CN101527569A - 数字模拟转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种数字模拟转换器，包含有一偏压产生单元、一数字模拟转换单元以及一运算放大器。该偏压产生单元用来产生一第一偏压。该数字模拟转换单元用来将一数字信号转换为一电压信号，该数字模拟转换单元包含一电流源，用来提供一电流；一开关单元，耦接至该电流源，用来依据该数字信号以控制该电流是否流过该开关单元；以及一负载，该负载上流过该电流以输出该电压信号。该运算放大器耦接至该偏压产生单元与该数字模拟转换单元，该运算放大器用来依据该第一偏压以控制该电流源。

Description

数字模拟转换器
技术领域
本发明有关于一种数字模拟转换器，尤指一种电流控制式的数字模拟转换器。
背景技术
数字模拟转换器(Digital-to-analog Converter，DAC)是现今通讯系统中一个不可或缺的电路元件，种类也相当多，一般来说，电流控制式的数字模拟转换器(Current-Steering Digital-to-analog Converter)为一种较常见也较高速的数字模拟转换器，其基本概念是利用电流源的方式，藉由开关控制来将所需的电流切换至输出端。然而，随着半导体工艺的演进，电源电压(Supply voltage，Vdd)不断往下降，造成晶体管的电压工作区间也越来越窄，如此一来，会使得晶体管操作在不正确的工作区域。请一并参考图1与图2，图1所示为公知电流控制式的数字模拟转换器10的简单电路示意图，而图2为图1所示的数字模拟转换器10中一单端输出端的输出电压Vout的示意图。当采用Vdd＝1.8V时，单端输出端的输出电压Vout的信号大小落在电压Vdd-1.25与VDD+1.25之间，晶体管M1的源极端输出电压最低为0.55V，此时供应电流I的输出级晶体管M2(作为输出电流源)将无法工作在饱和区而进入三极区(Triode Region)使得电流下降，因此会引起差动输出信号的失真。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种具有稳定偏压电流的电流控制式的数字模拟转换器，以解决上述公知数字模拟转换器的问题。
依据本发明的一个实施例，其公开一种数字模拟转换器，其包含有偏压产生单元、一数字模拟转换单元以及一运算放大器。该偏压产生单元用来产生一第一偏压。该数字模拟转换单元用来将一数字信号转换为一电压信号，该数字模拟转换单元包含一电流源，用来提供一电流；一开关单元，耦接至该电流源，用来依据该数字信号以控制该电流是否流过该开关单元；以及一负载，该负载上流过该电流以输出该电压信号。该运算放大器耦接至该偏压产生单元与该数字模拟转换单元，该运算放大器用来依据该第一偏压以控制该电流源。
依据本发明的一个实施例，其公开一种数字模拟转换器，包含有：一偏压产生单元、一第一电流路径、一数字模拟转换单元以及一运算放大器。该偏压产生单元用来产生一第一偏压。该第一电流路径用来依据一控制信号以产生一第一电流。该数字模拟转换单元用来将一数字信号转换为一电压信号，该数字模拟转换单元包含一第二电流路径，该第二电流路径上流过一第二电流，以及一负载，该负载上流过该第二电流以产生该输出电压信号。该运算放大器耦接至该偏压产生单元、该第一电流路径与该数字转模拟单元，该算放大器用来依据该第一偏压输出该控制信号，以调整该第一电流与该第二电流。
附图说明
图1为公知电流控制式的数字模拟转换器的简单电路图。
图2为图1所示的数字模拟转换器中一单端输出端的输出电压的示意图。
图3所示为本发明第一实施例的数字模拟转换器的电路图。
图4所示为本发明第二实施例的数字模拟转换器的电路图。
图5所示为本发明第三实施例的数字模拟转换器的电路图。
图6所示为本发明第四实施例的数字模拟转换器的电路图。
