TW293206B - - Google Patents

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A7 ^^3206 B7 五、發明説明（1 ) 本發明背景 本發明領域 (請先閱讀背面之注意事項再本頁} 本發明一般言與數位類比變換器（DAC)有關，更明確 說，與產生一大略片段式線性類比波形之DAC有關，其具 有減少之頻譜扭曲與增高之信號量化雜訊比（SQNR) 〇 相關技藝說明 DAC爲用來將一序列之數位碼字轉換成一類比電壓或 電流信號，其中各碼字代表從一基本類比波形之量化取樣 〇於數位電路內，該碼字之各位元爲由一數位信號所代表 〇理論上，此等信號可被二進位加權，其爲該位元位置乏 一函數，並加總合計以產生該類比信號0然而，各數位信 號僅以足夠之精確度作控制來切換數位電路，故而並不夠-準確來精確地建構該類比信號0反而，各數位信號爲用以 控制各電開關，其於準確度有限之低與高信號位準間作切 換0此等信號被二進位加權，並加總合計以得到該類比信 號。當數位電路之速度增加時，切換之回轉速率（切換速 經濟部中央樣隼局員工消費合作社印製 度）與精確度於減少類比信號扭曲上變成愈形重要之因素 〇 圖1爲一習用DAC 10之示意圖，其將一序列之η位元二 進位碼字12轉換成一類比電壓信號V。〇 —時鐘14施加一時 鐘信號16到一暫存器18，使各碼字被平行讀取。暫存器18 產生η個數位信號2 0， 對碼字12之各位元各爲一個，後者 施於各自之數位控制電開關Sm-:、SN_2、... 、SQ，並保 持一完整之時鐘周期。該碼字之最顯著位元（MSB)被施於 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210 X 297公釐） A7 B7 293206 五、發明说明（2) 開關Sn-:，而其最不顯著位元（LSB)被施於開關S〇 〇 —參考電壓線-VR及一接地線GND被選擇性經數位控制 電開關Sn-1、Sn-2、... 、S。，施於各別之二進位加權電 阻器RN - i、RN - 2、. . . 、R〇 〇各電阻器並聯接至一反相運 算放大器（opamp)Al之反相端子22 〇 opamp之非反相端子24 接地，而一電阻器11。^連接於反相端子22與opamp輸出26 之間oopamp A1之負反饋使反相端子22之電壓約保持於接 地電位〇 當碼字12之MSB爲高時，開關S.N-:連接參考電壓線-VR 至電阻器Rn -:，使一電流I n :流過該電阻器。由於各電晅 器之値爲二進位加權，即iu - i =R，Rn - 2 =2R，...， 而 R〇 = 2^-4，各電流成相關爲“-dim.以-1“，使 其等反應其等關聯位元之顯著性〇當該MSB爲低時，開關 SN-i連接接地線至電阻器Rn，使跨於電阻器Rn-x之電壓 降理想上爲零，從而電流Iu-l爲零。各電流In-Ι、...、 I。於反相端子2 2總和，以產生一電流ISUB，其與該碼字12 成比例〇 Isu·流經Reut，而於輸出26產生電壓V〇 〇 -----^---：---^------tT-----^-IΜ (請先閱讀背而之注意事項再^',,"本頁) 一 、 ( 經濟部中央梯隼局貝工消費合作社印製

電壓信號VD如下表示： VB V〇 (aN-l〒 +aN-2 五 +a,

