專利名稱：數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器與其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器及其方法，尤其是有關(guān)于一種精 確地在預(yù)期的電壓位準(zhǔn)輸出其輸出電壓的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器及其方法。
背景技術(shù)：
數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(Digital To Analog Converter, DAC)被廣泛地應(yīng)用在 現(xiàn)今的數(shù)字電路中。許多的微控器(Microcontrollers)多具備一個(gè)數(shù)字模 擬轉(zhuǎn)換器，以進(jìn)行數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換運(yùn)算。請參考

圖1，圖l是公知的數(shù)字模 擬轉(zhuǎn)換器IO的電路圖。
數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器IO包括負(fù)返饋調(diào)整器(Negative Feedback Regulator) 12、階梯電路(Ladder Circuit) 16與參考電阻RreF。其中負(fù)返饋調(diào)整器 12包含運(yùn)算放大器(Operational Amplifier) 14，而運(yùn)算放大器14具有與 參考電壓VREF耦接的正輸入端、與階梯電路16的末端耦接的負(fù)輸入端、 以及用來輸出輸出電壓VouT的輸出端。階梯電路16則是包含多個(gè)晶體管 -電阻器單元(Transistor-Resistor Units) A0 AN，其中N為正整數(shù)。每一 個(gè)晶體管-電阻器單元Ao Aw中各具有一晶體管及與此晶體管串聯(lián)的電阻 器。舉例來說，晶體管-電阻器單元Ao具有晶體管Mo與電阻器Ro，而晶 體管Mo與電阻器Ro串聯(lián)。此外，除了晶體管-電阻器單元Ao中的電阻器 Ro以外，每一晶體管-電阻器單元A， Aw中的電阻器R, Rw的電阻值， 均為電阻器Ro的電阻值的2i倍，其中i為正整數(shù)。例如
Rj = 2 x RqR]sf =2 x Rq等坐
此外，晶體管M。 Mw的柵極各被施予控制電壓，而所施予的控制電 壓與所對應(yīng)的數(shù)字代碼(Digital Code) 5至&相關(guān)。對每一控制電壓而 言，當(dāng)其所對應(yīng)的數(shù)字代碼為"1"時(shí)，表示此控制電壓為高位準(zhǔn)的控制 電壓；而當(dāng)其所對應(yīng)的數(shù)字代碼為"0"時(shí)，則表示此控制電壓為低位準(zhǔn) 的控制電壓。舉例來說，當(dāng)數(shù)字代碼^等于"1"時(shí)，表示有一高位準(zhǔn)的控制電壓施加在晶體管Mo的柵極上，而使得晶體管M()被開啟；而當(dāng)數(shù)字代 碼^等于"0"時(shí)，則表示有一低位準(zhǔn)的控制電壓施加在晶體管M。的柵極
上，而使得晶體管Mo被關(guān)閉。由此可知，每一數(shù)字代碼B。至Bw被用來
開啟/關(guān)閉所對應(yīng)的晶體管MQ MN，于是可決定其輸出電壓VouT為
<formula>formula see original document page 5</formula>(2)
其中R，代表每一個(gè)被開啟的晶體管Mo MN的電阻值，而Bo至BN
則分別表示與數(shù)字代碼B。至Bn成對互補(bǔ)的數(shù)字代碼。舉例來說，Bo與Br
彼此成對地互補(bǔ)、B,與Bi彼此成對地互補(bǔ)，且Bw與Bw彼此成對地互補(bǔ)。
數(shù)字代碼B。至Bw的每一種組合被用來決定輸出電壓VouT所相對應(yīng) 的輸出位準(zhǔn)。在此例中，假設(shè)有一電阻值RM為
Rm二RonX(B。+B^…+Bn)
因此上述方程式(2)可寫為
<formula>formula see original document page 5</formula>
一般而言，為了精確地在預(yù)期的電壓位準(zhǔn)輸出上述的輸出電壓VouT，
<formula>formula see original document page 5</formula>
須為常數(shù)。然而，根據(jù)方程式(3)， RM的電阻值會隨
著數(shù)字代碼B。至Bw而變，以致于很難精確地在預(yù)期的電壓位準(zhǔn)輸出上述
的輸出電壓Vou丁。本發(fā)明的目的是提供一種數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，用以精確地輸出期望的輸 出電壓。此數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器包含運(yùn)算放大器與階梯電路。此運(yùn)算放大器具 有用以輸出一輸出電壓的輸出端。上述的階梯電路則耦接至上述的輸出 端。階梯電路具有多個(gè)相接成串的晶體管-電阻器單元，而每一晶體管-電 阻器單元各有電阻器、與上述電阻器串聯(lián)的第一晶體管，以及與上述電阻 器及上述第一晶體管并聯(lián)的第二晶體管