主要元件符号说明
  10、200、300、400、500   数字模拟转换器
  202、302、402、502   数字模拟转换级
  204、304、404、504   偏压产生单元
  206、306、406、506   运算放大器
  2064、2066、3064、3066、4064、4066、5064、5066   电平转换器
  308   电流路径
具体实施方式
请参考图3，图3所示为本发明第一实施例的数字模拟转换器200的电路图。数字模拟转换器200为一种电流控制(current steering)式的数字模拟转换器。该电流控制式的数字模拟转换器200包含有一偏压产生单元204、一数字模拟转换单元202以及一运算放大器206。数字模拟转换单元202包含有一电流源、一开关单元、以及一负载；其中该电流源由晶体管M3所构成，该开关单元由晶体管M1、M2所构成，该负载包含有二电阻RL1、RL2。偏压产生单元204包含有一参考电流源Ibias、一晶体管M5与一晶体管M4。运算放大器206耦接至偏压产生单元204与数字模拟转换单元202，其连接方法如图3所示。请注意，本发明的第一实施例中，另包含有多个运算放大器、多个电流源、以及多个开关单元，如图3所示，然而，由于该多个运算放大器、该多个电流源、以及该多个开关单元均分别具有与运算放大器206、该电流源(晶体管M3)、以及该开关单元(晶体管M1、M2)相同的组态，故在不影响本发明技术公开之下，图3中仅对偏压产生单元204、数字模拟转换单元202以及运算放大器206的结构与操作原理作说明。
依据本发明的第一实施例，如图3所示，参考电流源Ibias用来产生一参考电流，该参考电流流经晶体管M5及晶体管M4并提供第一偏压V+予连接端N4，其中晶体管M5的栅极端接收一参考电压Vbias；运算放大器206接收由偏压产生单元204所产生的第一偏压V+信号后，则输出一电压电平Vref3至电平转换器2064、2066作为电平转换器2064、2066的工作电压，而电平转换器2064、2066可由反相器或其他具有电平转换功能的电路所实现，当输入信号D1为一低逻辑值时，电平转换器2064会将输入信号D1转换为运算放大器206的供应电压电平Vref3输出至栅极G1，由于输入信号D1与输入信号D1bar形成差动信号，故当输入信号D1为一低逻辑值时，D1bar为一高逻辑值，电平转换器2066将输出工作电压Vref2至栅极G1。依据本实施例的设计，供应电压电平Vref3可视为一高逻辑值，而电压电平Vref2可视为一低逻辑值，因此晶体管M1会被导通使得晶体管M3所提供的一输出电流Iout会流经由负载RL1、晶体管M1以及晶体管M3所形成的路径，提供了晶体管M3的漏极N1上的第二偏压V-。若运算放大器206为一理想的运算放大器的话，则当第二偏压V-和第一偏压V+不一样时，运算放大器206和晶体管M1所形成的回路会利用反馈的机制将晶体管M3上的第二偏压V-和晶体管M4上的第一偏压V+调整为一样。例如当第二偏压V-比第一偏压V+小时，运算放大器206所输出的供应电压电平Vref3会提升而使得流经晶体管M1的输出电流Iout上升，如此一来，第二偏压V-亦会提升，最后第二偏压V-和第一偏压V+便可被调整成一样，以达到作为电流源使用的晶体管M3上所产生的电流，能够和参考电流源Ibias达到一比例关系。
由上述所公开的操作过程可以得知，当偏压电流Ibias为一固定值时，无论晶体管M4和晶体管M3操作时的区域在饱和区或三极区，晶体管M4和晶体管M3的面积与偏压条件是一样的(即二晶体管的栅极、漏极、源极电压均一样)，因此输出电流Iout会被迫和偏压电流Ibias大致上相同。换句话说，即使在上述公知的的供应电压为1.6V的情况时，本发明电流控制式的数字模拟转换器200仍可于维持输出端Nout的输出电压不失真的情况下运作。
