数模转换电路的制作方法

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1.本实用新型涉及集成电路设计技术领域，具体涉及一种数模转换电路。

背景技术：

2.数模转换器(digital to analog converter，简称dac)是能够将数字信号转换为模拟信号的一种信号转换器，广泛应用于需要进行信号处理的各个领域。例如可用于便携式穿戴设备，将经过数字处理的心跳等人体的信息恢复成导入前的模拟信号；亦是数字基带信号处理重要组成部分，主要将两路数字基带信号转换成模拟信号；还可用于电源管理控制芯片，根据数字配置编码进行输出电压调整，以实现精准可调电压输出等。
3.然而，在宽输出范围的电源管理控制芯片中，现有dac的输出精度有时也会发生恶化，不易调节。此外，传统电阻型dac结构实现相同功能的数模转换时所需要的器件规模大，占用版图面积大(开关数量和电阻数量是数字码值位数的两倍)，精度低。并且输入不同数字码值会导致接入电路的负载阻抗产生变化，影响系统环路稳定性，为了抵消或覆盖该变化需要额外设计对应的补偿网络，增加设计难度及复杂度，增大版图面积，提高芯片成本同时降低集成度。
4.因此，有必要提供改进的技术方案以克服现有技术中存在的以上技术问题。

技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种数模转换电路，在参考电压输入端和电阻网络之间设置单位增益放大器以为参考电压提供电流驱动能力，同时隔离参考电压与后端负载，保证参考电压不受负载阻抗变化的干扰。同时，使用具有r-2r电阻梯结构的电阻网络和开关阵列，能够有效减少使用的电阻数量及产生端口数量，减小该功能模块占用的版图面积，提高芯片集成度，且在包含有r-2r电阻梯结构的电阻网络中额外串接电阻来实现输出，能够在更低的温度敏感度下获得更精确的步进及输出电压设计。
6.根据本公开第一方面，提供了一种数模转换电路，包括：第一运算放大器，正相输入端接收第一参考电压，反相输入端与输出端连接，所述第一运算放大器用于根据第一参考电压提供具有带载能力的第二参考电压，所述第二参考电压的电压值与所述第一参考电压的电压值相同；
7.转换单元，与所述第一运算放大器的输出端连接，所述转换单元用于根据所述第二参考电压对数字输入信号进行转换，并输出对应的模拟电压。
8.可选地，所述转换单元包括：
9.电阻网络，包括耦合在参考电压输入端与所述转换单元的输出端之间的r-2r电阻梯结构；
10.开关阵列，包括耦接在所述电阻网络与第一参考电压输入端之间的多个第一开关，以及耦接在所述电阻网络与第三参考电压输入端之间的多个第二开关，
11.其中，所述第一参考电压输入端与所述第一运算放大器的输出端连接。
12.可选地，所述第三参考电压输入端与参考地连接。
13.可选地，所述数模转换电路还包括：
14.第二运算放大器，所述第二运算放大器的正相输入端接收第三参考电压，所述第二运算放大器的反相输入端与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第二运算放大器用于根据第三参考电压提供具有带载能力的第四参考电压，所述第四参考电压的电压值与所述第三参考电压的电压值相同，
15.其中，所述第三参考电压输入端与所述第二运算放大器的输出端连接。
16.可选地，所述第一参考电压与所述第三参考电压的差值的绝对值大于0。
17.可选地，所述电阻网络包括：
18.主干电阻串，包括串联连接的多个第一电阻；
19.分支电阻串，包括与所述多个第一电阻耦接且并联连接的多个第二电阻，
20.其中，每个第一电阻的阻值均为任一第二电阻的阻值的一半。
21.可选地，所述电阻网络还包括第三电阻，耦接在所述主干电阻串与所述转换单元的输出端之间，所述第三电阻用于实现对所述数模转换电路的步进值的调节。
22.可选地，所述数模转换电路的步进值至少与所述第三电阻和任一第一电阻或任一第二电阻的阻值的比值相关联。
23.可选地，所述第三电阻和任一第一电阻的阻值的比值越小，和/或所述数字输入信号的位数越多，所述数模转换电路的步进值越小。
24.可选地，所述数模转换电路还包括解码器电路，所述解码器电路用于对所述数字输入信号进行解码以生成控制所述多个第一开关和所述多个第二开关的多个控制信号。
