TWI757083B

TWI757083B - 輸出電流的方法及電流輸出電路

Info

Publication number: TWI757083B
Application number: TW110104015A
Authority: TW
Inventors: 沈瑞欽; 雷良煥; 陳建文
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Priority date: 2021-02-03
Filing date: 2021-02-03
Publication date: 2022-03-01
Also published as: US11736118B2; US20220247424A1; CN114860013A; TW202232895A; CN114860013B

Abstract

輸出電流的方法包含依據複數個電流源所輸出的電流大小對該些電流源進行排序操作，依據該排序操作的結果及預定選取順序，將該些電流源分為N個電流源組，及依據輸出目標值致能該N個電流源組中的至少一電流源組以輸出電流。該些電流源具有相同之目標電流量。該N個電流源組中的每一電流源組包含至少一電流源。在該N個電流源組中，第n電流源組的電流源總數係為第(n-1)電流源組的電流源總數的兩倍。N為大於1的整數，而n為大於1且小於或等於N的整數。

Description

輸出電流的方法及電流輸出電路

本揭露是有關於一種電路，特別一種電流輸出電路及相關方法。

數位類比轉換器(Digital to Analog Converter，DAC)可以將數位形式的輸入訊號，轉換為類比形式的輸出訊號。舉例來說，數位類比轉換器可以根據數位訊號的數值產生對應大小的電流以作為輸出訊號。在現有技術中，數位類比轉換器可包含多個電流源，並且可以根據所欲輸出的電流值，致能對應數量的電流源。

然而，由於製程上所造成的差異，不同的電流源即使具有相同的目標電流值，實際上所產生的電流大小也可能有所差異，導致類比輸出的電流訊號與數位輸入的數值訊號之間的線性度不佳。舉例來說，當欲提升數位類比轉換器的輸出電流量時，若是以隨機挑選電流源的方式增加數位類比轉換器中被致能之電流源的數量，則在電流源誤差較嚴重的情況下，若因為原先選到的電流源所輸出的電流較大，而下一次選到的電流源所輸出的電流都較小，就可能出現被致能之電流源的數量增加而整體輸出電流量卻下降的情況。這種不具單調性的非線性表現常會導致系統錯誤。因此，如何適當地控制電流源以提升電流輸出的線性度，仍是有待解決的問題。

本發明的一實施例提供一種輸出電流的方法。輸出電流的方法包含依據複數個電流源所輸出的電流大小對該些電流源進行排序操作，依據該排序操作的結果及預定選取順序，將該些電流源分為N個電流源組，及依據輸出目標值致能該N個電流源組中的至少一電流源組以輸出電流。其中該些電流源具有相同之目標電流量，該N個電流源組中的每一電流源組包含至少一電流源，及在該N個電流源組中，第n電流源組的一電流源總數係為第(n-1)電流源組的電流源總數的兩倍。N為大於1的整數，及n為大於1且小於或等於N的整數。

本發明的另一實施例提供一種電流輸出電路，電流輸出電路包含電流源陣列、電流比較電路及電流源控制電路。電流源陣列包含複數個電流源，該些電流源具有相同之目標電流量。電流比較電路耦接於該些電流源，用以比較該些電流源所輸出的電流大小以對該些電流源進行排序操作。電流源控制電路耦接於該些電流源及該電流比較電路，用以依據該排序操作的結果及預定選取順序，將該些電流源分為N個電流源組以分別控制，及依據輸出目標值致能該N個電流源組中的至少一電流源組以輸出電流。其中該N個電流源組中的每一電流源組包含至少一電流源，及在該N個電流源組中，第n電流源組的電流源總數係為第(n-1)電流源組的電流源總數的兩倍。N為大於1的整數，及n為大於1且小於或等於N的整數。

本揭露的電流輸出電路及輸出電流的方法可以以簡化的方式對電流源進行排序操作，從而降低步級電流的積分非線性誤差值。

第1圖是本揭露一實施例之電流輸出電路100的示意圖。電流輸出電路100可包含電流源陣列110、電流比較電路120及電流源控制電路130。電流比較電路120可耦接於電流源CS1至CSM，而電流源控制電路130可耦接於電流源CS1至CSM及電流比較電路120。