VR >R〇u (1) 1 2n_2R °"2N-i^ 1 AV〇ut 其中aN - !、. . .、a。爲MSB到LSB之二進位係數，而11爲R! 之電阻〇將方程式Π )因式化得到： v〇 (aN-l + 7aN-2 (2) 2n'z 1 2' 其顯示V。與數位碼字12成比例〇 如圖2所示，理想電壓信號VQ爲零階保持（Z0H)或梯級 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） A7 B7 五、發明説明（3 ) 請 先 閱 4. 背 之 注 意 事 項 再 Ϊ裝 頁 波形28,具有無限之回轉速率（取樣之不連續性），其代表 基本類比波形30之量化取樣29。 DAC之輸出電壓信號Vo經 濂波以產生一重建之類比波形32，其爲基本波形3 0之一時 間移位近似値。就DAC 10而言，要產生一理想之Ζ0Η波形 28，各開關Sn-:、... 、S。必須即時切換並落於各所要平 臺位準之間〇然而實際上，各開關不能立即切換，而將越 過且在落入各平臺位準之前振盪。於習用理論下，DAC 10 之精確度視各開闢之實際轉移函數多接近理想之Ζ0Η波形 28而定〇 如圖3所示，各開關Sn、... 、SD產生一輸出波形 訂 經濟部中央標準局貝工消費合作社印聚 34， 其以一有限之回轉速率，即一非零之上升時間TR :， 追隨一上升邊緣36,越過所要之平臺位準38,而於落入平 臺位準38之前振盪該時鐘周期T之一部份時間〇 上升時間 TR1界定爲波形34從高與低平臺位準差之10¾升至90%所 花時間〇 回轉速率爲振幅之1〇到90 %變化除以上升時間 T81。落入時間TS1爲波形34從10 %位準上升而落入所要平 臺位準38之一已知誤差界限40內所花之時間，該界限以一 LSB之半爲適當〇實際上，各開關之設計爲藉由減少落入 時間Ts :來接近一理想之Z0H波形42 〇 一周知之減少落入時間TS1之處理方式爲減少開關之 上升時間TR1〇 開關之振盪藉由減少其寄生電容與電感而 衰減〇然而，製造具有此等特色之開關甚爲困難且昂貴〇 再者，縱使該開關之波形34接近Ζ0Η波形42，最好更進一 步減少其頻譜扭曲〇 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS Μ4規格（210X297公嫠） —6 — 咖 2ι)β Α7 Β7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（4) Kamoto 等人之"An 8-bit 2 - n s Monolithic D A C ," IEEE Journal of Solid-State Circuits，第23卷，第1 期，1988年2月，第142-146頁，揭示一種DAC，其藉由控 制各開闢之上升與下降時間，以減少其輸出波形44 (圖3所 示）之落入時間TS2〇對各碼字之位元，一差分數位信號經 一控制驅動器施於一開關，後者於準確度有限之低與高値 之間被驅動0該控制驅動器增加數位信號之上升時間，此 具有增加該開關上升時間1'η 2之效果。此抑制振盪並減少 落入時間Ts 2 〇 該控制驅動器經外部調整，以選擇最佳之上升時間， 此使落入時間Ts 2減至最少〇 Kamo to表示當上升時間TR2太 短時，振盪甚爲嚴重，且落入時間Ts 2增加〇 然而，若上 升時間TB 2太長，落入時間Ts 2亦將被增加，從而衰減波形 44 〇於最佳之上升時間，減少上升時間與抑制振盪之衝突 利益相平衡，從而提供最小之落入時間0 Kamo to揭示最佳 之上升與下降時間約爲落入時間之15% 〇 由於Kamo to試圖接近Z0H波形42， 該上升時間及而回 轉速率須保持相當快速，以構建Z0H波形之上升邊緣〇於 此等相當大之回轉速率下，高頻寄生效應使波形之上升邊 緣46成爲非線性。再者，波形44仍然越過所要之平臺値38 ，並振盪一段時間。上升邊緣之非線性與波形44內之振 盪造成頻譜扭曲，此最好被減低〇 本發明綜述 本發明提供一種DAC及一相關之變換方法，其具有減 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) :裝. 