本發(fā)明亦提供一種數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換方法，用以將多個(gè)數(shù)字代碼轉(zhuǎn)換為一 輸出電壓。上述數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換方法包括輸入上述多個(gè)數(shù)字代碼；為上述的 每一個(gè)數(shù)字代碼，產(chǎn)生一對(Pair)互補(bǔ)的控制信息；施加每一對互補(bǔ)的 控制信息至一序列的成對的晶體管，以決定一等效電阻；以及基于此等效 電阻，輸出上述的輸出電壓。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述方法還包括提供一個(gè)參考電壓，以及比 較此參考電壓與上述序列的成對的晶體管的端電壓，以更新該輸出電壓。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，其中當(dāng)?shù)谝痪w管被開啟時(shí)，第二晶體管則 被關(guān)閉；而當(dāng)?shù)谝痪w管被關(guān)閉時(shí)，第二晶體管則被開啟。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，其中第一晶體管的開啟電阻值等于第二晶體 管的開啟電阻值。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，其中運(yùn)算放大器還包括第一輸入端以及第二 輸入端，第一輸入端耦接參考電壓，而第二輸入端耦接階梯電路的一端。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，其中第一晶體管與第二晶體管為N通道金屬 氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(N-channel Metal—Oxide—Semiconductor Field-Effect Transistors; NMOSFETs)，且每一 N通道金屬氧化物半導(dǎo)體 場效應(yīng)晶體管具有基極(Body)以及與基極耦接的源極(Source)。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，其中第一晶體管與第二晶體管為P通道金屬 氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(P-channel Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors; PMOSFETs)，且每一 P通道金屬氧化物半導(dǎo)體 場效應(yīng)晶體管具有基極與基極耦接的源極。圖1是公知的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的電路圖。
圖2是依照本發(fā)明一實(shí)施例的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的電路圖。 圖3是依照本發(fā)明另一實(shí)施例的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的電路圖。
圖4是依照本發(fā)明另一實(shí)施例的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的電路圖。
附圖中主要組件符號說明
10、 20、 30、 40:數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器
12:負(fù)返饋調(diào)整器 14:運(yùn)算放大器
16、 22、 32、 42:階梯電路
A0 AN、 Io^INi_&) GN、 Uq Un:晶體管-電阻器單元 Bo BN、 BQ Bn:數(shù)字代碼
Qo QN:第一晶體管 Mo MN:第二晶體管
No NN、 NMQ NMN: N通道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 Po PN、 PMQ PMN: P通道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 Ro RN:電阻器 Rref:參考電阻 VREF:參考電壓 VoUT:輸出電壓 Vb:端電壓 X、 Y:末端
具體實(shí)施例方式
為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配 合附圖作詳細(xì)說明。
請參考圖2，圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器20的電路圖。數(shù) 字模擬轉(zhuǎn)換器20具有負(fù)返饋調(diào)整器12、參考電阻RREF以及階梯電路22。負(fù) 返饋調(diào)整器12中包括運(yùn)算放大器14，而運(yùn)算放大器14的正輸入端耦接參考 電壓VREF，運(yùn)算放大器14的負(fù)輸入端耦接階梯電路16的Y端點(diǎn)，且運(yùn)算放大器14的輸出端會輸出輸出電壓VouT。參考電阻器RREF則是耦接在接地端
