具有隔离电路的数模转换电路和控制数模转换电路的方法与流程

1.本公开涉及电路技术领域，特别是涉及一种数模转换电路和控制数模转换电路的方法。


背景技术：

2.数模转换器用于将数字信号转换为模拟信号，并且通常包括开关电阻器网络。对于某些类型的数模转换器，随着输入的数字信号的变化，开关电阻器网络的开关状态发生变化，使得参考电压端子之间的等效阻抗会随之变化。即，参考电压端子处的输出电流会随输入的数字信号的变化而变化。在多通道数模转换的情况下，这会导致通道与通道之间存在串扰，进而影响输出电压的精度。


技术实现要素：

3.提供一种缓解、减轻或者甚至消除上述问题中的一个或多个的机制将是有利的。
4.根据本公开的一方面，提供了一种数模转换电路，包括：n个数模转换模块，n为大于1的整数，每个数模转换模块包括：输入端口，被配置为提供数字信号；第一控制端，被配置为提供第一控制信号；输出端；数模转换器，包括开关电阻器网络，所述开关电阻器网络被配置为至少基于第一参考电压而在第一节点处生成与所述数字信号相对应的模拟电压；隔离电路，连接在所述第一节点与第二节点之间，被配置为根据所述第一控制端处的第一控制信号选择性地使所述第一节点与所述第二节点导通或断开，其中，所述第二节点耦接至所述输出端。
5.根据本公开的另一方面，提供了一种控制数模转换电路的方法，所述方法包括：在第一时刻，使所述n个数模转换模块中的n-m个数模转换模块中的每一者中，所述隔离电路将所述第一节点与所述第二节点断开，m为大于等于1且小于n的整数；在所述第一时刻之后的第二时刻，使所述n个数模转换模块中除所述n-m个数模转换模块之外的m个数模转换模块中的每一者中，所述输入端口处的经更新的数字信号被施加到所述开关电阻器网络；以及在所述第二时刻之后的第三时刻，使所述n-m个数模转换模块中的每一者中，所述隔离电路将所述第一节点与所述第二节点导通。
6.根据在下文中所描述的实施例，本公开的这些和其它方面将是清楚明白的，并且将参考在下文中所描述的实施例而被阐明。
附图说明
7.在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：
8.图1a是相关技术中用于数模转换电路的开关电阻器网络的示意性电路图；
9.图1b是相关技术中的数模转换电路的示意性电路图；
10.图2是图示出根据本公开示例性实施例的数模转换电路的示意性框图；
11.图3是图示出根据本公开示例性实施例的数模转换电路的示例性电路图；
12.图4a、图4b和图4c是图示出根据本公开示例性实施例的采样保持电路的示例性电路图；
13.图5是图示出根据本公开示例性实施例的选通电路的示例性电路图；
14.图6是图示出根据本公开示例性实施例的控制数模转换电路的方法的流程图；
15.图7是图示出根据本公开示例性实施例的数模转换电路的工作时序图。
具体实施方式
16.将理解的是，尽管术语第一、第二、第三等等在本文中可以用来描述各种元件、部件、区、层和/或部分，但是这些元件、部件、区、层和/或部分不应当由这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分相区分。因此，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可以被称为第二元件、部件、区、层或部分而不偏离本公开的教导。
17.本文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的并且不意图限制本公开。如本文中使用的，单数形式“一个”、“一”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时指定所述及特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意和全部组合，并且短语“a和b中的至少一个”包括仅a、仅b、以及a和b两者。
