一种基于DEM和Trimming技术的VI变换电路

本发明属于模拟集成电路设计，特别涉及一种基于dem和trimming技术的vi变换电路。

背景技术：

1、vi变换电路(vic)广泛应用于工业和过程控制应用中，用于通过4-20ma或者0-20ma电流环路传输低频模拟信号，例如来自传感器的信号，这样的环路被仍然广泛使用以保持与传统基础设备设施的兼容性。

2、在cmos工艺下的vi电压电流变送器中有三种因素会影响输出电流的精度，第一个因素是电阻的精度和失配，但该因素可以使用片外的电阻从而实现高精度的要求，第二个因素是运放的失调，运放的失调也可以使用失调消除技术例如：斩波调制技术，自调零技术等，第三个因素也是最重要的因素就是电流镜的失配，因此提出了dem加trimming的技术来提高电流镜的精度。

3、cn107819465a，一种soc基带芯片中电流舵数模转换器的失配校准电路，其包括电流镜补偿电路、校准切换开关模块、校准电阻、电压检测模块和校准控制模块。校准电阻的阻值为电流舵数模转换器中负载电阻的阻值的2n-1倍，n为msb有效位位数；电流镜补偿电路与电流舵数模转换器中msb电流镜支路数量相等，二者并联连接构成电流镜并联支路。本发明还公开了一种包括上述失配校准电路的soc基带芯片。本发明通过选择高阻值的校准电阻，使得电流舵数模转换器中电流镜阵列的电流误差可以被检测，从而进行校准，解决了28nm以及更小工艺尺寸的soc基带芯片中dac电流镜阵列的输出电流的失配误差问题，提高dac的转换精度。

4、该专利主要是应用在中电流舵数模转换器，第一，该篇专利校准技术采用了温度计编码的方式，对逻辑电路是一个较大的负担因此在数字部分的功耗也较大，第二，其中用到了比较大量的电阻，这些电阻本身的精度也需要考量，同时大电阻就意味着大面积，在芯片的成本上面会有所增加，第三，该篇专利的输入信号和输出信号形式有所不同，这里使用的是数字信号的输入，模拟信号的输出，且输出的模拟信号值与参考电压、电阻等有关，这些都与工艺相关，工艺会导致输出的偏差，因此与工艺相关的参数越少越好，本专利使用的是模拟信号输入模拟信号输出，且输出的电流高达20ma，决定输出电流与输入电压的电阻也是由片外的精确电阻决定。第四，本专利应用在高电压范围，因此使用了高压mos管来承受大电压，该篇专利应用于低电压领域。

技术实现思路

1、本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于dem和trimming技术的vi变换电路。本发明的技术方案如下：

2、一种基于dem和trimming技术的vi变换电路，其包括：

3、运算放大器amp1、amp2，源极负反馈电阻rdeg1、rdeg2、rdeg3、rdeg4，rdegh<1:12>，输入电阻rin，输出电阻rout，vi变换mos管mi1、mi2、mi3、mi4，钳位mos管mt1、mt2、mt3、mt4，输出mos管mext，补偿mos管mtrim<1:12>，补偿电容cap<1:12>，电流镜mos管mc<1:12>，开关sc<1:12>、so<1:12>、si<1:12>，sg<1:12>、sg1<1:12>，电流沉mos管md，输入信号vin，钳位电压信号va、va1偏置电压信号vb，电流信号iin、istd、ical、ibias、iout，高压部分地电路，偏置电路，dem动态元素匹配电路，1：12电流镜电路，trim微调电路，其中，所述源负反馈电阻rdegh<1:12>用于提高线性度；所述1：12电流镜mc<1:12>用于对输入电流十倍放大；所述高压部分地电路用于为1：12电流镜mc<1:12>提供地；所述dem电路用于切换不同的电流镜支路，从而使得每条电流镜都会被校准到，从而起到提高精度的作用；trim电路用于对每条电流镜以基准电流镜为模板进行校准；1：12电流镜支路是指总共有十二条动态电流镜支路，其中一条作为输入电流镜支路，一条作为校准电流镜支路，十条作为输出电流镜支路，在dem电路的作用下，电流镜会交替切换，在输入电流镜支路，输出电流镜支路，校准电流镜支路之间循环往复；

4、运算放大器的amp1的正向输入端连接在输入信号vin处，运算放大器amp1的负向输入端连接在电阻rdeg1和rin的中间节点，运算放大器amp1的输出连接在mos管mi1、mi2、mi3、mi4的栅极。mos管mi1、mi2、mi3、mi4的源极分别与电阻rdeg1、rdeg2、rdeg3、rdeg4相连接，mos管mi1、mi2、mi3、mi4的漏极分别与mos管mt1、mt2、mt3、mt4的源极。运算放大器amp2的负向输入端连接在电阻rdeg1和rin的中间节点，运算放大器amp2的正向输入端连接在mos管md的漏极和电阻rdeg2、rdeg3、rdeg4的中间节点，运算放大器amp2的输出连接在mos管md的栅极。mos管mt1、mt2、mt3、mt4的栅极连接在偏置电路，mos管mt1的漏极连接在输入支路，mos管mt2的漏极连接在基准支路，mos管mt3的漏极连接在校准支路，mos管mt4的漏极连接在自适应偏置支路，mos管mext的栅极和漏极分别从1：12电流镜电路中引出，高压部分地电路输出与dem电路，1：12电流镜电路，trim电路的地相连接，dem电路，1：12电流镜电路，trim电路，高压部分地电路，偏置电路与电源相连，电阻rin、rout一端，mos管md的源极、高压部分地电路、偏置电路一端与地相连。