訂 線 本紙張尺度適用中國國家標率（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -7- A7 B7 五、發明説明（5 ) 低之頻譜扭曲與增加之SQNR 〇 其達成爲以一種DAC，其將一序列之數位碼字變換成 —大略片段式之線性類比波形〇該波形追隨在各平臺位準 間之上升與下降邊緣，各位準爲接近各數位碼字之理想値 〇 該DAC平行處理各碼字之各位元以產生各組成波形，後 者依據其等位元之顯著性被加權並加總合計，以產生該片 段式之線性類比波形〇 各波形整形電路控制各組成波形之上升與下降時間， 使類比波形之上升與下降邊緣落入一線性輸出斜坡之所要 誤差界限內，該斜坡之坡度爲連續碼字間差値及上升與下 降時間之一函數〇該上升與下降時間最好約爲相同〇各限 制開關控制各組成波形之平臺位準，使各類比波形落入各 碼字所代表理想値之所要誤差界限內。各限制開關之線性 區域被擴大，以保持各波形整形電路所建立上升與下降邊 緣之線性〇 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 爲對本發明有較佳之暸解，並顯示其如何可被實際施 行，將藉由範例，參考附圖加以說明0 簡要圖說 圖1如上所述爲一已知DAC之示意圖； 圖2如上所述爲一類比波形與圖1所示DAC之理想梯級 輸出圖； 圖3如上所述爲對二已知DAC之ZOH波形之上升邊緣與 平臺値之圖； 圖4爲一依據本發明之大略片段式線性類比波形圖； 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐）. ____B7__ 五、發明説明（6 ) 圖5爲對ZOH與一階保持（FOH)波形之頻率響應與頻譜 包封之圖； 圖6爲DAC之類比輸出電壓信號圖； 圖7爲一依據本發明之DAC方塊圖； 圖8爲圖7所示波形整形電路之示意圖； 圖9爲圖7所示限制開關之示意圖； 圖10爲圖9所示限制開關之輸入電壓對輸出電壓之圖； 圖11爲圖7所示加權與電流總合電路之較佳具體形式 之不意圖，•及 圖12爲圖7所示DAC之較佳具體.形式之方塊圖。 本發明詳沭 本申請人發現一DAC之頻率響應與SQNR之可加以改良 ，其藉由將之設計爲產生一接近圖4所示一片段式線性類 比波形5 0之類比電壓信號，以代替一Ζ0Η波形5 2〇 或者， 該DAC可輸出一類比電流信號。片段式線性波形50爲由連 接各平臺値58之各線性斜坡56所組成，各平臺値爲對應於 從一基本類比波形62連續量化取樣60之値〇較佳波形50具 有相等之上升與下降時間，稱爲Ts ! e，〇如此，各線性斜 坡之坡度（回轉速率）爲連續平臺値58間之差値對回轉時間 T，！ •胃之比値〇 如圖所示，Ts ! β，爲時鐘周期T之50 % 〇當 Τβ1••成爲零％時，該片段式線性波形收斂成Ζ0Η波形52〇 相反地，當Tale»成爲1〇〇%時，波形50收斂成一階保持 (F0H)波形 64 〇 圖5繪出一 DAC之頻率響應66，其基本波形62(示於圖 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210X297公釐） 經濟部中央橾準局貝工消費合作社印製 2iJ32〇6 g 五、發明説明（7 ) 4)爲一頻率fo之正弦波〇 —DAC之頻率響應66之包封線68 爲從對Z0H波形52之sin(7r Fr) / 7T卩，變化至對F0H波形64 之（sin(7TFr)/7z：Fr) 2，其中F,爲輸出頻率對時鐘頻率 之比値。如此理論上，當與Z0H波形52比較時，片段式線 性波形50爲次佳者，因其頻率響應.滚降較快，此表示於任 何已知頻率下其將較Ζ0Η波形轉移較少之功率到輸出〇 頻率響應66包括於該正弦波頻率下之一所要組成70, 及代表DAC所產生類比電壓信號扭曲之尖點72 〇由於類比 波形62取樣時發生之量化噪音，尖點72將會經常存在。然 而，若DAC之類比輸出電壓信號正好符合Ζ0Η或片段式線性 波形，尖點72約以每位元6dB小於該組成70。 遵隨此一理論，舊法DAC產生各電壓信號，其試圖儘 可能緊密接近於Ζ0Η波形52〇然而於實用上，本申請人發 現藉由犧牲某些功率效率，一 DAC可被設計並控制以產生 —類比電壓信號，其接近於該片段式線性波形50者爲較舊 法DAC能接近於Z0H波形52者爲佳。