與運(yùn)算放大器14的負(fù)輸入端之間。階梯電路22的末端X耦接運(yùn)算放大器14 的輸出端，而階梯電路22的另一末端Y則是耦接參考電阻器rref以及運(yùn)算 放大器14的負(fù)輸入端。階梯電路22在末端Y的端電壓Vb經(jīng)由運(yùn)算放大器H 的負(fù)輸入端輸入至運(yùn)算放大器14，故運(yùn)算放大器14會比較參考電壓V虹f與 端電壓Vb，以更新輸出電壓V()ut。階梯電路22有多個(gè)晶體管-電阻器單元 1() U目接成串，其中N是正整數(shù)。每一晶體管-電阻器單元Io &各有一電 阻器、與電阻器串聯(lián)的第一晶體管，以及與電阻器及第一晶體管并聯(lián)的第 二晶體管。舉例來說，晶體管-電阻器單元Io具有電阻器Ro、與電阻器Ro串 聯(lián)的第一晶體管Qo，以及與電阻器Ro及第一晶體管Qo并聯(lián)的第二晶體管 M0。此外，除了晶體管-電阻器單元Io的電阻器R()之外，每一晶體管-電阻 器單元Io Iw的電阻器R, I^的電阻值均為電阻器R()的電阻值的2i倍，其中 i是正整數(shù)。例如R^2、R?！璕n-2WxR。等等。第一晶體管Qo Qn 的柵極會被施予與數(shù)字代碼Bo Bw相關(guān)的控制電壓，而第二晶體管Mo Mw的柵極會被施予與數(shù)字代碼^ 相關(guān)的控制電壓。每一數(shù)字代碼 g;至^分別是與數(shù)字代碼B()至BN互補(bǔ)的數(shù)字代碼。例如，Bo與i;彼此 成對地互補(bǔ)、B，與g彼此成對地互補(bǔ)、以及BN與^彼此成對地互補(bǔ)。對 每一控制電壓而言，當(dāng)其相關(guān)的數(shù)字代碼為'T'時(shí)，表示此控制電壓為高 位準(zhǔn)的控制電壓；而當(dāng)其相關(guān)的數(shù)字代碼為"O"時(shí)，則表示此控制電壓為 低位準(zhǔn)的控制電壓。舉例來說，當(dāng)數(shù)字代碼Bo等于"l"時(shí)，表示有一高位 準(zhǔn)的控制電壓施加在第一晶體管Qo的柵極上，進(jìn)而使得第一晶體管Q。被開 啟；此時(shí)與數(shù)字代碼Bo互補(bǔ)的數(shù)字代碼^則等于"0"，表示有一低位準(zhǔn)的 控制電壓施加在第二晶體管Mo的柵極上，進(jìn)而使得第二晶體管Mo被關(guān)閉。 相反地，當(dāng)數(shù)字代碼Bo等于"O"時(shí)，表示有一低位準(zhǔn)的控制電壓施加在第 一晶體管Qo的柵極上，進(jìn)而使得第一晶體管Qo被關(guān)閉；此時(shí)的數(shù)字代碼^ 則等于"1"，表示有一高位準(zhǔn)的控制電壓施加在第二晶體管Mo的柵極上， 進(jìn)而使得第二晶體管Mo被開啟。簡言之，對每一數(shù)字代碼B() Bw來說，一 對(Pair)彼此互補(bǔ)的控制訊號會被產(chǎn)生并分別施加在所對應(yīng)的一個(gè)晶體管-電阻器單元Io lN中成對的第一晶體管與第二晶體管上。如此一來，階梯 電路22的等效電阻值可寫成<formula>formula see original document page 9</formula>
(6)
其中R^代表第一晶體管Qo Qw與第二晶體管M。 Mw當(dāng)中任何一個(gè) 被開啟的晶體管的電阻值。換言之，每一個(gè)第一晶體管Qo Qw與每一個(gè)第 二晶體管M。 Mw具有相同的開啟電阻值。
如下所示，輸出電壓VouT可依據(jù)等效電阻值REQ來決定
<formula>formula see original document page 9</formula>
此外，可以根據(jù)方程式(6)重寫方程式(7)，于是輸出電壓VouT可藉由
下列方程式求得:
V眼=[(R。 + RON)x B。 + (R, + RON)x B' +…+ (RN + R0N )x BN
<formula>formula see original document page 9</formula>
.(B0+...+BN)+(B0+B+...+ BN)
(8)<formula>formula see original document page 9</formula>
(9)
(10)
(11)
在方程式(ll)中，項(xiàng)次
、<formula>formula see original document page 9</formula>ref
為一常數(shù)。因此，輸出
V、 丄、ref乂 /
電壓VouT的電壓位準(zhǔn)(Voltage Level)即可以依fe數(shù)字代碼B。 Bn而精 確地被調(diào)整。
請參考圖3，圖3是本發(fā)明另一實(shí)施例的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器30的電路圖。 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器30與圖2中的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器20相似，兩者之間主要的不 同在于，在數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器30中，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器20的第一晶體管Qo Qw 與第二晶體管MQ MN被換置成N通道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (NMOSFETs) Nq Nn與NM() NMn。每一個(gè)N通道金屬氧化物半導(dǎo)體場 效應(yīng)晶體管No NN與NM() NMN各具有基極(Body)以及與基極耦接的源極(Source)。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器30亦具有負(fù)返饋調(diào)整器12、參考屯阻Rref 以及階梯電路32。階梯電路32具有多個(gè)相接成串的晶體管-電阻器單元
