CN103905042B - 具自我校正功能的数字模拟转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具自我校正功能的数字模拟转换器，包括一串叠式电流源单元、一切换单元以及一校正单元。该串叠式电流源单元用来根据一输入电压与一校正电压产生一输出电流。该切换单元耦接于该串叠电流源，并且根据一数字信号来选择性地切换输出该输出电流。该校正单元耦接于该切换单元与该串叠式电流源单元，并且以逐次逼近方式来校正确认出该校正电压，以调整该串叠式电流源单元所输出的该输出电流的大小。藉此，让数字模拟转换器得以克服随机误差的问题。

Description

具自我校正功能的数字模拟转换器

技术领域

本发明涉及一种数字模拟转换器,特别是有关于一种可自我校正的数字模拟转换器。

背景技术

数字模拟转换器(Digital to Analog Converter，DAC)是电子产品中的重要电路组件之一。其中，电流式(current-steering)数字模拟转换器是最为常见的数字模拟转换器类型。电流式数字模拟转换器主要是通过开关的控制来将电流源的电流切换至输出端。

因为工艺技术的演进，晶体管尺寸的缩小，造成对微小差异更加敏锐，工艺的变异性，往往会决定电路的性能。一般来说，电流式数字模拟转换器中的电流源误差往往会导致在转换的过程中发生信号误差，使得相对应的模拟信号无法准确地被转换出来。因此，如何设计具有降低因工艺的变异所导致随机误差的数字模拟转换器将是目前亟需研究发展的课题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种具自我校正功能的数字模拟转换器，其能在运作于操作模式之前完成校正，以减少电流源的误差，降低因工艺变异所导致的随机误差等不理想效应所造成的影响。

依据本发明的一实施例，其提供一种具自我校正功能的数字模拟转换器，包括一串叠式电流源单元、一切换单元以及一校正单元。该串叠式电流源单元根据一输入电压与一校正电压产生一输出电流。该切换单元耦接于该串叠晶体管电流源单元并接收该串叠式电流源单元所输出的该输出电流，并且根据一数字信号来选择性地切换该输出电流的输出流向。该校正单元耦接于该切换单元与该串叠式电流源单元，接收该切换单元所输出的该输出电流并且依据所接收的该输出电流以逐次逼近方式来校正确认出该校正电压，以及输出该校正电压至该串叠式电流源单元以调整该串叠式电流源单元所输出的该输出电流的大小。

藉此，本发明通过校正单元来调整校正电压，以控制电流源晶体管的基极电压并改变电流源晶体管输出电流的大小，让数字模拟转换器得以克服随机误差的问题。

附图说明

图1是本发明可自我校正的数字模拟转换器的一实施例的示意图。

图2是图1的校正单元的一实施例的示意图。

图3是图2的电流调整单元的一实施例的示意图。

图4是图1的串叠式电流源单元和切换单元的另一实施例的示意图。

其中，附图标记说明如下：

10数字模拟转换器

102串叠式电流源单元

104切换单元

106校正单元

108、214多任务器

202参考电流源单元

204比较器

206逐次逼近控制模块

208逐次逼近控制器

210电流调整单元

212校正输出单元

216偏压产生单元

CLK时钟信号

D、DB数字信号

Ical校正电流

Ics输出电流

Iref参考电流

M1～Mn 校正晶体管

Ma_1～Ma_4粗调校正晶体管

Mb_1～Mb_6微调校正晶体管

Mcs电流源晶体管

Mcas串叠晶体管

Msw1第一开关晶体管

Msw2第二开关晶体管

R1、R2、R3电阻

S校正控制信号

Sc比较信号

Ssar控制信号

Vcal校正电压

Vi输入电压

具体实施方式

为了克服因工艺变异所导致的随机误差等不理想效应，数字模拟转换器在运作于操作模式前，可先进入校正模式来进行校正以减少电流源的误差。这种校正模式流程是属于一种前景（foreground）式校正流程。

