TWI837915B

TWI837915B - 數位類比轉換器

Info

Publication number: TWI837915B
Application number: TW111141589A
Authority: TW
Inventors: 蔣汝安
Original assignee: 華邦電子股份有限公司
Filing date: 2022-11-01
Publication date: 2024-04-01

Abstract

數位類比轉換器包括放大器、電壓緩和電路、基礎電流源、第一加權電流源以及至少一第二加權電流源。放大器接收參考電壓以及回授電壓，根據參考電壓以及回授電壓以產生輸出電壓。基礎電流源透過電壓緩和電路以耦接至放大器的輸出端，用以產生可調整的基礎電流。第一加權電流源根據輸入資料的第一位元來在電流負載或電壓緩和電路與參考接地端間產生可調整的第一加權電流。第二加權電流源根據輸入資料的至少一第二位元以產生至少一第二加權電流。

Description

數位類比轉換器

本發明是有關於一種數位類比轉換器，且特別是有關於一種可調整電壓/電流偏移的數位類比轉換器。

在習知的技術領域中，使用電流模式操作的數位類比轉換電路可具有較簡單的架構，電路面積也可有效的被節省。但是，如果要針對數位類比轉換電路進行晶片上的調整(on chip trim)動作時，是一個不方便也不容易做到的事情。

習知技術有提出實際操作範圍僅需要數微(micro)安培的數位類比轉換電路。然而這類型的數位類比轉換電路其所需的高壓部分的電路元件，需要由電荷泵電路來提供高電壓，而造成大量的電路面積浪費。並且，基於實際操作的電流甚小，容易造成電流/電壓偏移(offset)的問題，而降低了數位類比轉換動作的精準度。

本發明提供一種數位類比轉換器可有效針對電壓/電流的偏移進行調整。

本發明的數位類比轉換器包括放大器、電壓緩和電路、基礎電流源、第一加權電流源以及至少一第二加權電流源。放大器接收參考電壓以及回授電壓，根據參考電壓以及回授電壓以產生輸出電壓。電壓緩和電路耦接至放大器的輸出端。基礎電流源透過電壓緩和電路以耦接至放大器的輸出端，用以產生可調整的基礎電流。第一加權電流源透過電流負載以及電壓緩和電路以耦接至放大器的輸出端，根據輸入資料的第一位元來在電流負載或電壓緩和電路與參考接地端間產生可調整的第一加權電流。第二加權電流源透過電壓緩和電路以耦接至放大器的輸出端，根據輸入資料的至少一第二位元以產生至少一第二加權電流。

基於上述，本發明的數位類比轉換器透過基礎電流源所提供的可調整的基礎電流來調整數位類比轉換器輸出的起始電壓可以等於目標起始電壓。並且，本發明的數位類比轉換器透過加權電流源以調整所提供的加權電流，可調整數位類比轉換器的輸出電壓曲線的斜率，進一步使數位類比轉換器輸出的最終電壓可以等於目標最終電壓。如此一來，本發明的數位類比轉換器可有效針對電壓/電流的偏移進行調整，維持數位類比轉換的精確度。

100、200:數位類比轉換器

110、210:電壓緩和電路

120、220:電流負載

130、230:基礎電流源

140、240:第一加權電流源

150、251、252:第二加權電流源

201:差動對

202:主動負載

203:電流源

204:輸出級電路

260:編/解碼器

310、320、320’、320”、410、420、420’、420”:曲線

AMP1:放大器

BTA、BTB、BTA1、BTA2:位元

BTBN:反向信號

CA:電容

CT1、CT2:控制信號

ENH、ENM、EN:致能信號

IB:基礎電流

IC:互補電流

IW1、IW2:加權電流

M01~M56、MA、MB、MC:電晶體

R1、R2:可變電阻

RA、R0:電阻

S1~S8:步階

Ve、Ve’、Ve2:最終電壓

VFB:回授電壓

VOUT:輸出電壓

VPP:電源電壓

VREF:參考電壓

Vs:目標起始電壓

Vs’:起始電壓

VSS:參考接地電壓

Vt:目標最終電壓

VXD:偏壓電壓

圖1繪示本發明一實施例的數位類比轉換器的示意圖。

圖2繪示本發明另一實施例的數位類比轉換器的示意圖。

圖3A至圖4B繪示本發明實施例的數位類比轉換器的輸出電壓的校正動作的示意圖。

請參照圖1，數位類比轉換器100包括放大器AMP1、電壓緩和電路110、基礎電流源130、第一加權電流源140以及一個或多個第二加權電流源150。放大器AMP1具有正輸入端以接收參考電壓VREF，並具有一負輸入端以接回授電壓VFB。放大器AMP的輸出端則產生輸出電壓VOUT。

