TWI410053B - 多段式轉換之數位-類比轉換器 - Google Patents

多段式轉換之數位-類比轉換器 Download PDF

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Description

多段式轉換之數位-類比轉換器
本發明相關於一種數位-類比轉換器，尤指一種可節省面積且提供多段式轉換之數位-類比轉換器。
液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)具有外型輕薄、低耗電和無輻射污染等特性，因此被廣泛地應用在電腦系統、行動電話、或個人數位助理(personal digital assistant,PDA)等電子產品上。液晶顯示器一般使用源極驅動電路(source driver)和閘極驅動電路(gate driver)來驅動面板上之像素。源極驅動電路通常包含移位暫存器(shift register)、輸入暫存器、資料鎖存器、數位-類比轉換器(digital-to-analog converter,DAC)和輸出緩衝器等電路。數位-類比轉換器的作用在於將數位輸入電壓轉換為類比輸出電壓，通常以線性方式進行電壓轉換。然而，由於液晶亮度和施加電壓之間呈非線性關係，源極驅動電路內之數位-類比轉換器會利用電阻串來提供伽碼電壓(Gamma voltage)補償。
請參考第1圖，第1圖為先前技術中一N位元數位-類比轉換器10之示意圖。數位-類比轉換器10包含一電阻串110和一2N 對1選擇器120，可依據一N位元數位輸入資料[D0 ;DN-1 ]來提供一相對應之類比輸出電壓VOUT 。電阻串110耦接於一正偏壓VREFH 和一負偏壓VREFL 之間，可利用2N 個串接分壓單元來對壓差ΔVREF (ΔVREF =VREFH -VREFL )進行分壓，進而提供2N 組參考電壓。2N 對1選擇器120耦接至電阻串110中兩相鄰電阻之間以接收2N 組參考電壓，並依據N位元數位輸入資料[D0 ;DN-1 ]來輸出一相對應之參考電壓以做為輸出電壓VOUT 。
在先前技術中，N位元數位-類比轉換器10的面積會隨著解析度提升而大幅增加。面板解析度每增加1位元，數位-類比轉換器10的面積大致上會加倍。舉例來說，假設先前技術10位元數位-類比轉換器10之面積為A，則先前技術12位元數位-類比轉換器10之面積大約為4A。因此，在高解析度的應用中，先前技術之N位元數位-類比轉換器10會佔據極大空間，因此無法達成微型化的要求。
本發明提供一種多段式轉換之數位-類比轉換器，用來接收一N位元數位輸入資料並輸出一相對應之類比電壓，其包含一電阻串、第一至第三多對一選擇器，以及一加法器。該電阻串包含2A 個串接之第一分壓單元，用來提供2A 組參考電壓，其中該2A 組參考電壓分別對應於該N位元數位輸入資料之A個最大位元，且該2A 個第一分壓單元中一第一分壓單元係包含2B 個串接之第二分壓單元，用來提供2B 組參考電壓，其中該2B 組參考電壓分別對應於該N位元數位輸入資料中除了該A個最大位元外之B個最大位元，且該2B 個第二分壓單元中一第二分壓單元係包含2C 個串接之第三分壓單元，用來提供2C 組參考電壓，其中該2C 組參考電壓係對應於該N位元數位輸入資料中除了該(A+B)個最大位元外之C個最大位元，N、A、B和C皆為正整數，且A、B和C之總合不大於N。該第一多對一選擇器用來接收該第一分壓單元所輸出之該2A 組參考電壓，並依據一A位元數位訊號來輸出該2A 組參考電壓中一相對應之參考電壓。該第二多對一選擇器用來接收該第二分壓單元所輸出之該2B 組參考電壓，並依據一B位元數位訊號來輸出該2B 組參考電壓中一相對應之參考電壓。該第三多對一選擇器用來接收該第三分壓單元所輸出之該2C 組參考電壓，並依據一C位元數位訊號來輸出該2C 組參考電壓中一相對應之參考電壓。該加法器用來加總該第一至第三多對一選擇器所輸出之參考電壓以產生該類比電壓。