请参阅图1，图1是本发明具自我校正功能的数字模拟转换器的一实施例的示意图。数字模拟转换器10包含一串叠式电流源单元102、一切换单元104以及一校正单元106。串叠式电流源单元102根据一输入电压Vi与一校正电压Vcal来产生一输出电流Ics。切换单元104耦接于串叠式电流源单元102，用来接收该串叠式电流源单元102所输出的输出电流Ics，并选择性地切换所述输出电流Ics的输出流向。校正单元106耦接于切换单元104与串叠式电流源单元102，用来接收切换单元104所切换输出的输出电流Ics并且以逐次逼近方式来校正确认出校正电压Vcal，以调整串叠式电流源单元102所输出的输出电流Ics的大小。因此，数字模拟转换器10得以通过校正单元106所输出的校正电压Vcal来改变输出电流Ics的大小，从而实现电流校正以降低随机误差所带来的影响。

串叠式电流源单元102包含一电流源晶体管Mcs与一串叠晶体管Mcas。电流源晶体管Mcs根据输入电压Vi与校正电压Vcal产生输出电流Ics。串叠晶体管Mcas耦接于电流源晶体管Mcs，用来接收自电流源晶体管Mcs所产生的输出电流Ics以将输出电流Ics传送至切换单元104。其中，串叠晶体管Mcas在设计上可用来增加串叠式电流源单元102的输出阻抗，并减缓切换单元104中共源极电压的扰动，以提升电流源的稳定度。此外，较佳地，电流源晶体管Mcs与串叠晶体管Mcas可由金氧半场效晶体管（MOSFET）来实现。如图1所示，电流源晶体管Mcs的基极（body）耦接于校正单元106的输出端，如此一来，电流源晶体管Mcs的基极电压会依据校正单元106所输出的校正电压Vcal来改变，进而改变输出电流Ics的大小。

切换单元104包含由第一开关晶体管Msw1与第二开关晶体管Msw2所组成的差动对、一第一输出部Vout1、一第二输出部Vout2与电阻R1、R2。本实施例的第一开关晶体管Msw1与第二开关晶体管Msw2是例如由金氧半场效晶体管来实现。如图1所示，第一开关晶体管Msw1的输入端耦接于串叠晶体管Mcas，第一输出部Vout1及电阻R1耦接于第一开关晶体管Msw1的输出端，第一开关晶体管Msw1根据数字信号D输出所述输出电流Ics。第二开关晶体管Msw2的输入端耦接于串叠晶体管Mcas、第二输出部Vout2及电阻R2耦接于第二开关晶体管Msw2的输出端，第二开关晶体管Msw2根据反相的数字信号D，即数字信号DB，输出所述输出电流Ics。藉此，切换单元104架构为双通道输出结构，可因应后级电路(图未示)进行电压差动运算的需求。其中，藉由数字信号D及DB的设计，让第一开关晶体管Msw1及第二开关晶体管Msw2同时仅其中之一会进行导通并输出所述输出电流Ics。

进一步说明的是，为实现校正程序，切换单元104更包括一多任务器108，多任务器108根据一校正控制信号S来进行切换运作。多任务器108的输入端耦接于第一开关晶体管Msw1，多任务器108的输出端分别耦接于电阻R1及校正单元106。藉此，让第一开关晶体管Msw1通过多任务器108来耦接于电阻R1及校正单元106。当数字模拟转换器10运作于校正模式时，数字信号D及DB会控制由第一开关晶体管Msw1来输出所述输出电流Ics，并且校正控制信号S则是控制多任务器108切换为将输出电流Ics输出到校正单元106。当数字模拟转换器10运作于操作模式时，数字信号D及DB会依设计而控制由第一开关晶体管Msw1或第二开关晶体管Msw2来输出所述输出电流Ics，并且校正控制信号S是控制多任务器108切换为通过电阻R1来接地。