電流源陣列110可包含M個電流源CS1至CSM，且電流源CS1至CSM可具有相同之目標電流量，其中M為大於1的整數，電流源CS1至CSM雖然具有相同的目標電流量，然而製程上的誤差會使電流源CS1至CSM實際上所產生的電流以不同程度偏離目標電流量。在有些實施例中，電流源陣列110可以應用在數位類比轉換電路中，此時電流源CS1至CSM的誤差可能會導致數位類比轉換電路在將輸入訊號轉換為輸出電流時的線性度下降。為減少此問題的發生，本申請電流比較電路120會先依據電流源CS1至CSM所輸出的電流大小以對電流源CS1至CSM進行排序操作，而電流源控制電路130則可依據排序操作的結果及預定的選取順序，將電流源CS1至CSM分為N個電流源組以分別控制。

在本實施例中，每一電流源組可包含至少一電流源，且在N個電流源組中，第n電流源組的電流源總數可以是第(n-1)電流源組的電流源總數的兩倍，其中N為大於1的整數，而n為大於1且小於或等於N的整數。舉例來說，第二電流源組的電流源總數可以是第一電流源組的電流源總數的兩倍，而第三電流源組的電流源總數可以是第二電流源組的電流源總數的兩倍。也就是說，電流源控制電路130可以根據排序操作的結果及預定的選取順序將電流源CS1至CSM分為二元編碼的N個電流源組。在此情況下，M的數值可以是(2 ^N-1)。如此一來，電流源控制電路130就可以依據輸出目標值，致能N個電流源組中對應的電流源組以輸出電流。

以下為方便讀者理解，是先以M為7及N為3的實施例來說明。第2圖是電流源CS1至CS7所輸出的電流大小示意圖。在第2圖中，由於電流源CS1至CS4所輸出的電流都大於標準的目標電流I ₀，因此若直接按照電流源CS1至CS7的順序逐一致能電流源CS1至CS7以提高輸出電流的步級，就會觀察到，步級電流的積分非線性(Integral Nonlinearity，INL)誤差值會先持續上升，直到電流源CS5被致能之後，才慢慢降低。

第3圖是按電流源CS1至CS7輸出電流大小排序後的示意圖。在第3圖中，電流源CS1至CS7中電流大小排序在中位數者為電流源CS4。在電流源CS1至CS7的誤差程度的整體分佈為常態分佈的情況下，中位電流源CS4所輸出的電流大小通常會最接近電流源CS1至CS7的電流平均值，因此本實施例中，電流源控制電路130可將中位電流源CS4當作基準，並將中位電流源CS4選為第一電流源組CSS1。此外，在理想上，第二電流源組CSS2所輸出的電流應為第一電流源組CSS1的兩倍，因此電流源控制電路130會自電流源CS1至CS3及CS5至SC7中選取兩個電流源作為第二電流源組CSS2。在電流源CS1至CS7的誤差程度的整體分佈為常態分佈的情況下，在電流源CS6、CS5、CS7、CS3、CS2與CS1中，電流大小排序在中位電流源CS4之前一位的電流源CS7與中位電流源CS4所輸出的電流差值，以及電流大小排序在中位電流源CS4之後一位的電流源CS3與中位電流源CS4所輸出的電流差值，應為最小的兩者，且兩個電流差值的正負號相反，因此電流源CS7及電流源CS3的誤差不但可互相補償，且以機率來說，電流源CS7及電流源CS3所輸出的電流總和也會最接近中位電流源CS4所輸出之電流的兩倍。在此情況下，電流源控制電路130可優先選擇電流源CS7及電流源CS3作為第二電流源組CSS2。

