CN1085699A - 模拟式阶梯波形发生器 - Google Patents

Abstract

一种模拟阶梯变化的波形发生器，利用电流镜原 理，将阶梯差异值直接用元件的大小来表示，因此达 到模拟阶梯变化的目的，从而完成波形之产生，由于 控制各组电流镜的讯号永远只有一个讯号改变状况， 因此波形失真可以达到最小。

Description

模拟式阶梯波形发生器

本发明是关于一种模拟式阶梯波形发生器，其中包括一个电流镜(current mirror)参考源作为波形发生器的参考电源、以及一个波形发生器，其波形发生器的阶梯差异值，直接以元件之大小来表示，从而达到模拟阶梯变化。

传统的数字电路波形发生器，如图1所示，是由几个电阻R串接而成一串接网路，在各电阻之间，其中间抽头经由适当的开关元件S1、S2、S3、S4、S5、S6分别接通到输出点OUT，通过适当地改变各开关控制讯号C1、C2、C3便可产生不同的输出波形。在图1的传统电阻分压式波形发生器中，其动作为例如控制各开关元件，而依序接通节点A、再接通B、再改接C、…再改接G，再改接H，再回到G，再回到F，…再回到C，再回到B，再接回A，则可形成一个三角波，此时各状态的输出差均为一个单位。如果适当地调整电阻R的比例，则正弦波或各种波形都可能产生。但是由于电阻本身在集成电路中较占面积，因此一个单位电阻不能做得太小，因此其精确度受到限制。而且由于电阻受集成电路中偏压影响，精准度并不好。另外由于在控制开关动作时有过渡过程而容易产生噪音，及由于输出阻抗太大，因而并非容易与其它电路作接口连接，所以常常需要一个缓冲运算放大器(OP Buffer)来作阻抗匹配。

因此，上述电路其缺点主要是输出阻抗高，且开关切换瞬间容易产生噪音，另外由于电阻在集成电路中占较大面积，且工作电压会影响到电阻值。因此该传统技术不适应实用需要。图2所示是另一种传统的数字电路波形发生器，它是一种传统的R/2R式波形发生器，其结构为通过多个电阻R、2R及非门而形成电阻网路的连结方式。适当的改变输入讯号D3、D2、D1、D0便可得到不同的输出波形。其输出阻抗优于图1的情况，但阻抗仍较大，且其输出信号为阶梯状，其中每一阶梯差由输入位数决定，故失真与位数有极大的关系，且当输入改变时容易造成所谓暂态跳变噪音，因此上述两种传统方案，都有其待改进之处。

因此，本发明的目的是提供一种成本低、噪音小、输出阻抗匹配恰当的低失真波形发生器。

现配合附图将本发明的目的与功效作一详细说明：其中

图1为传统的电阻分压式波形发生器电路。

图2为传统的R/2R式波形发生电路。

图3为正弦波波形以15°相位差时所得到的相对振幅差与振幅的图解表示。

图4为本发明的模拟式阶梯波形发生器的一个实施例，其输出为电流，其波形以正弦波来示范。

图5为本发明的另一个实施例，其输出为双极推挽式(Push-Pull)，其波形亦以正弦波示范。

图6为本发明的又一个实施例，其输出为双极性(即正为输出电流，负为吸入电流)，其波形亦以正弦波示范说明。

表1为正弦波按15°相位差从0°到90°的相对正弦波值、差值及归一化(Normalized)后的单位量。

表2为图4的实例中的控制讯号与状态相关表。

表3为图5及图6的实例中的控制讯号与状态相关表。

首先参阅图3所示，它是本发明的实施例中的正弦波振幅以15°相位差时的相对归一化值及振幅阶梯值的示意图。

参阅表1所示，它是正弦波值、正弦波差值与归一化后的差值表。

图4为本发明的模拟式阶梯波形发生器的一个实施例，其输出为电流，其波型以正弦波来示范。在图4中，标号111为电流镜参考电源，它利用晶体管Q1的基极与发射极间电位差V，使流过M8之电流I为： $I=\frac{V}{R1},$ 因此，参考源Ioc不受电压变化影响，不受集成电路中场效应晶体管之电特性影响，而呈恒定值。

图4中的标号112为一组正弦波发生器输出级，其输出端OUT为流出电流，其正弦波的最低点电流为0，而最高点为所有电流镜均接通。

表2所示即是正弦波发生器输出级112的各电流镜控制开关的输入讯号(N1，N1…N12)与状态关系表，其中1代表接通，0代表切断。因此状态0～23正好代表图3的横轴，由于相邻状态，控制讯号仅改变一条，因而使过渡过程噪音降到最低，另外由于各个电流镜的元件大小正好是正弦波的阶梯差值，故量化差值误差只由元件精度决定，而与其它制造参数无关，故使量化失真接近0。因此称为模拟式阶梯。表2中各控制讯号可以用12级的约翰逊计数器(Johnson Counter)来完成。