18.将理解的是，当元件或层被称为“连接到另一个元件或层”或“耦接到另一个元件或层”时，其可以直接连接到另一个元件或层或直接耦接到另一个元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接连接到另一个元件或层”、“直接耦接到另一个元件或层”时，没有中间元件或层存在。术语“连接”和“耦接”在本文中可以互换地使用。如本文使用的，术语“信号有效”和“信号无效”具有本领域充分理解的含义。例如，对于边沿触发而言，“信号有效”是指上升沿有效或下降沿有效。对于电平触发而言，“信号有效”是指高电平有效(n型逻辑)或低电平有效(p型逻辑)。“信号无效”则是指与“信号有效”的情况相反的情况。
19.除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。将进一步理解的是，诸如那些在通常使用的字典中定义的之类的术语应当被解释为具有与其在相关领域和/或本说明书上下文中的含义相一致的含义，并且将不在理想化或过于正式的意义上进行解释，除非本文中明确地如此定义。
20.图1a是相关技术中用于数模转换电路的开关电阻器网络100a的示意性电路图。如图1a所示，开关电阻器网络100a为r-2r梯状电阻网络构成，其中，r表示单位电阻，s0为固定位，b1～bn表示数模转换电路的各个比特位。通过配置各个比特位来得到不同的编码，即输入的数字信号，从而得到从v
refp
到v
refn
的量化结果输出v
out
。可以看出，r-2r梯状电阻网络的特点在于在不考虑臂电阻的情况下，从每个比特位节点往左看进去的等效电阻都是2r，但是从v
refp
到v
refn
的等效电阻会随着编码的值的变化而变化，即v
refp
所提供的电流会随编码
的变化而变化。当使用同一个v
refp
供应多路这样的r-2r梯状电阻网络以实现多通道的数模转换时，v
refp
所提供的电流会随着各个通道所对应的编码的变化而变化，从而导致通道与通道之间的串扰，影响了各通道的输出电压的精度。
21.图1b是相关技术中的数模转换电路100b的示意性电路图。如图1b所示，基准电压vbg可以经过电阻分压并通过参考电压缓冲器101给数模转换器102提供参考电压v
refp
，v
refn
可以接理想地或其他参考电压。数模转换器102中的开关电阻器网络例如可以是图1a所图示的r-2r梯状电阻网络。l_dac为数模转换电路100b写入数据的标识信号，可以由上升沿触发。code为数模转换电路100b的数字信号输入。当l_dac输入一次短高脉冲时，则会将已经准备好的code值写入数模转换器102中的开关电阻器网络，从而改变数模转换电路100b的输出，并经由输出缓冲器103将新的输出电压v
out
输出。如前所述，诸如r-2r梯状电阻网络的开关电阻器网络在切换数字信号输入时，会发生瞬态电流的跳变。由于参考电压缓冲器101的带宽有限，无法快速调整，会导致v
refp
的电压被快速下拽。当使用同一个v
refp
供应多路这样的开关电阻器网络以实现多通道的数模转换时，v
refp
所提供的电流会随着各个通道所对应的编码的变化而变化，从而导致通道与通道之间的串扰，影响各通道的输出电压的精度。
22.下面将详细描述本公开的示例性实施例，其可以出于许多原因用来获益，例如，缓解或减轻这些不合期望的精度损失。
23.图2是图示出根据本公开示例性实施例的数模转换电路200的示意性框图。如图2所示，数模转换电路200包括n个数模转换模块201-1～201-n，n为大于1的整数。每个数模转换模块结构可以相同，下面将以数模转换模块201-1为例进行描述。数模转换模块201-1包括输入端口202-1、第一控制端203-1、输出端204-1、数模转换器205-1和隔离电路206-1。
24.输入端口202-1被配置为提供数字信号code1。第一控制端203-1被配置为提供第一控制信号l_dacn_1。数模转换器205-1包括开关电阻器网络，所述开关电阻器网络被配置为至少基于第一参考电压(例如，图1a或图1b中的v
refp
)而在第一节点n
1-1处生成与数字信号code1相对应的模拟电压。隔离电路206-1连接在第一节点n
1-1与第二节点n