此外，電壓緩和電路110的第一端耦接至放大器AMP1的輸出端，電壓緩和電路110的第二端可提供回授電壓VFB，並耦接至基礎電流源130、第一加權電流源140以及第二加權電流源150。基礎電流源130、第一加權電流源140以及第二加權電流源150可分別從電壓緩和電路110的第二端上汲取基礎電流IB、第一加權電流IW1以及第二加權電流IW2，並透過電壓緩和電路110中的電阻來調整輸出電壓VOUT的電壓值。其中，第一加權電流源140根據輸入資料的第一位元BTB來針對第一加權電流IW1進行調整；第二加權電流源150則可根據輸入資料的第二位元BTA來針對第二加權電流IW2進行調整。在本實施例中，輸入資料的第一位元BTB可以為輸入資料的最高有效位元，輸入資料的第二位元BTA則可以為其餘的位元。

在另一方面，第一加權電流源140另透過一電流負載120以耦接至放大器AMP1的輸出端。第一加權電流源140並可根據輸入資料的第一位元BTB的反向信號以從電流負載120汲取一互補電流IC。

值得一提的，在本實施例中，基礎電流源130包括可變電阻。可變電阻可根據一控制信號以調整所提供的電阻值，並藉以調整基礎電流IB的電流值。其中，透過調整基礎電流IB的電流值，可以調整數位類比轉換器100在對應輸入資料的最小值時所產生的等於起始電壓的輸出電壓VOUT的電壓值。細節上，當輸出電壓VOUT的起始電壓與目標起始電壓間產生偏移時，基礎電流源130可根據控制信號以調高或調低輸出電壓VOUT的電壓值以使輸出電壓VOUT的起始電壓與目標起始電壓相符。

在另一方面，第一加權電流源140可調整根據輸入資料的第一位元BTB所產生的第一加權電流IW1。基於輸入資料的第一位元BTB是為輸入資料的最大有效位元，透過調整第一加權電流IW1的電流值，可以調整輸出電壓VOUT，基於起始電壓，對應輸入資料的數位值的2^N-1個步階(step)所產生的電壓偏移量，其中N為輸入資料的總位元數。也就是說，透過調整第一加權電流IW1的電流值，可以調整對應輸入資料的數位值的輸出電壓VOUT的電壓曲線的斜率。

從上述說明不難得知，透過基礎電流源130的基礎電流IB的調整動作以使輸出電壓VOUT的起始電壓可與目標起始電壓相對準，再透過第一加權電流源140針對第一加權電流IW1進行調整，可調整輸出電壓VOUT的變化斜率，並可使輸出電壓VOUT的最終電壓可與目標最終電壓相對準。如此一來，數位類比轉換器100的輸出電壓VOUT可以獲得精準的校準，確保數位類比轉換器100的數位類比轉換動作的準確度。

請參照圖2，數位類比轉換器200包括放大器AMP1、電壓緩和電路210、基礎電流源230、第一加權電流源240以及第二加權電流源251、252。

在本實施例中，放大器AMP1包括差動對201、主動負載202、電流源203以及輸出級電路204。差動對201由電晶體M05以及M06來建構。其中電晶體M05以及M06的控制端分別接收參考電壓VREF以及回授電壓VFB。主動負載202建構在差動對201的上方，並透過電晶體MA、MB以耦接至差動對201。電晶體MA、MB可以為空乏式電晶體，並受控於參考接地電壓VSS。主動負載202由電晶體M01~M04所建構。電晶體M01、M02接收電源電壓VPP，電晶體M01、M03相互串接；電晶體M02、M04相互串接，且電晶體M02、M04的控制端接收偏壓電壓VXD。電流源203耦接在差動對201的下方。電流源203包括相互串接的電阻R0以及電晶體M07。電晶體M07受控於致能信號EN以被啟動。

輸出級電路204包括電晶體M08~M013。其中電晶體M08、M010、M012接收電源電壓VPP。電晶體M08、M09串聯耦接，並分別受控於致能信號ENH、ENM。電晶體M010、M011串接在電源電壓VPP以及電壓緩和電路210間，電晶體M010的控制端耦接至電晶體MA，電晶體M011的控制端則接收致能信號ENM。另外，電晶體M012、M013串聯耦接於電源電壓VPP以及電流負載220間，並分別受控於致能信號ENH、ENM。