此減少尖點72之大小， 從而改良DAC之頻譜扭曲特性與SQNR 〇 如圖6所示，一具體化本發明之DAC產生一類比輸出電 壓信號74，其緊密追隨該大略片段式線性波形50。電壓信 號74具有上升與下降邊緣76與78,其落入線性斜坡56之一 所要誤差界限80內（以一LSB之半爲適當），而平臺値82落 入該平臺値58之所要誤差界限內。上升與下降落入時間 Tr 8與Tf β爲從各時鐘周期之起點量測，而平臺値落入時間 ΤΡ，爲從回轉時間Ts , ••之終點量測。落入時間Ts爲從各時 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐） _10_ I.----------裂------訂-----^--線 ί ( (請先閱讀背面之注意事項再^¾本頁) A7 __B7_ 五、發明説明（8 ) 鐘周期之起點量測到平臺値82落入誤差界限內之點〇雖然 舊法DAC只落入所要平臺位準一次，電壓信號74於各時鐘 周期內落入片段式線性波形50兩次〇此增加該電壓信號74 精確表現所要波形50之時間量，此造成較低之扭曲與增高 之SQNR 〇如此，扭曲之減少爲藉由減少Tp · +Tr ,與Tp 8 +Tf · 之各和，使其等小於該時鐘周期一必要部份，譬如50¾ 〇 各落入時間Tr 8、Tf 8與Τρ 3爲藉由增加回·轉時間Τ8】e w 而被減少〇此減少回轉速率，其減少越過之量並抑制振盪 〇又，一較低之回轉速率減少上升與下降邊緣7 6與7 8之高 頻內涵，使寄生效應被減少，而各邊緣收斂至線性斜坡&6 〇於100%之回轉速率下，落入時間將被減至最小，但電 壓信號74於各時鐘周期終點時最多將獲得所要之平臺値。 若電壓信號74被扭曲，其可.能無法到達該所要値。由於此 —理由， 且因當Τ3ΐβ，增加時頻率響應之包封線滾降， 最好設定爲落入時間Ts之大約25 %與90%之間，以 減少電壓信號74之扭曲，同時維持適當之功率效率。於時 鐘速率在GHz範圍內時，譬如於資料轉換之應用，T8hT 〇 於低時鐘速率在KHz範圍內時，譬如於聲頻應用，或於 MHz範圍內時，譬如於視頻系統，Ta<T〇尙不清楚減少 τ* 1 ·，到此一程度是否會增加落入時間，如於舊法DAC所量 測者〇 圖7爲一DAC 84之方塊圖，其回應一序列之η位元數位 碼字，於一差分輸出86產生該大略片段式線性電壓信號74 ° 各碼字由η個數位信號88所代表，其差分施加於各自之 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) Α4规格（210Χ297公釐） -11» 經濟部中央標準局貝工消費合作社印11 A7 B7 五、發明説明（9 ) 信號路徑90 〇各數位碼字可爲二進位、溫度計碼，或混合 之二進位/溫度計碼。溫度計碼爲將r位元之二進位碼映射 至n = 2t-l位元碼而形成，其中各位元爲等權重，並像溫度 計般累計開啓。由於從各信號路徑之輸出信號可不必二進 位加權而被加總合計，使溫度計碼改良DAC之精確度。然 而，溫度計碼大體上需要更多之電路。如此，將MSB以溫 度計碼編碼而LSB以二進位編碼之一混合之二進位/溫度 計編碼可能爲較佳0 信號路徑90產生大略片段式線性電壓信號92，其分別 具有上升與下降邊緣94與96,其落入一線性斜坡之所要誤 差界限內，並具有一平臺値98,其落入該路徑之關聯位元 所代表理想値之誤差界限內。各信號路徑90包括一波形整 形電路1〇〇， 其控制上升與下降邊緣94與96之對稱與回轉 時間T8 ! e w 〇 —限制開關102準確限制平臺値98，並維持上 升與下降邊緣之線性，後者爲藉由擴大其線性操作範圍〇 電壓信號92施於一加權與電流總和電路104， 其將之 變換成電流信號，將電流信號以其對應位元顯著性之函數 加權，並將之加總合計以產生一差分輸出電流106 〇 若該 數位碼字爲二進位碼，電路1Q4包括一電阻性網路，其二 進位加權並總和各電流信號〇電阻性網路較佳爲以周知之 R-2R梯形電路施行，以改良DAC之精確度。