25.本实用新型的有益效果至少包括：
26.采用本实用新型的技术方案，能够保证参考电压不受负载阻抗变化的干扰，也能够在更低的温度敏感度下获得更精确的步进及输出电压设计，有利于减少dac所需的器件数量和降低版图面积，实现稳定且高精度的数模转换。
27.应当说明的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本实用新型。
附图说明
28.图1示出根据本实用新型第一实施例提供的数模转换电路的结构示意图；
29.图2示出根据本实用新型第二实施例提供的数模转换电路的结构示意图；
30.图3示出某数字输入信号下图1中转换单元的等效示意图；
31.图4示出某数字输入信号下图3中转换单元的等效示意图；
32.图5示出某数字输入信号下图4中转换单元的等效示意图。
具体实施方式
33.为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。
34.应当理解，在以下的描述中，当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
35.本实用新型公开了一种数模转换电路100，如图1和图2所示，该数模转换电路100可用于将4位数字输入信号d《0,3》(包括d《0》、d《1》、d《2》、d《3》)转化成模拟电压vout并进行输出。可以理解，本文实施例中由数模转换电路100对4位数字输入信号d《0,3》进行数模转换仅是一种示例性的说明，本实用新型技术方案还可适用于对更多位或更少位的数字输入信号进行数模转换来输出模拟电压vout，本实用新型对此不做限定。
36.本实用新型公开的数模转换电路100包括：第一运算放大器110和转换单元120。
37.第一运算放大器110被连接成单位增益缓冲器结构，用于根据第一参考电压vref1提供具有带载能力的第二参考电压(记为va)，该第二参考电压va的电压值与第一参考电压vref1的电压值一致。该第二参考电压va能够为参考电压源提供电流驱动能力，进而实现码值切换时第一运算放大器110的输出端即节点a的电压的稳定性。具体地，第一运算放大器110的供电端接收电源电压vdd，第一运算放大器110的正相输入端接收第一参考电压vref1，第一运算放大器110的反相输入端与其输出端连接构成环路。转换单元120与第一运算放大器110的输出端连接，该转换单元120用于根据第二参考电压va对数字输入信号d《0,3》进行转换，并输出对应的模拟电压vout。
38.由于第一参考电压vref1没有直流驱动能力，若直接将该第一参考电压vref与转换单元120相连并接入电路，电路中产生的电流会破坏参考电压环路，导致该第一参考电压vref1的输出值发生变化，从而会严重影响模数转换电路的性能。因此，本实用新型中设置由电源电压vdd为第一运算放大器110提供静态直流偏置以使该第一运算放大器110处于正常工作状态，并设计将该第一运算放大器110的输出端与其反相输入端相连构成单位增益放大器来为第一参考电压vref1提供电流驱动即带载能力。通过将第一运算放大器110的反相输入端与输出端相连构成环路，使得在第一运算放大器110在正常工作时能够通过环路反馈使其输出端电压即节点a的节点电压va始终等于其正相输入端输入的第一参考电压vref1。也能够起到对第一参考电压vref1与输出端电压va的隔离作用，保证第一参考电压vref1不受负载阻抗变化的干扰。此外，第一运算放大器110的输出端的电流驱动能力，能够根据环路调整来自适应的提供所需要的电流，驱动性更强，稳定性更高。
39.本实用新型提供的数模转换电路100结构能够提供固定阻抗，使得单位增益缓冲器环路只需要工作在单一环境，能够有效地减小单位增益缓冲器的设计难度及简化补偿环路设计，提高了系统工作稳定性。
40.本实用新型一些示例中，转换单元120进一步包括：电阻网络121和开关阵列122。电阻网络121包括耦合在参考电压输入端(包括第一参考电压输入端和第三参考电压输入端)与转换单元的输出端即模拟电压vout输出端之间的r-2r电阻梯结构。
