專利名稱：指數數字模擬轉換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及指數數字模擬轉換器(DAC)。
背景技術：
數字模擬轉換是將具有幾個(典型地是兩個)限定的等級或狀態(tài) 的信號轉換為具有量化的模擬狀態(tài)的信號的過程。數字信號典型地具 有兩個狀態(tài)零和一。然而，當通過數字模擬轉換器(DAC)已經解
碼了二進制的數字信號時，作為結果的模擬值具有相對大數目的狀態(tài)， 并以變動頻率或振幅的電子信號來傳送數據，其中，可以將變動頻率 或振幅的電子信號添加到給定頻率的載波，以產生例如語音、圖像、 樂音或機械運動等形式的輸出。
典型地，DAC的傳輸特性是線性的，并且以偏置信號為例，通常 通過線性DAC是可編程的。然而，在線性DAC的情況下，步長(stepsize ) 是固定的，由最小的所要求的步(step)來指示。在使用線性DAC產 生偏置信號時，這意味著步的影響在低DAC值處遠大于在高DAC值 處。許多偏置電流執(zhí)行某種乘法函數，在這種情況下，指數DAC可能 是優(yōu)選的，因為每一步具有相同的"相對影響"，因此在整個DAC范 圍上一步的影響實質上是相同的，也就是，在低DAC值處為小增量， 在高DAC值處為大增量。這種情況下，以百分比來計量每步的影響， 例如，每一步表示10%的增長。使用指數DAC的附加優(yōu)點是，需要更 少的比特來覆蓋要求的范圍。
美國專利No. 6,392,574描述了 一種基于傳統(tǒng)線性DAC的指數 DAC，其中將部分(a)輸出電流反饋至輸入端。然而，正反饋環(huán)路 的使用可以引起內在的不穩(wěn)定性，所提出的設計對反饋至輸入端的部 分(o0輸出電流的變化(例如，由失配引起的)非常敏感。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于指數數字模擬轉換的系統(tǒng)和 方法，其中，相對于現有技術，設計實現更強健并且內在地更穩(wěn)固。
根據本發(fā)明，提供了一種用于產生可編程指數模擬輸出信號的系 統(tǒng)，該系統(tǒng)包括輸入端，用于接收輸入；數字模擬轉換電路，用于
將數字碼字轉換為模擬輸出信號，數字模擬轉換電路由多個部^i^實現，
并具有由所述部件的值的比例限定的實質指數傳輸函數；和輸出端， 用于輸出所述模擬輸出信號。
因此，基于變化的數字輸入值，模擬輸出信號是可編程的，并且 基于部件值的比例，近似了指數傳輸函數。
有利地，所述數字模擬轉換電路包括采用電流鏡配置的多個晶體 管，由所述電流鏡的鏡像比限定指數傳輸函數。有利地，傳輸函數是
，a^的形式，其中N是固定值，x由數字輸入值限定，Iout和Iin
分別是所述電路的輸出和輸入電流。在由電流鏡實現數字模擬轉換電
路的情況下，N與晶體管器件的數目成比例。所述傳輸函數的每個值 是由限定數字模擬轉換電路的步的數字輸入值范圍限定的一組值，優(yōu) 選地，相鄰步之間的比率在所述范圍上實質上是常數。在本發(fā)明的一 個示例實施例中，在所述鏡像晶體管之間提供限定所述數字模擬轉換 電路的比特數目的多個晶體管，將所述多個晶體管從輸入端切換至輸 出端以實現所需模擬輸出信號。可以將晶體管制作成實質上相等的尺 寸。這種情況下，晶體管可以包括單位晶體管或其縮放型式。在可選 示例實施例中，可以將晶體管相對于彼此進行二進制加權。
