专利名称：数字模拟转换器与其方法
技术领域：
本发明是有关于一种数字模拟转换器及其方法，尤其是有关于一种精 确地在预期的电压位准输出其输出电压的数字模拟转换器及其方法。
背景技术：
数字模拟转换器(Digital To Analog Converter, DAC)被广泛地应用在 现今的数字电路中。许多的微控器(Microcontrollers)多具备一个数字模 拟转换器，以进行数字模拟转换运算。请参考
图1，图l是公知的数字模 拟转换器IO的电路图。
数字模拟转换器IO包括负返馈调整器(Negative Feedback Regulator) 12、阶梯电路(Ladder Circuit) 16与参考电阻RreF。其中负返馈调整器 12包含运算放大器(Operational Amplifier) 14，而运算放大器14具有与 参考电压VREF耦接的正输入端、与阶梯电路16的末端耦接的负输入端、 以及用来输出输出电压VouT的输出端。阶梯电路16则是包含多个晶体管 -电阻器单元(Transistor-Resistor Units) A0 AN，其中N为正整数。每一 个晶体管-电阻器单元Ao Aw中各具有一晶体管及与此晶体管串联的电阻 器。举例来说，晶体管-电阻器单元Ao具有晶体管Mo与电阻器Ro，而晶 体管Mo与电阻器Ro串联。此外，除了晶体管-电阻器单元Ao中的电阻器 Ro以外，每一晶体管-电阻器单元A， Aw中的电阻器R, Rw的电阻值， 均为电阻器Ro的电阻值的2i倍，其中i为正整数。例如
Rj = 2 x RqR]sf =2 x Rq等坐
此外，晶体管M。 Mw的栅极各被施予控制电压，而所施予的控制电 压与所对应的数字代码(Digital Code) 5至&相关。对每一控制电压而 言，当其所对应的数字代码为"1"时，表示此控制电压为高位准的控制 电压；而当其所对应的数字代码为"0"时，则表示此控制电压为低位准 的控制电压。举例来说，当数字代码^等于"1"时，表示有一高位准的控制电压施加在晶体管Mo的栅极上，而使得晶体管M()被开启；而当数字代 码^等于"0"时，则表示有一低位准的控制电压施加在晶体管M。的栅极
上，而使得晶体管Mo被关闭。由此可知，每一数字代码B。至Bw被用来
开启/关闭所对应的晶体管MQ MN，于是可决定其输出电压VouT为
<formula>formula see original document page 5</formula>(2)
其中R，代表每一个被开启的晶体管Mo MN的电阻值，而Bo至BN
则分别表示与数字代码B。至Bn成对互补的数字代码。举例来说，Bo与Br
彼此成对地互补、B,与Bi彼此成对地互补，且Bw与Bw彼此成对地互补。
数字代码B。至Bw的每一种组合被用来决定输出电压VouT所相对应 的输出位准。在此例中，假设有一电阻值RM为
Rm二RonX(B。+B^…+Bn)
因此上述方程式(2)可写为
<formula>formula see original document page 5</formula>
一般而言，为了精确地在预期的电压位准输出上述的输出电压VouT，
<formula>formula see original document page 5</formula>
须为常数。然而，根据方程式(3)， RM的电阻值会随
着数字代码B。至Bw而变，以致于很难精确地在预期的电压位准输出上述
的输出电压Vou丁。本发明的目的是提供一种数字模拟转换器，用以精确地输出期望的输 出电压。此数字模拟转换器包含运算放大器与阶梯电路。此运算放大器具 有用以输出一输出电压的输出端。上述的阶梯电路则耦接至上述的输出 端。阶梯电路具有多个相接成串的晶体管-电阻器单元，而每一晶体管-电 阻器单元各有电阻器、与上述电阻器串联的第一晶体管，以及与上述电阻 器及上述第一晶体管并联的第二晶体管
本发明亦提供一种数字模拟转换方法，用以将多个数字代码转换为一 输出电压。上述数字模拟转换方法包括输入上述多个数字代码；为上述的 每一个数字代码，产生一对(Pair)互补的控制信息；施加每一对互补的 控制信息至一序列的成对的晶体管，以决定一等效电阻；以及基于此等效 电阻，输出上述的输出电压。
在本发明的一实施例中，上述方法还包括提供一个参考电压，以及比 较此参考电压与上述序列的成对的晶体管的端电压，以更新该输出电压。