图5为本发明的正弦波发生器的另一实施例，其输出端OUT+、OUT-为双极推挽式(Push-Pull)。相同功能的元件标示以相同的符号，其中MOS开关M33、M66可视为接地的开关。正弦波的直流电流为0，故状态6时电流为0，状态12时电流为正向最大值，状态18时电流又回到0，而状态0时电流为反向最大值。其状态如表3所示。

图6为本发明另一实施例的电路结构，其输出为双极性(即正为输出电流，负为吸入电流)。

在图6中，其中标号131提供P型电流镜参考源与N型电流镜参考源，标号132是正弦波发生器，其状态表如表3所示，当状态6时输出电流为0，然后流出电流由状态7逐渐增加到状态8…一直到状态12，流出电流最大，其后递减直到状态18，电流又回到0，状态19时，输出吸入电流，到状态0时吸入电流量最大，然后再依状态递减。

由上述实施例，可以看出电流式波形发生器的好处在于易于加减，而由于利用电流镜原理，因此电流大小由元件大小决定，而不受制造过程与电压影响。下面，通过上述举例分析其误差。

误差＝0.05W，

而最大幅度(Amplitude)＝(1+2.9+4.7+6.1+7.1+7.6)W

                     ＝29.4W(约为9比特品质)输出阻抗方面：输出电流为恒定，故直流输出阻抗极低，而小讯号输出阻抗极高，非常适合集成电路应用，由于控制讯号在相邻状态之间，只改变一条控制线而已(不包括极性控制讯号如N7)。因此，过渡过程噪音达到最小。由于应用电流镜原理，所以是由元件大小比例来决定，比利用电阻比例方式省面积且不受电压影响。

综合上述本发明的模拟式阶梯波形发生器，在解决传统波形发生器之缺点上为确实有效，可以使噪音降低，不受制造过程参数影响，不受工作电压范围限制，因此大大地提高产品制造效率、使用效果，同时降低成本。

             表1

    SIN(90N/6)      DELTA      #UNITN＝6    1               0.034      1N＝5    0.966           0.099      2.9N＝4    0.867           0.160      4.7N＝3    0.707           0.207      6.1N＝2    0.500           0.240      7.1N＝1    0.260           0.260      7.6N＝0    0

         表2COUNTER                  NNNNNNNNNNNN计数                     123456789111

                              012STATE 0                  000000000000STATE 1                  100000000000STATE 2                  110000000000STATE 3                  111000000000STATE 4                  111100000000STATE 5                  111110000000STATE 6                  111111000000STATE 7                  111111100000STATE 8                  111111110000STATE 9                  111111111000STATE 10                 111111111100STATE 11                 111111111110STATE 12                 111111111111STATE 13                 011111111111STATE 14                 001111111111STATE 15                 000111111111STATE 16                 000011111111STATE 17                 000001111111STATE 18                 000000111111STATE 19                 000000011111STATE 20                 000000001111STATE 21                 000000000111STATE 22                 000000000011STATE 23                 000000000001

        表3COUNTER                  NNNNNNN计数                     1234567STATE 6                  0000000STATE 7                  1000000STATE 8                  1100000STATE 9                  1110000STATE 10                 1111000STATE 11                 1111100STATE 12                 1111110STATE 13                 1111100STATE 14                 1111000STATE 15                 1110000STATE 16                 1100000STATE 17                 1000000STATE 18                 0000001STATE 19                 1000001STATE 20                 1100001STATE 21                 1110001STATE 22                 1111001STATE 23                 1111101STATE 0                  1111111STATE 1                  1111101STATE 2                  1111001STATE 3                  1110001STATE 4                  1100001STATE 5                  1000001

Claims (5)

1.一种模拟式阶梯波形发生器，包括：

一电流镜参考源，作为波形发生器的之参考电源；

一波形发生器；其特征在于，

波形发生器的阶梯差异值直接以元件的大小来表示，以达到模拟阶梯变化而完成波形之产生；

并且波形发生器中用以控制电流镜的控制讯号在相邻状态间仅改变一条讯号线，即波形发生器中的控制各组电流镜之讯号永远只有一个讯号改变状况，从而使波形失真可达到最小。

2.如权利要求1所述的模拟式阶梯波形发生器，其特征在于，其中波形发生器由P型MOS组成的电流镜输出电流。

3.如权利要求1所述的模拟式阶梯波形发生器，其特征在于，其中波形  发生器由两组PMOS电流镜与两个NMOS开关来达到推挽输出方式。

4.如权利要求1所述的模拟式阶梯波形发生器，其特征在于，其中波形发生器由一组PMOS电流镜与一组NMOS电流镜分别作为输出与吸入电流的双极性输出。

5.如权利要求1所述的模拟式阶梯波形发生器，其特征在于，其中波形发生器是由NMOS组成的电流镜，其输出仅吸入电流。

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