请参考图4，图4所示为本发明第二实施例的数字模拟转换器300的电路图。数字模拟转换器300为一种电流控制(current steering)式的数字模拟转换器。该电流控制式的数字模拟转换器300包含有一偏压产生单元304、一数字模拟转换单元302、一第一电流路径308以及一运算放大器306。类比转换级302包含有一第二电流路径以及一负载；其中该第二电流路径由一电流源(晶体管M3’)和一开关单元(晶体管M1’、M2’)所构成，该负载包含有二电阻Rt1’、Rt2’。运算放大器306耦接至偏压产生单元304与第一电流路径308。请注意，本发明另包含有多个电流源、以及多个开关单元，如图4所示，然而，由于该多个电流源、以及该多个开关单元均分别具有与该电流源(晶体管M3’)、以及该开关单元(晶体管M1’、M2’)相同的组态，故在不影响本发明技术公开之下，图4中仅对偏压产生单元304、数字模拟转换单元302、第一电流路径308以及运算放大器306的结构与操作原理作说明。
偏压产生单元304耦接于数字模拟转换单元302，包含有一参考电流源Ibias’、一晶体管M4’与一晶体管M5’。此一实施例中，第一电流路径308为一复制电路(replica)，其包含有一复制切换晶体管Ma、一复制偏压晶体管Mb以及一复制负载Rreplica。复制负载Rreplica的一端耦接于第一参考电压电平Vref1’，而复制负载Rreplica的特性大致上相同于负载RL1’、RL2’的特性；对于复制切换晶体管Ma而言，其晶体管特性大致上相同于晶体管M1’、M2’的晶体管特性，且复制切换晶体管Ma的一栅极Ga耦接于晶体管M1’的栅极G1’，以及复制切换晶体管Ma的一漏极Na耦接于复制负载Rreplica的另一端；对于复制偏压晶体管Mb而言，其晶体管特性大致上相同于晶体管M3’的晶体管特性，且复制偏压晶体管Mb包含有一栅极Gb、一漏极Nb与一源极Nc，其中复制偏压晶体管Mb的漏极Nb耦接于复制切换晶体管Ma的一源极(Nc)。
依据本发明的第二实施例，如图4所示，运算放大器306依据复制偏压晶体管Mb的漏极Nb的第二偏压V-与晶体管M4’的漏极N4’的第一偏压V+之间的电压差调整一供应电压电平Vref3’；电平转换器3064耦接于运算放大器306的输出端，用来依据输入信号D1’的逻辑值自供应电压电平Vref3’与第二参考电压电平Vref2’中择一输入至栅极G1’；同理，另一电平转换器3066亦耦接于运算放大器306的输出端，用来依据输入信号D1bar’的逻辑值自供应电压电平Vref3’与第二参考电压电平Vref2’中择一输入至栅极G1bar’。图4所示的电流控制式的数字模拟转换器300与图3所示的电流控制式的数字模拟转换器200的操作相似，运算放大器306藉由偏压产生单元304所产生的第一第一偏压，输出丨电压电平Vref3来控制第一电流路径308上的晶体管M1，以调整第一电流路径308上所产生的电流，另外，运算放大器306的输出端亦产生电压电平Vref3至数字模拟转换单元302中的电平转换器3064、3066，来调整数字模拟转换单元302中所产生的电流，以达到作为电流源使用的晶体管M3上所产生的电流，能够和参考电流源Ibias达到一比例关系，若晶体管M4和晶体管M3的面积是一样的情况下，偏压条件亦会实质上相同(即二晶体管的栅极、漏极、源极电压均一样)，因此晶体管M3的输出电流Iout会和偏压电流Ibias相同。
请注意，本发明的第一与第二实施例中，数字模拟转换器200、300的开关单元的晶体管并不局限于使用一颗晶体管，换句话话，以迭接方式(Cascode)晶体管所实现的晶体管组态亦属本发明的范畴。另外，于图3与图4所示的实施例中，电平转换器以反相器来加以实施，然而本发明并不以此为限，例如于其他实施例中，亦可使用锁存器(latch)来作为电平转换器。
