TWI632778B

TWI632778B - 數位類比轉換器及其執行方法

Info

Publication number: TWI632778B
Application number: TW106113623A
Authority: TW
Inventors: 楊智傑
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Priority date: 2017-04-24
Filing date: 2017-04-24
Publication date: 2018-08-11
Also published as: US10075178B1; TW201840137A

Abstract

數位類比轉換器包含數位類比轉換電路、開關電路以及控制電路。數位類比轉換電路包含最高有效位轉換電路(MDACs)及校正數位類比轉換電路(CDACs)，開關電路包含電流源電路及偵測電路。最高有效位轉換電路、校正數位類比轉換電路及電流源電路耦接至數位類比轉換電路的第一及第二輸出端。於校正模式中，電流源電路產生第一及第二輸出端間的電流差值，偵測電路偵測電流差值以產生偵測訊號，控制電路根據偵測訊號輸出控制訊號至校正數位類比轉換電路，以調整校正數位類比轉換電路於該第一輸出端及該第二輸出端的輸出電流。於正常模式中，電流源電路作為雙直流電流源。

Description

數位類比轉換器及其執行方法

本案關於一種數位類比轉換器，特別是一種數位類比轉換器及數位類比轉換器的執行方法。

大多數的電子產品都包括有數位類比轉換器，尤其是在無線通訊領域中尤為重要。然而，數位類比轉換器一直都存在有電流不匹配的問題，使得數位類比轉換器的準確性受到直接的影響。為了克服電流不匹配問題，發展了許多種類的數位類比轉換器的校正技術與校正電路。

本案實施例提供一種具有第一輸出端及第二輸出端的數位類比轉換器。數位類比轉換器包含數位類比轉換電路、開關電路以及控制電路。數位類比轉換電路包含多個最高有效位數位類比轉換電路及多個校正數位類比轉換電路，開關電路包含電流源電路及偵測電路。最高有效位數位類比轉換電路、校正數位類比轉換電路及電流源電路耦接至第一輸出端及第二輸出端。於校正模式中，電流源電路作為電流鏡，以產生第一輸出端及第二輸出端間的電流差值，偵測電路偵測電流差值，以產生偵測訊號，偵測訊號對應於多個最高有效位數位類比轉換電路之一者，控制電路根據偵測訊號輸出控制訊號至校正數位類比轉換電路，以調整校正數位類比轉換電路於該第一輸出端及該第二輸出端的輸出電流。於正常模式中，電流源電路作為一雙直流電流源。

本案實施例提供一種應用於一數位類比轉換器的執行方法。其中，數位類比轉換器包括數位類比轉換電路，數位類比轉換電路具有第一輸出端及第二輸出端，並包括多個最高有效位數位類比轉換電路及多個校正數位類比轉換電路。執行方法包含下述步驟：進入校正模式；校正多個最高有效位數位類比轉換電路之每一者，以得到對應於多個最高有效位數位類比轉換電路之每一者的第一控制訊號，其中第一控制號控制校正數位類比轉換電路；根據對應於多個最高有效位數位類比轉換電路之每一者的第一控制訊號產生第二控制訊號；根據第二控制訊號產生偏壓於多個最高有效位數位類比轉換電路；校正接收偏壓之多個最高有效位數位類比轉換電路之每一者，以得到對應於多個最高有效位數位類比轉換電路之每一者的第三控制訊號，其中第三控制號控制校正數位類比轉換電路；進入正常模式；接收數位輸入訊號；以及根據偏壓及對應於多個最高有效位數位類比轉換電路之每一者的第三控制訊號轉換數位輸入訊號成類比輸出訊號。

為了能更進一步瞭解本發明為達成既定目的所採取之技術、方法及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明、圖式，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得以深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

1‧‧‧數位類比轉換器

2‧‧‧數位類比轉換電路

3‧‧‧開關電路

4‧‧‧控制電路

21‧‧‧最低有效位數位類比轉換電路(LDAC)

22‧‧‧最高有效位數位類比轉換電路(MDAC)

23‧‧‧校正數位類比轉換電路(CDAC)