关于校正单元106的细部结构,请同时参阅图2，图2是图1的校正单元106的一实施例的示意图。校正单元106包含一参考电流源单元202、一比较器204以及一逐次逼近控制(Successive Approximation Register Control，SAR)模块206。参考电流源单元202用来产生参考电流Iref。比较器204耦接于参考电流源单元202及切换单元104，当数字模拟转换器10运作于校正模式时，比较器204用来判断参考电流Iref与输出电流Ics的差异以产生一比较信号Sc。逐次逼近控制模块206耦接于比较器204及串叠式电流源单元102，并且于校正模式时，根据比较信号Sc与一时钟信号CLK，以逐次逼近方式校正确认出校正电压Vcal。例如，当数字模拟转换器10运作于校正模式，若比较信号Sc表示输出电流Ics不等于参考电流Iref时，逐次逼近控制模块206在可调整的范围内即根据时钟信号CLK以逐次逼近方式校正确认出产生校正电压Vcal，进而调整串叠式电流源单元102的输出电流Ics的大小。

逐次逼近控制模块206包括一逐次逼近控制器208、一电流调整单元210、一校正输出单元212以及一多任务器214。逐次逼近控制器208耦接于比较器204，并且根据比较信号Sc与时钟信号CLK进行逐次逼近运算以产生一控制信号Ssar。此实施例中，时钟信号CLK是通过耦接于逐次逼近控制器208的多任务器214来提供，并且多任务器214同样是受控于前述的校正控制信号S，藉以在校正模式时，切换为提供时钟信号CLK。电流调整单元210耦接于逐次逼近控制器208，并且根据控制信号Ssar产生一校正电流Ical。校正输出单元212耦接于电流调整单元210与串叠式电流源单元102，并且根据校正电流Ical来产生并输出校正电压Vcal至串叠式电流源单元102。如图2所示，电流调整单元210包括采并联排列的校正晶体管M1～Mn。逐次逼近控制器208通过输出控制信号Ssar来控制校正晶体管M1～Mn的导通状态，进而使电流调整单元210以逐次逼近方式输出校正电流Ical。于此实施例中，校正输出单元212耦接于串叠式电流源单元102的电流源晶体管Mcs的基极，以输出校正电压Vcal至电流源晶体管Mcs的基极，进而改变电流源晶体管Mcs的基极端电压。

为了具体说明前述逐次逼近的实际运作方式，请参阅图3，图3是图2的电流调整单元210的一实施例的示意图。电流调整单元210包括粗调校正晶体管Ma_1～Ma_4与微调校正晶体管Mb_1～Mb_6。如图3所示，粗调校正晶体管Ma_1～Ma_4与微调校正晶体管Mb_1～Mb_6采并联排列。每一粗调校正晶体管Ma_1～Ma_4的宽长比（width-to-length ratio，W/L）会大于每一微调校正晶体管Mb_1～Mb_6的宽长比。例如，如图3所示，该些晶体管间的宽长比关系如下：微调校正晶体管Mb_1～Mb_6分别具有1到6倍的宽长比（W/L*1、W/L*2、W/L*3、W/L*4W/L*5、W/L*6）。粗调校正晶体管Ma_1～Ma_4分别具有10倍的宽长比（W/L*10）。粗调校正晶体管Ma_1～Ma_4及微调校正晶体管Mb_1～Mb_6的规格选用是用来决定逐次逼近控制模块206的可调整范围，实际规格并不以本实施例为限。

于校正模式时，当比较信号Sc表示输出电流Ics小于参考电流Iref，逐次逼近控制器208先输出控制信号Ssar来依序导通粗调校正晶体管Ma_1～Ma_4，以调整校正电流Ical的大小。在粗调校正晶体管Ma_1～Ma_4依序被导通的过程中，若输出电流Ics变成大于参考电流Iref的情况时，表示校正电流Ical过大。此时，逐次逼近控制器208通过输出控制信号Ssar，将最后导通的粗调校正晶体管改变成不导通状态。例如，当粗调校正晶体管Ma_3被导通后，比较信号表示输出电流Ics大于参考电流Iref。，在此情况下，逐次逼近控制器208可通过输出控制信号Ssar，将粗调校正晶体管Ma_3改变成不导通状态，。接着，逐次逼近控制器208输出控制信号Ssar，以依序导通微调校正晶体管Mb_1～Mb_6。换言之，逐次逼近控制器208通过先利用粗调的方式进行大幅度的校正，再利用微调的方式进行细部的调整，用以快速而有效率地实现电流校正的运作来降低随机误差，并且还可避免产生校正过当和或是校正时间过长的问题。