Go GN。在本實(shí)施例中，每一個(gè)晶體管開啟時(shí)的電阻值RoN可由下式求得:
W / 、 R0N ^xCoxXt、Vgs—VT)
L (12) 其中p代表開啟晶體管的遷移率(Mobility); Cox代表每單位面積的柵極氧化層的電容值； W代表開啟晶體管的柵極寬度(Gate Width); L代表開啟晶體管的柵極寬度(Gate Length); Vcs代表開啟晶體管的柵極-源極電壓；以及 VT代表開啟晶體管的臨界電壓。 另外，臨界電壓VT可如下決定:
VT=VT。+y(vvSB+2ci>— (i3)
其中VsB代表開啟晶體管的源極-基極電壓；
VTo代表臨界電壓的零VsB值(Zero-VSB Value); Y代表基體效應(yīng)(Body-Effect)參數(shù)；以及 2cp代表表面電位(Surface Potential)參數(shù)。
在本實(shí)施例中，由于開啟晶體管的源極與基極耦接在一起，所以源極 -基極電壓VsB等于O伏特。除此之外，因?yàn)榱鉜sB值(VT0)、基體效應(yīng)參數(shù) Y、表面電位參數(shù)2cp皆為常數(shù)，因此晶體管No Nn與NMo NM^有相同的 臨界電壓Vp所以當(dāng)晶體管No NN與NM() NMN有相同的W/L比值時(shí)，晶 體管NQ NN與NMo NMN將會有相同的開啟電阻值RoN。 一般而言，數(shù)字 模擬轉(zhuǎn)換器30的輸出電壓VouT可由(8) (ll)得求。
請參考圖4，圖4是本發(fā)明另一實(shí)施例的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器40的電路圖。 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器40與圖3中的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器30相似，兩者之間主要的不 同在于，在數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器40中，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器30中的N通道金屬氧化 物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管No NN與NMo NMN被置換成P通道金屬氧化物 半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(PMOSFETs) P。 Pn與PMo PMn。每一個(gè)P通道金 屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管Po PN與PM() PMw各具有基極以及與基極 耦接的源極。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器40亦具有負(fù)返饋調(diào)整器12、參考電阻RREF以及階梯電路42。階梯電路42具有多個(gè)相接成串的晶體管-電阻器單元Uo
UN。在本實(shí)施例中，每一個(gè)晶體管開啟時(shí)的電阻值R，可由下式求得
L (14)
其中，Vsc代表開啟晶體管的源極-柵極電壓。
此外，臨界電壓VT可如下決定:
VT=VT0+Y(VVBS+2d)— (i5)
其中，VBS代表幵啟晶體管的基極-源極電壓，而VTO代表臨界電壓的
零Vbs信(Zero-VBS Value )。
在本實(shí)施例中，由于開啟晶體管的源極與基極耦接在一起，所以源極 -基極電壓VBs等于O伏特。除此之外，因?yàn)榱鉜BS值(VT0)、基體效應(yīng)參數(shù) Y、表面電位參數(shù)2(p皆為常數(shù)，因此晶體管Po PN與PM() PMn有相同的臨
界電壓VT。所以當(dāng)晶體管晶體管Po PN與PM() PMM具有相同的W/L比值 時(shí)，晶體管Po PN與PM() PMN將會有相同的開啟電阻值Row。 一般而言， 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器40的輸出電壓VouT可由方程式(8) (11)得求。
綜上所述，本發(fā)明所提供的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，具有多個(gè)相接成串的晶 體管-電阻器單元，而每一晶體管-電阻器單元各有由一對互補(bǔ)的控制信息 來控制其開啟/關(guān)閉的一對晶體管。由于每一晶體管-電阻器單元的兩個(gè)晶 體管排列對稱，因此即可依據(jù)所接收的數(shù)字代碼精確地決定其等效電阻 值。于是，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的輸出電壓即可根據(jù)此一等效電阻值而被精確 地調(diào)整。