若該碼字爲溫 度計碼，電壓信號92跨施於單一電阻器，以加總各等權重 之電流信號。一混合碼使用一部份之R-2R梯形電路（於圖 11詳細顯示），以二進位加權各二進位之LSB，並加總所有 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公瘦) " — 12- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝_

、1T A7 B7 五、發明説明（10 ) 電流信號〇差分輸出電流106流過一對電阻器R,，以於差 分輸出86產生大略片段式之線性電壓信號74 0 DAC 84之校準爲藉由外部修整波形整形電路100與線 性開關102，直到其落入所要誤差界限80內（圖6所示）之類 比電壓信號7 4之上升與下降邊緣及平臺値成對稱並具有正 確之責任周期。爲改良DAC 84之精確度，各信號路徑9 0最 好爲獨立校準，其藉由施加一高數位信號8 8到一信號路徑 ，及一低數位信號到所有其他路徑，並監控電壓信號74〇 爲確保累積誤差在一LSB之一半內，個別之各波形一般將 須符合一較緊之誤差界限〇 —處理方式爲設定個別誤差界 限之均方根等於一LSB之一半。或者，可使用已知之差分 與稹分誤差量測方法〇 經濟部中央標準局貝工消費合作社印袈 爲校準DAC 84，各波形整形電路100具有修整電路， 其由修整電阻器RT1、Rt2與RT3表示，而線性開關102具有 —修整電路，其由修整電阻器Rt 4表示〇修整電阻RT1平衡 該波形整形電路100，使電壓信號92之上升與下降時間爲 對稱。然而，此引起電壓信號邊緣94與9 6於時間上獨立移 動，並改變信號之責任周期。因此，各整形電路預作補償 以偏置94與9 6被修整電阻1^2之相對時間移動。修整電阻 3減少電壓信號92之上升與下降時間，直到DAC輸出電壓 信號74之上升與下降邊緣落入線性斜坡之預定誤差界限內 〇此等電阻器爲被修整使各信號路徑滿足該誤差界限，且 最好各波形92之上升與下降時間約爲相等。修整電阻RT4 將高與低之平臺位準設定於理想平臺位準之預定誤差界限 本紙張尺度賴巾關家辟（CNS ) A槻格（210 X297公釐) ' -13- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（11 ) 內，該理想平臺位準爲各對應位元顯著性之函數0 圖8爲波形整形電路100之示意圖〇數位電壓信號8 8被 施於一差分輸入118〇 —位準移位電路120將電壓信號8 8移 位，並將之施於npn電晶體Q1與Q2之射極耦合對125分別之 基極122與124。電晶體Q1與Q2分別之集極126與12 8連接至 差分輸出130，並經偏壓電阻器Re連接至一高供給電壓Vcc ，適當接地至參考電位。當電壓信號8S爲高（低）時，電晶 體Q1開啓（關閉）而Q2關閉（開啓），使於差分輸出130之電 壓信號131之極性相對於數位電壓信號88呈180度異相。電 壓信號1 3 1之高與低平臺値受電阻器Re之大小所限制，其 —般爲300到1K歐姆，而射極電流量Ie —般爲400 /χΑ至3mA 〇 電壓信號131之上升與下降時間之增加，爲藉由電晶 體Q1與Q2分別之集極126與128之間連接一電容器C1，適當 爲4 0 OpFo 電容器C1之大小可被減少約一百之因數，此藉 由使用一增加有效電容之Miller倍增器。電容器C1抗阻跨 於差分輸出130之電壓切換，及而增加上升與下降時間〇 C1之電容與射極電流Ie爲選擇使電容器C1以約爲線性方式 於限制之高與低平臺値之間充電與放電〇若該電容太大， 或射極電流太小，跨於電容器之電壓將對數增加，並可能 無法於下一時鐘周期之前到達所要之平臺位準〇 位準移位電路120包含四個NPN電晶體Q3至Q6，其射極 132至138經一偏壓電阻器R·連接至一低電壓供給Ve•，適 當爲-5. 2V〇其等之集極140至14 6連接至高供給電壓Vec 〇 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS > A4規格（210X297公嫠） -14- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