41.电阻网络121包括：主干电阻串和分支电阻串。主干电阻串包括串联连接的多个第一电阻。分支电阻串包括与多个第一电阻耦接且并联连接的多个第二电阻。其中，每个第一电阻的阻值均为任一第二电阻的阻值的一半。本实用新型实施例中，n位的dac中包含n+1个并联的电阻分支，每个电阻支路上均包含有一个第二电阻，n为大于1正整数。
42.参考图1和图2，以4位的r-2r型dac为例，电阻网络121包括多个第二电阻(r1～r5)、以及多个第一电阻(r6～r9)。电阻r1至电阻r5构成电阻网络121的分支电阻串，电阻r6至电阻r9构成电阻网络121的主干电阻串。电阻r1的第一端和电阻r2的第一端直接连接，电阻r2和电阻r3的第一端通过电阻r6连接，电阻r3和电阻r4的第一端通过电阻r7连接，电阻r4和电阻r5的第一端通过电阻r8连接，电阻r5的第一端还与电阻r8和电阻r9的中间节点连接。
43.开关阵列122包括耦接在电阻网络121与参考电压输入端之间的多个开关(包括开关k1、开关k2、开关k3、开关k4)。其中，参考电压输入端包括第一参考电压输入端和第三参考电压输入端。第一参考电压输入端对应为第一运算放大器110的输出端。
44.示例性地，在本实用新型第一实施例中，如图1所示，第三参考电压输入端与参考地连接，也即第三参考电压(记为vref2)对应为参考地电位。本实施例中，电阻r1的第二端与参考地连接，电阻r2的第二端通过开关k1与分别与第一运算放大器110的输出端和参考地连接，电阻r3的第二端通过开关k2与分别与第一运算放大器110的输出端和参考地连接，电阻r4的第二端通过开关k3与分别与第一运算放大器110的输出端和参考地连接，电阻r5的第二端通过开关k4与分别与第一运算放大器110的输出端和参考地连接。
45.在本实用新型第二实施例中，如图2所示，数模转换电路100还包括第二运算放大器140，且第三参考电压输入端与第二运算放大器140的输出端连接。本实施例中，该第二运算放大器140也被连接成单位增益缓冲器结构，用于根据第三参考电压vref2提供具有带载能力的第四参考电压(记为vb)，该第四参考电压vb的电压值与第三参考电压vref2的电压值一致。该第四参考电压vb能够为参考电压源提供电流驱动能力，进而实现码值切换时第二运算放大器140的输出端即节点b的电压的稳定性。具体地，该第二运算放大器140的正相输入端接收第三参考电压vref2，该第二运算放大器140的反相输入端与第二运算放大器140的输出端(即节点b)连接构成环路。可以理解，第二运算放大器140的功能和作用与第一运算放大器110的相似，因此可参考前述对第一运算放大器110的相关描述进行理解，此处不再详述。
46.本实施例中，第一参考电压vref1与第三参考电压vref2的差值的绝对值大于0。因此，本实施例中的数模转换电路100可在第一参考电压vref1与第三参考电压vref2之间实现对数字输入信号d《0,3》的数模转换。
47.可选地，在本实用新型一些示例中，开关阵列122中的多个开关包括多个第一开关和多个第二开关。多个第一开关耦接在电阻网路121和第一参考电压输入端之间，多个第二开关耦接在电阻网络121与第三参考电压输入端之间。此时，多个第一开关和多个第二开关例如为双极型晶体管、可控硅和场效应晶体管中的任一。换言之，多个开关中的每个开关均对应包括一个第一开关和一个第二开关。在本实用新型另一些示例中，开关阵列122中的多个开关包括多个二选一选择开关，例如为继电器开关。此时，每个开关的公共端与电阻网络121中对应的第二电阻的第二端连接，每个开关的第一选择端与第一参考电压输入端连接，每个开关的第二选择端与第三参考电压输入端连接。
48.进一步地，数模转换电路100还包括解码器电路130。该解码器电路130用于对数字输入信号进行解码以生成控制该多个开关的多个控制信号。
49.当该多个控制信号中的某个控制信号具有第一电平状态时，可控制对应的开关连
通对应第二电阻的第二端与第一参考电压输入端；当该多个控制信号中的某个控制信号具有第二电平状态时，可控制对应的开关连通对应第二电阻的第二端与第三参考电压输入端。本实用新型中，数字输入信号的位数小于等于多个第二电阻中第二电阻的个数。示例性地，以开关k1为例，当多个控制信号中对应控制开关k1的控制信号具有第一电平状态时，可控制开关k1连通电阻r2的第二端与第一参考电压输入端；当该控制信号具有第二电平状态时，可控制开关k1连通电阻r2的第二端与第三参考电压输入端。
