數(shù)模轉(zhuǎn)換器及數(shù)模轉(zhuǎn)換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子領(lǐng)域，尤其涉及一種數(shù)模轉(zhuǎn)換器及數(shù)模轉(zhuǎn)換方法。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter，簡(jiǎn)稱(chēng):DAC)被廣泛應(yīng)用于各種電子電路系統(tǒng)中。在DAC的設(shè)計(jì)過(guò)程中，常采用分段結(jié)構(gòu)，分別對(duì)數(shù)字碼流的不同的段進(jìn)行編碼，例如:對(duì)于N位的DAC，對(duì)N位的數(shù)字碼流進(jìn)行編碼，將高M(jìn)位采用溫度計(jì)編碼的編碼方式，低N-M位采用二進(jìn)制編碼。如圖1所示，為現(xiàn)有技術(shù)中6位DAC采用分段結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼時(shí)對(duì)高4位進(jìn)行溫度計(jì)編碼的示意圖，在該圖中，6位DAC的數(shù)字碼流中的高4位作為輸入信號(hào)進(jìn)行溫度計(jì)編碼。圖中每個(gè)方框表示一個(gè)電流單元，方框中的數(shù)字表示該電流單元的權(quán)重，方框的大小可以直觀(guān)表示電流單元的權(quán)重，陰影的部分表示該電流單元被打開(kāi)。其中，溫度計(jì)編碼控制15個(gè)大小相等權(quán)重為4的電流單元，輸入信號(hào)從0011變?yōu)?001，當(dāng)輸入信號(hào)為0011時(shí)，輸入信號(hào)值為3，對(duì)應(yīng)地有3個(gè)電流單元打開(kāi)，當(dāng)輸入信號(hào)為1001時(shí)，輸入信號(hào)值為9，對(duì)應(yīng)地有9個(gè)電流單元打開(kāi)，所以當(dāng)輸入信號(hào)從0011變換為1001時(shí)狀態(tài)發(fā)生變化的電流單元有6個(gè)，也就是這6個(gè)電流單元從關(guān)閉狀態(tài)進(jìn)入打開(kāi)狀態(tài)。
[0003]如圖2所示，為現(xiàn)有技術(shù)的6位DAC中進(jìn)行溫度計(jì)編碼的結(jié)果示意圖，在該圖中，輸入信號(hào)中進(jìn)行溫度計(jì)編碼的電流單元數(shù)目為15個(gè)，對(duì)應(yīng)O?14的位置，在溫度計(jì)編碼方式下，這15個(gè)電流單元根據(jù)輸入信號(hào)的值的不同依次打開(kāi)或關(guān)閉。例如，在該圖中，當(dāng)輸入信號(hào)的值為3時(shí)，依次打開(kāi)15個(gè)電流單元中的前3個(gè)，即在位置O?2的3個(gè)電流單元，當(dāng)輸入信號(hào)的值由3變?yōu)?時(shí)，依次打開(kāi)15個(gè)電流單元中的前7個(gè)，這時(shí)，可以得到狀態(tài)發(fā)生變化的電流單元的數(shù)目A = (7-3) =4。同理，當(dāng)輸入信號(hào)的值由7變?yōu)?3時(shí)，得到狀態(tài)發(fā)生變化的電流單元的數(shù)目Δ = (13-7) =6;當(dāng)輸入信號(hào)的值由13變?yōu)?時(shí)，得到狀態(tài)發(fā)生變化的電流單元的數(shù)目A = (13-6) =7。因此，在溫度計(jì)編碼方式中，狀態(tài)發(fā)生變化的電流單元的數(shù)目與輸入信號(hào)相關(guān)，且根據(jù)輸入信號(hào)的值依次打開(kāi)或關(guān)閉電流單元。
[0004]可以通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)求微分得到采用溫度計(jì)編碼時(shí)狀態(tài)發(fā)生變化的電流單元的數(shù)目，具體計(jì)算過(guò)程如下:
[0005]設(shè)輸入信號(hào)Din為:
[0006]Din= 2 N*ULSB*Sin (ω *tn) = 2M*UMSB*Sin (ω *tn) (I)
[0007]其中，N為DAC的位數(shù)，M為輸入信號(hào)中采用溫度計(jì)編碼的高位位數(shù)，隊(duì)^為最小電流單元的權(quán)重，Umsb為高位電流單元的權(quán)重，ω為輸入正弦信號(hào)的角頻率，tn為輸入信號(hào)發(fā)生變換的時(shí)間。