此外，校正输出单元212可包括一电阻或一晶体管。在此情况下，电流调整单元210所产生的校正电流Ical会流过校正输出单元210的电阻或晶体管而产生校正电压Vcal。例如，如图2所示，校正输出单元212包括一电阻R3。当校正电流Ical流过电阻R3会产生校正电压Vcal，同时校正电压Vcal会被输出至电流源晶体管Mcs。数字模拟转换器10还包含一偏压产生单元216，偏压产生单元216耦接于电流源晶体管Mcs的栅极，用来产生输入电压Vi至电流源晶体管Mcs的栅极，并且偏压产生单元216可例如为可调式偏压产生单元，以于校正模式时调整输入电压Vi的大小。

进一步说明，请继续参阅图1至图3。于本发明的一实施例中，数字模拟转换器10运作于操作模式前会先进入校正模式。在此情况下，多任务器108会根据校正控制信号S将输出电流Ics输出到校正单元106。同时，多任务器214会根据校正控制信号S将时钟信号CLK输出至逐次逼近控制器208。此外，偏压产生单元216会调整输入电压Vi的大小。

举例来说，假设数字模拟转换器10于运作于操作模式时的输入电压Vi为0.9伏特，当数字模拟转换器10进入校正模式时，偏压产生单元216会将输入电压Vi从0.9伏特改变成1伏特。在此情况下，电流源晶体管Mcs的栅源极电压将会变小，如此一来，输出电流Ics也相应地变小，让输出电流Ics有效小于参考电流Iref，以利校正模式的运作。此时，比较器204产生高准位的比较信号Sc至逐次逼近控制器208。逐次逼近控制器208则据以输出控制信号Ssar来导通粗调校正晶体管Ma_1，使校正输出单元212输出相应的校正电压Vcal至电流源晶体管Mcs的基极。由于，晶体管的栅基电压的变化会影响阈值电压（threshold voltage）的大小，例如，以P型金氧半场效晶体管来说，晶体管的基栅电压越小，其阈值电压越大；基栅电压越大，其阈值电压越小。因此，当粗调校正晶体管Ma_1被导通后，校正输出单元212所输出的校正电压Vcal将会改变原先电流源晶体管Mcs的基极电压，进而改变电流源晶体管Mcs的阈值电压。如此一来，串叠式电流源单元102的输出电流Ics也会据以改变。

接着，若是输出电流Ics仍小于参考电流Iref，比较器204会继续产生高准位的比较信号Sc至逐次逼近控制器208。逐次逼近控制器208输出控制信号Ssar来导通粗调校正晶体管Ma_2，使校正输出单元212输出相应的校正电压Vcal至电流源晶体管Mcs的基极。依此类推，逐次逼近控制器208会输出控制信号Ssar来依序导通粗调校正晶体管Ma_1～Ma_4。当出现输出电流Ics大于参考电流Iref的情况时，比较器204产生低准位的比较信号Sc至逐次逼近控制器208。逐次逼近控制器208会输出控制信号Ssar，将最后导通的粗调校正晶体管改变成不导通状态。此时，输出电流Ics将会回復为小于参考电流Iref。之后，比较器204再度产生高准位的比较信号Sc至逐次逼近控制器208，此时逐次逼近控制器208会输出控制信号Ssar来依序导通微调校正晶体管Mb_1～Mb_6。同样地，逐次逼近控制器208输出控制信号Ssar来先导通微调校正晶体管Mb_1，使校正输出单元212输出相应的校正电压Vcal至电流源晶体管Mcs的基极。依此类推。由于本实施例的电流调整单元210仅举例设计两阶(粗调及微调)的调整机制，因此当微调时再次出现输出电流Ics大于参考电流Iref的情况时，比较器204产生低准位的比较信号Sc至逐次逼近控制器208。逐次逼近控制器208会输出控制信号Ssar，将最后导通的微调校正晶体管改变成不导通状态，让输出电流Ics在逐次逼近控制模块206可调整的范围内能最接近而不大于参考电压Iref。接着，逐次逼近控制器208再将最后对于电流调整单元210的控制信号Ssar的状态记录于储存单元(图未示)，藉以表示校正模式的程序完成。

