CN101686057A - 数字模拟转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种数字模拟转换器，用以将数字码转换为输出电压并且具有自我校正功能，该包括：校正信号产生器、定电流产生器、第一与第二电流供应器、以及电流电压转换器。定电流产生器产生一定电流，并分流至第一电流供应器内实际作用的第一电流产生元件。第二电流供应器包括多个第二电流产生元件与该第一电流产生元件产生成比例电流。数字码设定实际作用的第二电流产生元件数量，以产生一输出电流由电流电压转换器转换为输出电压。校正信号产生器根据输出电压产生校正信号，用以于校正模式下调整第一电流产生元件实际作用的数量。本发明将一数字码转换为一输出电压，并且具有自我校正功能，可仅于启动初期进入一校正模式进行校正。

Description

数字模拟转换器
技术领域
本发明是关于一种数字模拟转换器(Analog to Digital Converter，ADC)，特别有关于一种具有自我校正(self calibration)功能的数字模拟转换器。
背景技术
图1是一种传统数字模拟转换器100，将一数字码Din转换为模拟值，以一输出电压Vout呈现。如图所示，电压Vref施加于电阻R上，用以设定电流Ipd；晶体管M1负责提供电流Ipd，其栅极电压Vcon耦接至晶体管M21、M22…M2n的栅极端，令晶体管M21、M22…M2n得以产生电流。根据数字码Din，开关电路102设定晶体管M21、M22…M2n耦接至一电流电压转换器(此图例以电阻Rout实现)的状况，使输出电流Iout随数字码Din改变。由于输出电压Vout为Iout·Rout、且输出电流Iout随数字码Din改变，故输出电压Vout得以反应数字码Din。
然而，芯片制作过程中，工艺的偏异(如通道长度/宽度偏移(channellength/width mismatch)、迁移率偏移(mobility mismatch)、或临界电压偏移(threshold voltage mismatch))会影响数字模拟转换的准确度。
美国专利案US 6157332揭露了一种具有校正功能的数字模拟转换器。图2为其实施方式。于校正时，数字码Din为一特定值，使控制逻辑(controllogic)202产生一自我校正信号(self-calibration signal)204导通开关206、且不导通开关208。校正模式下，振幅感测器(amplitude detector)210感测n位数字模拟转换器(n-bit DAC)212的输出电压Vout，提供一提升信号(UP)214与一下降信号(DOWN)216令电荷泵(charge pump)218对电容220进行充放电，以调整Vref，进而校正电压Vout。
然而，US 6157332所示的技术，电容220会有漏电问题。使用过程中，必须周期性地重复上述校正动作方能维持电压Vref的准确度；故US 6157332所示的技术仅能应用于有同步区间的电子装置上，如视频装置。此外，电荷泵218与选择性输出信号耦合器(selective output signal coupler)222会增加电路的复杂度，并提高电路的成本。
发明内容
本发明提供一种数字模拟转换器，用以将一数字码转换为一输出电压，并且具有自我校正功能。本发明的数字模拟转换器包括：一校正信号产生器、一定电流产生器、第一与第二电流供应器、以及一电流电压转换器。校正信号产生器负责接收该输出电压以产生一校正信号，用以于一校正模式下控制第一电流供应器内多个电流产生元件的实际作用数量。定电流产生器产生一定电流，并分流至实际作用的第一电流产生元件。第二电流产生器包括多个第二电流产生元件，由数字码决定实际作用的数量，以产生一输出电流。电流电压转换器负责将输出电流转换为上述输出电压。上述第一与第二电流产生元件彼此所产生的电流呈比例关系。
本发明将一数字码转换为一输出电压，并且具有自我校正功能，不需要周期性地进行校正动作，可仅于启动初期进入一校正模式进行校正。
附图说明
图1是一种传统数字模拟转换器。
图2是US 6157332专利案技术。
图3是本发明数字模拟转换器的一种实施方式。
图4是本发明数字模拟转换器的另一种实施方式。
图5是本发明数字模拟转换器的另一种实施方式。
附图标号：
100～数字模拟转换器；102～开关电路；
202～控制逻辑；      204～自我校正信号；
206、208～开关；     210～振幅感测器；
212～n位数字模拟转换器；
214～提升信号；      216～下降信号；
218～电荷泵；        220～电容；
222～选择性输出信号耦合器；
302～校正信号产生器；304～第一电流供应器；
306～第二电流供应器；308～校正信号；
310、312～端点；     314、316～第一、第二开关电路；
318、320～电源；     322、324～比较器；
402～带隙参考电压产生器；