請參考第2圖，第2圖為本發明中一N位元數位-類比轉換器20之示意圖。N位元數位-類比轉換器20可接收N位元數位輸入資料，再採用m階段轉換提供相對應之類比輸出電壓VOUT 。在第2圖中，N位元數位輸入資料[D0 ;DN-1 ]之最大n1 個位元[DN- n 1 ;DN-1 ]由DATA1來表示，次大n2 個位元[DN-n1-n2 ;DN-n1-1] 由DATA2來表示，...，而最小nm 個位元由DATAm來表示，其中n1 +n2 +...+nm =N。
數位-類比轉換器20包含一電阻串210、m組多對1選擇器SC1 ～SCm ，以及一加法器220。電阻串210耦接於一正偏壓VREFH 和一負偏壓VREFL 之間，可對壓差ΔVREF (ΔVREF =VREFH -VREFL )進行分壓以提供複數組參考電壓。電阻串210包含個串接之分壓單元R1 ，每一分壓單元R1 之電阻值相同，可對壓差ΔVREF 進行分壓以提供組參考電壓V1(0)～V1()至選擇器SC1 ，其中參考電壓V1(0)～V1()之值係從VREFL 起以等間距ΔVREF1 (ΔVREF1 =)依序遞增；在個分壓單元R1 中，其中一分壓單元R1 包含個分壓單元R2 ，每一分壓單元R2 之電阻值相同，可對壓差ΔVREF1 進行分壓以提供n2 組參考電壓V2(0)至選擇器SC2 ，其中參考電壓之值係從VREFL 起以等間距ΔVREF2 ()依序遞增；...；依此類推，在個分壓單元Rm-1 中，其中一分壓單元Rm-1 包含個分壓單元Rm ，每一分壓單元Rm 之電阻值相同，可對壓差ΔVREF(m-1) (ΔVREF(m-1) =Δ)進行分壓以提供組參考電壓Vm(0)～Vm()至選擇器SCm ，其中參考電壓之值從VREFL 起以等間距ΔVREFm ()依序遞增。在本發明中，分壓單元R1 ～Rm 之電阻值有著下列關係：
因此，電阻串210之整體電阻RTOTAL 可由下列公式來表示：
選擇器SC1 為對1之架構，其接收電阻串210傳來之組參考電壓，再依據數位資料DATA1來選擇其中之一以做為其輸出參考電壓V1；選擇器SC2 為對1之架構，其接收電阻串210傳來之組參考電壓V2(0)，再依據數位資料DATA2來選擇其中之一以做為其輸出參考電壓V2；...；選擇器SCm 為對1之架構，其接收電阻串210傳來之組參考電壓Vm(0)～Vm()，再依據數位資料DATAm來選擇其中之一以做為其輸出參考電壓Vm。最後再透過加法器220加總參考電壓V1～Vm，以得到對應於原始N位元數位輸入資料[D0 ;DN-1 ]之類比輸出電壓VOUT 。
換而言之，本發明採用m段式轉換：第一階段轉換係利用個串接之分壓單元R1 將壓差ΔVREF 粗分為等分之壓差ΔVREF1 ，進而輸出對應於N位元數位輸入資料中最大n1 個位元之組參考電壓，再由選擇器SC1 依據n1 位元數位資料DATA1從組參考電壓V1(0)中擇一輸出以做為參考電壓V1；第二階段轉換係利用個串接之分壓單元R2 將壓差ΔVREF1 再次細分為等分之壓差ΔVREF2 ，進而輸出對應於N位元數位輸入資料中次大n2 個位元之n2 組參考電壓，再由選擇器SC2 依據n2 位元數位資料DATA2從組參考電壓中擇一輸出以做為參考電壓V2；...；第m階段轉換係利用個串接之分壓單元Rm 將壓差ΔVREF(m-1) 再次細分為等分之壓差ΔVREFm ，進而輸出對應於N位元數位輸入資料中最小nm 個位元之nm 組參考電壓，再由選擇器SCm 依據nm 位元數位資料DATAm從nm 組參考電壓中擇一輸出以做為參考電壓Vm。