雖然本發(fā)明已以實(shí)施例描述如上，然其并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域 技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動與潤飾，故 本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以申請的權(quán)利要求范圍所界定的內(nèi)容為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，包括一運(yùn)算放大器，具有用以輸出一輸出電壓的輸出端；以及一階梯電路，耦接至該輸出端，該階梯電路具有多個(gè)相接成串的晶體管-電阻器單元，每一晶體管-電阻器單元各有一電阻器、與該電阻器串聯(lián)的一第一晶體管，以及與該電阻器及該第一晶體管并聯(lián)的一第二晶體管。
2、 如權(quán)利要求1所述的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，其中，當(dāng)該第一晶體管被開啟時(shí)，該第二晶體管則被關(guān)閉，而當(dāng)該第一晶體管被關(guān)閉時(shí)，該第二晶 體管則被開啟。
3、 如權(quán)利要求2所述的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，其中， 一對互補(bǔ)的控制信 息會被施加至該第一晶體管與該第二晶體管，以開啟/關(guān)閉該第一晶體管與 該第二晶體管。
4、 如權(quán)利要求1所述的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，其中，該第一晶體管與該 第二晶體管為N通道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，且每一 N通道金 屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管具有一基極以及與該基極耦接的一源極。
5、 如權(quán)利要求1所述的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，其中，該第一晶體管與該 第二晶體管為P通道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，且每一 P通道金屬 氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管具有一基極以及與該基極耦接的一源極。
6、 一種數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換方法，用以將多個(gè)數(shù)字代碼轉(zhuǎn)換為一輸出電壓， 該方法包括輸入該多個(gè)數(shù)字代碼；為所述多個(gè)數(shù)字代碼的每一個(gè)數(shù)字代碼，產(chǎn)生一對互補(bǔ)的控制信息； 施加每一對互補(bǔ)的控制信息至一序列的成對的晶體管，以決定一等效 電阻；以及基于該等效電阻，輸出該輸出電壓。
7、 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述多個(gè)成對的晶體管各有一 第一晶體管與一第二晶體管，而該第一晶體管與該第二晶體管并且并聯(lián)，且當(dāng)該第一晶體管被開啟時(shí)，該第二晶體管則被關(guān)閉，而當(dāng)該第一晶體管 被關(guān)閉時(shí)，該第二晶體管則被開啟。
8、 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，每一所述成對的晶體管包括一 電阻器，而該電阻器與該第一晶體管串聯(lián)。
9、 如權(quán)利要求7所述的方法，其中該第一晶體管與該第二晶體管為N 通道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，且每一 N通道金屬氧化物半導(dǎo)體場 效應(yīng)晶體管具有一基極以及與該基極耦接的一源極。
10、 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，該第一晶體管與該第二晶體管 為P通道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，且每一 P通道金屬氧化物半導(dǎo) 體場效應(yīng)晶體管具有一基極與該基極耦接的一源極。
全文摘要
一種數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，具有多個(gè)相接成串的晶體管-電阻器單元，而每一晶體管-電阻器單元各有以一對互補(bǔ)的控制信息來控制其開啟/關(guān)閉的一對晶體管。由于每一晶體管-電阻器單元的兩個(gè)晶體管是對稱地排列，故可依所接收的數(shù)字代碼精確地決定其等效電阻值，進(jìn)而數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的輸出電壓可根據(jù)此等效電阻值而被精確地調(diào)整。
文檔編號H03M1/66GK101656540SQ200910140169
公開日2010年2月24日 申請日期2009年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月18日
發(fā)明者何信義, 王典彥, 許哲豪 申請人:旺宏電子股份有限公司