2-1之间，被配置为根据第一控制端203-1处的第一控制信号l_dacn_1选择性地使第一节点n
1-1与第二节点n
2-1导通或断开。第二节点n
2-1耦接至输出端204-1。可以理解的是，第二节点n
2-1可以是直接连接到输出端204-1，也可以通过中间电路(例如，输出缓冲器)间接地连接到输出端204-1。
25.数模转换模块201-n的结构与数模转换模块201-1相同，包括输入端口202-n、第一控制端203-n、输出端204-n、数模转换器205-n、第一节点n
1-n、隔离电路206-1和第二节点n
2-n。为了简洁起见，数模转换模块201-n在此不作赘述。
26.n个数模转换模块201-1～201-n分别对应于n个数模转换通道，并且n个数模转换模块201-1～201-n均基于第一参考电压和该通道对应的数字信号来生成该通道对应的模拟电压。第一参考电压可能由于某一个或多个通道中的数字信号的更新而产生波动。为防止受到其他通道数字信号更新的影响，不进行数字信号更新的通道可以通过该通道对应的隔离电路使得该通道中的第一节点和第二节点断开，从而使得与第二节点耦接的输出端所输出的电压不受第一参考电压的波动的影响，从而消除通道间的串扰。
27.根据一些实施例，开关电阻器网络包括但不限于r-2r梯状电阻网络、倒r-2r梯状电阻网络和权电阻网络中的任一者。可以理解的是，本公开的发明构思适用于参考电压所
提供的电流随输入数字信号的变化而变化的各种数模转换器。
28.根据一些实施例，所述n个数模转换模块的结构可以部分相同或不同，例如，n个数模转换模块中的开关电阻器网络可以部分相同或不同。
29.根据一些实施例，数模转换电路还包括第一运算放大器。第一运算放大器包括：第一放大器输出端，被配置为输出所述第一参考电压；非反相输入端，被配置为接收基准电压或所述基准电压的分压；以及反相输入端，连接到所述第一放大器输出端。
30.图3是图示出根据本公开示例性实施例的数模转换电路300的示例性电路图。如图3所示，数模转换电路300包括第一运算放大器301和n个数模转换模块307-1～307-n，n为大于1的整数。第一运算放大器301以基准电压vbg的分压作为输入来为对应于多个数模转换通道的数模转换器提供第一参考电压。第一运算放大器301充当参考电压缓冲器，降低负载波动对于参考电压的影响。与采用一个单独的参考电压缓冲器驱动一路数模转换器的传统方案相比，在图3的示例中，将n个通道的数模转换器只需要1个参考电压缓冲器，节约了大量的电路面积和功耗开销，同时保证通道串扰的性能。
31.下面将结合图3以数模转换模块307-1为例，对数模转换模块内部的结构进行详细地描述。可以理解的是，每个数模转换模块结构相同，数模转换模块307-n中与数模转换模块307-1中的附图标记相对应的附图标记指定同样的电路元件。
32.根据一些实施例，隔离电路包括：选通电路，被配置为根据第一控制信号生成选通信号；以及采样保持电路，被配置为响应于选通信号有效而使第一节点与第二节点导通，以及响应于选通信号无效而使第一节点与第二节点断开并保持模拟电压。
33.在图3的示例中，选通电路304-1被配置为根据第一控制信号l_dacn_1生成选通信号chn1和chp1。采样保持电路305-1被配置为响应于选通信号chn1和chp1有效而使第一节点与第二节点导通，以及响应于选通信号chn1和chp1无效而使第一节点与第二节点断开并保持模拟电压。通过选通电路304-1响应于第一控制信号l_dacn_1而生成的选通信号chn1和chp1来控制第一节点和第二节点的通断，并在第一节点和第二节点断开时，通过采样保持电路305-1来保持数模转换器输出的模拟电压，使得不进行数字信号更新的第一数模转换通道的输出电压不受其他通道数字信号更新和第一参考电压波动的影响。
34.根据一些实施例，采样保持电路包括：第一可控开关，连接在第一节点与第二节点之间，被配置为响应于选通信号有效而导通，并且响应于选通信号无效而关断；以及第一电容器，连接在第二节点与接地端之间。当第一可控开关关断时，连接在第二节点与接地端之间的第一电容器将保持在第一可控开关关断前的电压，从而维持输出端所输出的电压基本不变，进而同时实现多通道的数模转换和多通道间串扰的消除。
