CN1021393C

CN1021393C - 改进数/模转换器的线性控制电路

Info

Publication number: CN1021393C
Application number: CN88101063.4A
Authority: CN
Inventors: 拉里·埃·埃克尔斯通; 约翰·卡·埃默里
Original assignee: JOHN FLUKE Manufacturing Co Ltd
Current assignee: JOHN FLUKE Manufacturing Co Ltd; Fluke Corp
Priority date: 1987-02-26
Filing date: 1988-02-26
Publication date: 1993-06-23
Anticipated expiration: 2003-02-26
Also published as: DE3806185A1; GB8804049D0; US4716398A; JPH0681054B2; JPS63227217A; FR2611409A1; GB2202402B; FR2611409B1; GB2202402A; DE3806185C2; CN88101063A

Abstract

在应用数-模转换器的一个电路中，一个放大器经由两个不同的开关电路接收数字调制过的输入信号的两种电压电平。借助于有效地将两开关电路所提供的电阻与该放大器电阻匹配的电路大大改善了放大器所提供的输出信号的线性度。采用自放大器的输出端反馈的反馈电路(包括一反馈放大器)在开关器件导通时提取通过开关器件的任何电流，从而消除了放大器对开关电阻的任何影响。

Description

本发明是关于数-模转换器（DAC），更具体地说，是关于电测量仪器所用的转换器。更详细地说，本发明是关于因输入电压源之间的阻抗不匹配而出现在众所周知的数-模转换器中的非线性问题的校正。

在现有技术的电测量仪器中，大家都知道，可采用较为固定的频率（约在15赫到10千赫的范围之间）和占空因数可调节的开关信号。这种信号经过滤波，最后得出模拟直流电压，再经过缓冲就可用于仪表的输出端。现有技术中采用了各式各样的方法来调制、转换和过滤脉冲宽度调制信号。但众所周知，使用面较广的一些方法都带来了线性问题。

这些方法中有一种是采用脉冲宽度调制器（PWM）产生PWM信号，信号在输入端经滤波之后加到一个不倒相放大器上。但众所周知，不倒相放大器也存在非线性问题。

周知的减小非线性度的一种方法是在DAC中采用倒相放大器。但这种线路显然更为复杂，而且比起使用不倒相放大器在性能方面要求得更严格得多。

举例说，为使输出信号具有正确的极性，需要有一个第二倒相级。此外，为采用灵敏的零检测和校准法转换测量仪器中的信号，需要带有精确放大器的精确电路。增设的这样线路给诸信号带来了干扰，从而对测量仪器的精确度有不利的影响。

在DAC的输入端采用倒相放大器还有另一个缺点，即必须在采用倒相放大器的线路的环路中，而不是在放大器的输入端上设滤波电路。这种滤波电路，特别是多极滤波器可能会引起严重的稳定问题，而这些问题还得以进一步修改线路来解决。

再有，由于滤波器需要装设在倒相放大器的反馈回路中，因而加到放大器上的信号是一些高频信号。因此为满足回路在增益上的要求，就要求倒相放大器具有精确、稳定的高频特性。也就是说，用倒相放大器校正非线性问题时需要一些高频放大器。

这样，在现有技术中就需要对给DAC提供PWM信号的各输入电路中出现的线性度进行补偿。更具体地说，需要解决DAC输入电路中出现的非线性问题，但同时不应给电路带来另一些难题，也不需更复杂更昂贵的线路。

另一种周知的减小非线性度的方法是利用软件控制，测定诸串联和并联开关的失配电阻值，这种方法仍然使用不倒相放大器，但避免了采用倒相放大器有关的种种困难。于是由软件计算出预期的因这种失配所产生的非线性度，再用一些计算方法校正所测出的输出电压的假定的非线性度。