優(yōu)選地，在線性解碼器的控制下，能夠將多個晶體管從輸入端切 換至輸出端。線性解碼器可以包括至少一個"與"門和至少一個"或" 門，將其布置和配置為在切換晶體管之間具有延遲，延遲實質上等于
門延遲。
通過參考這里詳細描述的實施例，本發(fā)明的這些和其它方面將顯 而易見，并得以闡明。


現在將通過示例和參考附圖，描述本發(fā)明的實施例，附圖中 圖la是根據本發(fā)明示例實施例的系統(tǒng)中帶有單位晶體管的傳輸
曲線^的圖示；其中，曲線A表示N40的情況，曲線B表示N-18的
情況 其中X (由DAC輸入值限定)從-8到=8變化；
圖lb是圖la的曲線(A和B)與真實指數的偏差(％)的圖示(分 別是曲線A'和B');
圖2圖示了根據本發(fā)明示例實施例的用于系統(tǒng)中晶體管的縮放權 重(scaled weight);
圖3圖示了 (曲線B")根據本發(fā)明示例實施例的對系統(tǒng)的電流鏡 晶體管使用縮放權重對于曲線B (圖la)的影響；
圖4是根據本發(fā)明第一示例實施例的以溫度計碼為基礎的DAC的 示意電路圖5是根據本發(fā)明第二示例實施例的以二進制碼為基礎的DAC的 示意電路圖6是示出了根據本發(fā)明示例實施例的供在實現系統(tǒng)時使用的單 位解碼器單元的示意圖和符號；以及
圖7、 8和9分別示意性示出了根據本發(fā)明示例實施例的用于系統(tǒng) 的2線、3線和4線解碼器。
具體實施例方式
因此，本發(fā)明涉及一種用于產生指數可編程電流(也就是以dB步 可編程)的機制，具有相鄰兩步之間的比例近似是常數的特征。這種 情況下，每一步表示相同百分比的增長。在下文中，將描述本發(fā)明的 兩個示例實施例第一，具有可編程鏡像比的電流鏡；第二，適于控 制上述第一實施例的、基于樹的溫度計解碼器(tree based thermometer decoder)。
本發(fā)明的如下示例實施例基于如下事實對于lx卜W-M (其中M用于控制傳輸曲線的斜率，X取決于DAC輸入值)，函數^lf具有很
好的指數行為。因為分子和分母的總和是常數(也就是，當可編程DAC 輸入值是零時，使得傳輸函數是l并且Iout^in)，所以該行為通過使用 電流鏡(其中可以由開關控制將多個晶體管從輸入切換至輸出)可以 容易地實現?！?
下文中將使用以下定義
N = DAC比特數目
D = DAC輸入值(二進制數)
n = m + 2"，其中MX); M控制能夠實現的最大范圍(增益) x (D) =d_2"-'
換言之，其中輸出電流/贈-(^2一的DAC在上述范圍上將具有
近似指數的傳輸函數，其中(^t三)限定步長。因為x取決于(可控制的)
DAC輸入值(分子和分母的總和是常數)，所以當DAC輸入值是零時， Iou，Iin，使得可以通過電流鏡配置來實現傳輸函數。
n表示在平衡點一側的器件的數量(因此2fN是器件的總數)。值
x可以是負的(將器件從輸出端移走，將其切換至輸入端)或正的(將 從輸入端移走的器件添加到輸出端)。M0和M1表示在兩側的固定器件 的數目。這顯著地減少了可以實現的比率，從而控制斜率(或增益)。 M0和M1不需要一定是相等的。這里將M定義為(M0+M1)/2，并將M單
獨引入以簡化公式。
圖la示出了在此分別用于M^2和IVN10的傳輸曲線A和B。選擇對
于M (=2)的極低值來表示曲率。M的值控制能夠對輸出電流進行編 程的范圍越高的M將導致越低的范圍(-越低的增益)，然而也更為 精確。應該認識到，在此所示出的圖中的步被詮釋為表現出平滑的曲 線圖，然而步實際上是離散的。因此，如圖lb所示，當M-2(曲線A') 時，增益可以更大而傳輸曲線與真實指數的偏差是顯著的，然而當 M—0時，增益更低而傳輸曲線(B')與真實指數的偏差不明顯得多。更具體地，考慮M:2， x (=D_2"-')是-8至+8 (從而N40)，且 n=4。這種情況下，有