24‧‧‧偏壓產生器

25、26‧‧‧輸出端

31‧‧‧電流源電路

32‧‧‧偵測電路

311、312‧‧‧電晶體

313、314、322、33、34‧‧‧開關

321‧‧‧比較電路

41‧‧‧數位控制器

42‧‧‧儲存電路

B‧‧‧節點

G‧‧‧接地端

Vref‧‧‧參考電壓

Vb‧‧‧偏壓

300‧‧‧執行方法

S301~S317‧‧‧步驟

圖1是根據本案一實施例所繪示之數位類比轉換器的示意圖。

圖2A是根據本案一實施例所繪示之數位類比轉換器於一校正模式的示意圖。

圖2B是根據本案一實施例所繪示之數位類比轉換器於一正常模式的示意圖。

圖3是根據本案一實施例所繪示之數位類比轉換器的執行方法流程圖。

在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本案概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本案將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本案概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。

應理解，雖然本文中可能使用第一、第二、第三等術語來描述各種元件或信號等，但此等元件或信號不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件，或者一信號與另一信號。另外，如本文中所使用，術語「或」視實際情況可能包括相關聯之列出項目中之任一者或者多者之所有組合。

圖1是根據本案一實施例所繪示之數位類比轉換器1的示意圖。數位類比轉換器1包括數位類比轉換電路2、開關電路3及控制電路4，其中開關電路耦接數位類比轉換電路2，控制電路4耦接數位類比轉換電路2及開關電路3。

數位類比轉換電路2用以轉換數位輸入訊號成類比輸出訊號，並包括多個最低有效位數位類比轉換電路21(LDAC 21)、多個最高有效位數位類比轉換電路22(MDAC)、多個校正數位類比轉換電路23(C-DAC)及一偏壓產生器24(bias generator)，並。其中，多個MDAC 22、多個LDAC 21及多個CDAC 23均耦接至輸出端25及輸出端26，偏壓產生電路24連接多個MDAC 22，輸出端25及輸出端26分別輸出第一電流及第二電流。在一些實施例中，多個MDAC 22分別對應至不同的最高有效位MSB₀~MSB_x，多個 LDAC 21分別對應至不同的最低有效位LSB₀~LSB_y，其中數字(x+1)及數字(y+1)分別代表MDAC 22與LDAC 21的個數。

開關電路3用以於一校正模式時偵測輸出端25及輸出端26的電流差值(即第一電流與第二電流的電流差值)，並於一正常模式時提供雙直流電流源(如圖2A~2B所示)。開關電路3包括電流源電路31、偵測電路32、開關33及開關34。電流源電路31耦接輸出端25及輸出端26，並用以於校正模式時作為電流鏡，以產生輸出端25及輸出端26的電流差值，並於正常模式時作為雙直流電流源。電流源電路31包括電晶體311、電晶體312、開關313及開關314，電晶體311具有耦接至輸出端26的第一端、耦接至接地端G的第二端以及耦接至開關314的控制端；電晶體312具有耦接至輸出端25的第一端、耦接至接地端G的第二端及耦接至電晶體311之控制端的控制端。另一方面，開關313耦接於電壓端Vb與電晶體311之控制端之間，開關314耦接於輸出端26與電晶體311之控制端之間。

偵測電路32用以於校正模式時偵測輸出端25及輸出端26是否具有電流差值(即第一電流與電二電流之電流差值)，並產生一偵測訊號，其中偵測電路32包括比較電路321及開關322。比較電路321具有第一輸入端、第二輸入端及輸出端，其中第一輸入端耦接至開關322，第二輸入端耦接至參考電壓Vref，輸出端耦接至控制電路4。開關322耦接於輸出端25與比較電路321的第一輸入端之間。

在一些實施中，當輸出端25及輸出端26間的電流差值小於一閾值時，偵測電路32偵測輸出端25及輸出端26間不具有電流差值。

開關33耦接於輸出端25與數位類比轉換器1之一輸出端之間，開關34耦接於輸出端26與數位類比轉換器1之另一輸出端之間。值得注意的是，開關313、314、322、33及34用以使數位類比轉換器1切換於校正模式及正常模式之間。

一併參照圖2A，圖2A是根據本案一實施例所繪示之數位類比轉換器於校正模式的示意圖。於校正模式時，開關313、33、34斷開，開關314、322導通，使得輸出端26輸出的第二電流將流經電晶體311，又因電晶體311與電晶體312的控制端具有相同的電壓，電晶體311與電晶體312的第二端均接地，使得流經電晶體311及電晶體312的電流會相同，即電流源電路31於校正模式可作為電流鏡。另一方面，因流經電晶體311與電晶體312的電流均為第二電流，使得電路32的第二輸入端流入第一電流與第二電流的電流差值，此電流差值將於比較電路321的第二輸入端上形成一輸入電壓(即圖2A中的B點)，與參考電壓Vref進行比較，以輸出偵測訊號其中，輸入電壓為所述電流差值乘上節點B之輸出阻抗(如數位類比轉換電路2和電流源電路31於節點B形成的輸出阻抗)。舉例來說，若參考電壓Vref為0.02V時，若輸出電壓大於0.02V，則代表第一電流及第二電流具有電流差值。在一些實施例中，比較電路321亦可為電流比較電路。

