值R,并且每个电阻串402被连接到其相应的晶体管303的漏极、求和点306,以及复本电路312(求和点306和复本电路312在图3和图5-图8中示出,并且在以下更加详细地描述)。每个串402中的电阻器404的数量,并且因此,初始跨导的衰减,取决于同电阻衰减网络315相K-1连的特定输入差分对。对于输入差分对PAIR<1:N>,电阻串402包括2 个电阻器404,并K-1
且衰减输入差分对的初始跨导,以提供有效跨导Gm/(2 )。第N和第N+1输入差分对再次共享同一电阻衰减网络315,因为第N+1输入差分对的漏极与第N输入差分对的漏极是相互联结的。但是,如果在另一实施方式中,第N+1输入差分对具有独立的电阻衰减网络315,则其具有与同第N输入差分对相连的电阻衰减网络315相同数量的电阻器404,并且因此也提N-1
供相同的有效跨导,Gm/(2 )。
[0029] 正如前面所提到的,每个电阻衰减网络315的电阻串402将其相应晶体管303的漏极连接到求和点306和复本电路312。相应地,流自晶体管303的电流被沿着第一路径K-1405和第二路径410导引。第一路径405连接到求和点306并具有电阻值(2 -1)R;而第二路径410连接到复本电路312并具有电阻值R。对于第K输入差分对,在求和点306上K-1
所接收到的来自第一路径405的电流可被表示为:IK=VG(K)*Gm/(2 ),其中VG(K)是与电阻衰减网络315相连的晶体管303的栅极上的电压。例如,如果电阻衰减网络315与第二输入差分对PAIR<2>的第一晶体管303a相连,那么如果输入数据位AmpBit等于“1”则VG(2)=VOH,而如果AmpBit=0则VG(2)=VOL。如果电阻衰减网络315与输入差分对的第二晶体管303b相连,则电压VG(K)等于输出电压VOUT,因为VOUT是与输入差分对中的第二晶体管303b的栅极相连的反馈电压。相应地,在第二输入差分对PAIR<2>中的晶体管303的求和点306上所接收到的电流可被表示为I2=VG(2)*Gm/2,其中如果电流是接收自第一晶体管303a的,则VG(2)为VOH或VOL(取决于输入数据位AmpBit);或者如果电流是接收自第二晶体管303b的,则VG(2)为VOUT。
[0030] 流自与第一晶体管303a相连的每个电阻衰减网络315的电流受其相应的第一晶体管303a的栅极上的电压VG中的变化的影响,该电压受输入数据位AmpBit<1:N>中的变化的影响。因此,流自与第一晶体管303a相连的电阻衰减网络315的电流是根据输入数据位AmpBit<1:N>的状态与在VINHIGH节点和VINLOW节点上所接收到的电压共同确定的。相反地,流自与第二晶体管303b相连的电阻衰减网络315的电流受第二晶体管303b的栅极上的电压VG中的变化的影响,该电压受输出电压VOUT中的变化的影响。因此,(对于输入差分对PAIR<1:N>)第一晶体管303a的电压VG可通过调节输入数据位AmpBit<1:N>而在位于VINHIGH和VINLOW的电压之间切换,同时所有输入差分对的第二晶体管303b的电压VG可通过调节VOUT而改变。通过调节电压VG,流自每个电阻衰减网络315的电流受到改变,因为该电K-1流取决于电压VG,如以上所提供的并于以下再次表达的公式中所示:IK=VG(K)*Gm/(2 )。
[0031] 返回参考图3,由每个电阻衰减网络315所提供的电流IK被接收在求和点306上。由求和点306接收到的来自与第一晶体管303a相连的电阻衰减网络315的总电流在以下被称为“第一电流”,并且由以下公式所表示:
[0032] IF=∑VG(K)*Gm/(2K-1)+VG(N+1)*Gm/(2N-1)自K=1至K=N,
[0033] 其中VG(K)等于第K输入差分对的第一晶体管303a的栅极上的电压。另外,由求和点306接收到的来自与第二晶体管303b相连的电阻衰减网络315的总电流在以下被称为“第二电流”,并且由以下公式所表示:
[0034] IS=∑VG(K)*Gm/(2K-1)+VG(N+1)*Gm/(2N-1)=∑VOUT*Gm/(2K-1)+VOUT*Gm/(2N-1)自K=1至K=N。
[0035] 正如以上所讨论,每个输入差分对中的每个晶体管303的初始跨导等于Gm。因此在求和点306上接收到的所有第一晶体管303a或者所有第二晶体管303b的总有效跨N-1 N-1导为Gm+Gm/2+Gm/4+...+Gm/(2 )+Gm/(2 )=2Gm。例如,如果N=6,则所有输入差分对PAIR<1:7>的总有效跨导为:1Gm+1/2Gm+1/4Gm+1/8Gm+1/16Gm+1/32Gm+1/32Gm=2Gm。