相似地，第三電流源組CSS3所輸出的電流應為第二電流源組CSS2的兩倍，因此電流源控制電路130會自電流源CS1至CS2及CS5至CS6中選取四個電流源作為第三電流源組CSS3，也就是說，電流源CS1、CS2、CS5及CS6都會被選入第三電流源組CSS3。由於電流源CS5及CS6分別是電流大小排序在中位電流源CS4之前兩位及前三位的兩個電流源，而電流源CS2及CS1分別是電流大小排序在中位電流源CS4之後兩位及後三位的兩個電流源，因此在電流源CS1至CS7的誤差程度的整體分佈為常態分佈的情況下，電流源CS5及CS6所產生的電流誤差與電流源CS1及CS2所產生的電流誤差可互相補償，使得電流源CS1、CS2、CS5及CS6所輸出的電流總和以機率來說會接近第二電流源組CSS2所輸出之電流的兩倍。

由於電流輸出電路100可以透過電流比較電路120對電流源陣列110中電流源CS1至CSM所輸出的電流進行排序操作，再透過電流源控制電路130以預定的選取順序將電流源CS1至CSM分為二元編碼的N個電流源組，因此可以迅速地將電流源CS1至CS7分成對應的電流源組，而無須反覆執行多次的比較或其他複雜的操作。

在前述的實施例中，是以M的數值為7的情況來加以說明，然而在M為其他數值的情況下，電流源控制電路130仍然可以依照相同的選取順序，將電流源CS1至CSM分為N個電流源組。舉例來說，電流源控制電路130可先將電流源CS1至CSM中，電流大小排序為中位數的中位電流源選為N個電流源組中的第一電流源組，接著將自電流大小排序在中位電流源前2 ^(n-1)-1位起算靠近中位電流源的2 ^(n-2)個電流源，及自電流大小排序在中位電流源後2 ^(n-1)-1位起算靠近中位電流源的2 ^(n-2)個電流源選為N個電流源組中的第n電流源組。以n等於4為例，電流源控制電路130可自排序在中位電流源前第七位的電流源起算，將靠近中位電流源的四個電流源(包含第七位)納入第四電流源組，並將排序在中位電流源後第七位的電流源起算(包含第七位)，將靠近中位電流源的四個電流源納入第四電流源組。

也就是說，電流源控制電路130仍然可以依據排序操作的結果，以中位電流源作為基準，並以對稱的方式逐漸向外將各個電流源選進對應的電流源組。在電流源CS1至CSM的誤差程度的整體分佈為常態分佈的情況下，電流源CS1至CSM中的中位電流源所輸出的電流將最接近目標電流I ₀，且其他電流源所輸出的電流與目標電流I ₀的差異也會以對稱的形式存在，例如電流源CS1至CSM中將有約50%的電流源其所輸出的電流是大於目標電流I ₀，且有約34.1%的電流源其所輸出的電流是大於目標電流I ₀一個標準差之內，而電流源CS1至CSM中將另外有約50%的電流源其所輸出的電流是小於目標電流I ₀，且有約34.1%的電流源其所輸出的電流是小於目標電流I ₀的一個標準差之內。在此情況下，以對稱的方式對電流源CS1至CSM進行分組，就可以使電流源CS1至CSM的誤差儘可能地互相補償，從而降低電流輸出電路100之步級電流的積分非線性誤差值。

此外，一般來說，若電流源陣列110中所包含的電流源數越大時，亦即當M的數值越大時，電流源CS1至CSM所產生的電流誤差程度的整體分佈也會越接近常態分佈，因此電流源控制電路130所依據的選取順序也能夠越有效地降低步級電流的積分非線性誤差值。

在有些實施例中，電流輸出電路100可以應用於數位類比轉換器，在此情況下，電流輸出電路100的輸出目標值即為數位輸入訊號的對應數值，然而本發明並不限定將電流輸出電路100應用於數位類比轉換器，在其他的實施例中，電流輸出電路100也可應用在其他需要輸出步級電流的應用中。

第4圖是本發明一實施例之電流輸出電路200的示意圖。電流輸出電路100與電流輸出電路200具有相似的結構，並可依據相似的原理操作，然而在電流輸出電路200中，電流源陣列210可另包含複數個次電流源ACS1至ACSK，其中K為大於1的正整數。次電流源ACS1至ACSK可耦接於電流源控制電路230，而電流源控制電路230也可分別控制次電流源ACS1至ACSK。