然而，软件校正法本来就不能实时进行，而且显然在实际利用这个方法之前需要花很大代价对输出信号进行处理。

因此目前在现有技术中需要有一个能实时校正从PWM经由串并联电路加到DAC的信号的线性度而无需进行另外的计算步骤来估算和/或校正非线性度的方法。

因此本发明的首要目的是解决现有技术中的上述难题，更具体地说，是提供一种接收PWM输入信号的DAC电路用的线性度校正装置。

本发明更具体的一个目的是提供一种克服给一个输入放大器提供两种电压电平的两个开关装置之间阻抗不匹配而引起的非线性度的线性度校正装置。

本发明的又一个目的是校正给DAC的输入放大器提供两种电压电平的若干输入开关因阻抗匹配不当所引起的非线性度，而无需使用倒相放大器。

本发明的再一个目的是提供一种供加到一个不倒相放大器的开关输入电压用的线性度校正输入电路，在该电路中，在开关装置与放大器的输入端之间配备有一个滤波器。

根据本发明的上述目的，本发明提供了这样一种线性度补偿电路，该电路工作时可用以补偿给一个数-模转换器提供由不同电压组成的调制信号的至少两个开关器件之间存在的电阻差值。该DAC具有一个通过至少两个开关器件接收若干不同的电压的输入放大器。线性度补偿电路包括第一装置和第二装置，第一装置用以基本消除其中一个开关器件的电阻对通过该开关器件加到输入放大器的第一电压的影响，第二装置则用以消除另一个开关器件的电阻对通过该开关器件加到输入放大器的第二电压的影响。

根据本发明，第一装置包括一参考电压源，该参考电压源装有一个可控放大器，该可控放大器有一个电压检测线路，用以维持电压源供到输入放大器的一个输入端上大体上恒定的电压。参考电压源是在第一开关器件两端检测的，从而在第一开关的另一侧产生精确的电压。这种配置方式消除了第一开关装置可能引起的任何电压降。值得注意的是，第二装置包括有反馈输入放大器的输出电压用的反馈装置，该反馈装置是为收集大致上所有与加到输入放大器的第二电压有关的电流而设的，从而消除来自其它开关器件的电流。因此这种配置方式消除了第二开关器件的任何电阻对加到输入放大器的第二电压的影响。

反馈装置最好包括一反馈放大器，反馈放大器的一个输入端连接到输入放大器的输出端，反馈放大器则是为提供等于输入放大器的输出电压预定倍数的电压而设的。此外，该电路系配置得使其可以将从第二开关器件提取的电流等于从输入放大器的输入端加到第二开关器件的电流。

根据本发明的另一个方面，本发明对具有一个接收脉冲宽度调制信号的输入放大器的数-模转换器进行了改进。该信号包括第一和第二可控开关器件以调制了的形式传送到输入放大器的一个输入端的第一和第二电压。第一和第二可控开关器件连接到输入放大器的该输入端，改进的内容则包括一种能消除其中至少一个开关器件的电阻对输入放大器所产生的输出电压的影响的电阻消除装置。电阻消除装置含一提取装置，用以从开关器件提取等于从输入放大器的输入端加到该开关器件的电流的电流。该提取装置有一个放大器，装在输入放大器的一个输出端与该开关器件之间。为控制放大器的增益从而使放大器的输出电压成为输入放大器某一输出电压的预定函数，配备了一个增益控制装置。此外该提取装置有一个电流控制器件用以调定为放大器输出电压的预定函数的一定量电流。电流控制器件的连接使其可从该开关器件获取该电流，从而使得从输入放大器的输入端加到该开关器件的所有电流都为提取装置所提取。这样，本发明的装置基本上消除了开关器件内电阻的任何效应对输入放大器的输出电压或电流的影响。

在经改进的数-模转换器中，电流控制器件的阻抗值最好按放大器的输出电压与从输入放大器的输入端加到开关器件的电流的比值选取。

此外，增益控制装置包括一个连接到放大器的输入端和输出端的电阻网络。

根据本发明的另一个方面，本发明提供这样一种数-模转换器，该数-模转换器包括一个输入放大器和至少两个可控开关器件，输入放大器是为接收经数字调制过的信号并将该数字调制过的信号转换到表示其值的模拟信号而连接的，该至少两个可控开关器件则分别用以将第一和第二电压以调制了的方式传送到输入放大器的一个输入端。第一可控开关器件与第一电压电平相连接，第二可控开关器件则连接到第二电压电平上。