请参考图5，图5所示为本发明第三实施例的数字模拟转换器400的电路图。数字模拟转换器400为一种电流控制(current steering)式的数字模拟转换器。数字模拟转换器400相似于数字模拟转换器200，其亦包含有一偏压产生单元404、一数字模拟转换单元402以及一运算放大器406。数字模拟转换单元402包含有一电流源、一开关单元、一控制晶体管单元以及一负载；其中该电流源由晶体管M3”所构成，该开关单元由晶体管M1”、M2”所构成，该该控制晶体管单元由晶体管M6”、M7”所构成，负载包含有二电阻RL1”、RL2”。其中控制晶体管单元的晶体管M6”、M7”可利用输入输出接合垫(I/O pad)中的晶体管来实现，由I/O处理(process)所完成。运算放大器406耦接至偏压产生单元404与数字模拟转换单元402。请注意，本发明另包含有多个运算放大器、多个电流源、以及多个开关单元，如图5所示，然而，由于该多个运算放大器、该多个电流源、以及该多个开关单元均分别具有与运算放大器406、该电流源(晶体管M3”)、以及该开关单元及控制晶体管(晶体管M1”、M2”、M6”、M7”)相同的组态，故在不影响本发明技术公开之下，图5中仅对偏压产生单元404、数字模拟转换单元402以及运算放大器406的结构与其操作原理作说明。
依据本发明的第三实施例，如图5所示，运算放大器406依据晶体管M4的漏极N4的偏压V+产生一供应电压电平Vref3至控制晶体管M6”及M7”。另一方面，电平转换器4064(例如反相器(inverter))耦接于晶体管M1”的栅极端，用来依据输入信号D1的逻辑值自供应电压电平Vref1(例如电源电压Vdd)与第二参考电压电平Vref2(例如接地电压Vgnd)中择一输入至栅极G1”；同理，另一电平转换器4066(例如反相器)亦耦接于晶体管M2”的栅极端，用来依据输入信号D1bar的逻辑值自供应电压电平Vref1(例如电源电压Vdd)与第二参考电压电平Vref2(例如接地电压Vgnd)中择一输入至栅极G1bar”。运算放大器306藉由偏压产生单元404所产生的第一第一偏压V+，输出一电压电平Vref3来控制晶体管M6及M7，以调整数字模拟转换单元402中所产生的电流，以达到作为电流源使用的晶体管M3”上所产生的电流，能够和参考电流源Ibias达到一比例关系，若晶体管M4”和晶体管M3”的面积是一样的情况下，偏压条件亦会实质上相同(即二晶体管的栅极、漏极、源极电压均一样)，因此晶体管M3”的输出电流Iout会和偏压电流Ibias相同。
请参考图6，图6所示为本发明第四实施例的数字模拟转换器500的电路图。数字模拟转换器500为一种电流控制(current steering)式的数字模拟转换器。数字模拟转换器500相似于数字模拟转换器400，其亦包含有一偏压产生单元504、一数字模拟转换单元502以及一运算放大器506。数字模拟转换单元502包含有一电流源、一开关单元、一控制晶体管单元以及一负载；其中该电流源由电阻R1所构成，该开关单元由晶体管M1’”、M2’”所构成，该控制晶体管单元由晶体管M3’”、M4’”所构成，该负载包含有二电阻RL1’”、RL2’”。运算放大器506耦接至偏压产生单元504与数字模拟转换单元502。与第三实施例的不同点，在于第三实施例中，数字模拟转换单元402的电流源M3”为一有源元件，而本实施例中，数字模拟转换单元502的电流源M3’”为一无源元件。另外，以电路设计的角度考量之下及依据环境情的不同，可将电阻R1的电阻值设计成与R2相同的电阻值，亦可设计成与R2不相同的电阻值。本发明另包含有多个运算放大器、多个电流源、以及多个开关单元，如图6所示，而本实施例的操作原理与第三实施例相同，亦是藉由运算放大器506来调整数字模拟转换单元502上的电流，使得数字模拟转换单元502上的电流与偏压产生单元504上的电流互相匹配，其操作原理可参考第三实施例，故在此不另赘述。