在本发明的一实施例中，其中当第一晶体管被开启时，第二晶体管则 被关闭；而当第一晶体管被关闭时，第二晶体管则被开启。
在本发明的一实施例中，其中第一晶体管的开启电阻值等于第二晶体 管的开启电阻值。
在本发明的一实施例中，其中运算放大器还包括第一输入端以及第二 输入端，第一输入端耦接参考电压，而第二输入端耦接阶梯电路的一端。
在本发明的一实施例中，其中第一晶体管与第二晶体管为N通道金属 氧化物半导体场效应晶体管(N-channel Metal—Oxide—Semiconductor Field-Effect Transistors; NMOSFETs)，且每一 N通道金属氧化物半导体 场效应晶体管具有基极(Body)以及与基极耦接的源极(Source)。
在本发明的一实施例中，其中第一晶体管与第二晶体管为P通道金属 氧化物半导体场效应晶体管(P-channel Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors; PMOSFETs)，且每一 P通道金属氧化物半导体 场效应晶体管具有基极与基极耦接的源极。图1是公知的数字模拟转换器的电路图。
图2是依照本发明一实施例的数字模拟转换器的电路图。 图3是依照本发明另一实施例的数字模拟转换器的电路图。
图4是依照本发明另一实施例的数字模拟转换器的电路图。
附图中主要组件符号说明
10、 20、 30、 40:数字模拟转换器
12:负返馈调整器 14:运算放大器
16、 22、 32、 42:阶梯电路
A0 AN、 Io^INi_&) GN、 Uq Un:晶体管-电阻器单元 Bo BN、 BQ Bn:数字代码
Qo QN:第一晶体管 Mo MN:第二晶体管
No NN、 NMQ NMN: N通道金属氧化物半导体场效应晶体管 Po PN、 PMQ PMN: P通道金属氧化物半导体场效应晶体管 Ro RN:电阻器 Rref:参考电阻 VREF:参考电压 VoUT:输出电压 Vb:端电压 X、 Y:末端
具体实施例方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配 合附图作详细说明。
请参考图2，图2是本发明一实施例的数字模拟转换器20的电路图。数 字模拟转换器20具有负返馈调整器12、参考电阻RREF以及阶梯电路22。负 返馈调整器12中包括运算放大器14，而运算放大器14的正输入端耦接参考 电压VREF，运算放大器14的负输入端耦接阶梯电路16的Y端点，且运算放大器14的输出端会输出输出电压VouT。参考电阻器RREF则是耦接在接地端
与运算放大器14的负输入端之间。阶梯电路22的末端X耦接运算放大器14 的输出端，而阶梯电路22的另一末端Y则是耦接参考电阻器rref以及运算 放大器14的负输入端。阶梯电路22在末端Y的端电压Vb经由运算放大器H 的负输入端输入至运算放大器14，故运算放大器14会比较参考电压V虹f与 端电压Vb，以更新输出电压V()ut。阶梯电路22有多个晶体管-电阻器单元 1() U目接成串，其中N是正整数。每一晶体管-电阻器单元Io &各有一电 阻器、与电阻器串联的第一晶体管，以及与电阻器及第一晶体管并联的第 二晶体管。举例来说，晶体管-电阻器单元Io具有电阻器Ro、与电阻器Ro串 联的第一晶体管Qo，以及与电阻器Ro及第一晶体管Qo并联的第二晶体管 M0。此外，除了晶体管-电阻器单元Io的电阻器R()之外，每一晶体管-电阻 器单元Io Iw的电阻器R, I^的电阻值均为电阻器R()的电阻值的2i倍，其中 i是正整数。例如R^2、R。…Rn-2WxR。等等。第一晶体管Qo Qn 的栅极会被施予与数字代码Bo Bw相关的控制电压，而第二晶体管Mo Mw的栅极会被施予与数字代码^ 相关的控制电压。每一数字代码 g;至^分别是与数字代码B()至BN互补的数字代码。例如，Bo与i;彼此 成对地互补、B，与g彼此成对地互补、以及BN与^彼此成对地互补。对 每一控制电压而言，当其相关的数字代码为'T'时，表示此控制电压为高 位准的控制电压；而当其相关的数字代码为"O"时，则表示此控制电压为 低位准的控制电压。举例来说，当数字代码Bo等于"l"时，表示有一高位 准的控制电压施加在第一晶体管Qo的栅极上，进而使得第一晶体管Q。被开 启；此时与数字代码Bo互补的数字代码^则等于"0"，表示有一低位准的 控制电压施加在第二晶体管Mo的栅极上，进而使得第二晶体管Mo被关闭。 