在一些實施例中，偵測電路32亦可由另一類比數位轉換器來實現，更詳細地來說，另一類比數位轉換器可將節點B的電壓轉換成數位訊號(即偵測訊號)，並輸出所述數位訊號至控制電路4，藉以判斷第一電流與第二電流是否具有電流差值。舉例來說，若另一類比數位轉換器輸出之數位輸出訊號為4位元的情形，當最高位元為邏輯1時，控制電路4判斷節點B的電壓大於一參考電壓，進而判斷第一電流與第二電流具有電流差值，以上為示例性說明，本案不以此為限。在一些實施例中，開關電路3中的偵測電路32可由無線/有線通訊接收器中的類比數位轉換器來實現，即數位類比轉換器1可與無線通訊接收器共用類比數位轉換器，但本案不以此為限制。

復參照圖1，控制電路4用以於校正模式時調整CDAC 23的輸出電流，更詳細地來說，控制電路用以根據偵測電路32輸出的偵測訊號調整CDAC23於輸出端25及輸出端26的輸出電流。控制電路4包括數位控制器41及儲存電路42，其中數位控制器41耦接偵測電路32的輸出端、多個LDAC 21、多個MDAC 22、多個CDAC 23及偏壓產生器24。儲存電路42用以儲存校正相關數值，在一些實施例中，儲存電路42包含映射表，映射表用以對應每個MDAC 22儲存校正相關數值。

在一些實施例中，開關313、314、322、33及34係由控制電路4所控制，使得數位類比轉換器1可於校正模式及正常模式間切換。

值得注意的是，於校正模式中，數位控制器41可根據類似於一循序漸進式類比數位轉換器(SAR ADC)的操作機制來調整CDAC 23輸出於輸出端25、26的電流，進而使得第一電流及第二電流達到匹配。換句話說，偵測電路32、數位控制器41、CDAC 23可視為一循序漸進式類比數位轉換器，藉以將節點B的電壓逼近於參考電源端Vref的電壓值。

一併參照圖3，藉以說明數位類比轉換器1的作動，圖3是根據本案一實施例所繪示之數位類比轉換器的執行方法300的示意圖，其中，數位類比轉換器可為圖1所示之數位類比轉換器1(以下以數位類比轉換器1來做說明)，所述執行方法包括步驟S301~S317。

於步驟S301，數位類比轉換器1進入校正模式。於校正模式中，如圖2A所示，開關314、322為導通狀態，開關313、33、34為斷開狀態。

於步驟S303，控制電路4選取欲校正的MDAC 22。舉例來說，於剛進入校正模式時，控制電路4選取對應於MSB₀的MDAC 22。

於步驟S305，數位控制器41根據第一電流與第二電流的電流差值調整CDAC 23於輸出端25、26的輸出電流，藉以得到欲校正之MDAC 22所對應的控制訊號，所述控制訊號是用來控制CDAC 23，其中，數位控制器41是根據循序漸進式類比數位轉換器(SAR ADC)之操作邏輯來校正欲校正之MDAC 22。

在一些實施例中，假設數位類比轉換電路2有15個MDAC 22，若欲校正之MDAC 22對應於MSB₀，數位控制器41將先控制數位類比轉換電路2，使得輸出端25輸出的第一電流包括電流I_MSB0~I_MSB7，並使得輸出端26輸出的第二電流包括電流I_MSB8~I_MSB14以及電流I_all-LSB，其中，電流I_MSB0~I_MSB14分別由對應於MSB₀~MSB₁₄的MDAC 22所輸出，電流I_all-LSB為多個LDAC 21之輸出電流的總合。同時，數位控制器41將依據循序漸進式類比數位轉換器的操作邏輯，並根據節點B的電壓找出電流I_MSB0的一誤差(包括一路徑誤差及一電流誤差)，進而得到MSB₀之MDAC 22所對應的控制訊號。此外，在一些實施例中，為達到更好的電流匹配，數位控制器41更控制數位類比轉換電路2，使得輸出端25輸出的另一第一電流包括電流I_all-LSB及電流I_MSB1~I_MSB7，第二輸出端26輸出的另一第二電流包括電流I_MSB0及電流I_MSB8~I_MSB14，同時，數位控制器41將依據循序漸進式類比數位轉換器的操作邏輯，並根據節點B的電壓找出電流I_MSB0的另一誤差(包括另一路徑誤差及另一電流誤差)，進而得到MSB₀之MDAC 22所對應的控制訊號。接者，數位控制器41將兩控制訊號之間的差值除以2，以便消除路徑誤差，進而取得電流I_MSB0的電流誤差所對應的控制訊號。