給出相鄰步之間的比率0.61， 0.72， 0.76， 0.77， 0.80， 0.81， 0.82， 0.82， 0.82， 0.81， 0.81， 0.80， 0.78， 0.71， 0.63。
因此，兩個相鄰值之比在15% "常數"之內。
有時，需要更精確。選擇更大的M可能足夠了，然而，還可以通 過將單位尺寸晶體管替換為縮放型式的晶體管，將傳輸線性化，以產 生真實的指數。
考慮N^10的情況，另一方面，N=18，得到的步長是
10/ 11/ 12/ 13/ 14/ 15/ 16/ 17/ 18/ 19/ 20/ 21/ 22/ 23/ 24/ 25/ 26/ 726， /25, 724' 723' 722' 721， 720' /l9， 7l8， 7l7， 7l6， /l5, 74' 7l2， 7ll， 7l0，
給出相鄰步長之間的比率0.86， 0.88， 0.88， 0.89， 0,90， 0.89， 0.90， 0.89， 0.89， 0.90， 0.89， 0.89， 0.89， 0.89， 0.88， 0.87，也就是在整 個范圍上更接近相鄰步長之間的所需常數比率，然而范圍本身已經減 小了。
如圖4和5所示，可以使用電流鏡100實現圖1的曲線(B)?？梢詫?電流鏡中的晶體管做成相等的尺寸(圖4:溫度計碼)或進行二進制加 權(圖5)。寬度M0和M1的晶體管控制控制范圍的對稱性(M= (M0+M1) /2)。為MO和Ml選擇不同的值事實上僅改變x (D)函數 中的"偏移"?；跍囟扔嫶a的型式(圖4)將具有更小的跳動，并且 當使用有效的溫度計解碼器時將不會顯著地大于二進制加權的型式 (見以下關于圖6-9的描述)。
在需要更精確然而選擇更大的M不是選項(由于以上提到的范圍 減小)時，可以將溫度計型式的單位晶體管(在圖4中與50...515連接)
替換為縮放型式(見圖2) =,X(D)2 (略小于O，以產生真實指
數傳輸函數(如圖3所示)。
因為本發(fā)明的上述實施例是基于電流鏡的，所以顯然，各晶體管 中失配的影響是非常有限的(沒有乘法出現)，此外，在小DAC值處影響也是小的，并且對于越高的DAC值影響越大，然而輸出電流和失 配電流之間的比例幾乎是常量。
本發(fā)明的示上述例實施例是基于電流鏡的，然而顯然，可以將其 擴展為任何基于部件值比例的(例如，采用增益由電阻器比例確定的
反向OpAmp配置)、實現指數傳輸函數的電路。在具有可編程增益的 (反向)放大器的情況下，增益二R1/R2，其中R1是從運算放大器的輸 出端至反向輸入端的電阻器，R2是輸入電阻器(從電路輸入端至運算 放大器的反向輸入端)。設想這樣的電路，其中電阻器R1和R2替換為 --系列串聯連接的(單位)電阻器以及開關陣列(可以從抽頭中的(僅) 一個連接到運算放大器的反向輸入端)。在有2N個電阻器時，可以將 增益改寫為
增益R2/R1二(N+Rx)/(N-Rx)，其中x在-N+M至2N-M的范圍內。
所以該電路是(線性)放大器，能夠以指數步(-采用dB的線性) 編程該放大器的增益。
溫度計解碼器將二進制輸入(D)轉化為溫度計編碼的字(開始 D比特為高，其余為低)。在圖6至9中示出了用于實現溫度計解碼器的 有效裝置。單位構造模塊是采用"與"門和"或"門的2線解碼器(圖 6)。為了在切換碼字時最小化跳動能量，選擇延遲與門延遲相等。圖7、 8和9示出了對于2、 3和4輸入的解碼器的實現。
