TWI461000B - 控制電路與其相關電路控制方法 - Google Patents

Description

控制電路與其相關電路控制方法

本發明係關於一控制電路與其相關電路控制方法，尤指一數位類比轉換器之電流源之控制電路與其相關電路控制方法。

在一電子裝置系統中，一數位類比轉換器(Digital-to-analog converter)係用來將一數位訊號碼轉換為一類比訊號。舉例來說，當一處理器產生一數位影音(Video)訊號後，該數位類比轉換器就可以用來將該數位影音訊號轉換為一類比影音訊號以播放於一影像顯示器。然而，隨著科技的演進，該數位影音訊號的所夾帶的資料量與速率都會快速地提升，以致於該數位類比轉換器的操作速率與穩定度也要相對的提升。換句話說，當該數位類比轉換器將該數位影音訊號轉換為該類比影音訊號時，該數位類比轉換器的一電流源就必須維持於穩定的狀態，以提供精準的電流給該數位類比轉換器。因此，如何以一便宜且有效的方法來設計一數位類比轉換器的一電流源已成為業界亟需解決的問題。

因此，本發明之一實施例在於提供一數位類比轉換器之電流源之控制電路與其相關電路控制方法。

依據本發明之一第一實施例，其係提供一種控制電路。該控制 電路包含有一第一電流產生電路、一第二電流產生電路以及一隨耦電路。該第一電流產生電路係用來依據一參考訊號來產生至少一輸出電流。該第二電流產生電路係用來依據該參考訊號來產生對應該輸出電流之一參考電流。該隨耦電路係耦接於該第二電流產生電路用來依據該參考電流來產生一控制電流並將該控制電流以隨耦的方式從該第二電流產生電路回授至該第一電流產生電路以控制該參考訊號。

依據本發明之一第二實施例，其係提供一種電路控制方法。該電路控制方法包含有：依據一參考訊號來產生至少一輸出電流；依據該參考訊號來產生對應該輸出電流之一參考電流；以及依據該參考電流來產生一控制電流並將該控制電流透過一電路以隨耦的方式回授控制該參考訊號。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。此外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段，因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或者透過其他裝置或連接手 段間接地電氣連接至該第二裝置。

請參考第1圖。第1圖所示係依據本發明一種控制電路100之一實施例示意圖。控制電路100包含有一參考訊號產生電路102、一第一電流產生電路104、一第二電流產生電路106以及一隨耦電路108。第一電流產生電路104係用來依據一參考訊號Vy來產生一輸出電流Io。第二電流產生電路106係用來依據參考訊號Vy來產生對應輸出電流Io之一參考電流Ir。隨耦電路108係耦接於第二電流產生電路106用來依據參考電流Ir來產生一控制電流Ic並將控制電流Ic以隨耦的方式從第二電流產生電路106回授至第一電流產生電路104以控制參考訊號Vy。參考訊號產生電路102係耦接於第一電流產生電路104、第二電流產生電路106以及隨耦電路108，用來產生參考訊號Vy。請注意，本發明之一較佳實施例是利用控制電路100來控制一數位類比轉換器之電流源，因此第1圖中的第一電流產生電路104可以看成是該數位類比轉換器的電流源陣列(Current source array)110的部份電路。此外，為了簡化起見，參考訊號Vy可以看成是一電壓訊號。

第一電流產生電路104包含有複數個P型場效電晶體Mp1-Mpn，每一個P型場效電晶體都會依據參考訊號Vy來產生一輸出電流，而為了簡化起見，上述的輸出電流Io為P型場效電晶體Mp1-Mpn所產生的輸出電流總和。

第二電流產生電路106包含有一P型場效電晶體M1、一P型場效電晶體M2以及一參考電流源1062。P型場效電晶體M1具有一控制端(亦即閘極，以下同)Ny耦接於參考訊號Vy、一第一連接端 (亦即源極，以下同)耦接於一第一參考電壓Vdd以及一第二連接端(亦即汲極，以下同)用來輸出參考電流Ir。P型場效電晶體M2具有一控制端耦接於一偏壓Vb1、一第一連接端耦接於P型場效電晶體M2之該第二連接端以及一第二連接端Nx耦接於參考電流源1062之第一端點以提供參考電流Ir。參考電流源1062之第二端點耦接於一第二參考電壓Vgnd，參考電流源1062用來產生一定電流Ib2。此外，在本實施例中，第一參考電壓Vdd是一電源電壓，而第二參考電壓Vgnd是一接地電壓。