35.根据一些实施例，第一可控开关包括n型场效应管、p型场效应管和互补型场效应管中的任一者。可以理解的是，第一可控开关的具体类型可以根据对应通道所需的传输建立时间来进行选择。
36.根据一些实施例，采样保持电路还包括第二电容器，所述第二电容器连接在第一节点与接地端之间。通过第二电容器来保持开关电阻器网络输出的模拟电压，可以使得在第一可控开关被关断并再次导通时，第二节点处的电压能够更快速地恢复至第一可控开关关断前的电压，从而提高输出电压的稳定性。
37.下面将参考图4a、图4b和图4c分别对由互补型场效应管、p型场效应管和n型场效
应管构成的采样保持电路给出详细的描述。
38.图4a是图示出根据本公开示例性实施例的采样保持电路400a的示例性电路图。如图4a所示，采样保持电路400a包括位于第一节点n1和第二节点n2之间的互补型场效应管m0、第一电容器c1和第二电容器c2。选通信号chn1和选通信号chp1分别供应至m0中的n型场效应管的栅极和m0中的p型场效应管的栅极，用于控制m0的通断。当选通信号chn1为有效的低电平、选通信号chp1为有效的高电平时，m0响应于选通信号有效而导通。此时，该通道可以进行数字信号的更新和数字信号的数模转换。当选通信号chn1为无效的高电平、选通信号chp1为无效的低电平时，m0响应于选通信号无效而关断，在第二节点n2处通过第一电容器c1保持m0关断前的电压，从而维持了输出电压的稳定。同时，通过第二电容器c2在第一节点n1处保持开关电阻器网络输出的模拟电压，可以使得m0再次导通时，第二节点n2处的电压能够更快速地恢复。在一些示例中，第二电容器c2不是必须的。
39.图4b是图示出根据本公开示例性实施例的采样保持电路400b的示例性电路图。如图4b所示，采样保持电路400b包括位于第一节点n1和第二节点n2之间的p型场效应管m1、第一电容器c1和第二电容器c2。选通信号chp2供应至p型场效应管m1的栅极，用于控制m1的通断。当选通信号chp2为有效的高电平时，m1响应于选通信号有效而导通，此时，该通道可以进行数字信号的更新和数字信号的数模转换。当选通信号chp2为无效的低电平时，m1响应于选通信号无效而关断。在第二节点n2处通过第一电容器c1保持m1关断前的电压，从而维持了输出电压的稳定。同时，通过第二电容器c2在第一节点n1处保持开关电阻器网络输出的模拟电压，可以使得m1再次导通时，第二节点n2处的电压能够更快速地恢复。在一些示例中，第二电容器c2不是必须的。
40.图4c是图示出根据本公开示例性实施例的采样保持电路400c的示例性电路图。如图4c所示，采样保持电路400c包括位于第一节点n1和第二节点n2之间的n型场效应管m2、第一电容器c1和第二电容器c2。选通信号chn2供应至n型场效应管m2的栅极，用于控制m2的通断。当选通信号chn2为有效的低电平时，m2响应于选通信号有效而连通，此时，该通道可以进行数字信号的更新和数字信号的数模转换。当选通信号chn2为无效的高电平时，m2响应于选通信号无效而关断。在第二节点n2处通过第一电容器c1保持开关关断前的电压，从而维持了输出电压的稳定。同时，通过第二电容器c2在第一节点n1处保持开关电阻器网络输出的模拟电压，可以使得m2再次导通时，第二节点n2处的电压能够更快速地恢复。在一些示例中，第二电容器c2不是必须的。
41.根据一些实施例，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包括：第二放大器输出端，被配置为输出与模拟电压成正比的输出电压；非反相输入端，连接到第二节点；以及反相输入端，连接到第二放大器输出端。应当理解的是，反相输入端可以是直接连接至第二放大器输出端，也可以通过中间电路间接连接至第二放大器输出端。
42.返回参考图3，第二运算放大器303-1被配置为输出与模拟电压成正比的输出电压v
out