如这一示例中所示,第一输入差分对,PAIR<1>,具有最高有效跨导,1Gm;而第N和N+1对,PAIR<6:7>,各自具有最低有效跨导,1/32Gm。相应地,以上对第一电流IF和第二电流IS进行定义的公式可被重新定义如下:
[0036] IF=∑VG(K)*Gm/(2K-1)+VG(N+1)*Gm/(2N-1)从K=1至K=N
[0037] IS=VOUT*2Gm
[0038] 求和点306输入到增益提升级220,因此为了实现准确的跨导比率,求和点306与复本电路312必须相对于彼此正确地偏置。这是通过图5A和5B中所示的共模偏置方案而实现的,图5A和5B分别提供了示例复本电路312和求和点306的示例说明。如图5A中所示,复本电路312包括连接成二极管形式的NMOS晶体管510,该晶体管被设计用以将位于复本电路312处的信号的DC电平设置为1VGS,该电压是跨连接成二极管形式的NMOS晶体管510的栅极和源极的电压。另外,图5B示例说明了求和点306,其具有可操作以设置前置放大级210的差分增益的第一对电阻器520,以及可操作以建立求和节点306的正确共模电压的第二对电阻器525。
[0039] 图6示例说明了图1中所展示的示例N位电压内插放大器200的低失调前置放大级210的另一示例实施方式。除了与第一晶体管303a相连的多个电阻衰减网络315被第一单独电阻衰减网络615a所取代,并且与第二晶体管303b相连的多个电阻衰减网络315被第二单独电阻衰减网络615b所取代以外,图6中所示的实施方式与图3中所示的相类似。如图6中所示,第一晶体管和第二晶体管303a与303b的漏极各自分别通过第一电阻衰减网络和第二电阻衰减网络615a和615b连接到求和点306和复本电路312。
[0040] 图6的电阻衰减网络615a和615b各自包括由2N-1个串联的电阻器构成的单独的串,其中每个电阻器具有电阻值R。电阻衰减网络615a和615b与图3中所示的实施方式的电阻衰减网络315的相似之处在于,它们都可操作以衰减它们所连接的输入差分对的晶体管303的初始跨导,以提供二进制加权的有效跨导,并将所连接的晶体管303的电流传递到求和点306。
[0041] 在本实施方式中,输入差分对中的每个晶体管303的衰减取决于相应的晶体管303的漏极沿电阻串所连接的位置。但是,漏极通常与电阻串相连,从而使每个晶体管303K-1
的有效跨导为Gm/(2 ),其中每个输入差分对的每个晶体管303的有效跨导随着K的增加而减小。如同图3中所示的实施方式,第N+1输入差分对的晶体管303的漏极被联结到第N输入差分对的晶体管303的漏极。相应地,第N+1输入差分对的晶体管303的有效跨导等N-1
于第N输入差分对的晶体管303的有效跨导,其值为Gm/(2 )。
[0042] 图7被提供用来更加详细地示例说明以上依据图6所讨论的第一电阻衰减网络615a。图7中所示的第一电阻衰减网络615a被示出在6位电压内插放大器的低失调前置放大级700内。相应地,图7的前置放大级700示例说明六个输入数据位AmpBit<1:6>、七个输入差分对PAIR<1:7>,以及与输入差分对的第一晶体管303a的漏极相连的第一电阻衰减网络615a。虽然未示出,应当明白,第二电阻衰减网络615b以与第一电阻衰减网络615a连接求和点306、复本电路312,以及输入差分对的第一晶体管303a相同的方式与求和点
306、复本电路312,以及输入差分对的第二晶体管303b连接。
[0043] 图7中所示的电阻衰减网络615a包括由32(2N-1)个串联电阻器704构成的串702,其中串702被连接到复本电路312和求和点306,并且每个电阻器具有电阻值R。对于每个输入差分对,第一晶体管303a的漏极连接到电阻衰减网络615a的电阻串702,从而使来自输入差分对的第一晶体管303a的电流沿着两条路径流过电阻衰减网络615a。第一路径711连接到求和点306,而第二路径712连接到复本电路312。每个晶体管303a所连接的特定K-1位置被确定为使第一路径711与第二路径712之间的电阻值比率为(2 -1)R:R,其中第一K-1 K-1
路径711提供电阻值(2 -1)R,以及有效跨导Gm/(2 ),而第二路径具有电阻值R。第七输入差分对(PAIR<7>)的第一晶体管303a的漏极连接到第六输入差分对(PAIR<6>)的第一晶体管303a的漏极,并因此在与第六输入差分对(PAIR<6>)的第一晶体管303a相同的位置上连接到电阻衰减网络615a。