另外，图4中所示的复制电路的概念亦可应该于图5和图6中的实施例，由于本领域技术人员在阅读完本文所公开的发明后可将图4中所示的复制电路的概念实施于图5和图6中的实施例中，因此于本文中不于赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (20)

1.一种数字模拟转换器，包含：
一偏压产生单元，用来产生一第一偏压；
一数字模拟转换单元，用来将一数字信号转换为一电压信号，该数字模拟转换单元包含：
一电流源，用来提供一电流；
一开关单元，耦接至该电流源，用来依据该数字信号以控制该电流是否流过该开关单元；以及
一负载，该负载上流过该电流以输出该电压信号；
以及
一运算放大器，耦接至该偏压产生单元与该数字模拟转换单元，该运算放大器用来依据该第一偏压以控制该电流源。
2.如权利要求1所述的数字模拟转换器，其中该偏压产生单元，包含：
一参考电流源，用来提供一参考电流以产生该第一偏压；
其中，该电流与该参考电流相对应。
3.如权利要求1所述的数字模拟转换器，其中该运算放大器的一输入端耦接至该数字模拟转换单元中的电流源，以调整该电流。
4.如权利要求1所述的数字模拟转换器，其中该电流源为一有源元件。
5.如权利要求4所述的数字模拟转换器，其中该有源元件为一晶体管。
6.如权利要求1所述的数字模拟转换器，其中该电流源为一无源元件。
7.如权利要求6所述的数字模拟转换器，其中该无源元件为一电阻。
8.如权利要求1所述的数字模拟转换器，包含：
一电平转换器，耦接于该运算放大器的输出端与该开关单元之间，用来依据该运算放大器的输出信号调整该数字信号的电压电平。
9.如权利要求3所述的数字模拟转换器，其中该电平转换器为一反相器或一锁存器。
10.如权利要求1所述的数字模拟转换器，其中该数字模拟转换单元，包含：
一晶体管，耦接至该开关单元与该负载之间，用来依据该运算放大器的输出信号以调整该电流。
11.如权利要求10所述的数字模拟转换器，其中该晶体管藉由I/O处理所实现。
12.如权利要求1所述的数字模拟转换器，该数字模拟转换器为一种电流控制式的数字模拟转换器。
13.一种数字模拟转换器，包含：
一偏压产生单元，用来产生一第一偏压；
一第一电流路径，用来依据一控制信号以产生一第一电流；
一数字模拟转换单元，用来将一数字信号转换为一电压信号，该数字模拟转换单元包含：
一第二电流路径，该第二电流路径上流过一第二电流；以及
一负载，该负载上流过该第二电流以产生该输出电压信号；
以及
一运算放大器，耦接至该偏压产生单元、该第一电流路径与该数字模拟转换单元，该算放大器用来依据该第一偏压输出该控制信号，以调整该第一电流与该第二电流。
14.如权利要求13所述的数字模拟转换器，其中该偏压产生单元，包含：
一参考电流源，用来提供一参考电流以产生该第一偏压；
其中，该第一、第二电流与该参考电流相对应。
15.如权利要求13所述的数字模拟转换器，其中该第二电流路径，包含：
一电流源，用来提供该第二电流；以及
一开关单元，耦接至该电流源，用来依据该数字信号以控制该第二电流是否流过该开关单元。
16.如权利要求15所述的数字模拟转换器，包含：
一电平转换器，耦接于该运算放大器与该开关单元之间，用来依据该控制信号调整该数字信号的电压电平。
17.如权利要求16所述的数字模拟转换器，其中该电平转换器为一反相器或一锁存器。
18.如权利要求15所述的数字模拟转换器，其中该电流源为一晶体管。
19.如权利要求15所述的数字模拟转换器，其中该电流源为一电阻。
20.如权利要求13所述的数字模拟转换器，该数字模拟转换器为一种电流控制式的数字模拟转换器。
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