在本實施例中，次電流源ACS1至ACSK可具有相同之目標電流量，且電流源CS1至CSM的目標電流量可大於次電流源ACS1至ACSK的目標電流量。此外，在本實施例中，次電流源ACS1至ACSK之總目標電流量可小於每一電流源CS1至CSM的目標電流量，且次電流源ACS1至ACSK之總目標電流量與每一電流源CS1至CSM的目標電流量的差值可以是每一次電流源ACS1至ACSK的目標電流量。也就是說，目標電流量較大的電流源CS1至CSM可視為最高有效位元電流源，而目標電流量較小的次電流源ACS1至ACSK可視為最低有效位元電流源，兩者可以搭配使用以輸出所需的步級電流，然而本發明並不以此為限。

此外，K的數值可為(2 ^L-1)，其中L為大於1的整數。也就是說，依據系統的需求，次電流源ACS1至ACSK的級數可與電流源CS1至CSM的級數不同。

由於電流源CS1至CSM的目標電流量較大，因此電流源CS1至CSM的誤差通常也會較大程度地影響到電流輸出電路200在輸出步級電流時的積分非線性誤差值。因此，在本實施例中，電流比較電路220可以針對目標電流量較大的電流源CS1至CSM進行排序操作，並可透過電流源控制電路230以預定的選取順序將電流源CS1至CSM分為N個電流源組以分別控制。然而，對於目標電流量較小的次電流源ACS1至ACSK，則可在不進行排序操作的情況下，利用電流源控制電路230直接以特定的規則分別控制次電流源ACS1至ACSK。舉例來說，依據電流輸出電路200的輸出目標值，電流源控制電路230可以根據二元編碼順序決定N個電流源組中應致能之電流源，並可根據能夠維持單調性的熱碼(thermometer)編碼順序決定次電流源ACS1至ACSK中應致能之次電流源來輸出電流。如此一來，就可以減少排序操作的次數，從而簡化電流輸出電路200的操作。然而本發明並不限定使用熱碼編碼順序來決定次電流源ACS1至ACSK的致能順序，舉例來說，在有些其他實施例中，次電流源ACS1至ACSK也可以依據二元編碼的順序來制定其致能順序。

由於電流輸出電路100及200可以對電流源進行排序操作，並可根據排序操作的結果對電流源進行分組，因此可以使電流源的誤差互相補償，從而降低步級電流的積分非線性誤差值，並可降低電流輸出電路100及200的輸出步級電流時的積分非線性誤差值。此外，由於電流輸出電路100及200可依據預定的選取順序來對電流源進行分組，因此無須反覆執行排序操作或其他複雜的操作，從而使電流輸出電路100及200的操作更加簡化。

第5圖是本揭露一實施例之輸出電流的方法300的流程圖。在有些實施例中，方法300可應用於電流輸出電路100及200。方法300可包含步驟S310至S330。

S310：依據電流源CS1至CSM所輸出的電流大小對電流源CS1至CSM進行排序操作；

S320：依據排序操作的結果及預定選取順序，將電流源CS1至CSM分為N個電流源組；

S330：依據輸出目標值致能N個電流源組中的至少一電流源組以輸出電流。

在步驟S310完成了排序操作之後，步驟S320便可依據排序操作的結果及預定選取順序，將電流源CS1至CSM分為N個電流源組。舉例來說，在步驟S320中，可先將電流大小排序為中位數的中位電流源選為N個電流源組中的第一電流源組，接著將自電流大小排序在中位電流源前2 ^(n-1)-1位起算靠近中位電流源的2 ^(n-2)個電流源，及自電流大小排序在中位電流源後2 ^(n-1)-1位起算靠近中位電流源的2 ^(n-2)個電流源選為N個電流源組中的第n電流源組。

也就是說，步驟S320可將中位電流源當作基準，並以對稱的方式將各個電流源選進對應的電流源組。如此一來，在步驟S330中，就可以依據輸出目標值致能N個電流源組中對應的電流源組以輸出電流。在有些實施例中，方法300可應用在數位類比轉換器，在此情況下，方法300可先依據數位輸入訊號得出輸出目標值，再於步驟S330中依據輸出目標值輸出電流。