[0008]對(duì)輸入信號(hào)求微分:
[0009]Din，= 2M* ω *UMSB*Cos (ω *tn)(2)
[0010]則可以計(jì)算得到每次輸入變換時(shí)狀態(tài)發(fā)生變化的電流單元數(shù)目:
[0011]Δ = Din? /Umsb= 2M* ω *Cos (ω *tn)(3)
[0012]由公式(3)可知，Δ是與輸入信號(hào)同頻的正弦信號(hào)，而且隨著輸入信號(hào)頻率升高、幅度變大，狀態(tài)發(fā)生變化的電流單元的數(shù)目越多。
[0013]電流單元的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)會(huì)對(duì)電源和地產(chǎn)生單位沖擊電流，由于電流單元從打開(kāi)狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)與從關(guān)閉狀態(tài)變?yōu)榇蜷_(kāi)狀態(tài)產(chǎn)生的單位沖擊電流是一樣的，所以可以認(rèn)為這兩種情況是等效的，則根據(jù)公式(3)可以計(jì)算得到電流單元的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流為:
[0014]In = I 2M* ω *Cos (ω *tn) I *Α* δ (t_tn)(4)
[0015]其中A為單位沖擊電流的幅度，δ (t)為沖擊函數(shù)。由公式⑷可知，DAC中進(jìn)行溫度計(jì)編碼時(shí)，狀態(tài)發(fā)生變化的電流單元產(chǎn)生的沖擊電流In實(shí)際上為輸入信號(hào)頻率的2倍頻，即頻率為2 ω的信號(hào)。
[0016]進(jìn)一步地，對(duì)上述圖2中的溫度計(jì)編碼的方式中狀態(tài)發(fā)生變化的電流單元的數(shù)目做快速傅里葉變換，進(jìn)行頻譜分析，如圖3所示，為現(xiàn)有技術(shù)中圖2所示的狀態(tài)發(fā)生變化的電流單元數(shù)目的頻譜仿真圖，在該圖中，橫坐標(biāo)X是信號(hào)頻率與時(shí)鐘頻率的比值，縱坐標(biāo)Y為輸入信號(hào)的幅度，輸入信號(hào)的幅度的單位是dB。當(dāng)輸入信號(hào)頻率與時(shí)鐘頻率比為
0.1925743時(shí)，由于狀態(tài)發(fā)生變化的電流單元對(duì)應(yīng)頻率為2 ω的信號(hào)，所以狀態(tài)發(fā)生變化的電流單元的數(shù)目對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率與時(shí)鐘頻率的比值為0.1925743*2 = 0.3852，從圖中可以看出，當(dāng)X = 0.3852時(shí)，Y = 0，即:狀態(tài)發(fā)生變化的電流單元的數(shù)目對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率與時(shí)鐘頻率的比值為0.3852時(shí)，輸入信號(hào)的幅度為OdB，所以通過(guò)溫度計(jì)編碼后使得DAC中存在頻率為2ω的干擾。
[0017]因此，在溫度計(jì)編碼方式中，由于狀態(tài)發(fā)生變化的電流單元的數(shù)目與輸入信號(hào)相關(guān)，且這種相關(guān)性會(huì)造成DAC的電源上含有頻率為2 ω的干擾的沖擊電流，而頻率為2 ω的干擾很容易與輸入信號(hào)本身產(chǎn)生混頻輸出3 ω的諧波，降低DAC的動(dòng)態(tài)線(xiàn)性度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明提供一種數(shù)模轉(zhuǎn)換器及數(shù)模轉(zhuǎn)換方法，用以降低狀態(tài)發(fā)生變化的動(dòng)作單元的數(shù)目與輸入信號(hào)的相關(guān)性，提高DAC的動(dòng)態(tài)線(xiàn)性度。
[0019]本發(fā)明提供一種數(shù)模轉(zhuǎn)換器，包括:
[0020]溫度計(jì)編碼器，用于將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度計(jì)碼；