50.本实用新型实施例中，使用具有r-2r电阻梯结构的电阻网络和开关阵列，能够有效减少使用的电路中的电阻数量及端口数量，从而有利于减小该功能模块占用的版图面积，提高芯片集成度。
51.在本实用新型的优选实施例中，电阻网络121还包括第三电阻r10。该第三电阻r10与主干电阻串中的多个第一电阻均为串联连接，其中，第三电阻r10的第一端与电阻r9连接，第三电阻r10的第二端与转换单元120的输出端连接。该第三电阻r10用于实现对数模转换电路100的步进值的调节。
52.示例性地，以第三参考电压vref2等于零，数字输入信号d《0,3》为“0001”，且开关k1由数字输入信号中的d《0》位对应控制，开关k2由数字输入信号中的d《1》位对应控制，开关k3由数字输入信号中的d《2》位对应控制，开关k4由数字输入信号中的d《3》位对应控制为例。其中，当某数字输入信号位为0时，其对应的控制信号为低电平，可控制对应的开关连通电阻网络121和第三参考电压输入端即参考地，当某数字输入信号位为1时，其对应的控制信号高电平，可控制对应的开关连通电阻网络121和第一参考电压输入端。此时，转换单元120可等效为图3。
53.在电阻网络121中，由于各电阻的阻值之间存在如下关系：r1＝r2＝r3＝r4＝r5＝2*r6＝2*r7＝2*r8＝2*r9，若设电阻r1的阻值为x(x为正数)，则有：r1＝r2＝r3＝r4＝r5＝2x；r6＝r7＝r8＝r9＝x。
54.从节点c进行电路等效分析可得：节点c到参考地的等效阻抗为电阻r2与电阻r1并联后的等效阻抗，即r
ceq
＝(r1//r2)＝x；再从节点d进行等效阻抗分析可得，节点d到参考地的等效阻抗为节点c对参考地的等效阻抗r
ceq
先与电阻r6串联再与电阻r3并联后的等效阻抗，即r
deq
＝(r3//(r6+r
ceq
))＝x。同理即节点c、d、e进行等效阻抗分析得到的等效阻抗均为单位阻值x，因此从节点f到参考地的电阻进行等效分析为电阻r8与等效电阻r
eeq
串联，即r
feq
＝r8+r
eeq
＝2x，如图4所示。
55.等效电压分析：由于电阻存在以下关系：r5＝r8+r
eeq
＝2x，可以得到节点f的等效电压为vref1/2。进而将图4中虚线框内的部分进行戴维南等效分析可以得到如图5所示的电压源串联电阻的等效电路。此时，数模转换电路100中的电阻网络121整体可等效为电阻r10、电阻r9、等效电阻r
feq
与电压源v1串联的结构，且由此时的数字输入信号“0001”可得到v1＝vref1/2。
56.根据上述分析可以推论得到，电压源v1的等效电压会跟随数字输入信号d《0,3》的变化而变化，具体关系如下：
57.v1＝d《0》*vref1/16+d《1》*vref1/8+d《2》*vref1/4+d《3》*vref1/2。
58.因此可以进一步推导得到：
59.vout＝((2*r9+r10)/(2*r9))*vfb+(1-(2*r9+r10)/(2*r9)))*v1
60.＝(1+(r10/(2*r9)))*vfb-(r10/(2*r9))*v1
61.＝(1+(r10/(2*r9)))*vfb-(d《0》*vref1/16+d《1》*vref1/8+d《2》*vref1/4+d《3》*vref1/2)*(r10/(2*r9))，其中，vfb为电阻r9和电阻r10的公共连接节点的电压。
62.由此可知，数模转换电路100输出的模拟电压vout与vfb之间存在一次函数关系，可以通过数字输入信号d《0,3》的码值对模拟电压vout进行配置从而得到精确的输出结果。
63.此外，由上述描述还可获知，该数模转换电路100的步进值为(r10/(2*r9))*(vref/16)。也即，数模转换电路100的步进值至少与第三电阻r10和任一第一电阻或任一第二电阻(如电阻r9)的阻值的比值相关联，通过调整该比值能够获得不同的精确的步进值和输出电压设计。且由于该步进值为以两电阻相除作为关联项，因此其温度敏感度在同等条件下会更低，进而即使数模转换电路100处于环境温度变化较大的工作状态下也能保持其高精度的性能要求。