404～升/降压电路；
502～多工器；
Din～数字码；
Dspec～数字码的特定值；
EN～校正使能信号；
Ipd～定电流；        Iout～输出电流；
I11-I1m～第一电流产生元件的电流；
I21-I2n～第二电流产生元件的电流；
M1、M11-M1m、M21-M2n～电流产生元件；
R～电阻器；
Rout～电流电压转换器；
Vcon～控制电压；
Vbgap～带隙参考电压；Vout～输出电压；
Vr1、Vr2～输出电压上、下限值；以及
Vref～用以设定Ipd的电压。
具体实施方式
图3是本发明数字模拟转换器的一种实施方式。此数字模拟转换器将数字码Din转换为输出电压Vout，且具有自我校正功能；其中包括：一校正信号产生器302、一定电流产生器(产生定电流Ipd)、一第一电流供应器304、一第二电流供应器306、一电流电压转换器(此实施方式以电阻Rout实现)。
第一电流供应器304包括多个第一电流产生元件M11、M12…M1m。第二电流供应器306包括多个第二电流产生元件M21、M22…M2n。第一与第二电流产生元件M11、M12…M1m与M21、M22…M2n所产生的电流彼此呈比例关系。如图所示的实施方式，所述这些电流产生元件M11、M12…M1m与M21、M22…M2n由场效应晶体管实现，其源极皆耦接一电压源且栅极耦接在一起，而栅极电位即为控制电压Vcon。
第一电流产生元件M11、M12…M1m实际作用的数量可于一校正模式下依据校正信号308调整，而该定电流Ipd则分流至实际作用的第一电流产生元件M11、M12…M1m路径上。第二电流产生元件M21、M22…M2n实际作用的数量由数字码Din决定，用以产生一输出电流Iout。由于输出电流Iout随数字码Din变动，故经电流电压转换器Rout转换而得的输出电压Vout因而得以随数字码Din变动；数字码Din经转换而产生模拟输出电压Vout。
为了提供更精确的数字模拟转换，本发明将输出电压Vout传送至校正信号产生器302进行比对，以产生一校正信号308。于校正模式下，所述这些第一电流产生元件M11、M12…M1m依照该校正信号308改变实际作用的数量。由于定电流Ipd值不变，因此定电流Ipd分流至各个第一电流产生元件M11、M12…M1m的电流I11、I12…I1m随着实际作用的第一电流产生元件数量改变，使得各个第一电流产生元件M11、M12…M1m栅极所产生的控制电压Vcon改变，进而改变所述这些第二电流产生元件M21、M22…M2n所产生的电流值I21、I22…I2n，而令输出电流Iout得以微调，转换为更精确的输出电压Vout值。举例说明之，每一第一电流产生元件所提供的电流会随着实际作用的第一电流产生元件数量增多而减少；亦或者，每一第一电流产生元件所提供的电流会随着实际作用的第一电流产生元件数量减少而增多。
图3所示的实施例以一校正使能信号EN设定上述校正模式。第一电流产生元件M11、M12…M1m实际作用的情况可藉开关电路314设定；其中，开关电路314用来耦接或不耦接第一电流产生元件M11、M12…M1m至端点310。第二电流产生元件M21、M22…M2n实际作用的情况可由开关电路316决定；其中，开关电路316用来耦接或不耦接第二电流产生元件M21、M22…M2n至端点312。在非校正模式下(校正使能信号EN除能)，第一开关电路314的状态是固定的，输出电压Vout主要由数字码Din决定。在校正模式下(校正使能信号EN使能)，第一开关电路314的状态根据校正信号308变动，以改变实际作用的第一电流产生元件数量，用以微调输出电压Vout。
校正信号产生器302包括一参考电压产生器(电源318与320组成)以及一比较电路(比较器322与324组成)。参考电压产生器(电源318与320组成)产生对应数字码Din的一输出电压上限值Vr1以及一输出电压下限值Vr2。比较电路(比较器322与324组成)将输出电压Vout与上述输出电压上、下限值Vr1以及Vr2比较，产生校正信号308。在校正模式下(校正使能信号EN使能)，若校正信号308显示输出电压Vout高于该输出电压上限值Vr1，该第一开关电路314耦接更多第一电流产生元件至端点310，增加第一电流产生元件的实际作用量；若校正信号308显示输出电压Vout低于该输出电压下限值Vr2，该第一开关电路314将更多第一电流产生元件自端点310断开，减少第一电流产生元件的实际作用量。
在校正模式下(校正使能信号EN使能)，数字码Din可设定为一数字码特定值，其值可每一位皆为‘1’(即full scale)或为任何适当的值。输出电压上、下限值Vr1以及Vr2设计为对应该数字码特定值。