請參考第3圖，第3圖為本發明實施例中數位-類比轉換器20之示意圖。在此實施例中，數位-類比轉換器20接收12位元數位資料[D0 ;D11 ]，並將數位資料[D0 ;D11 ]分為對應至4個最大位元[D8 ;D11 ]之DATA1、對應至4個次大位元[D4 ;D7 ]之DATA2和對應至4個最小位元[D0 ;D3 ]之DATA3。接著採用3段式轉換，利用3組多對1選擇器SC1 ～SC3 和加法器220來提供相對應之類比輸出電壓VOUT 。在第3圖所示之實施例中，電阻串210耦接於一正偏壓VREFH 和一負偏壓VREFL 之間，其利用16個串接之分壓單元RM1～RM16來進行第一階段轉換，每一分壓單元RM1～RM16之電阻值皆為256R，可對壓差ΔVREF (ΔVREF =VREFH -VREFL )進行分壓以提供16組參考電壓V1(0)～V1(15)至選擇器SC1 。接著，分壓單元RM1再利用16個分壓單元RX1～RX16來進行第二階段轉換，每一分壓單元RX1～RX16之電阻值皆為64R，可對壓差(ΔVREF /16)進行分壓以提供16組參考電壓V2(0)～V2(15)至選擇器SC2 。隨後，分壓單元RX1再利用16個分壓單元RS1～RS16來進行第三階段轉換，每一分壓單元RS1～RS16之電阻值皆為R，可對壓差(ΔVREF /256)進行分壓以提供16組參考電壓V3(0)～V3(15)至選擇器SC3 。選擇器SC1 ～SC3 輸出至加法器220之參考電壓V1～V3分別由數位資料DATA1～DATA3來決定，其關係如下：
在第3圖所示之實施例中，加法器220包含一運算放大器OP、電容C1～C3，以及開關SW1～SW6。開關SW1～SW4依據控制訊號Φ1來運作，而開關SW5～SW6則依據控制訊號Φ2來運作。控制訊號Φ1和Φ2為彼此反相之週期訊號：在控制訊號Φ1的週期內，儲存於電容C1～C3內之電荷由Q1來表示；在控制訊號Φ2的週期內，儲存於電容C1～C3內之電荷由Q2來表示。同時，運算放大器OP之偏移電壓(offset voltage)由VOS 來表示。因此，電荷Q1和Q2之值如下所示：
Q1=C1(V1-VREFL -VOS )+C2(V2-VREFL -VOS )+C3(V3-VREFL -VOS )Q2=C1(VOUT -VREFL -VOS )+C2(-VOS )+C3(-VOS )
依據電荷相等原理，電荷Q1和Q2之值相同，因此可得：
VOUT =V1+(V2-VREFL )C2/C1+(V3-VREFL )C3/C1...(5)
假設C1=C2=C3，由公式(2)～(5)可得：
請參考第4圖，第4圖之圖表顯示了本發明和先前技術數位-類比轉換器之間的架構差異。假設10位元數位-類比轉換器之面積為A，第4圖以12位元的解析度來做說明。先前技術之數位-類比轉換器使用212 個串聯電阻來進行1段式轉換，再由一212 對1選擇器來選擇相對應之輸出電壓，其面積約為4A。本發明則能透過m段式轉換來減少面積：當使用兩組分壓單元(分別包含26 個串聯電阻)來進行2段式轉換時，此時僅需要一26 對1選擇器來選擇相對應之輸出電壓，因此面積可減少至12.5%A；當使用三組分壓單元(分別包含24 個串聯電阻)來進行3段式轉換時，此時僅需要一24 對1選擇器來選擇相對應之輸出電壓，因此面積可減少至4.6875%A；當使用四組分壓單元(分別包含23 個串聯電阻)來進行4段式轉換時，此時僅需要一23 對1選擇器來選擇相對應之輸出電壓，因此面積可減少至3.125%A。
在本發明中，只要符合公式(1)所示之關係，分壓單元R1 ～Rm 可各包含單一電阻(如第3圖所示)、複數個串接電阻，或採用其它架構。同時，本發明亦可採用其它架構之加法器。第3圖所示之電阻串210和加法器220僅為本發明之實施例，並不限定本發明之範疇。