在校正模式完成之后，数字模拟转换器10即进入操作模式。此时，多任务器108根据校正控制信号S来进行切换，以切换为通过电阻R1进行接地；多任务器214也将根据校正控制信号S来切换，以进行接地。逐次逼近控制器208则依据储存单元中所记录的控制信号Ssar来持续地分别控制电流调整单元210中各个校正晶体管M1~Mn的状态，使逐次逼近控制模块206稳定地输出经校正确认后的校正电压Vcal，让数字模拟转换器10得以降低随机误差带来的影响，提供较精确的信号转换工作。

简言之，于数字模拟转换器10进入校正模式时，本发明通过校正单元106来调整校正电压Vcal，以控制电流源晶体管Mcs的基极电压。如此一来，电流源晶体管Mcs的阈值电压将因而有所变化，进而改变输出电流Ics大小，以达电流校正的目的。此外，在校正过程中，通过比较器204的比较，来判断输出电流Ics是否仍小于参考电流Iref。若是的话，逐次逼近控制器208会继续输出控制信号Ssar，来依序导通粗调校正晶体管或微调校正晶体管，以改变校正电压Vcal。直到输出电流Ics大于参考电流Iref时，逐次逼近控制器208会输出控制信号Ssar，将最后导通的校正晶体管改变成不导通状态。如此一来，将可以避免校正过当和或是校正时间过长的问题。

另一方面，请参阅图4，图4是图1的串叠式电流源单元102和切换单元104的另一实施例的示意图。如图4所示，电流源晶体管Mcs、串叠晶体管Mcas、第一开关晶体管Msw1与第二开关晶体管Msw2可以P型金氧半场效晶体管来实现。电流源晶体管Mcs、串叠晶体管Mcas、第一开关晶体管Msw1与第二开关晶体管Msw2的基极可耦接至源极，如此一来，该些晶体管的基源极将等于零而不会产生衬底效应（body effect），以避免阈值电压的增加。

综上所述，本发明的数字模拟转换器通过校正单元来调整校正电压，以控制电流源晶体管的基极电压并改变电流源晶体管输出电流的大小，如此一来，将能在数字模拟转换器运作于操作模式前，完成校正，以减少电流源的误差，降低因工艺变异所导致的随机误差等不理想效应所造成的影响。更重要的是，在校正过程中，本发明通过先利用粗调的方式进行大幅度的校正，再利用微调的方式进行细部的调整，而能快速而有效率的实现电流校正的目的，避免校正过当和或是校正时间过长。藉此，本发明通过校正的设计方式克服随机误差的问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种具自我校正功能的数字模拟转换器，包括：

一串叠式电流源单元，根据一输入电压与一校正电压产生一输出电流；

一切换单元，耦接于该串叠式电流源单元并接收该串叠式电流源单元所输出的该输出电流，并且根据一数字信号来选择性地切换该输出电流的输出流向；以及

一校正单元，耦接于该切换单元与该串叠式电流源单元，接收该切换单元所输出的该输出电流并且依据所接收的该输出电流以逐次逼近方式来校正确认出该校正电压，以及输出该校正电压至该串叠式电流源单元以调整该串叠式电流源单元所输出的该输出电流的大小。