電壓緩和電路210包括電阻RA、電晶體M11以及M12。電阻RA、電晶體M11以及M12依序串聯耦接在放大器AMP1的輸出端以及基礎電流源230間。電晶體M11可以為空乏式電晶體，其控制端接收參考接地電壓VSS。電晶體M12的控制端則接收偏壓電壓VXD。附帶一提的，電晶體M12耦接至基礎電流源230的端點，另可透過電晶體MC以耦接至差動對201並提供回授電壓VFB。電晶體MC可以為空乏式電晶體，其控制端接收參考接地電壓VSS。電晶體MC與放大器AMP1的輸出端間並具有一電容CA。

在本實施例中，基礎電流源230包括可變電阻R1。可變電阻R1可受控於控制信號CT1以調整所提供的電阻，並藉以調整基礎電流源230所產生的基礎電流。第一加權電流源240包括電晶體M41、M42以及可變電阻R2。電晶體M41、M42形成路徑選擇器。路徑選擇器根據輸入資料的第一位元BTB使可變電阻R2耦接至電流負載220或電壓緩和電路210。其中，電晶體M41的一端耦接至電壓緩和電路210，電晶體M41的另一端耦接至可變電阻R2，電晶體M41的控制端接收輸入資料的第一位元BTB。電晶體M42的一端耦接至電流負載220，電晶體M42的另一端耦接至可變電阻R2，電晶體M42的控制端接收輸入資料的第一位元的反向信號BTBN。可變電阻R2的另一端耦接至參考接地端以接收參考接地電壓VSS。

其中當電晶體M41導通時(電晶體M42被截止)，第一加權電流源240提供第一加權電流以流通電壓緩和電路210。其中當電晶體M42導通時(電晶體M41被截止)，第一加權電流源240提供互補電流IC以流通電流負載220。

第二加權電流源251包括電晶體M51、M52以及M53。電晶體M51、M52以及M53依序串聯耦接在電壓緩和電路210以及參考接地電壓VSS間。電晶體M51的控制端可接收輸入資料的第二位元BTA1，電晶體M52、M53的控制端可接收不同的偏壓電壓。第二加權電流源252則包括電晶體M54、M54以及M56，第二加權電流源252與第二加權電流源251可具有相同的電路架構。並且電晶體M52、M55可接收相同的偏壓電壓，電晶體M53、M56接收相同的偏壓電壓。

此外，在本發明實施例中，輸入資料的多個位元BTB、BTA1、BTA2可由編/解碼器260來產生。編/解碼器260可根據一接收信號，透過本領域具通常知識者熟知的編/解碼動作來產生輸入資料的多個位元BTB、BTA1、BTA2。

值得一提的，本發明實施例中放大器AMP1的硬體架構並不限於圖2繪示的電路。事實上，本領域具通常知識者所熟知的放大器的電路架構皆可用以實施本發明實施例的放大器AMP1，沒有特定的限制。

關於數位類比轉換器200的輸出電壓VOUT的校準動作的動作細節，請同步參照圖2以及圖3A至圖4B，其中，在圖3A中，以輸入資料具有三個位元為範例，在校正前，曲線320為數位類比轉換器200的輸出電壓VOUT對應輸入資料數位值的多個步階S1~S8的電壓曲線。曲線310則為數位類比轉換器200的輸出電壓VOUT的目標電壓曲線。根據曲線320以及310可以得知，在校正前數位類比轉換器200的輸出電壓VOUT的起始電壓Vs’略高於目標起始電壓Vs，對應輸入資料的最大步階S8的輸出電壓VOUT的最終電壓Ve’則略小於目標最終電壓Vt。其中起始電壓Vs’為數位類比轉換器200對應數位值等於0的輸出電壓VOUT。因此，數位類比轉換器200可透過調高基礎電流源230中可變電阻R1的電阻值，以調降基礎電流源230所提供的基礎電流，可調降輸出電壓VOUT的起始電壓Vs’為等於目標起始電壓Vs。透過上述的調整動作，數位類比轉換器200的輸出電壓VOUT對應輸入資料數位值的多個步階S1~S8的電壓曲線可變更為曲線320’。