装设校正装置的目的是消除输入放大器所产生的输出电压对第一和第二可控开关器件之间电阻失配的影响。校正装置有一个提取装置，用以在开关器件导通时从至少其中一个开关器件提取大致等于从输入放大器的输入端提供到至少其中一个开关器件的电流的电流。提取装置则又包括一系列元件。在输入放大器的一个输出端与开关器件之间连接有一个放大器。为控制该放大器的增益从而使该放大器的输出电压成为输入放大器输出电压的预定函数，设置一个增益控制器件。电流控制装置是为设定作为放大器输出电压的预定函数的电流值而设的。电流控制装置连接成使其可从开关器件获取电流，从而使提取装置可以提取从输入放大器的输入端供到开关器件的所有电流。因此该具有发明性的装置基本上消除了开关器件内阻抗的任何效应对输入放大器的输出电压或电流的影响。

根据本发明，校正装置还包括其它用以消除第二可控开关器件的阻抗效应对输入放大器的输出电压或电流的影响的装置。

在本发明的一个实施例的电路中，第一和第二可控开关器件包括一些FET（场效应晶体管）开关晶体管，这些开关晶体管由加到该晶体管栅极的控制电压激励。开关装置包括一些与输入放大器的输入端串联和并联连接的串并联开关晶体管。

输入放大器最好有一个不倒相放大器，这样做有好处。

此外还为信号配备有一个滤波器，该滤波器以接在输入放大器的输入端为宜。

下面的说明仅以举例说明的方式而并非限制性的方式举了一个适宜实现本发明的较佳实施例（和一些可供选择的实施例），从这个说明中，熟悉本技术领域的人士即可轻易理解本发明的其它目的、特点和优点。在研究本说明书和实地应用本说明书时，不难理解，本发明还可以有其它不同的实施方案，且在不脱离本发明精神实质的前提下是可以对其若干细节的各个显著的方面进行各种修改的。因此本说明书中所提供的附图和说明应视为举例性质的，而不应视为对本发明的限制。

唯一的一个附图是实施本发明的一个电路的示意图。

现在参看附图，该唯一的附图表示实施本发明的一个电路结构。在该电路结构中，数-模转换器的运算放大器和滤波器电路上加了精确的直流电压电平并接了地（或加其它直流电平），且根据本发明的基本原理，该电路结构中的非线性度可减小到最小程度。

如图所示：不倒相放大器10的一个输入端上加有PWM信号。该信号是由串并联开关装置12提供的。在串并联开关装置12中，由源14和检测放大器15提供的精确直流（或参考）电压经由串联开关16连接到该输入端，同时地电平经由并联开关18连接到该输入端。串联开关16可由实质上彼此并联的一第一开关晶体管22和一第二检测开关晶体管21构成。串并联组合的开关是一些由控制电压20控制的增强型场效应晶体管（MOSFET），控制电压20则具有所希望的占空率并由脉冲宽度调制器（PWM）（图中未示出）输出。包括开关22和21的串联开关16是与并联开关18一起由参考电压源14和放大器15使用以提供检测电压V_x，如图中所示。

控制电压加到构成串联开关16的两个晶体管21和22的栅极上，以及构成并联开关18的晶体管23的栅极上。若晶体管23与晶体管21-22系属于同一类型，则可设倒相器24，以便将控制电压20加到晶体管23的栅极上。不然的话，若各晶体管类型相反，则可将电压20直接加到晶体管23的栅极上。

上述串并联开关组合体将直流电压或地电压加到放大器的输入端。但由于各串联和并联开关晶体管的各电阻之间匹配不当，会发现上述组合体会成为电路中非线性度的根源。

工作时，调节控制电压20的占空因数可提供平均值等于输出电压的脉冲宽度调制波形V_x。PWM波形经由滤波器26滤波。从图中可以看到，滤波器26包括一电阻器R₁和一电容器C₁，按复合式或低通滤波器的形式配置。熟悉本发明技术领域的人士不难理解，虽然这里展示的是一个简单的滤波器，但一般是可以采用五极或六极滤波器，以提高结果的精确性。

脉冲宽度调制波形V_x的平均电压系在放大器10的输出端用图中所示的模拟或直流电压V₀表示。但由于电路的电阻，特别是由于晶体管21、22导通时的电阻与晶体管23导通时的电阻不同，因而当放大器10的输入端上加有两种电压电平时，流动着的电流的大小可能会稍有不同。因此输出电压V₀可以是V_x的非线性函数，更详细地说，可通过调节该电压的占空因数来表示该参数的非线性函数。