1，其中，非反相输入端连接到第二节点，反相输入端通过分压电阻器间接连接到第二放大器输出端。在图3的示例中，分压电阻器为可调电阻器，通过调节可调电阻器的阻值来实现输出电压的可调节性。
43.根据一些实施例，每个数模转换模块还包括第二控制端，所述第二控制端被配置为提供第二控制信号，以使数模转换器响应于第二控制信号有效而将输入端口处的数字信
号施加到开关电阻器网络。数模转换电路还包括时序控制器，所述时序控制器被配置为向输入端口供应数字信号，生成第一控制信号并向第一控制端供应第一控制信号，以及生成第二控制信号并向第二控制端供应第二控制信号。
44.在图3的示例中，第二控制端为数模转换器302-1提供第二控制信号l_dac_1。在一个示例中，第二控制信号l_dac_1为上升沿有效，并且数模转换器302-1响应于第二控制信号l_dac_1有效而将输入端口处的数字信号code1施加到数模转换器302-1中的开关电阻器网络。数模转换电路300还可以包括时序控制器306，用于向各个数模转换模块提供包括数字信号、第一控制信号和第二控制信号的输入信号。例如，时序控制器306可以向数模转换模块307-1的输入端口供应数字信号code1，生成第一控制信号l_dacn_1并向第一控制端供应第一控制信号l_dacn_1，以及生成第二控制信号l_dac_1并向第二控制端供应第二控制信号l_dac_1。将理解的是，时序控制器306的示例包括但不限于通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或其他可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件或其任何组合。还将理解的是，在一些实施例中，单独的选通电路304-1～304-n不是必须的，它们可以集成在时序控制器306中。
45.根据一些实施例，选通电路包括延迟电路，所述延迟电路被配置为响应于第一控制信号的前沿而生成选通信号的前沿，所述选通信号的后沿相对于第一控制信号的前沿被延迟预定时间间隔。延迟的预定时间间隔可以根据实际需求来设定。一般而言，延迟的预定时间间隔需要长于有数字信号更新的通道上的更新的输出电压的建立时间，以避开由于该更新的通道上的数字信号的更新带来的第一参考电压的扰动。待更新的输出电压建立之后，再恢复第一可控开关导通，以保证该无信号更新的通道的输出电压的稳定性。
46.根据一些实施例，延迟电路包括：电流源，连接在电源电压端与第三节点之间；第三电容器，连接在第三节点与接地端之间；第二可控开关，连接在第三节点与接地端之间，被配置为响应于第二控制信号的前沿而导通，并且响应于第二控制信号的后沿而关断。根据一些实施例，延迟电路还包括输出两路选通信号的第一支路和第二支路，所述第一支路和/或第二支路还包括至少一个反相器，被配置为基于第三节点处的电压生成选通信号。所述两路选通信号用于控制互补型场效应管(例如，图4a中的m0)的通断。
47.图5是图示出根据本公开示例性实施例的选通电路500的示例性电路图。如图5所示，选通电路500包括：电流源is，连接在电源电压端与第三节点n3之间；第三电容器c3，连接在第三节点n3与接地端之间；第二可控开关m3，连接在第三节点n3与接地端之间，被配置为响应于第二控制信号l_dac_n的前沿而导通，并且响应于第二控制信号的后沿而关断；输出两路选通信号chp和chn的第一支路和第二支路。第一支路包括反相器i1，并且第二支路包括彼此串联的反相器i1和i2，从而输出彼此反相的选通信号chp和chn。
48.第二控制信号l_dac_n默认为高电平，第二可控开关m3关断，并且第三节点n3处的电压被第三电容器c3充电至高电平。此时，选通信号chp为高电平，并且选通信号chn为低电平。当第二控制信号l_dac_n的下降沿到来时，第二可控开关m3导通，第三节点n3处的电压被下拉到0。此时，选通信号chp具有下降沿，并且选通信号chn具有上升沿。当第二控制信号l_dac_n的上升沿到来时，第二可控开关m3关断，并且第三节点n3处的电压在经历预定时间后被第三电容器c3重新充电到高电平。此时，选通信号chp具有上升沿，并且选通信号chn具有下降沿。这样，选通电路500操作为延时电路，实现延时的功能。