本發(fā)明的實現具有許多優(yōu)點，包括
1、 內在的穩(wěn)固性；
2、 相對于現有技術更加強健的設計；
3、 更小的面積，因為其對于部件失配不敏感；
4、 非常直接的前向實現；
5、 能夠將其線性化以遵循準確的指數曲線(如圖3所示)。 本發(fā)明尤其適合用于(深)超微CMOS工藝；應用的范圍包括 -可編程偏置電路；
-對數/指數數字模擬轉換； -對數/指數模擬數字轉換；和 -功率控制電路。
權利要求
1、一種用于產生可編程指數模擬輸出信號的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括輸入端(In)，用于接收輸入；數字模擬轉換電路(100)，用于將數字碼字轉換為模擬輸出信號，數字模擬轉換電路(100)由多個部件實現，并具有由所述部件的值的比例限定的實質指數傳輸函數；和輸出端(Out)，用于輸出所述模擬輸出信號。
2、 根據權利要求l的系統(tǒng)，其中，所述數字模擬轉換電路(100) 包括采用電流鏡配置的多個晶體管，由所述電流鏡的鏡像比限定所述 指數傳輸函數。
3、 根據權利要求l的系統(tǒng)，其中，所述傳輸函數是，<formula>formula see original document page 2</formula>的形式，其中N與所述部件值成比例，x由數字輸入值限定，Iout和Iin分 別是所述電路的輸出和輸入電流。
4、 根據權利要求3的系統(tǒng)，其中，由電流鏡實現所述數字模擬轉 換電路(100)。
5、 根據權利要求l的系統(tǒng)，其中，所述傳輸函數的每個值是由限 定數字模擬轉換電路(100)的步的數字輸入值范圍限定的一組值。
6、 根據權利要求5的系統(tǒng)，其中，在所述鏡像晶體管之間提供限 定所述數字模擬轉換電路(100)的比特數后的多個晶體管，將所述多 個晶體管從輸入端切換至輸出端以實現所需模擬輸出信號(Out)。
7、 根據權利要求6的系統(tǒng)，其中，晶體管是單位晶體管。
8、 根據權利要求7的系統(tǒng)，其中，所述晶體管是縮放的。
9、 根據權利要求8的系統(tǒng)，其中，將所述晶體管相對于彼此進行 二進制加權。
10、 根據權利要求7的系統(tǒng)，其中，在線性解碼器的控制下，能夠將所述多個晶體管從所述輸入端切換至輸出端。
11、 根據權利要求10的系統(tǒng)，其中，所述線性解碼器包括至少一 個"與"門和至少一個"或"門，將其布置和配置為在切換晶體管之 間具有延遲，所述延遲實質上等于門延遲。
全文摘要
一種用于產生可編程指數模擬輸出信號的系統(tǒng)，包括數字模擬轉換電路，用于將所述數字信號轉換為模擬輸出信號，數字模擬轉換電路具有由部件的值的可編程比例限定的實質指數傳輸函數。優(yōu)選地，將轉換電路實現為電流鏡(100)，由鏡像比限定指數傳輸函數。因此，電流鏡(100)的每個晶體管限定數字模擬轉換電路的步，相鄰步之間的比率實質上是常數?？梢詫⒕w管做成實質上相等的尺寸或相對于彼此進行二進制加權，并且在基于樹的溫度計線性解碼器的控制下，可以將其從輸入端切換至輸出端。
文檔編號H03M1/66GK101416396SQ200780006005
公開日2009年4月22日 申請日期2007年2月6日 優(yōu)先權日2006年2月21日
發(fā)明者保羅·馬特曼 申請人:Nxp股份有限公司