一种高无杂散动态范围的分段式R-2R倒梯形电阻网络

本发明属于模拟集成电路设计，特别涉及一种高无杂散动态范围的分段式r-2r倒梯形电阻网络。

背景技术：

1、数据转换器是现代信号处理系统中极其重要的模块，同时也是限制整个系统信号处理能力的瓶颈所在。数据转换器的性能指标决定了一个产品的好坏，而有高性能的产品必然受到消费者们的青睐。在数模转换器中，无杂散动态范围(sfdr)指的是载波频率(最大信号成分)的rms幅度与次最大失真成分的rms值之比，其作为数据转换器的一个重要动态性能参数，在通信系统中非常重要，比如在小信号的模数转换中，一个大信号通道产生的杂散与信号通道频率相近的话，会导致小信号通道内的信息被屏蔽。

2、对于奈奎斯特数模转换器而言，有电压型、电荷型和电流型三种设计方向；对于过采样数模转换器而言，有sigma delta数模转换器。但对于高精度的数模转换器而言，设计的选择受到了极大的约束：电压型和电荷型由于结构的原因不适用于高精度领域，所以只能选择电流型数模转换器和sigma delta数模转换器。sigma delta数模转换器的优点是其能做到高精度甚至超高精度，但它有着复杂的数字电路和模拟电路，不是低成本的设计方案。在电流型数模转换器中，r-2r倒梯形电阻网络是一个很好的方案，其电路大部分由r、2r两种电阻构成，匹配精度高，同时还具有面积小的优点。尽管r-2r倒梯形电阻网络能够用做高精度数据转换器，但实际电阻的匹配精度一般最高只能到12位，满足不了16位的高精度要求。所以设计者提出了分段式方案的r-2r倒梯形电阻网络，一般是分为两段或三段，比如一个12位的r-2r倒梯形电阻网络，被设计成(4+8)分段式，表示高4位被译码成15级温度计码，低8位保持二进制码，那么其低位段的精度要求只需要8位，高位段的精度需要12位，满足12位数据转换器的精度要求，且不需要所有位段都为12位精度。

3、但对于16位这样的数据转换器而言，若被设计成分段式，那么一定会有一部分电阻需要达到16位的精度，这样，由模拟器件构成的单元无法完全匹配，这种失配就以非线性误差的形式影响整个转换器的sfdr等各项性能。因此，为了保证高sfdr的性能要求，设计者一般选择在开关转换方面对这种失配现象进行补偿。

4、分段式r-2r倒梯形电阻网络的高位段开关在接收控制信号时，所用的温度计编码会导致一部分单元被选中的频率远远超过其它部分，那么这部分单元的失配就会以谐波的形式出现在功率谱密度图中，极大降低系统的sfdr。因此想要对这一现象进行优化，就需要在高位段的开关切换加算法：累加器将高位段的二进制码进行累加，并将结果作为指针信号控制对数移位器对温度计码的移位操作，对数移位器的输出码使得每个高位段的开关被选中的频率一样，极大抑制了谐波的产生，提高了系统的sfdr。

技术实现思路

1、本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种高无杂散动态范围的分段式r-2r倒梯形电阻网络。本发明的技术方案如下：

2、一种高无杂散动态范围的分段式r-2r倒梯形电阻网络，其包括：温度计译码器、累加器、对数移位器、电平保持电路、锁存器以及分段式r-2r倒梯形电阻网络，其中，

3、温度计译码器，用于将高4位二进制码转码为15级温度计码；

4、累加器，用于对高4位二进制码进行累加，产生对数移位器所需要的移位控制信号；

5、对数移位器，用于根据累加器输入的移位控制信号和输入的15级温度计码进行移位操作；

6、电平保持电路，用来补偿对数移位器进行移位操作时所损失的电平；

7、锁存器，用于将低12位和高4位的信号进行时域对齐；

8、分段式r-2r倒梯形电阻网络，用于接收锁存器的数字信号，然后对数字信号进行解码。

9、2、进一步的，所述温度计译码器，用于将高4位二进制码转码为15级温度计码，具体包括与非门、或非门和非门等基本门级电路。例如，高4位二进制码为din3din2din1din0为0001，那么转码后的温度计码temp15temp14……temp1为000000000000001，由两个或非门和一个与非门组成；再例如，高4位二进制码为din3din2din1din0为0110，那么转码后的温度计码temp15temp14……temp1为000000000111111，由两个与非门和一个非门组成。

10、进一步的，所述累加器由四个全加器和八个d触发器构成，其中全加器1的进位输出端与全加器2的进位输入端连接；全加器2的进位输出端与全加器3的进位输入端连接；全加器3的进位输出端与全加器4的进位输入端连接；全加器4的进位输出端与全加器1的进位输入端连接，完成端回进位算法；每个全加器的输出端s1～s4作为d触发器的输入到达d触发器1～d触发器4，八个d触发器分别由两个反相时钟控制，其中d触发器1～d触发器4锁存，d触发器5～d触发器8读取，完成一次锁存操作后，d触发器5～d触发器8的结果p[3:0]一边返回全加器输入端b1～b4，一边作为对数移位器的控制信号控制温度计码进行移位操作。

11、进一步的，对数移位器，用于根据累加器输入的移位控制信号p[3:0]和输入的15级温度计码temp[1～15]进行移位操作，具体包括60(15×4)个mux，支持固定位宽的循环移位操作,每个mux包括两个nmos开关，其中一个nmos开关接收移位控制信号，另一个接收移位控制信号的反相信号。

12、进一步的，所述电平保持电路有15条支路，每条支路由两个反相器和一个pmos管组成，pmos的源极接到电源vdd，栅极接到该支路的反相器n_1的输出端与反相器n_2的输入端，漏极接到反相器n_1的输入端，与对数移位器共同完成移位的操作，且确保结果正确。

13、进一步的，所述锁存器，用于将低12位和高4位的信号进行时域对齐，具体包括接收低12位信号的12个d触发器和接收高4位信号转码成15级温度计码后的15个d触发器。低12位信号始终会先到达d触发器，高4位信号因转码和算法会有一定延时，两者待下一个时钟上升沿来临，一起输出到分段式r-2r倒梯形电阻网络。

14、进一步的，所述分段式r-2r倒梯形电阻网络被(4+12)分段；高位段的4位二进制码被转码成15级的温度计码，低位段的12位二进制码不进行转码操作；高位段的每条支路由两个大电阻r、一个小电阻r和一个单刀双掷开关组成，单刀双掷开关接收控制高4位的信号d[1～15]，低位段除了一条支路由两个大电阻r和两个小电阻r组成，其余的12条支路均由三个大电阻r、两个小电阻r和一个单刀双掷开关组成，单刀双掷开关接收控制低12位的信号b[11:0]。

15、本发明的优点及有益效果如下：

16、本发明提供一种高无杂散动态范围的分段式r-2r倒梯形电阻网络，通过将传统的r-2r倒梯形电阻网络进行分段处理，然后在r之间增加小电阻r来抵消cmos开关的导通电阻对于电阻网络的影响。由于模拟器件固有的失配，分段后的r-2r倒梯形电阻网络仍然具有较高的二次谐波分量，因此，本发明通过增加简单的数字电路，将开关切换设计为无交叠旋转选择的方案，让每个cmos开关被选中的几率一样大，避免了个别支路被选中的次数远远高于其它支路，进而抑制因输入代码而引起的谐波，实现高无杂散动态范围。