於步驟S307，數位控制器41儲存輸出給CDAC的控制訊號於儲存電路42，所述控制訊號對應欲校正的MDAC 22(如對應於MSB₀的MDAC)之電流差值。在一些實施例，數位控制器41儲存輸出給CDAC的控制訊號於儲存電路42的映射表中。

於步驟S309，數位控制器41判斷是否有未校正的MDAC 22。若有，執行方法300回到步驟S303，以選取欲校正的MDAC 22(如對應於MSB₁的MDAC 22)；若無，執行方法300進入步驟S311。

於步驟S311，數位控制器41將儲存電路42中的多個控制訊號取平均，並根據平均後之控制訊號產生偏壓控制訊號給偏壓產生器24。

於步驟S313，偏壓產生器24根據偏壓控制訊號產生一偏壓於多個MDAC 22，使得多個MDAC 22分別根據所述偏壓調整輸出於輸出端25與輸出端26的輸出電流。

值得注意的是，當多個MDAC 22接收上述的偏壓時，可使得多個MDAC 22分別輸出的電流I_MSB0~I_MSB14的電流誤差總合為0，進而降低CDAC 23之電流調整範圍。

於步驟S315，比較電路312、控制電路4及CDAC 23針對每一MDAC 22進行校正，以得到多個更新後的控制訊號，並將更新後的控制訊號儲存於儲存電路42中，其中，更新後的控制訊號亦分別對應多個MDAC 22。

在一些實施例中，於步驟S315，數位控制器41可不需對每一MDAC 22再次進行校正，數位控制器41可直接將對應於MDAC 22的多個控制訊號分別減去平均後之控制訊號以得到更新後的控制訊號，並儲存更新後的控制訊號於儲存電路42。

於步驟S317，數位類比轉換器1進入正常模式(如圖2B)，並根據一數位輸入訊號及多個更新後的控制訊號輸出一類比輸出信號。

一併參照圖2B，當數位類比轉換器1處於正常模式時，開關313、33、34導通，開關314、322斷開，使得電流源電路31作為一雙直流電流源電路，即電流源電路根據偏壓Vb提供直流電流。控制電路4依據外部的數位輸入信號(未繪示)以及對應每個MDAC 22之控制訊號(如步驟317中所述之更新後的控制訊號)輸出訊號至LDAC 21、MDAC 22及CDAC 23，其中控制電路4輸出偏壓控制訊號至偏壓產生器24，以產生偏壓至MDAC 22，並依據外部的數位輸入信號以及對應每個MDAC 22之控制訊號調整CDAC 23的輸出電流，使得對應於每個MSB之MDAC 22的電流誤差被消除。

綜上所述，本案提供新的數位類比轉換器及其執行方法，不但克服了輸出電流不匹配的問題，且相較於先前技術，本案利用CDAC並依據循序漸進式類比數位轉換器(SAR ADC)之操作邏輯來找出電流差值所對應的偏壓，可有效降低硬體成本及校正時間。