在有些實施例中，若電流源CS1至CSM的誤差程度的整體分佈為常態分佈，則依據前述之預定選取順序將電流源CS1至CSM分成二元編碼的N個電流源組，就可有效地使得電流源CS1至CSM的誤差互相補償，從而降低電流輸出電路100及200之步級電流的積分非線性誤差值。

在有些實施例中，在將方法300應用於電流輸出電路200時，步驟S330除了可以控制N個電流源組之外，還可以對次電流源ACS1至ACSK分別控制，以輸出對應於輸出目標值的電流。也就是說，方法300可以針對目標電流量較大的電流源CS1至CSM進行排序操作，並依據預定的選取順序將電流源CS1至CSM分為N個電流源組以分別控制。然而，對於目標電流量較小的次電流源ACS1至ACSK，則可在不進行排序操作的情況下，直接依據特定的規則分別控制次電流源ACS1至ACSK。如此一來，就可以減少排序操作的次數，從而簡化電流輸出電路200的操作。舉例來說，方法300可以依據輸出目標值及二元編碼順序決定N個電流源組中應致能之電流源，並可依據輸出目標值及熱碼編碼順序決定次電流源ACS1至ACSK中應致能之次電流源。然而本發明並不限定使用熱碼編碼順序來決定次電流源ACS1至ACSK的致能順序，舉例來說，在有些其他實施例中，次電流源ACS1至ACSK也可以依據二元編碼的順序來制定其致能順序。

綜上所述，本揭露的實施例所提供的電流輸出電路及輸出電流的方法可以對電流源進行排序操作，並可根據排序操作的結果對電流源進行分組，因此可以讓電流源的誤差互相獲得補償，從而降低步級電流的積分非線性誤差值，並可提升數位類比轉換電路在將數位訊號轉換為電流輸出時的線性度。此外，由於在排序操作之後，僅須依據預定的選取順序來對電流源進行分組，因此可以也可以避免操作過於複雜。

100:電流輸出電路 110:電流源陣列 120:電流比較電路 130:電流源控制電路 CS1:電流源 CS2:電流源 CS3:電流源 CS4:電流源 CS5:電流源 CS6:電流源 CS7:電流源 CSM:電流源 CCS1:電流源組 CCS2:電流源組 CCS3:電流源組 I ₀:目標電流 200:電流輸出電路 210:電流源陣列 220:電流比較電路 230:電流源控制電路 ACS1:次電流源 ACSK:次電流源 300:方法 S310:步驟 S320:步驟 S330:步驟

