CN101527569B

CN101527569B - 数字模拟转换器

Info

Publication number: CN101527569B
Application number: CN200810082083A
Authority: CN
Inventors: 黄祯治; 李明翰; 吴健铭
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Current assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2028-03-06
Also published as: CN101527569A

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V_out的示意图。当采用Vdd＝1.8V时，单端输出端的输出电压V_out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R₁₁、R₁₂。偏压产生单元204包含有一参考电流源I_bias、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I_bias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V_bias；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V_ref3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V_ref3输出至栅极G₁，由于输入信号D₁与输入信号D_1bar形成差动信号，故当输入信号D₁为一低逻辑值时，D_1bar为一高逻辑值，电平转换器2066将输出工作电压V_ref2至栅极G₁。依据本实施例的设计，供应电压电平V_raf3可视为一高逻辑值，而电压电平V_ref2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I_out会流经由负载R_L1、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V_ref3会提升而使得流经晶体管M₁的输出电流I_out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I_bias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I_bias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I_out会被迫和偏压电流I_bias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N_out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R_t1’、R_t2’。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I_bias’、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M_a、一复制偏压晶体管M_b以及一复制负载R_replica。复制负载R_replica的一端耦接于第一参考电压电平V_ref1’，而复制负载R_replica的特性大致上相同于负载R_L1’、R_L2’的特性；对于复制切换晶体管M_a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M_a的一栅极G_a耦接于晶体管M₁’的栅极G₁’，以及复制切换晶体管M_a的一漏极N_a耦接于复制负载R_replica的另一端；对于复制偏压晶体管M_b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M_b包含有一栅极G_b、一漏极N_b与一源极N_c，其中复制偏压晶体管M_b的漏极N_b耦接于复制切换晶体管M_a的一源极(N_c)。

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M_b的漏极N_b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V_ref3’；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V_ref3’与第二参考电压电平V_ref2’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D_1bar’的逻辑值自供应电压电平V_ref3’与第二参考电压电平V_ref2’中择一输入至栅极G_1bar’。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

电压电平V_ref3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V_ref3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I_bias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I_out会和偏压电流I_bias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R_L1”、R_L2”。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V_ref3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V_ref1(例如电源电压V_dd)与第二参考电压电平V_ref2(例如接地电压V_gnd)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D_1bar的逻辑值自供应电压电平V_ref1(例如电源电压V_dd)与第二参考电压电平V_ref2(例如接地电压V_gnd)中择一输入至栅极G_1bar”。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V_ref3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I_bias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I_out会和偏压电流I_bias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R_L1

、R_L2

。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

1.一种数字模拟转换器，包含：

一偏压产生单元，用来在第一节点上产生一第一偏压，并且生成流经该第一节点的参考电流；

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：

一电流源，用来提供一电流，其中该电流流经第二节点；

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；

其中该运算放大器的第一输入和第二输入分别耦接至该第一节点和该第二节点，使得该第一节点上的电压与该第二节点上的电压相同，并且使得该电流与该参考电流具有固定的比例关系。

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，用来提供该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该第二输入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8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：

一第一电流路径，用来依据一控制信号以产生一第一电流，其中该第一电流流经第二节点；

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；

其中该运算放大器的第一输入和第二输入分别耦接至该第一节点和该第二节点，使得该第一节点上的电压与该第二节点上的电压相同，并且使得该第一电流与该参考电流具有固定的比例关系。

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，用来提供该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。