針對N位元數位輸入資料，本發明採用m段式轉換來提供相對應之類比輸出電壓，每一階段分別轉換N位元數位輸入資料中n1 ～nm 個位元(n1 +n2 +...+nm =N)，因此僅需使用小面積之選擇器。本發明不但能有效地減小數位-類比轉換器之面積，同時亦能增加系統設計的彈性。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10、20．．．數位-類比轉換器
110、210．．．電阻串
220．．．加法器
C1～C3．．．電容
SC1 ～SCm ．．．選擇器
SW1～SW6．．．開關
OP．．．運算放大器
、R1 ～Rm 、RM1～RM16、RX1～RX16、RS1～RS16．．．分壓單元
第1圖為先前技術中一N位元數位-類比轉換器之示意圖。
第2圖為本發明中一N位元數位-類比轉換器之示意圖。
第3圖為本發明實施例中一N位元數位-類比轉換器之示意圖。
第4圖為本發明和先前技術數位-類比轉換器之架構的圖表。
210．．．電阻串
220．．．加法器
SC1 ～SCm ．．．選擇器
R1 ～Rm ．．．分壓單元
20．．．數位-類比轉換器

Claims (11)

  1. 一種多段式轉換之數位-類比轉換器，用來接收一N位元數位輸入資料並輸出一相對應之類比電壓，其包含：一電阻串，其包含：2A 個串接之第一分壓單元，用來提供2A 組參考電壓，其中該2A 組參考電壓分別對應於該N位元數位輸入資料之A個最大位元，且該2A 個第一分壓單元中一第一分壓單元係包含：2B 個串接之第二分壓單元，用來提供2B 組參考電壓，其中該2B 組參考電壓分別對應於該N位元數位輸入資料中除了該A個最大位元外之B個最大位元，且該2B 個第二分壓單元中一第二分壓單元係包含：2C 個串接之第三分壓單元，用來提供2C 組參考電壓，其中該2C 組參考電壓係對應於該N位元數位輸入資料中除了該(A+B)個最大位元外之C個最大位元，N、A、B和C皆為正整數，且A、B和C之總合不大於N；一第一多對一選擇器，用來接收該第一分壓單元所輸出之該2A 組參考電壓，並依據一A位元數位訊號來輸出該2A 組參考電壓中一相對應之參考電壓； 一第二多對一選擇器，用來接收該第二分壓單元所輸出之該2B 組參考電壓，並依據一B位元數位訊號來輸出該2B 組參考電壓中一相對應之參考電壓；一第三多對一選擇器，用來接收該第三分壓單元所輸出之該2C 組參考電壓，並依據一C位元數位訊號來輸出該2C 組參考電壓中一相對應之參考電壓；以及一加法器，用來加總該第一至第三多對一選擇器所輸出之參考電壓以產生該類比電壓，其中每一第一分壓單元之電阻和該2B 個第二分壓單元之等效電阻相等，或每一第二分壓單元之電阻和該2C 個第三分壓單元之等效電阻相等。
  2. 如請求項1所述之數位-類比轉換器，其中每一第一分壓單元之電阻相等，每一第二分壓單元之電阻相等，而每一第三分壓單元之電阻相等。
  3. 如請求項1所述之數位-類比轉換器，其中該N位元數位輸入資料中除了該(A+B)個最大位元外之該C個最大位元係為該N位元數位輸入資料之C個最小位元。
  4. 如請求項1所述之數位-類比轉換器，其中該2C 個第三分壓單元中一第三分壓單元係包含：2D 個串接之第四分壓單元，用來提供2D 組參考電壓， 其中該2D 組參考電壓分別對應於該N位元數位輸入資料之D個最小位元。
  5. 如請求項4所述之數位-類比轉換器，其中A、B、C和D之總合等於N。
  6. 如請求項1所述之數位-類比轉換器，其中該A位元數位資料係為該N位元數位輸入資料之該A個最大位元，該B位元數位資料係為該N位元數位輸入資料中除了該A個最大位元外之該B個最大位元，而該C位元數位資料係為該N位元數位輸入資料中除了該(A+B)個最大位元外之C個最大位元。
  7. 如請求項1所述之數位-類比轉換器，其中該電阻串係耦接於一第一偏壓和一第二偏壓之間，且該第一偏壓之電位高於該第二偏壓之電位。