透過比較曲線320’以及310可以得知，原先的最終電壓Ve’被調降至等於最終電壓Ve，並低於目標最終電壓Vt。

接著，在圖3B中，關於目標最終電壓Vt與最終電壓Ve間的差值的補償，可透過計算目標最終電壓Vt與最終電壓Ve間的差值，基於電壓緩和電路210中的電阻RA，來換算此差值對應的電流總值，再透過計算電流總值與輸入資料的最大步階值(=8)進行相除可以換算出偏移值d。數位類比轉換器200可透過對應每一個步階S1~S8，進行1至8倍的偏移值d的補償動作(調升)，可以使補償後的最終電壓Ve2與目標最終電壓Vt相等。

在硬體動作上，基於第一加權電流源240對應輸入資料的最大有效位元BTB，以輸入資料具有三個位元為範例，第一加權電流源240所提供的權重電流IW1可對應輸入資料的四個步階。若以調整權重電流IW1為1.6微安培為範例，對應為500千歐姆的電阻R1，可調整輸出電壓VOUT產生0.8伏特的變動。而0.8伏特對應四個步階值，表示上述的調整可以產生為0.2伏特的偏移值d。

由上述的說明可以得知，第一加權電流源240可透過控制信號CT2以調整可變電阻R2的電阻值，就可產生所需要的偏移值d，來針對曲線320’的斜率進行調整，並獲得調整後的曲線320”，其中曲線320”可以與曲線310相互重疊。

如此一來，數位類比轉換器200的輸出電壓VOUT的校正動作可精準的被完成。

附帶一提的，在上述的校正動作中，第二加權電流源251、252是不動作的。

在圖4A中，同樣以輸入資料具有三個位元為範例，在校正前，曲線420為數位類比轉換器200的輸出電壓VOUT對應輸入資料數位值的多個步階S1~S8的電壓曲線。曲線410則為數位類比轉換器200的輸出電壓VOUT的目標電壓曲線。根據曲線420以及410可以得知，在校正前數位類比轉換器200的輸出電壓VOUT的起始電壓Vs’略低於目標起始電壓Vs，對應輸入資料的最大步階S8的輸出電壓VOUT的最終電壓Ve’則略大於目標最終電壓Vt。其中起始電壓Vs’為數位類比轉換器200對應數位值等於0的輸出電壓VOUT。因此，數位類比轉換器200可透過調低基礎電流源230中可變電阻R1的電阻值，以調高基礎電流源230所提供的基礎電流，可調升輸出電壓VOUT的起始電壓Vs’為等於目標起始電壓Vs。透過上述的調整動作，數位類比轉換器200的輸出電壓VOUT對應輸入資料數位值的多個步階S1~S8的電壓曲線可變更為曲線420’。

透過比較曲線420’以及410可以得知，原先的最終電壓Ve’被調升至等於最終電壓Ve，並高於目標最終電壓Vt。

接著，在圖4B中，關於目標最終電壓Vt與最終電壓Ve間的差值的補償，可透過計算目標最終電壓Vt與最終電壓Ve間的差值，基於電壓緩和電路210中的電阻RA，來換算此差值對應的電流總值，再透過計算電流總值與輸入資料的最大步階值(=8)進行相除可以換算出偏移值d。數位類比轉換器200可透過對應每一個步階S1~S8，進行1至8倍的偏移值d的補償動作(調降)，可以使補償後的最終電壓Ve2與目標最終電壓Vt相等。

在硬體動作上，同樣基於第一加權電流源240對應輸入資料的最大有效位元BTB，以輸入資料具有三個位元為範例，第一加權電流源240所提供的權重電流IW1可對應輸入資料的四個步階。若以調整權重電流IW1為1.6微安培為範例，對應為500千歐姆的電阻RA，可調整輸出電壓VOUT產生0.8伏特的變動。而0.8伏特對應四個步階值，表示上述的調整可以產生為0.2伏特的偏移值d。

由上述的說明可以得知，第一加權電流源240可透過調整可變電阻R2的電阻值，就可產生所需要的偏移值d，來針對曲線420’的斜率進行調整，並獲得調整後的曲線420”，其中曲線420”可以與曲線410相互重疊。

綜上所述，本發明的數位類比轉換器具有基礎電流源以及加權電流源。其中基礎電流源透過調整基礎電流以調整輸出電壓的起始電壓，加權電流源透過調整加權電流以調整輸出電壓對應輸入資料的曲線的斜率。如此一來，透過基礎電流以及加權電流的調整動作，數位類比轉換器的輸出電壓的曲線可以與目標的輸出電壓曲線相吻合，有效提升數位類比轉換器的數位類比轉緩動作的準確度。

100:數位類比轉換器

110:電壓緩和電路

120:電流負載

130:基礎電流源

140:第一加權電流源

150:第二加權電流源