隨耦電路108包含有一N型場效電晶體M3，具有一控制端耦接於一偏壓Vb2、一第一連接端耦接於該參考電流(亦即第二連接端Nx)以及一第二連接端(亦即控制端Ny)用來產生控制電流Ic。在本實施例中，N型場效電晶體M3係一共閘極(Common Gate)N型場效電晶體。進一步來說，N型場效電晶體M3的控制端的偏壓Vb2可設定來將N型場效電晶體M3的操作區域維持在一飽和區。如此一來，N型場效電晶體M3的第一連接端的訊號變化就會呈現在其第二連接端的訊號(如控制電流Ic)上，進而達到訊號隨耦的機制。

參考訊號產生電路102包含有一P型場效電晶體M4、一參考電流源1022以及一P型場效電晶體M5。P型場效電晶體M4具有一第一連接端耦接於第一參考電壓Vdd，以及一控制端耦接於其一第二連接端以輸出偏壓Vb1。參考電流源1022具有一第一端點耦接於P型場效電晶體M4之該第二連接端以及一第二端點耦接於第二參考電壓Vgnd，參考電流源1022係用來產生一定電流Ib1。P型場效電晶體M5具有一第一連接端耦接於第一參考電壓Vdd、一控制 端耦接於P型場效電晶體M4之該控制端以及一第一連接端(亦即控制端Ny)輸出參考訊號Vy。

當控制電路100處於一正常操作狀態時，參考訊號產生電路102會產生參考訊號Vy以及輸出偏壓Vb1分別提供給第一電流產生電路104以及第二電流產生電路106。第一電流產生電路104會依據參考訊號Vy來產生輸出電流Io至該數位類比轉換器，而第二電流產生電路106會依據參考訊號Vy與輸出偏壓Vb1來產生參考電流Ir。在此一實施例中，由於參考電流源1062用來產生一定電流Ib2，因此參考電流Ir與電流Ib2之間的一電流差就會流經隨耦電路108，以產生控制電流Ic來回授控制參考訊號Vy。舉例來說，當參考訊號Vy的電壓準位提升時，參考電流Ir會對應的減少，進而增加控制電流Ic。當控制電流Ic變大時，控制端Ny上參考訊號Vy的電壓準位就會下降。如此一來，輸出電流Io就可以維持不變。

此外，當控制電路100處於該正常操作狀態以提供輸出電流Io至該數位類比轉換器時，在N型場效電晶體M3之該第一連接端(亦即第二連接端Nx)所看到的一第一電容之電容值C1以及一第一電阻之電阻值R1均分別小於在P型場效電晶體M5之該第二連接端(亦即控制端Ny)所看到的一第二電容之電容值C2以及一第一電阻之電阻值R2。更進一步來說，當N型場效電晶體M3處於該飽和區時，第二連接端Nx所看到的電容值C1約等於P型場效電晶體M2的汲極端電容值、N型場效電晶體M3的源極端電容值以及參考電流源1062的輸出端電容值的總和電容值，而控制端Ny所看到的電容值C2約等於P型場效電晶體M5的汲極端電容值、N型場效電 晶體M3的汲極端電容值、P型場效電晶體M1與P型場效電晶體Mp1-Mpn的閘極端電容值的總和電容值。因此，電容值C1會比電容值C2來得小。另一方面，第二連接端Nx所看到的電阻值R1約等於往P型場效電晶體M2的汲極端看進去的輸出電阻與往N型場效電晶體M3的源極端看進去的電阻(亦即N型場效電晶體M3的轉導(Transconductance)值的倒數，1/gm)之並聯電阻值，而控制端Ny所看到的電阻值R2約等於往P型場效電晶體M5的汲極端看進去的輸出電阻與往N型場效電晶體M3的汲極端看進去的輸出電阻之並聯電阻值。因此，電阻值R1會比電阻值R2來得小。

進一步來說，請參考第2圖。第2圖所示係控制電路100處於該正常操作狀態時的一交流訊號(亦即小訊號)電路200之一實施例示意圖。交流訊號電路200包含有一第一訊號放大電路202、一第二訊號放大電路204、一第一等效電阻206、一第二等效電阻208、一第一等效電容210以及一第二等效電容212。第一訊號放大電路202的輸出端耦接於第二訊號放大電路204的輸入端，亦即第二連接端Nx。第二訊號放大電路204的輸出端耦接於第一訊號放大電路202的輸入端，亦即控制端Ny。第一等效電阻206為第二連接端Nx所看到的等效電阻，故其電阻值為R1。第二等效電阻208控制端Ny所看到的等效電阻，故其電阻值為R2。第一等效電容210為第二連接端Nx所看到的等效電容，故其電容值為C1。第二等效電容212控制端Ny所看到的等效電容，故其電容值為C2。此外，交流訊號電路200具有一虛接地端Ng耦接於第一等效電阻206、第二等效電阻208、第一等效電容210以及第二等效電容212。