[0021]動(dòng)態(tài)元件匹配DEM模塊，用于生成隨機(jī)數(shù)，采用所述隨機(jī)數(shù)對(duì)所述溫度計(jì)碼進(jìn)行隨機(jī)化；
[0022]動(dòng)作單元陣列，用于根據(jù)隨機(jī)化后的溫度計(jì)碼，控制所述動(dòng)作單元陣列的動(dòng)作。
[0023]本發(fā)明還提供一種數(shù)模轉(zhuǎn)換方法，包括:
[0024]將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度計(jì)碼；
[0025]生成隨機(jī)數(shù)，采用所述隨機(jī)數(shù)對(duì)所述溫度計(jì)碼進(jìn)行隨機(jī)化；
[0026]根據(jù)隨機(jī)化后的溫度計(jì)碼，控制動(dòng)作單元陣列的動(dòng)作。
[0027]在本發(fā)明中，通過(guò)溫度計(jì)編碼器將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度計(jì)碼，動(dòng)態(tài)元件匹配(Dynamic Element Matching，簡(jiǎn)稱(chēng):DEM)模塊生成隨機(jī)數(shù)，采用該隨機(jī)數(shù)對(duì)溫度計(jì)碼進(jìn)行隨機(jī)化，動(dòng)作單元陣列根據(jù)隨機(jī)化后的溫度計(jì)碼控制該動(dòng)作單元陣列的動(dòng)作。這樣，將溫度計(jì)碼進(jìn)行隨機(jī)化，可以隨機(jī)打開(kāi)或關(guān)閉動(dòng)作單元，從而得到的狀態(tài)發(fā)生變化的動(dòng)作單元的數(shù)目也就是隨機(jī)的，因此，改變了動(dòng)作單元的打開(kāi)順序，不再像溫度計(jì)編碼那樣根據(jù)輸入信號(hào)的值依次打開(kāi)或關(guān)閉動(dòng)作單元，使得動(dòng)作單元的狀態(tài)隨機(jī)發(fā)生變化，從而降低狀態(tài)發(fā)生變化的動(dòng)作單元的數(shù)目與輸入信號(hào)的相關(guān)性，進(jìn)而減少頻率為2 ω的干擾，提高DAC的動(dòng)態(tài)線(xiàn)性度。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中6位DAC采用分段結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼時(shí)對(duì)高4位進(jìn)行溫度計(jì)編碼的示意圖；
[0029]圖2為現(xiàn)有技術(shù)的6位DAC中進(jìn)行溫度計(jì)編碼的結(jié)果示意圖；
[0030]圖3為現(xiàn)有技術(shù)中圖2所示的狀態(tài)發(fā)生變化的電流單元數(shù)目的頻譜仿真圖；
[0031]圖4為本發(fā)明數(shù)模轉(zhuǎn)換器第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖5為本發(fā)明數(shù)模轉(zhuǎn)換方法第一實(shí)施例的流程示意圖；
[0033]圖6為本發(fā)明數(shù)模轉(zhuǎn)換器第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖7為本發(fā)明數(shù)模轉(zhuǎn)換方法第二實(shí)施例的流程示意圖；
[0035]圖8為本發(fā)明數(shù)模轉(zhuǎn)換器第二實(shí)施例中DEM模塊42對(duì)溫度計(jì)碼進(jìn)行隨機(jī)化的動(dòng)作單元變化示意圖；
[0036]圖9為本發(fā)明數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖10為本發(fā)明數(shù)模轉(zhuǎn)換方法第三實(shí)施例的流程示意圖；
[0038]圖11為本發(fā)明數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三實(shí)施例中DEM模塊42對(duì)溫度計(jì)碼進(jìn)行隨機(jī)化的一種動(dòng)作單元變化示意圖；
[0039]圖12為本發(fā)明數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三實(shí)施例中DEM模塊42對(duì)溫度計(jì)碼進(jìn)行隨機(jī)化的一種動(dòng)作單元變化對(duì)應(yīng)的狀態(tài)發(fā)生變化的動(dòng)作單元數(shù)目的頻譜仿真圖；