49.将理解的是，图5中所示的选通电路500是说明性而非限制性的。在其他实施例中，选通电路可以采取其他形式。例如，第一支路或第二之路可以包括更多串联的反相器。
50.根据本公开的另一方面，还提供了一种控制数模转换电路的方法600。此处，数模转换电路可以是上文描述的数模转换电路实施例中的任一个。如图6所示，方法600包括步骤s601至s603。出于描述的目的，下面结合图7的示例时序图来说明方法600。
51.步骤s601、在第一时刻t0，使n个数模转换模块中的n-m个数模转换模块中的每一者中，隔离电路将第一节点与第二节点断开，m为大于等于1且小于n的整数。在图7的示例中，m＝n-1。更具体而言，只有第1通道的数字转换器需要更新数字信号，并且第2～n通道的数字转换器需要被隔离。这种情况下，在第2～n通道中，分别由第一控制信号l_dacn_2～l_dacn_2的下降沿触发每个通道的选通信号chp和chn的无效电平，从而实现第一节点与第二节点的断开。
52.步骤s602、在第一时刻t0之后的第二时刻t1，使n个数模转换模块中除所述n-m个数模转换模块之外的m个数模转换模块中的每一者中，输入端口处的经更新的数字信号被施加到开关电阻器网络。在图7的示例中，第1通道的第二控制信号l_dac_1在第二时刻t1具有上升沿，并触发该通道的数字信号更新。此时，由于第2～n通道中，第一节点与第二节点被断开，因此这些通道的输出电压不会受第1通道的的数字信号更新的影响。
53.步骤s603、在第二时刻t1之后的第三时刻t3，使所述n-m个数模转换模块中的每一者中，隔离电路将第一节点与第二节点导通。在图7的示例中，在第三时刻t3，选通信号chp和chn变为有效电平，使得第2～n通道中，第一节点与第二节点恢复导通。
54.根据一些实施例，对于所述m个数模转换模块中的每一者，第三时刻t3晚于该数模转换模块响应于经更新的数字信号而开始在输出端输出稳定的输出电压所处的时刻。在图7的示例中，在时刻t2，第1通道的输出端v
out
1开始输出稳定的输出电压。由于第三时刻t3晚于该时刻t2，能够避开由于m个数模转换模块中的数字信号的更新带来的第一参考电压的扰动和通道间的串扰。
55.根据一些实施例，方法600还包括：在第一时刻t0，使所述m个数模转换模块中的每一者中，隔离电路将第一节点与第二节点维持导通。在图7的示例中，在第一时刻t0，第1通道的第二控制信号l_dac_1无效，使得第1通道中第一节点与第二节点维持导通。由此，允许m个数模转换模块中的每一者可以进行数字信号的更新。
56.根据一些实施例，方法600还包括：在第二时刻t1，使所述n-m个数模转换模块中的每一者中，隔离电路将第一节点与第二节点维持断开。在图7的示例中，在第二时刻t1，第2～n通道的选通信号chp和chn无效，从而确保这些通道的输出电压不受第1通道的数字信号更新的影响。
57.将理解的是，当数模转换电路中所有通道上同时有数字信号更新时，每个通道对应的隔离电路都可以将第一节点与第二节点导通，从而实现多通道的数据更新。
58.虽然在附图和前面的描述中已经详细地说明和描述了本公开，但是这样的说明和描述应当被认为是说明性的和示意性的，而非限制性的；本公开不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附的权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的主题时，能够理解和实现对于所公开的实施例的变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除未列出的其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个，术语“多个”是指两个或两个以上，
并且术语“基于”应解释为“至少部分地基于”。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施的仅有事实并不表明这些措施的组合不能用来获益。