另一方面，第一訊號放大電路202係代表控制電路100中P型場效電晶體M1與P型場效電晶體M2所形成的一等效轉導放大電路，而第二訊號放大電路204係代表控制電路100中N型場效電晶體M3所形成的一等效共閘極放大器。

因此，經由對交流訊號電路200的極點(pole)分析可以得出交流訊號電路200共有兩個主要的極點，第一個極點頻率P1與第二個極點頻率P2可由以下方程式(1)與(2)表示：P1=-1/(R2*C2), (1)

P2=-1/(R1*C1). (2)從上述關於控制電路100的教導可得知，第二電容之電容值C2與第二電阻之電阻值R2均分別大於第一電容之電容值C1與第一電阻之電阻值R1，故第二電容之電容值C2與第二電阻之電阻值R2的乘積就可以遠大於第一電容之電容值C1與第一電阻之電阻值R1的乘積。換句話說，若忽略方程式(1)與(2)中的負號的話，則第一個極點頻率P1會遠小於第二個極點頻率P2。進一步來說，本發明的控制電路100可在不使用傳統的頻率補償方式就可以使得其兩個主要極點的極點頻率差擴大，進而使得控制電路100可以穩定地操作於該正常操作狀態。

請參考第3A圖與第3B圖。第3A圖所示係本發明交流訊號電路200之一迴路增益與頻率之間的特徵曲線圖。第3B圖所示係本發明交流訊號電路200之一相位與頻率之間的特徵曲線圖。從第3A圖與第3B圖可以得知，第一個極點頻率P1與第二個極點頻率P2會分別處於一極低的頻率與一極高的頻率，而對應到該迴路增益為 0的頻率Fz則位於第一個極點頻率P1與第二個極點頻率P2之間。換句話說，本發明的交流訊號電路200會具有極佳的相位餘裕(Phase Margin)，進而大幅提高了控制電路100穩定度。

請參考第4圖。第4圖所示係依據本發明一種電路控制方法400之一實施例示意圖。電路控制方法400係用來控制一數位類比轉換器之電流源。換句話說，電路控制方法400可以用本發明的控制電路100來加以實作。因此，為了簡化起見，電路控制方法400的操作原理係搭配控制電路100來加以描述，然此一實施例並不是本發明電路控制方法400之唯一實施例。此外，倘若大體上可達到相同的結果，並不需要一定照第4圖所示之流程中的步驟順序來進行，且第4圖所示之步驟不一定要連續進行，亦即其他步驟亦可插入其中。電路控制方法400包含有下列步驟：步驟402：依據參考訊號Vy來產生輸出電流Io；步驟404：依據參考訊號Vy來產生對應輸出電流Io之參考電流Ir；以及步驟406：依據參考電流Ir來產生控制電流Ic並將控制電流Ic透過隨耦電路108以隨耦的方式回授控制參考訊號Vy，以使得輸出電流Io得以維持穩定。

從第1圖可以得知，隨耦電路108係以N型場效電晶體M3來加以實作，其中N型場效電晶體M3之閘極耦接於一偏壓Vb2，源極耦接於第二連接端Nx，而汲極耦接於控制端Ny以產生控制電流Ic。因此，N型場效電晶體M3是以隨耦的方式依據參考電流Ir來產生回授控制電流Ic，以使得參考訊號Vy以及輸出電流Io得以維 持穩定(步驟406)。

綜上所述，本發明的控制電路100與電路控制方法400利用隨耦電路108來將控制電流Ic以隨耦的方式回授至第一電流產生電路104以控制參考訊號Vy，並籍以增加控制電路100的相位餘裕來提高其穩定度。

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。

100‧‧‧控制電路

102‧‧‧參考訊號產生電路

104‧‧‧第一電流產生電路

106‧‧‧第二電流產生電路

108‧‧‧隨耦電路

110‧‧‧電流源陣列

200‧‧‧交流訊號電路

202‧‧‧第一訊號放大電路

204‧‧‧第二訊號放大電路

206‧‧‧第一等效電阻

208‧‧‧第二等效電阻

210‧‧‧第一等效電容

212‧‧‧第二等效電容

1022、1062‧‧‧參考電流源

第1圖係本發明一種控制電路之一實施例示意圖。

第2圖係本發明一控制電路處於一正常操作狀態時的一交流訊號電路之一實施例示意圖。

第3A圖係本發明一交流訊號電路之一迴路增益與頻率之間的特徵曲線圖。

第3B圖係本發明一交流訊號電路之一相位與頻率之間的特徵曲線圖。

第4圖係本發明一種電路控制方法之一實施例示意圖。

100‧‧‧控制電路

102‧‧‧參考訊號產生電路

104‧‧‧第一電流產生電路

106‧‧‧第二電流產生電路

108‧‧‧隨耦電路

110‧‧‧電流源陣列

1022、1062‧‧‧參考電流源

Claims (17)