[0040]圖13為本發(fā)明數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三實(shí)施例中DEM模塊42對(duì)溫度計(jì)碼進(jìn)行隨機(jī)化的另一種動(dòng)作單元變化示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041]下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0042]如圖4所示，為本發(fā)明數(shù)模轉(zhuǎn)換器第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以包括:溫度計(jì)編碼器41、DEM模塊42和動(dòng)作單元陣列43，DEM模塊42與溫度計(jì)編碼器41連接，動(dòng)作單元陣列43與DEM模塊42連接。
[0043]在本實(shí)施例中，溫度計(jì)編碼器41用于將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度計(jì)碼；DEM模塊42用于生成隨機(jī)數(shù)，采用隨機(jī)數(shù)對(duì)溫度計(jì)碼進(jìn)行隨機(jī)化，具體地，根據(jù)生成的隨機(jī)數(shù)，將溫度計(jì)碼隨機(jī)化，隨機(jī)打開(kāi)或關(guān)閉溫度計(jì)編碼器進(jìn)行溫度計(jì)編碼時(shí)控制的動(dòng)作單元，隨機(jī)得到狀態(tài)發(fā)生變化的動(dòng)作單元的數(shù)目；動(dòng)作單元陣列43用于根據(jù)隨機(jī)化后的溫度計(jì)碼，控制動(dòng)作單元陣列的動(dòng)作。
[0044]可選地，在本實(shí)施例中，動(dòng)作單元陣列43可以為電容陣列、電阻陣列或電流單元陣列，具體可以根據(jù)DAC的類(lèi)型決定。無(wú)論動(dòng)作單元陣列43具體為哪一種類(lèi)型的陣列，采用本實(shí)施例中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理的原理都是一樣的。
[0045]本實(shí)施例的工作過(guò)程如下:如圖5所示，為本發(fā)明的數(shù)模轉(zhuǎn)換方法第一實(shí)施例的流程示意圖，該方法具體可以包括如下步驟:
[0046]步驟51、溫度計(jì)編碼器41將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度計(jì)碼；
[0047]步驟52、DEM模塊42生成隨機(jī)數(shù)，采用隨機(jī)數(shù)對(duì)溫度計(jì)碼進(jìn)行隨機(jī)化；
[0048]具體地，DEM模塊42可以根據(jù)生成的隨機(jī)數(shù)，將溫度計(jì)碼隨機(jī)化，隨機(jī)打開(kāi)或關(guān)閉溫度計(jì)編碼器進(jìn)行溫度計(jì)編碼時(shí)控制的動(dòng)作單元，隨機(jī)得到狀態(tài)發(fā)生變化的動(dòng)作單元的數(shù)目；
[0049]步驟53、動(dòng)作單元陣列43根據(jù)隨機(jī)化后的溫度計(jì)碼，控制動(dòng)作單元陣列的動(dòng)作。
[0050]在本實(shí)施例中，通過(guò)溫度計(jì)編碼器41將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度計(jì)碼，DEM模塊42生成隨機(jī)數(shù)，采用該隨機(jī)數(shù)對(duì)溫度計(jì)碼進(jìn)行隨機(jī)化，動(dòng)作單元陣列43根據(jù)隨機(jī)化后的溫度計(jì)碼控制動(dòng)作單元陣列43的動(dòng)作。這樣，將溫度計(jì)碼進(jìn)行隨機(jī)化，可以隨機(jī)打開(kāi)或關(guān)閉動(dòng)作單元，從而得到的狀態(tài)發(fā)生變化的動(dòng)作單元的數(shù)目也就是隨機(jī)的，因此，改變了動(dòng)作單元的打開(kāi)順序，不再像溫度計(jì)編碼那樣根據(jù)輸入信號(hào)的值依次打開(kāi)或關(guān)閉動(dòng)作單元