[发明专利]电流型模/数转换器

说明书

本发明属于集成电路设计。

模/数转换器（A/D）在模拟信号的数字处理中具有十分重要的作用，随着微处理器的发展，低成本、高速度和微处理器兼容的模/数转换器的研制已受到愈来愈多的重视。

目前广泛用的模/数转换技术中通常可分为两类：

1.并行模/数转换器技术。如图1所示由电阻分压网络[1]、一组比较器[2]及由基本门电路构成的译码网络[3]组成。它是一种速度最快的转换器，其工作过程实际上是模拟量的量化过程，也就是说对于N位并行模/数转换器，它的模拟参考量首先用电阻分压分成2^N个量化单位，它们对应于（2^N-1）个相等的量化间隔，当模拟量输入时，就与所有的量化单位进行比较后将与其接近的参考量所对应的量化数输出，并经译码网络输出对应的N位数字量。图1表示一个三位并行模/数转换器的原理图。由此可见，这种A/D转换器是并行比较的，因此速度较高，然而由于过多的位数要求众多的比较器，例如对于3位模/数转换器需要7个比较器，而对于8位模/数转换器则需要256个比较器和庞大的译码电路。另外由于分压电阻与各比较器输入失调电压的离散性以及偏置电流的存在，也会产生一定的非线性误差，这就带来集成工艺上的困难，因而限制了精度的提高。而且这种技术中双极型仍占主要地位;

2.逐次逼近型模/数转换器。它是由一组二进制加权电容网络[4]，开关以及一个高速高性能比较器[2]及控制器网络[5]、触发器网络[6]、时钟信号[7]组成，如图2所示，结构简单。但是它是在CP时钟节拍的控制下，由高位依次向低位进行比较，因此其速度受到一定限制，即完成一次模/数转换通常需要多次时间间隔，例如对于N位转换至少需要N个时钟脉冲，而且其转换时间随位数N线性增长。

上述两种模/数转换器技术方案中前者速度快，但电路结构复杂，难以实现，后者结构简单但速度慢。本发明的目的在于克服这两种技术方案的不足，使之有二者的优点，提出一种具有高集成，高速度，电路简单，易于实现的电流型模/数转换技术。

本发明提出一种电流型模/数转换器技术方案，利用电流多路反演器实现并行输入，恒流源参考信号和电流开关实现电流比较，并能在一个脉冲时间间隔内从高位向低逐位比较确定下位的参考电流信号的技术。此技术构成的电流型模/数转换器如图3所示，它由一个电流多路反演电路[8]，多个加权的恒流源[9]、相应的电流开关阵列，以实现输入信号和参考信号的电流比较，其工作原理叙述如下：

模拟量电流输入经过电流多路反演电路达到并行输入的目的，使输入信号并行地输入到各比较器的一端，对于第一位参考电流为I_REF/2的电流与模拟量输入电流比较，其比较结果同时决定后几位的参考电流值;对于第二位参考电流除本位参考量是I_REF/2²外，同时第一位的结果决定I_REF/2参考电流量是否加入第二位的比较器;依次类推对于第N位来说除本位参考量I_REF/2^N外，第一位、第二位…第N-1位的比较结果分别决定参考量I_REF/2、I_REF/2²…、I_REF/2^N-1是否加入第N位的比较器，其控制过程分别由开关S₁、…、Sn-1实现。

本发明中所说的电流多路反演电路在设计中可利用其放大缩小功能，使所需的参考恒流源范围缩小，该电路可由多个并联NMOS晶体管构成，加权恒流源可用PMOS晶体管或其他器件和电路构成，电流开关可用NMOS晶体管，PMOS晶体管，CMOS传输门或其他器件和电路构成。

本发明的几个主要特点：

1.灵活地采用并行输入，并行输出技术和逐次逼近技术，使整个方法同时具有并行模/数转换器的高速度和逐次逼近模/数转换器的高速度和高集成度的优点，具体表现在利用NMOS电流镜多路反演功能，将输入信号并行地输入到各比较器，并与相应的参考电流进行比较;对于输出来说采用并行接口，使整个模/数转换在一个时间节拍以内完成;

2.采用加权恒流源以及电流开关来根据高位比较的结果控制低位参考电流的大小;

3.电流比较器的输出端经过标准CMOS反相器整形，同时可利用CMOS反相器[10]的串联以达到多路输出同步的需要;