1. 一種控制電路，包含有：一第一電流產生電路，用來依據一參考訊號來產生至少一輸出電流；一第二電流產生電路，用來依據該參考訊號來產生對應該輸出電流之一參考電流；以及一隨耦電路，耦接於該第二電流產生電路，用來依據該參考電流和一第一定電流來產生一控制電流並將該控制電流以隨耦的方式從該第二電流產生電路回授至該第一電流產生電路以控制該參考訊號，其中該第二電流產生電路包含有一參考電流源，用來產生該第一定電流。
2. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中該隨耦電路包含有：一場效電晶體，具有一控制端耦接於一偏壓、一第一連接端耦接於該參考電流以及一第二連接端用來輸出該控制電流。
3. 如申請專利範圍第2項所述的控制電路，其中該場效電晶體係一共閘極(Common Gate)場效電晶體。
4. 如申請專利範圍第2項所述的控制電路，其中該場效電晶體係一 N型場效電晶體。
5. 如申請專利範圍第2項所述的控制電路，其中於該場效電晶體之該第二連接端所看到的一第一電容之電容值以及一第一電阻之電阻值均分別大於該場效電晶體之該第一連接端所看到的一第二電容之電容值以及一第二電阻之電阻值。
6. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中該第二電流產生電路包含有：一第一場效電晶體，具有一控制端耦接於該參考訊號、一第一連接端耦接於一第一參考電壓以及一第二連接端用來輸出該參考電流；以及該第一參考電流源，具有一第一端點耦接於該第一場效電晶體之該第二連接端以及一第二端點耦接於一第二參考電壓，用來產生該第一定電流。
7. 如申請專利範圍第6項所述的控制電路，其中該第一場效電晶體係一P型場效電晶體。
8. 如申請專利範圍第6項所述的控制電路，其中該隨耦電路包含有：一第二場效電晶體，具有一控制端耦接於一偏壓、一第一連接端耦接於該第一場效電晶體之該第二連接端以及一第 二連接端用來輸出該控制電流。
9. 如申請專利範圍第8項所述的控制電路，其中該第二場效電晶體係一N型場效電晶體。
10. 如申請專利範圍第6項所述的控制電路，其中該第二電流產生電路另包含有：一第二場效電晶體，具有一控制端耦接於一第一偏壓、一第一連接端耦接於該第一場效電晶體之該第二連接端以及一第二連接端耦接於該第一參考電流源之該第一端點以輸出該參考電流。
11. 如申請專利範圍第10項所述的控制電路，其中該第二場效電晶體係一P型場效電晶體。
12. 如申請專利範圍第10項所述的控制電路，其中該隨耦電路包含有：一第三場效電晶體，具有一控制端耦接於一第二偏壓、一第一連接端耦接於該第二場效電晶體之該第二連接端以及一第二連接端用來輸出該控制電流。
13. 如申請專利範圍第12項所述的控制電路，其中該第三場效電晶體係一N型場效電晶體。
14. 如申請專利範圍第10項所述的控制電路，另包含有：一參考訊號產生電路，耦接於該第一電流產生電路，用來產生該參考訊號以及該第二偏壓。
15. 如申請專利範圍第14項所述的控制電路，其中該參考訊號產生電路包含有：一第三場效電晶體，具有一第一連接端耦接於該第一參考電壓，以及一控制端耦接於其一第二連接端以輸出該第一偏壓；一第二參考電流源，具有一第一端點耦接於該第三場效電晶體之該第二連接端以及一第二端點耦接於該第二參考電壓，用來產生一第二定電流；以及一第四場效電晶體，具有一第一連接端耦接於該第一參考電壓、一控制端耦接於該第三場效電晶體之該控制端以及一第一連接端用來輸出該參考訊號。
16. 如申請專利範圍第15項所述的控制電路，其中該第三場效電晶體以及該第四場效電晶體均係P型場效電晶體。
17. 一種電路控制方法，包含有：依據一參考訊號來產生至少一輸出電流；依據該參考訊號來產生對應該輸出電流之一參考電流；以及 依據該參考電流和一定電流來產生一控制電流並將該控制電流透過一電路以隨耦的方式回授控制該參考訊號。