以上所述僅為本案之較佳可行實施例，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。

Claims

一種數位類比轉換器，操作於一校正模式及一正常模式，包括：一數位類比轉換電路，具有一第一輸出端及一第二輸出端，並包括：複數個最高有效位數位類比轉換電路；以及複數個校正數位類比轉換電路，其中，該些最高有效位數位類比轉換電路及該些校正數位類比轉換電路耦接至該第一輸出端及該第二輸出端；一開關電路，包括：一電流源電路，耦接該第一輸出端及該第二輸出端，用以於該校正模式中作為一電流鏡，以產生該第一輸出端及該第二輸出端之至少一電流差值，並於該正常模式中作為一雙直流電流源；以及一偵測電路，用以於該校正模式中偵測該至少一電流差值，以產生至少一偵測訊號，該至少一偵測訊號對應於該些最高有效位數位類比轉換電路之一者；以及一控制電路，用以於該校正模式中根據該至少一偵測訊號輸出至少一控制訊號至該些校正數位類比轉換電路，以調整該些校正數位類比轉換電路於該第一輸出端及該第二輸出端的輸出電流。
如請求項1所述的數位類比轉換器，其中該電流源電路包括：一第一電晶體，包括耦接至該第二輸出端之一第一端、耦接至接地端之一第二端以及一控制端；一第二電晶體，包括耦接至該第一輸出端之一第一端、耦接至接地端之一第二端以及一控制端，其中該第一電晶體之該控制端耦接於該第二電晶體之該控制端；一第一開關，耦接於該第一電晶體之該控制端與一第一偏壓之間；以及一第二開關，耦接於該第一電晶體之該控制端與該第一電晶體之該第一端之間。
如請求項2所述的數位類比轉換器，其中，於該校正模式中，該第一開關斷開，該第二開關導通，以使該電流源電路作為該電流鏡，並產生第一輸出端及該第二輸出端之該電流差值；於該正常模式中，該第一開關導通，該第二開關斷開，以使該電流源電路作為該雙直流電流源，並根據該第一偏壓提供直流電流。
如請求項2所述的數位類比轉換器，其中，該偵測電路包括：一比較電路，具有一第一輸入端及一第二輸入端，其中，該第二輸入端用以接收一參考電壓；以及一第三開關，耦接於該第一輸入端及該第一輸出端之間，於該校正模式時，該第三開關導通；於該正常模式時，該第三開關斷開。
如請求項1所述的數位類比轉換器，其中，該偵測電路包括：一比較電路，具有一第一輸入端及一第二輸入端，於該校正模式中，該第一輸入端用以從該第一輸出端接收一輸入電壓，該第二輸入端用以接收一參考電壓，該比較電路用以比較該輸入電壓及該參考電壓以產生該偵測訊號，其中，該輸入電壓對應於該電流差值。
如請求項5所述的數位類比轉換器，其中，該偵測電路更包括：一第三開關，耦接於該第一輸入端及該第一輸出端之間，於該校正模式時，該第三開關導通；於該正常模式時，該第三開關斷開。
如請求項1所述的數位類比轉換器，其中，該偵測電路為一類比數位轉換電路，於該校正模式中，該偵測電路用以從該第一輸出端接收一輸入電壓，並轉換該輸入電壓成該偵測訊號，其中，該輸入電壓對應於該電流差值。
如請求項1所述的數位類比轉換器，其中該控制電路更包含一儲存電路，若該至少一偵測訊號之一第一偵測訊號對應於該電流差值小於一閾值的情形，該控制電路儲存對應於該第一偵測訊號之一第一控制訊號於該儲存電路中，該第一控制訊號是該至少一控制訊號之其中一者。
如請求項8所述的數位類比轉換器，其中該數位類比轉換電路更包括：一偏壓產生器，用以根據一偏壓控制訊號產生一偏壓於該些最高有效位數位類比轉換電路中，其中該控制電路根據對應於該些最高有效位數位類比轉換電路之每一者的該第一控制訊號產生該偏壓控制訊號。
一種執行方法，應用於一數位類比轉換器，其中，該數位類比轉換器包括一數位類比轉換電路，所述數位類比轉換電路具有一第一輸出端及一第二輸出端，並包括多個最高有效位數位類比轉換電路及多個校正數位類比轉換電路，該執行方法包括：進入一校正模式；針對該些最高有效位數位類比轉換電路之每一者，偵測該第一輸出端及該第二輸出端之電流差值以產生至少一偵測訊號，並依據該至少一偵測訊號調整該些校正數位類比轉換電路於該第一輸出端及該第二輸出端的輸出電流，以得到對應於該些最高有效位數位類比轉換電路之每一者的一第一控制訊號，其中該第一控制號用以控制該些校正數位類比轉換電路；根據對應於該些最高有效位數位類比轉換電路之每一者的該第一控制訊號以產生一第二控制訊號；根據該第二控制訊號產生一偏壓於該些最高有效位數位類比轉換電路；根據該偏壓調整該些校正數位類比轉換電路於該第一輸出端及該第二輸出端的輸出電流，以得到對應於該些最高有效位數位類比轉換電路之每一者的一第三控制訊號，其中該第三控制訊號用以控制該些校正數位類比轉換電路；進入一正常模式；接收一數位輸入訊號；以及根據該偏壓及對應於該些最高有效位數位類比轉換電路之每一者的該第三控制訊號轉換該數位輸入訊號成一類比輸出訊號。