图4是本发明的另一种实施方式，其中以一带隙参考电压产生器402以及一升/降压电路404实现校正信号产生器302内的参考电压产生器。带隙参考电压产生器402负责产生一带隙参考电压Vbgap。升/降压电路404将带隙参考电压Vbgap升/降压以产生上述输出电压上、下限值Vr1以及Vr2。由于带隙参考电压Vbgap相当稳定，故输出电压上、下限值Vr1与Vr2亦相当稳定，大幅增加校正动作的可信度。在一种实施方式中，上限值Vr1为(1+E％)Vbgap，下限值Vr2为(1-E％)Vbgap；E％为误差量。E可由使用者依照需求自行设定。升/降压电路404中的升压功能可由电荷泵(charge pump)、或直流转直流升压电路(boost DC-DC)实现；其降压功能可由低压差稳压器(LDO)、或直流转直流降压电路(buck DC-DC)实现。
图4更揭露一技术，以电压Vref设定定电流Ipd值。
除了上述实施方式，上述校正信号产生器302的参考电压产生器不限定只产生两个参考电位Vr1以及Vr2。参考电压产生器可产生其他数量的参考电位，搭配上适合的比较电路即可对第一电流供应器304内第一电流产生元件的实际使用状态进行更细致的调整；进而更细致地调整输出电压Vout。
图5更揭露本发明的另一种实施方式，其中包括一多工器502。于非校正模式下(校正使能信号EN除能)将前一级电路的数字码Din脚位耦接第二开关电路316；并于校正模式下(校正使能信号EN使能)改以数字码特定值Dspec输入该第二开关电路316。该数字码特定值Dspec可每一位皆为‘1’(即full scale)、或为任何适当的值。图中更揭露一种实施方式，将带隙参考电压产生器402所产生的带隙参考电压Vbgap耦接至第一电流源306作为图4的电压Vref使用。由于带隙参考电压Vbgap相当稳定，可确保特定电流Ipd为定值电流，减少此数字模拟转换中的偏移变数。
与图2所示的传统技术相较，本发明没有电容220漏电问题，故不需要周期性地进行校正动作；可仅于启动初期进入一校正模式进行校正。传统技术，如US 6157332，为了周期性地进行校正，仅能应用于影像显示系统，作为视频数字模拟转换器(video DAC)使用；其原因是影像显示系统的信号拥有周期性的同步区间(sync，如水平同步/垂直同步)，正好可用来校正数字模拟转换器。然而，本发明不只可作video DAC使用，更可安装于其他电子装置上。

Claims (10)

1.一种数字模拟转换器，用以将一数字码转换为一输出电压，其特征在于，所述数字模拟转换器包括：
一校正信号产生器，接收所述输出电压以产生一校正信号；
一定电流产生器，产生一定电流；
一第一电流供应器，包括多个第一电流产生元件，所述第一电流供应器接收所述定电流与所述校正信号，并于一校正模式下根据所述校正信号设定耦接于所述定电流产生器的所述这些第一电流产生元件数量，以输出一控制电压；
一第二电流供应器，包括耦接于所述第一电流产生元件的多个第二电流产生元件，所述第二电流供应器接收所述控制电压，并根据所述数字码设定所述这些第二电流产生元件数量，以产生一输出电流；以及
一电流电压转换器，将所述输出电流转换为所述输出电压。
2.如权利要求1所述的数字模拟转换器，其特征在于，所述校正信号产生器更将所述输出电压与对应所述数字码的一输出电压上限值以及一输出电压下限值进行比较，以产生所述校正信号。
3.如权利要求2所述的数字模拟转换器，其特征在于，所述校正信号产生器包括：
一参考电压产生器，用以产生所述输出电压上、下限值；以及
一比较电路，将所述输出电压与所述输出电压上、下限值比较，以产生所述校正信号。
4.如权利要求3所述的数字模拟转换器，其特征在于，所述数字码于所述校正模式下设定为一数字码特定值，并且所述参考电压产生器包括：
一带隙参考电压产生器，产生一带隙参考电压；以及
一升/降压电路，将所述带隙参考电压升/降压以产生所述输出电压上、下限值。
5.如权利要求2所述的数字模拟转换器，其特征在于，当所述输出电压大于所述输出电压上限值时，所述第一电流产生元件耦接所述定电流产生器的数量根据所述校正信号增加；而当所述输出电压小于所述输出电压下限值时，所述第一电流产生元件耦接于所述定电流产生器的数量根据所述校正信号减少。
6.如权利要求1所述的数字模拟转换器，其特征在于，所述定电流分流至所述这些第一电流产生元件。
7.如权利要求6所述的数字模拟转换器，其特征在于，所述这些第一电流产生元件与所述这些第二电流产生元件构成一电流镜结构。
8.如权利要求1所述的模拟数字转换器，其特征在于，所述第一电流供应器更包括一第一开关电路，用以于所述校正模式下根据所述校正信号改变所述这些第一电流产生元件耦接至所述定电流产生器的数量。
9.如权利要求1所述的模拟数字转换器，其特征在于，所述第二电流供应器更包括一第二开关电路，用以根据所述数字码设定耦接至所述电流电压转换器的所述这些第二电流产生元件数量。
10.如权利要求1所述的数字模拟转换器，其特征在于，所述数字模拟转换器更包括一多工器，用以于所述校正模式时提供一数字码特定值至所述数字模拟转换器作所述数字码使用。
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