[0044] 如同图3中所示的实施方式,对于第K输入差分对,在求和点306所接收到的来K-1自特定晶体管303的第一路径711的电流可被表示为:IK=VG*Gm/(2 ),其中VG是在第一路径711所起始的特定晶体管303的栅极上的电压。例如,依据图7,如果第二输入差分对PAIR<2>的输入数据位AmpBit<5>等于“1”,那么对于PAIR<2>的第一晶体管303a而言VG=VOH(位于VINHIGH的电压)。类似地,如果AmpBit<5>=0,那么对于PAIR<2>的第一晶体管
303a而言VG=VOL(位于VINLOW的电压)。虽然未示出,但应当明白,对于所有输入差分对中的第二晶体管303b,电压VG等于输出电压VOUT,因为VOUT是连接到输入差分对中的第二晶体管303b的栅极的反馈电压。相应地,第二输入差分对PAIR<2>中的晶体管303的电流可被表示为I2=VG*Gm/2,其中如果电流是接收自第一晶体管303a的,则VG为VOH或VOL(取决于输入数据位AmpBit<5>);或者如果电流是接收自第二晶体管303b的,则VG为VOUT。
[0045] 如图7中所示的示例实施方式所遵循的,对于相应的输入对PAIR<2:7>,串702中的电阻器704划分为16:16、24:8、28:4、30:2,和31:1。这一划分示出形成于漏极同电阻串702相连的点上的两条路径的电阻值比率。这一比率能够以简化形式表示为1:1、3:1、7:1、K-1
15:1,和31:1。相应地,第一路径与第二路径之间的电阻值比率为(2 -1)R:R。应当指出的是,在该比率列表中没有考虑PAIR<1>,因为它的连接使得第一路径711的电阻值为零并K-1
且初始跨导未被衰减,并且因此等于其有效跨导(因为对于K=1,Gm/2 =Gm)。
[0046] 本公开内容的其他实施方式可包括将第一输入差分对PAIR<1>中的晶体管303的漏极直接连接到求和点,因为第一输入差分对的有效跨导等于其初始跨导。另外,分别在图3和图6中示例说明的电阻衰减网络315和615被提供作为衰减输入差分对的初始跨导的方法的示例。相应地,本公开内容不限制在此处所公开的电阻衰减网络315和615,并且可以包括其他衰减输入差分对的初始跨导的方法。此外,虽然图3和图6中的复本电路312是被示例说明为分开的,但它们可以是被所有电阻衰减网络所共享的单个电路。
[0047] 现在参考图8,其示例说明了电压内插放大器200的电路。正如以上所讨论的,求和点306接收来自与第一晶体管303a相连的电阻衰减网络的第一电流,以及来自与第二晶体管303b相连的电阻衰减网络的第二电流。第一电流和第二电流随后被提供作为对增益提升级230的输入,该增益提升级在图8中被示作运算放大器810。应当明白,运算放大器810仅仅是用于提高增益的一种方法,并且只要前置放大级210与提供出足够增益的电路相连,那么就不必要包括特定的放大器810。
[0048] 为了确保电压内插放大器200的正确工作,第一电流应当与进入求和点306的第二电流基本上相等(即,IF=IS)。运算放大器810检测求和点306的输入上的电压并且调节VOUT,使得这两个电压相等。由此产生的电压VOUT是位于输出级230上的内插电压值。正如以上所讨论的,输出级230还被用以提供低阻抗输出,作为前置放大级210的负反馈输入。
[0049] 正如前面所讨论的,第一电流是由输入数据位AmpBit<1:N>与在VINHIGH和VINLOW处接收到的电压所共同决定的,而第二电流是由输出电压VOUT所决定的。因此,为了在增益提升级220平均第一电流和第二电流,运算放大器810对输出电压VOUT进行调制,以驱动第二晶体管303b,并且从而使第二电流与第一电流相匹配。这被演示于以下公式中:
[0050] IF=IS→∑VG(K)*Gm/(2K-1)+VG(N+1)*Gm/(2N-1)=VOUT*2Gm
[0051] 2VOUT=∑VG(K)/(2K-1)+VG(N+1)/(2N-1),从K=1至K=N。
[0052] 依据输入数据位AmpBit<1:N>,调制输出电压VOUT是位于VINHIGH和VINLOW处的输入电压的内插电压。相应地,这一内插电压被提供在输出级230上作为电压内插放大器200的输出。
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