2.如权利要求1所述的具自我校正功能的数字模拟转换器，其特征在于，该串叠式电流源单元包括：

一电流源晶体管，根据该输入电压与该校正电压来产生该输出电流；以及

一串叠晶体管，耦接于该电流源晶体管，用来接收自该电流源晶体管所产生的该输出电流以传送该输出电流至该切换单元与增加该串叠式电流源单元的输出阻抗。

3.如权利要求2所述的具自我校正功能的数字模拟转换器，其特征在于，该校正单元的输出端耦接于该电流源晶体管的基极。

4.如权利要求1所述的具自我校正功能的数字模拟转换器，其特征在于，该切换单元包括：

一差动对，包括：

一第一开关晶体管，耦接于该串叠晶体管，用来根据该数字信号输出该输出电流；以及

一第二开关晶体管，耦接于该串叠晶体管，用来根据反相的该数字信号输出该输出电流；以及

一第一多任务器，耦接于该第一开关晶体管，并且根据一校正控制信号来进行切换运作。

5.如权利要求4所述的具自我校正功能的数字模拟转换器，其特征在于，该第一开关晶体管与第二开关晶体管是由金氧半场效晶体管来实现，第一开关晶体管的基极与源极相连接，第二开关晶体管的基极与源极相连接。

6.如权利要求1所述的具自我校正功能的数字模拟转换器，其特征在于，该校正单元包括：

一参考电流源单元，用来产生一参考电流；

一比较器，耦接于该参考电流源单元及该切换单元，并且于一校正模式时，用来判断该参考电流与该输出电流的差异，以产生一比较信号；以及

一逐次逼近控制模块，耦接于该比较器及该串叠式电流源单元，并且于该校正模式时，根据该比较信号与一时钟信号，以逐次逼近方式校正确认出该校正电压。

7.如权利要求6所述的具自我校正功能的数字模拟转换器，其特征在于，当该比较信号表示该输出电流不等于该参考电流时，该逐次逼近控制模块以逐次逼近方式校正确认出该校正电压。

8.如权利要求6所述的具自我校正功能的数字模拟转换器，其特征在于，该逐次逼近控制模块包括：

一逐次逼近控制器，耦接于该比较器，并且根据该比较信号与该时钟信号进行逐次逼近运算以产生一控制信号；

一电流调整单元，耦接于该逐次逼近控制器，并且根据该控制信号产生一校正电流；以及

一校正输出单元，耦接于该电流调整单元与该串叠式电流源单元，并且根据该校正电流来产生并输出该校正电压至该串叠式电流源单元。

9.如权利要求8所述的具自我校正功能的数字模拟转换器，其特征在于，该电流调整单元包括多个粗调校正晶体管与多个微调校正晶体管，该多个粗调校正晶体管与该多个微调校正晶体管是并联排列，且每一粗调校正晶体管的宽长比大于每一微调校正晶体管的宽长比。

10.如权利要求9所述的具自我校正功能的数字模拟转换器，其特征在于，该逐次逼近控制器输出该控制信号，以先依序控制该多个粗调校正晶体管的导通状态再依序控制该多个微调校正晶体管的导通状态，使该电流调整单元以逐次逼近方式输出该校正电流。

11.如权利要求10所述的具自我校正功能的数字模拟转换器，其特征在于，当该比较信号表示该输出电流小于该参考电流时，该逐次逼近控制器依序控制该多个粗调校正晶体管或该多个微调校正晶体管形成导通状态。

12.如权利要求11所述的具自我校正功能的数字模拟转换器，其特征在于，当该比较信号表示该输出电流大于该参考电流时，该逐次逼近控制器输出该控制信号，控制该最后导通的粗调校正晶体管或微调校正晶体管形成不导通状态。

13.如权利要求8所述的具自我校正功能的数字模拟转换器，其特征在于，该逐次逼近控制模块还包括一第二多任务器，该第二多任务器耦接于该逐次逼近控制器，用来于该校正模式时，根据一校正控制信号将该时钟信号提供给该逐次逼近控制器。

14.如权利要求8所述的具自我校正功能的数字模拟转换器，其特征在于，该校正输出单元包括一电阻或一晶体管，其中该校正电流流过该电阻或该晶体管体而产生该校正电压。

15.如权利要求2所述的具自我校正功能的数字模拟转换器，其特征在于，该数字模拟转换器还包括：

一偏压产生单元，耦接于该电流源晶体管的栅极，用来产生该输入电压至该电流源晶体管的栅极。