第1圖是本揭露一實施例之電流輸出電路的示意圖。

第2圖是電流源所輸出的電流大小示意圖。

第3圖是按電流源之輸出電流大小排序後的示意圖。

第4圖是本發明另一實施例之電流輸出電路的示意圖。

第5圖是本揭露一實施例之輸出電流的方法的流程圖。

300:方法

S310:步驟

S320:步驟

S330:步驟

Claims

一種輸出電流的方法，包含：依據複數個電流源所輸出的電流大小對該些電流源進行一排序操作；依據該排序操作的結果及一預定選取順序，將該些電流源分為N個電流源組；及依據一輸出目標值致能該N個電流源組中的至少一電流源組以輸出一電流；其中：該些電流源具有相同之一第一目標電流量；該N個電流源組中的每一電流源組包含至少一電流源；在該N個電流源組中，一第n電流源組的一電流源總數係為一第(n-1)電流源組的一電流源總數的兩倍；及 N為大於1的整數，及n為大於1且小於或等於N的整數。
如請求項1所述之方法，其中依據該排序操作的結果及該預定選取順序，將該些電流源分為該N個電流源組包含：將該些電流源中電流大小排序為中位數的一電流源選為該N個電流源組中的一第一電流源組；將電流大小排序在該中位電流源之前一位的一電流源及電流大小排序在該中位電流源之後一位的一電流源選為該N個電流源組中的一第二電流源組；及將電流大小排序在該中位電流源之前兩位及前三位的兩個電流源以及電流大小排序在該中位電流源之後兩位及後三位的兩個電流源選為該N個電流源組中的一第三電流源組。
如請求項1所述之方法，其中依據該排序操作的結果及該預定選取順序，將該些電流源分為該N個電流源組包含：將該些電流源中電流大小排序為中位數的一電流源選為該N個電流源組中的一第一電流源組；及將自電流大小排序在該中位電流源前第2 ^(n-1)-1位起算靠近該中位電流源的2 ^(n-2)個電流源及自電流大小排序在該中位電流源後第2 ^(n-1)-1位起算靠近該中位電流源的2 ^(n-2)個電流源選為該N個電流源組中的該第n電流源組。
如請求項1所述之方法，其中依據該輸出目標值致能該N個電流源組中的至少一電流源組以輸出該電流包含：依據該輸出目標值致能該N個電流源組中的該至少一電流源組及複數個次電流源中的至少一次電流源以輸出該電流；其中：該些次電流源具有相同之一第二目標電流量；及該第一目標電流量大於該第二目標電流量。
如請求項4所述之方法，其中依據該輸出目標值致能該N個電流源組中的該至少一電流源組及複數個次電流源中的至少一次電流源以輸出該電流包含：依據該輸出目標值及一二元編碼順序決定該N個電流源組中應致能之該至少一電流源；依據該輸出目標值及一熱碼編碼順序或另一二元編碼順序決定該些次電流源中應致能之次電流源的數量；及其中該些次電流源之一總目標電流量小於該第一目標電流量相同。
一種電流輸出電路，包含：一電流源陣列，包含複數個電流源，該些電流源具有相同之一第一目標電流量；一電流比較電路，耦接於該些電流源，用以比較該些電流源所輸出的電流大小以對該些電流源進行一排序操作；及一電流源控制電路，耦接於該些電流源及該電流比較電路，用以依據該排序操作的結果及一預定選取順序，將該些電流源分為N個電流源組以分別控制，及依據一輸出目標值致能該N個電流源組中的至少一電流源組以輸出一電流；其中：該N個電流源組中的每一電流源組包含至少一電流源；在該N個電流源組中，一第n電流源組的一電流源總數係為一第(n-1)電流源組的一電流源總數的兩倍；及 N為大於1的整數，及n為大於1且小於或等於N的整數。
如請求項6所述之電流輸出電路，其中該電流源控制電路係：將該些電流源中電流大小排序為中位數的一電流源選為該N個電流源組中的一第一電流源組；將電流大小排序在該中位電流源之前一位的一電流源及電流大小排序在該中位電流源之後一位的一電流源選為該N個電流源組中的一第二電流源組；及將電流大小排序在該中位電流源之前兩位及前三位的兩個電流源以及電流大小排序在該中位電流源之後兩位及後三位的兩個電流源選為該N個電流源組中的一第三電流源組。
如請求項6所述之電流輸出電路，其中該電流源控制電路係：將該些電流源中電流大小排序為中位數的一電流源選為該N個電流源組中的一第一電流源組；及將自電流大小排序在該中位電流源前第2 ^(n-1)-1位起算靠近該中位電流源的2 ^(n-2)個電流源及自電流大小排序在該中位電流源後第2 ^(n-1)-1位起算靠近該中位電流源的2 ^(n-2)個電流源選為該N個電流源組中的該第n電流源組。
如請求項6所述之電流輸出電路，其中該電流源陣列另包含：複數個次電流源，耦接於該電流源控制電路，該些次電流源具有相同之一第二目標電流量；其中：該第一目標電流量大於該第二目標電流量；及該電流源控制電路另用以分別控制該些次電流源；其中該些次電流源之一總目標電流量小於該第一目標電流量相同。
如請求項9所述之電流輸出電路，其中該電流源控制電路係：依據該輸出目標值及一二元編碼順序決定該N個電流源組中應致能之該至少一電流源；及依據該輸出目標值及一熱碼編碼順序或另一二元編碼順序決定該些次電流源中應致能之次電流源的數量。