在本发明中，晶体管21、22和23各电阻的影响是按下述方式加以清除的。

检测放大器15在参考源14的结构中是用以检测输出电压V_x，并精确改变电源电压，以便调节参考源14所影响的在V_x的部分电压。为达到此目的，为确保当晶体管21-22都导通时不致从参考源14提取额外电流，可装设第四个开关场效应晶体管，如图中的27所示，尽管不一定非要起开关作用不可。于是这一个也是由供到晶体管23的倒相控制电压激励的晶体管在晶体管21-22导通时截止，以确保在PWM波形的那些部分存在期间从输入端流向放大器10。这样就实际上完全清除了开关晶体管21和22的电阻对滤波器的电阻R₁的影响，该影响范围一般在0-5欧之间。

更具体地说，对场效应晶体管21和22的一般电阻值来说，实际得出的电阻值系用一个系数A去除，其中A是参考电压源14中放大器回路的回路增益，具体包括放大器15的增益。因此，对相当大的回路增益来说，如上面已经谈过的那样，场效应晶体管21-22对滤波器26和放大器10看过去的电阻的影响实际上已减到零，可以忽略不计，且不致影响电路的工作。

增加电路工作时的非线性度的另一个因素是晶体管23的电阻。由于晶体管21和22的电阻实际上已减到零，因而本发明中所提供的线路实际上将晶体管23的电阻值减到零，以与晶体管21-22的有效电阻匹配。

为达到该目的，在本发明的结构中增设了一个反馈放大器28。

放大器28连接到放大器10的输出端。放大器28配有适当的反馈和输入电阻R₂用以将输入到其上的电压以大致上同样比值倒相。因此放大器28将放大器10的输出电压V₀倒相。但应该理解的是，放大器28的输入和输出电阻可以取不同的值，以便使增益不等于1，且起补偿放大器10的任何不等于1增益的特性的作用。

如附图所示，放大器28的输出端是经由电阻器R₃连接到晶体管23的漏极上。本发明经改进的电路的工作情况如下：

滤波器26的输出出现在放大器10的输出端和输入端上，以V₀表示，放大器10在这里实质上起一个增益等于1的缓冲器的作用。电压V₀也输入到放大器28，放大器28的输出电压-V₀则加到电阻器R₃上。当晶体管23受激或导通时，流经滤波器26的电阻器R₁的电流I₁流向晶体管23的漏极。该电流值不难测出，其值为

I₁＝V₀/R₁

根据本发明，可使此电流完全与流经连接到放大器28的输出电压-V₀的电阻器R₃的电流I₂完全抗衡。由于I₂的大小为

I₂＝V₀/R₃

因而可通过调节R₃使其等于R₁而使各电流抗衡。当然必要时为满足上面等电阻的要求还可以进行某些修改以便抵消任何残留的电流或电路上的差别。举例说，可以使R₃比R₁小，使其差值等于晶体管27的导通电阻值，以便使合成的阻值等于放大器28的输出端与电压V_x之间的电阻R₁。或者也可以在放大器28的输出端加一个大于放大器21的输出的输出电压，这样就可补偿导通开关晶体管27两端的任何压降。

因此，当控制电压20使晶体管23（或晶体管23和27）导通时，所有从放大器10的输入节点流向该晶体管的电流就为从该晶体管出来流向放大器28输出端的电流所抗衡。这样该晶体管中就没有电流流过。由于晶体管23上没有电流流过，因此晶体管23两端没有电压。此外还完全消除了晶体管23导通电阻的任何影响。

由于本发明的上述实施例中在装置12的并联和串联开关之间设了匹配了的电阻，因而有效地消除了因它们之间的失配所引起的非线性度。

可以看出，从总的情况来看，本发明的最佳实施例从开关晶体管23提取了全部从放大器10的输入端供到晶体管23的电流。这项操作是通过装设一反馈放大器28实现的，反馈放大器28产生一个为放大器10的输出电压的预定函数的输出电压。虽然视乎应用本发明的特定用途可以采用其它函数，但放大器28的电压最好为放大器10的输出电压的负值。

为控制加到反馈放大器28的电流，选用了以电阻器R₃的形式选取了一阻抗。加到放大器28的电流系选择得使其等于加到开关晶体管23的电流。通过选择阻抗R₃，使其等于放大器28的输出与晶体管23的电压之间的电压差与从放大器10加到晶体管23的电流的比值，就可以从晶体管23提取该全部所加的电流。