64.其中，第三电阻r10和任一第一电阻或任一第二电阻的阻值的比值越小，数模转换电路100的步进值越小，数模转换电路100的电压转换精度越高。可以理解，第三电阻r10的阻值可以为符合步进值要求的任意值。
65.此外，数模转换电路100的步进值还与数字输入信号的位数相关。例如，在数模转换电路100所接收的第一参考电压(或第一参考电压与第三参考电压的差值的绝对值)不变的情况下，数字输入信号的位数越多，数模转换电路100的步进值越小。
66.应当理解，当本实用新型技术方案被应用在对具有其他位数的数字输入信号的数模转换应用中来输出对应的模拟电压时，仅需按照相同或相似的转换单元架构增加或减少转换单元中相应的电阻数量和开关数量即可，由此而产生的数模转换电路结构也应在本实用新型的保护范围之内。
67.最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

技术特征：

1.一种数模转换电路，其特征在于，包括：第一运算放大器，正相输入端接收第一参考电压，反相输入端与输出端连接，所述第一运算放大器用于根据第一参考电压提供具有带载能力的第二参考电压，所述第二参考电压的电压值与所述第一参考电压的电压值相同；转换单元，与所述第一运算放大器的输出端连接，所述转换单元用于根据所述第二参考电压对数字输入信号进行转换，并输出对应的模拟电压。2.根据权利要求1所述的数模转换电路，其特征在于，所述转换单元包括：电阻网络，包括耦合在参考电压输入端与所述转换单元的输出端之间的r-2r电阻梯结构；开关阵列，包括耦接在所述电阻网络与第一参考电压输入端之间的多个第一开关，以及耦接在所述电阻网络与第三参考电压输入端之间的多个第二开关，其中，所述第一参考电压输入端与所述第一运算放大器的输出端连接。3.根据权利要求2所述的数模转换电路，其特征在于，所述第三参考电压输入端与参考地连接。4.根据权利要求2所述的数模转换电路，其特征在于，所述数模转换电路还包括：第二运算放大器，所述第二运算放大器的正相输入端接收第三参考电压，所述第二运算放大器的反相输入端与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第二运算放大器用于根据第三参考电压提供具有带载能力的第四参考电压，所述第四参考电压的电压值与所述第三参考电压的电压值相同，其中，所述第三参考电压输入端与所述第二运算放大器的输出端连接。5.根据权利要求4所述的数模转换电路，其特征在于，所述第一参考电压与所述第三参考电压的差值的绝对值大于0。6.根据权利要求2所述的数模转换电路，其特征在于，所述电阻网络包括：主干电阻串，包括串联连接的多个第一电阻；分支电阻串，包括与所述多个第一电阻耦接且并联连接的多个第二电阻，其中，每个第一电阻的阻值均为任一第二电阻的阻值的一半。7.根据权利要求6所述的数模转换电路，其特征在于，所述电阻网络还包括第三电阻，耦接在所述主干电阻串与所述转换单元的输出端之间，所述第三电阻用于实现对所述数模转换电路的步进值的调节。8.根据权利要求7所述的数模转换电路，其特征在于，所述数模转换电路的步进值至少与所述第三电阻和任一第一电阻或任一第二电阻的阻值的比值相关联。9.根据权利要求8所述的数模转换电路，其特征在于，所述第三电阻和任一第一电阻的阻值的比值越小，和/或所述数字输入信号的位数越多，所述数模转换电路的步进值越小。10.根据权利要求2所述的数模转换电路，其特征在于，所述数模转换电路还包括解码器电路，所述解码器电路用于对所述数字输入信号进行解码以生成控制所述多个第一开关和所述多个第二开关的多个控制信号。

技术总结

本实用新型公开了一种数模转换电路，包括：第一运算放大器，正相输入端接收第一参考电压，反相输入端与输出端连接，第一运算放大器用于根据第一参考电压提供与第一参考电压的电压值一致且具有带载能力的第二参考电压；转换单元，与第一运算放大器的输出端连接，转换单元用于根据第二参考电压对数字输入信号进行转换，并输出对应的模拟电压。能够保证参考电压不受负载阻抗变化的干扰，也能够在更低的温度敏感度下获得更精确的步进及输出电压设计，有利于减少DAC所需的器件数量和降低版图面积，实现稳定且高精度的数模转换。实现稳定且高精度的数模转换。实现稳定且高精度的数模转换。