  8. 如請求項7所述之數位-類比轉換器，其中該2A 個串接之第一分壓單元係將該第一和第二偏壓之間的第一壓差分壓為2A 等份之第二壓差以提供該2A 組參考電壓，該2B 個串接之第二分壓單元係將該第二壓差分壓為2B 等份之第三壓差以提供該2B 組參考電壓，而該2C 個串接之第三分壓單元係將該第三壓差分壓為2C 等份之第 四壓差以提供該C組參考電壓。
  9. 如請求項1所述之數位-類比轉換器，其中A、B和C之總合等於N。
  10. 一種多段式轉換之數位-類比轉換器，用來接收一N位元數位輸入資料並輸出一相對應之類比電壓，其包含：一電阻串，其包含：2A 個串接之第一分壓單元，用來提供2A 組參考電壓，其中該2A 組參考電壓分別對應於該N位元數位輸入資料之A個最大位元，且該2A 個第一分壓單元中一第一分壓單元係包含：2B 個串接之第二分壓單元，用來提供2B 組參考電壓，其中該2B 組參考電壓分別對應於該N位元數位輸入資料中除了該A個最大位元外之B個最大位元，且該2B 個第二分壓單元中一第二分壓單元係包含：2C 個串接之第三分壓單元，用來提供2C 組參考電壓，其中該2C 組參考電壓係對應於該N位元數位輸入資料中除了該(A+B)個最大位元外之C個最大位元，該N位元數位輸入資料中除了該(A+B)個最大位元外之該 C個最大位元係為該N位元數位輸入資料之C個最小位元，N、A、B和C皆為正整數，A、B和C之值相同，且A、B和C之總合不大於N；一第一多對一選擇器，用來接收該第一分壓單元所輸出之該2A 組參考電壓，並依據一A位元數位訊號來輸出該2A 組參考電壓中一相對應之參考電壓；一第二多對一選擇器，用來接收該第二分壓單元所輸出之該2B 組參考電壓，並依據一B位元數位訊號來輸出該2B 組參考電壓中一相對應之參考電壓；一第三多對一選擇器，用來接收該第三分壓單元所輸出之該2C 組參考電壓，並依據一C位元數位訊號來輸出該2C 組參考電壓中一相對應之參考電壓；以及一加法器，用來加總該第一至第三多對一選擇器所輸出之參考電壓以產生該類比電壓。
  11. 一種多段式轉換之數位-類比轉換器，用來接收一N位元數位輸入資料並輸出一相對應之類比電壓，其包含：一電阻串，其包含：2A 個串接之第一分壓單元，用來提供2A 組參考電壓，其中該2A 組參考電壓分別對應於該N位元數位輸入資料之A個最大位元，且該2A 個第一分壓單元中一第一分壓單元係包含： 2B 個串接之第二分壓單元，用來提供2B 組參考電壓，其中該2B 組參考電壓分別對應於該N位元數位輸入資料中除了該A個最大位元外之B個最大位元，且該2B 個第二分壓單元中一第二分壓單元係包含：2C 個串接之第三分壓單元，用來提供2C 組參考電壓，其中該2C 組參考電壓係對應於該N位元數位輸入資料中除了該(A+B)個最大位元外之C個最大位元，且該2C 個第三分壓單元中一第三分壓單元係包含：2D 個串接之第四分壓單元，用來提供2D 組參考電壓，其中該2D 組參考電壓分別對應於該N位元數位輸入資料之D個最小位元，其中N、A、B和C皆為正整數，A、B和C之總合不大於N，A、B、C和D之值相同；一第一多對一選擇器，用來接收該第一分壓單元所輸出之該2A 組參考電壓，並依據一A位元數位訊號來輸出該2A 組參考電壓中一相對應之參考電壓；一第二多對一選擇器，用來接收該第二分壓單元所輸出之該2B 組參考電壓，並依據一B位元數位訊號來輸出該2B 組參考電壓中一相對應之參考電壓； 一第三多對一選擇器，用來接收該第三分壓單元所輸出之該2C 組參考電壓，並依據一C位元數位訊號來輸出該2C 組參考電壓中一相對應之參考電壓；以及一加法器，用來加總該第一至第三多對一選擇器所輸出之參考電壓以產生該類比電壓。
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