上述对本发明最佳实施例的介绍仅仅是为了举例说明而已，并不是彻底全面的介绍，也没有将本发明限制在与所公开内容完全一样的形式的意图，因为根据上述教导是有可能做出各种修改和更改的。选用上述实施例是为了以最佳方式说明本发明的原理及其实际用途，从而使其它熟悉本技术领域的人士更好地将本发明应到各种实施方案中，根据所设想的特定用途进行种种修改。我们的意图是，将本发明的范围规定在本说明书所附的权利要求书中，根据诸权利要求合法和等效的整个授权范围解释本发明的范围。

Claims

1、一种用于数/模转换装置的线性控制电路，该数/模转换装置具有一个输出放大器(10)，用以接收由不同电压电平组成的调制信号和提供一个输出电压，上述的不同电压电平至少是由第一和第二开关装置提供的并且连接到该输出放大器的单一输入端(Vx)上，上述的第一开关装置内含一个第一放大器(15)和至少一个第一开关晶体管(21)，而且连接在第一电压电平的第一源(14)与上述输出放大器的上述输入端之间，用以可切换地将上述第一电压电平与上述输入端相连接，上述第二开关装置内含至少一个第二开关晶体管(23)，连接在第二电压电平的第二源与上述输出放大器的上述输入端之间，用以可切换地将上述第二电压与上述输入端相连接，其特征在于设有：

电路装置，用以补偿连接到该输出放大器上述单一输入端上的上述第一和第二开关装置之间在电阻值上的差别，以改进该数/模转换装置的线性；

上述的电路装置内含至少一个第三开关晶体管(27)，经上述第二开关晶体管，与上述第二电压电平的第二源和上述输出放大器的上述输入端相连接，上述第三开关晶体管响应一个控制信号(20)而导通或不导通，用以收集由上述第二电压源提供给上述输出放大器的全部电流，以消除来自上述第二开关装置的电流，并且用以消除第二开关装置的电阻，而不致影响由此提供到上述输出放大器的上述输入端上的第二电压电平。

2、根据权利要求1所述的线性控制电路，其特征在于，所述第二装置含有一个反馈装置，用以反馈所述输出放大器的输出电压，所述反馈装置包括一个具有一个输入端和一个输出端的反馈放大器装置（28），所述反馈放大器装置的所述输入端是为接收所述输出放大器的输出电压（V₀）连接的，所述反馈放大器装置提供等于所述输出放大器的所述输出电压预定倍数的输出电压，而且还包括一个限流阻抗装置（R3），用以将从所述第二开关装置吸收的电流调定得等于从所述输出放大器的所述输入端提供的电流（I1）。

3、一种用于数/模转换器的线性控制电路，该数/模转换器具有一接收脉冲宽度调制信号的输出放大器（10）及第一和第二可控开关器件（21、23），用以将第一和第二电压以调制好的形式传送到所述输出放大器的一个输入端（Vx）上，所述第一和第二可控开关器件连接到所述输出放大器的所述输入端上，其中所述第一可控开关器件与第一电压电平（14）相联，所述第二可控开关器件与第二电压电平相联，其特征在于包括：

电路装置，用于消除至少其中一个所述开关器件（23）的电阻对所述输出放大器所产生的输出电压的影响;

所述的电路装置含有一个电流吸收装置，用于吸收来自所述至少其中一个开关器件的电流，该电流大致上等于从所述输出放大器的所述输入端加到所述至少其中一个开关器件的电流;

所述电流吸收装置包括：

放大器装置（28），连接在所述输出放大器的一个输出端与所述至少一个开关器件之间;

增益控制装置（R2、R2），用于控制所述放大器装置的增益，从而提供所述放大器装置的输出电压作为在所述输出放大器的所述输出端的输出电压的预定函数;

电流控制装置（R3），用于提供电流值以作为所述放大器装置的所述输出电压的预定函数;

所述电流控制装置是为从所述至少一个开关器件获取所述电流值而进行连接的;

因此所有从所述输出放大器的所述输入端加到所述至少一个开关器件的几乎全部电流都被所述的电流吸收装置所吸收;