5、进一步的，所述运算放大器amp1与vi变换mos管mi1和输入电阻rin一起形成负反馈结构使得va等于vin从而产生一个大小为va/rin的电流信号iin，该信号与输入电压vin以及输入电阻rin相关，该信号通过源负反馈电阻rdeg1，vi变换mos管mi1以及钳位mos管mt1送入输入支路；

6、所述运算放大器amp2与电流沉mos管md形成负反馈结构使得va1等于va等于vin。

7、进一步的，所述电流信号istd、ical、ibias与iin的大小关系与vi变换mos管mi2、mi3、mi4和mi1的宽长比相关，其中mi2与mi3的尺寸与mi1的相同，mi4的尺寸是mi1尺寸的五分之一，因此产生的电流iin等于istd等于ical等于五倍的ibias。

8、所述源负反馈电阻rdeg1等于rdeg2等于rdeg3等于五倍rdeg4，在保持压降相同的同时起到提高线性度的作用。

9、进一步的，所述电信号istd送入基准支路，ical送入校准支路，ibias送入自适应偏执支路，自适应偏置支路为输入支路、基准支路、校准支路提供偏置信号，在输入信号vin变化的同时保证输入支路，基准支路，标准支路中的mos管处在饱和区，保证信号的线性度。

10、进一步的，所述dem电路校准原理如下：在第一个周期，一号电流镜开关sg<1>、sc<1>闭合接入校准支路中其余开关断开cap<1>和mtrim<1>对mc<1>以基准支路为模板进行校准，同时二号电流镜开关sg1<2>、si<2>闭合接入输入支路其余开关断开，三到十二号电流镜sg1<3:12>、so<3:12>闭合接入输出支路其余开关断开；在第二个周期，已校准的一号电流镜开关sg1<1>、si<1>闭合其余开关断开接入输入支路，同时二号电流镜开关sg<2>、sc<2>闭合接入校准支路其余开关断开cap<2>和mtrim<2>对mc<2>以基准支路为模板进行校准，三到十二号电流镜sg1<3:12>、so<3:12>闭合接入输出支路其余开关断开。在第三个周期，已校准的二号电流镜开关sg1<2>、si<2>闭合其余开关断开接入输入支路，同时三号电流镜开关sg<3>、sc<3>闭合接入校准支路其余开关断开cap<3>和mtrim<3>对mc<3>以基准支路为模板进行校准，一号电流镜sg1<1>、so<1>和四到十二号电流镜sg1<4:12>、so<4:12>闭合接入输出支路其余开关断开；以此类推，经过十二个周期之后，所有的电流镜都进行校准完毕，此时输出电流稳定且iout与输入电流iin的比例为十比一。

11、进一步的，所述运算放大器amp1与vi变换mos管mi1和输入电阻rin一起形成负反馈结构使得va等于vin从而产生一个大小为va/rin的电流信号iin，电流信号iin与输入电压vin以及输入电阻rin相关，电流信号iin通过源负反馈电阻rdeg1，vi变换mos管mi1以及钳位mos管mt1送入输入支路；同时校准支路对其他的电流镜以基准支路的电流镜为模板进行校准，经过十二校准周期之后，1:12电流镜mc<1:12>校准完毕，输出的电流较输入电流放大十倍的同时提高了精度。

12、进一步的，所述vi变换mos管mi4为mi1、mi2、mi3的五分之一，源负反馈电阻rdeg4为rdeg1、rdeg2、rdeg3的五倍，此时vin的变化引起的偏置电压变化才是线性的。

13、进一步的，所述1：12电流镜中的电流镜支路包含了五个开关sg<1:12>，sg1<1:12>，sc<1:12>，si<1:12>，so<1:12>和一个vi变换mos管，一个补偿mos管，开关会随着dem逻辑时序进行切换。

14、进一步的，所述dem电路，trim电路，1；12电流镜支路采用高压mos和低压mos混合制作，高压mos用于钳位住电压节点使得工作mos管处在安全的工作电压，低压mos管有着较高的精度。

15、本发明的优点及有益效果如下：

16、1、本发明为了提高不同电流镜之间的匹配精度，消除工艺失配对mos管的影响，使用了三种不同的技术来提高输出电流的精度以及线性度，分别是dem技术，trimming技术以及源极负反馈技术，采用dem技术使得输出电流的精度增加，使用trimming技术的目的是让不同的电流镜之间的失配减小，使用源极负反馈技术的目的是使得输出电流线性度提升。

17、2、本发明中使用了两个地，一个高压地一个普通的地，该作用是将整体电路划分成两个不同的电压域，使得在高压部分也能够使用低压的mos管，使得信号在变化的过程中的密勒平台效应减小的同时进一步减小了芯片的面积节约了成本。

18、3、本发明的使用了自适应偏置电路，在输入信号变化的过程中会引起节点电压的变化，在这个变化的过程中如果使用固定的偏置电压就会使的部分mos管处于非饱和的状态，在这个状态下，信号的失真会变大，会使得输出电流的线性度变差，因此使用的自适应偏置电路会使得偏置电压随着输入信号的变化，从而避免mos管处于非饱和区，这有效的提升了输出信号的线性度。