相反地，当数字代码Bo等于"O"时，表示有一低位准的控制电压施加在第 一晶体管Qo的栅极上，进而使得第一晶体管Qo被关闭；此时的数字代码^ 则等于"1"，表示有一高位准的控制电压施加在第二晶体管Mo的栅极上， 进而使得第二晶体管Mo被开启。简言之，对每一数字代码B() Bw来说，一 对(Pair)彼此互补的控制讯号会被产生并分别施加在所对应的一个晶体管-电阻器单元Io lN中成对的第一晶体管与第二晶体管上。如此一来，阶梯 电路22的等效电阻值可写成<formula>formula see original document page 9</formula>
(6)
其中R^代表第一晶体管Qo Qw与第二晶体管M。 Mw当中任何一个 被开启的晶体管的电阻值。换言之，每一个第一晶体管Qo Qw与每一个第 二晶体管M。 Mw具有相同的开启电阻值。
如下所示，输出电压VouT可依据等效电阻值REQ来决定
<formula>formula see original document page 9</formula>
此外，可以根据方程式(6)重写方程式(7)，于是输出电压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，项次
、<formula>formula see original document page 9</formula>ref
为一常数。因此，输出
V、 丄、ref乂 /
电压VouT的电压位准(Voltage Level)即可以依fe数字代码B。 Bn而精 确地被调整。
请参考图3，图3是本发明另一实施例的数字模拟转换器30的电路图。 数字模拟转换器30与图2中的数字模拟转换器20相似，两者之间主要的不 同在于，在数字模拟转换器30中，数字模拟转换器20的第一晶体管Qo Qw 与第二晶体管MQ MN被换置成N通道金属氧化物半导体场效应晶体管 (NMOSFETs) Nq Nn与NM() NMn。每一个N通道金属氧化物半导体场 效应晶体管No NN与NM() NMN各具有基极(Body)以及与基极耦接的源极(Source)。数字模拟转换器30亦具有负返馈调整器12、参考屯阻Rref 以及阶梯电路32。阶梯电路32具有多个相接成串的晶体管-电阻器单元
Go GN。在本实施例中，每一个晶体管开启时的电阻值RoN可由下式求得:
W / 、 R0N ^xCoxXt、Vgs—VT)
L (12) 其中p代表开启晶体管的迁移率(Mobility); Cox代表每单位面积的栅极氧化层的电容值； W代表开启晶体管的栅极宽度(Gate Width); L代表开启晶体管的栅极宽度(Gate Length); Vcs代表开启晶体管的栅极-源极电压；以及 VT代表开启晶体管的临界电压。 另外，临界电压VT可如下决定:
VT=VT。+y(vvSB+2ci>— (i3)
其中VsB代表开启晶体管的源极-基极电压；
VTo代表临界电压的零VsB值(Zero-VSB Value); Y代表基体效应(Body-Effect)参数；以及 2cp代表表面电位(Surface Potential)参数。
在本实施例中，由于开启晶体管的源极与基极耦接在一起，所以源极 -基极电压VsB等于O伏特。除此之外，因为零VsB值(VT0)、基体效应参数 Y、表面电位参数2cp皆为常数，因此晶体管No Nn与NMo NM^有相同的 临界电压Vp所以当晶体管No NN与NM() NMN有相同的W/L比值时，晶 体管NQ NN与NMo NMN将会有相同的开启电阻值RoN。 一般而言，数字 模拟转换器30的输出电压VouT可由(8) (ll)得求。
请参考图4，图4是本发明另一实施例的数字模拟转换器40的电路图。 数字模拟转换器40与图3中的数字模拟转换器30相似，两者之间主要的不 同在于，在数字模拟转换器40中，数字模拟转换器30中的N通道金属氧化 物半导体场效应晶体管No NN与NMo NMN被置换成P通道金属氧化物 半导体场效应晶体管(PMOSFETs) P。 Pn与PMo PMn。每一个P通道金 属氧化物半导体场效应晶体管Po PN与PM() PMw各具有基极以及与基极 耦接的源极。数字模拟转换器40亦具有负返馈调整器12、参考电阻RREF以及阶梯电路42。阶梯电路42具有多个相接成串的晶体管-电阻器单元Uo
UN。在本实施例中，每一个晶体管开启时的电阻值R，可由下式求得