从而基本上消除了所述至少一个开关器件的内电阻的任何效应对所述输出放大器的输出电压（V₀）或电流的影响。

4、根据权利要求3所述的线性控制电路，其特征在于，所述电流控制装置包括一个阻抗装置（R3），该阻抗装置系以所述放大器装置的所述输出电压对从所述输出放大器的所述输入端加到所述至少其中一个开关器件的上述电流的比值进行选择的。

5、根据权利要求4所述的线性控制电路，其特征在于，所述增益控制装置含有一个连接到所述放大器装置的输入端和输出端的电阻网络装置。

6、根据权利要求3所述的线性控制电路，其特征在于，所述增益控制装置含有一个电阻网络装置，连接到所述放大器装置的输入端和输出端上。

7、一种用于数/模转换器的线性控制电路，该数/模转换器包括：

一输出放大器（10），连接成用于接收数字调制过的信号并将所述数字调制过的信号转换成表示其值的模拟信号;

至少是第一和第二可控开关器件（21、23），分别用于以调制了的形式将第一电压和第二电压传送到所述输出放大器的一个输入端（Vx）上;

所述第一和第二可控开关器件连接到所述输出放大器的所述输入端上;

所述第一可控开关器件连接到第一电压电平（14）上，所述第二可控开关器件连接到第二电压电平上;

其特征在于：

电路装置，用于消除所述第一和第二可控开关器件之间电阻失配对所述输出放大器所产生的输出电压（V₀）的影响;

所述的电路装置含有一个电流吸收装置，用以吸收来自至少其中一个所述开关装置（23）的电流，该电流大致上等于所述至少一个开关器件导通时从所述输出放大器的所述输入端加到所述至少一个开关器件的电流;

所述电流吸收装置包括：

增益控制装置（R2、R2），用以控制所述放大器装置的增益，借此将所述放大器装置的输出电压作为所述输出放大器的所述输出端的输出电压的预定函数来提供;

电流控制装置（R3），用以提供一电流值以作为所述放大器装置的所述输出电压的预定函数;

所述电流控制装置是为从所述至少一个开关器件获取所述电流值而连接的;

从而所有从所述输出放大器的所述输入端加到所述至少一个开关器件的电流都为所述电流吸收装置所吸收;

从而基本上消除了所述至少一个开关器件内电阻的任何效应对所述输出放大器的输出电压或电流的影响。

8、根据权利要求7所述的线性控制电路，其特征在于，所述的电路装置还包括阻抗效应消除装置，用以消除所述第二可控开关器件的阻抗效应对所述输出放大器的输出电压或电流的影响。

9、根据权利要求7所述的线性控制电路，其特征在于，所述第一和第二可控开关器件包括多个由加到其栅极的控制电压（20）激励的FET开关晶体管并包括与所述输出放大器的所述输入端串联和并联连接的开关晶体管相连接的串联电路（21）和并联电路（23）。

10、根据权利要求9所述的线性控制电路，其特征在于，所述输出放大器有一个不倒相放大器。

11、根据权利要求10所述的线性控制电路，其特征在于，还包括连接在所述输出放大器的所述输入端的滤波器装置（26）。

12、根据权利要求9所述的线性控制电路，其特征在于，还包括连接在所述输出放大器的所述输入端的滤波器装置（26）。

13、根据权利要求7所述的线性控制电路，其特征在于，所述输出放大器有一个不倒相放大器。

14、根据权利要求13所述的线性控制电路，其特征在于，还包括连接在所述输出放大器的所述输入端的滤波器装置（26）。

15、根据权利要求7所述的线性控制电路，其特征在于，还包括连接在所述输出放大器的所述输入端的滤波器装置（26）。

16、根据权利要求2所述的线性控制电路，其特征在于，所述的第三开关晶体管连接在上述反馈放大器装置的输出端与上述输出放大器的所述输入端之间。

17、根据权利要求2所述的线性控制电路，其特征在于，所述的限流阻抗装置包括一个限流电阻，连接在上述反馈放大器装置的输出端与上述输出放大器的上述输入端之间，其阻值可使跨在上述限流电阻上的一个预定电压吸收由上述第二电压源提供给上述输出放大器的几乎全部电流。

18、根据权利要求2所述的线性控制电路，其特征的于，上述限流阻抗装置包括一个电阻，其限值基本上等于上述输出放大器的输入电阻。