L (14)
其中，Vsc代表开启晶体管的源极-栅极电压。
此外，临界电压VT可如下决定:
VT=VT0+Y(VVBS+2d)— (i5)
其中，VBS代表幵启晶体管的基极-源极电压，而VTO代表临界电压的
零Vbs信(Zero-VBS Value )。
在本实施例中，由于开启晶体管的源极与基极耦接在一起，所以源极 -基极电压VBs等于O伏特。除此之外，因为零VBS值(VT0)、基体效应参数 Y、表面电位参数2(p皆为常数，因此晶体管Po PN与PM() PMn有相同的临
界电压VT。所以当晶体管晶体管Po PN与PM() PMM具有相同的W/L比值 时，晶体管Po PN与PM() PMN将会有相同的开启电阻值Row。 一般而言， 数字模拟转换器40的输出电压VouT可由方程式(8) (11)得求。
综上所述，本发明所提供的数字模拟转换器，具有多个相接成串的晶 体管-电阻器单元，而每一晶体管-电阻器单元各有由一对互补的控制信息 来控制其开启/关闭的一对晶体管。由于每一晶体管-电阻器单元的两个晶 体管排列对称，因此即可依据所接收的数字代码精确地决定其等效电阻 值。于是，数字模拟转换器的输出电压即可根据此一等效电阻值而被精确 地调整。
虽然本发明已以实施例描述如上，然其并非用以限定本发明，本领域 技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故 本发明的保护范围应当以申请的权利要求范围所界定的内容为准。
权利要求
1、一数字模拟转换器，包括一运算放大器，具有用以输出一输出电压的输出端；以及一阶梯电路，耦接至该输出端，该阶梯电路具有多个相接成串的晶体管-电阻器单元，每一晶体管-电阻器单元各有一电阻器、与该电阻器串联的一第一晶体管，以及与该电阻器及该第一晶体管并联的一第二晶体管。
2、 如权利要求1所述的数字模拟转换器，其中，当该第一晶体管被开启时，该第二晶体管则被关闭，而当该第一晶体管被关闭时，该第二晶 体管则被开启。
3、 如权利要求2所述的数字模拟转换器，其中， 一对互补的控制信 息会被施加至该第一晶体管与该第二晶体管，以开启/关闭该第一晶体管与 该第二晶体管。
4、 如权利要求1所述的数字模拟转换器，其中，该第一晶体管与该 第二晶体管为N通道金属氧化物半导体场效应晶体管，且每一 N通道金 属氧化物半导体场效应晶体管具有一基极以及与该基极耦接的一源极。
5、 如权利要求1所述的数字模拟转换器，其中，该第一晶体管与该 第二晶体管为P通道金属氧化物半导体场效应晶体管，且每一 P通道金属 氧化物半导体场效应晶体管具有一基极以及与该基极耦接的一源极。
6、 一种数字模拟转换方法，用以将多个数字代码转换为一输出电压， 该方法包括输入该多个数字代码；为所述多个数字代码的每一个数字代码，产生一对互补的控制信息； 施加每一对互补的控制信息至一序列的成对的晶体管，以决定一等效 电阻；以及基于该等效电阻，输出该输出电压。
7、 如权利要求6所述的方法，其中，所述多个成对的晶体管各有一 第一晶体管与一第二晶体管，而该第一晶体管与该第二晶体管并且并联，且当该第一晶体管被开启时，该第二晶体管则被关闭，而当该第一晶体管 被关闭时，该第二晶体管则被开启。
8、 如权利要求7所述的方法，其中，每一所述成对的晶体管包括一 电阻器，而该电阻器与该第一晶体管串联。
9、 如权利要求7所述的方法，其中该第一晶体管与该第二晶体管为N 通道金属氧化物半导体场效应晶体管，且每一 N通道金属氧化物半导体场 效应晶体管具有一基极以及与该基极耦接的一源极。
10、 如权利要求7所述的方法，其中，该第一晶体管与该第二晶体管 为P通道金属氧化物半导体场效应晶体管，且每一 P通道金属氧化物半导 体场效应晶体管具有一基极与该基极耦接的一源极。
全文摘要
一种数字模拟转换器，具有多个相接成串的晶体管-电阻器单元，而每一晶体管-电阻器单元各有以一对互补的控制信息来控制其开启/关闭的一对晶体管。由于每一晶体管-电阻器单元的两个晶体管是对称地排列，故可依所接收的数字代码精确地决定其等效电阻值，进而数字模拟转换器的输出电压可根据此等效电阻值而被精确地调整。
文档编号H03M1/66GK101656540SQ200910140169
公开日2010年2月24日 申请日期2009年7月8日 优先权日2008年8月18日
发明者何信义, 王典彦, 许哲豪 申请人:旺宏电子股份有限公司