T % 經濟部中央標隼局貝工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（12) 差分輸入118連接至電晶體Q3與Q4分別之基極148與150 〇 基極148與150經偏壓電阻器Rb連結至高電壓供給Vm，以 供給偏壓電流到電晶體Q3與Q4，使電晶體Q3至Q6經常爲開 啓0電晶體Q3與Q4之射極132與13〗分別連接至電晶體Q5與 Q6之基極152與154，電晶體Q5與Q6之與射極136與13 8分別 連接至射極耦合電晶體Q1與Q2之基極122與124〇此由二個 npn電晶體之基極射極電壓降，使數位信號8 8被向下位準 移位，使其與驅動之射極耦合對12 5爲相容〇 —平衡電路156 (如圖7所示爲修整電阻器RT1)偏置電 壓信號131，以就限制開關102 (如圖9所示）之電晶體Q8與 Q9之射極耦合對188之不對稱對信號路徑預作補償。電晶 體Q1之集極電流，其保持約爲不變，爲經其集極電阻器Rc 與平衡電路ΐέ 6所供給。平衡電路15 6供給及沒入從電阻器 R*之電流Ibel，將集極126之電壓分別拉上及拉下，使電 晶體Q8與Q9在相同之臨限電壓下有效切換，使電壓信號92 爲對稱〇平衡電路156包括修整電阻器111)1與“2，其串聯 接於低與高供給電壓Vee及V«e與節點158之間〇—電阻器 連接於集極126與節點154之間，以提供平衡電流Iba !至 電晶體Q1 〇 當電晶體Q8之臨限電壓高於電晶體Q9時，Q8較電晶體 Q9開啓較慢，而關閉較快〇爲平衡各電晶體，電阻器Rb 2 被修整使節點158之電壓高於集極126之電壓〇此使Ibal供 給電晶體Q1—部份之之集極電流，使於其集極126之電壓 增加。此使電晶體Q8開啓較快而關閉較慢。相反地，當電 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS } A4規格（210X297公釐） — 15- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ---- -'β 經濟部中央標準局貝工消費合作社印装 ^03206 a? _ _B7_ 五、發明説明（13) 晶體Q8之臨限電壓低於電晶體Q9時，電阻器Rbl被修整使 於節點158之電壓低於集極126之電壓。此增加流經集極電 阻器Re之電流，並將集極126之電壓拉下，其使Q8開啓較 慢而關閉較快0電阻器“：與!^ 2爲被修整直到各信號路徑 9 0之輸出所觀察之上升與下降時間大致爲相同。 電晶體Q1與Q2最好於於其等各自集極之相同高與低電 壓位準間切換。爲使此發生，於集極126與128之等値電阻 須爲相同〇因此，一電阻器L被連接於高電壓供給與 電晶體Q2之集極128之間，使其與電阻器R。爲並聯〇 1之 電阻爲選擇使其具有之電阻，後者爲與標稱値 之並聯組合串聯〇 平衡電路156平衡射極耦合對188，且亦改變電壓信號 92之貴任周期。爲維持各信號路徑9 0間之同步性，一預補 償電路160 (如圖7所示之修整電阻器RT2 )使差分施加之數 位電壓信號88—側移位，其藉由增加或減少供給至電晶體 Q4基極150之基極電流量。預補償電路160包括修整電阻器 Rp1#Rp2， 其於節點162處串聯接於電壓供給V。e與V, β之 間。一電阻器連接於節點162與基極150之間，而一電阻 器“連接於電晶體Q3之基極148與高電壓供給Ve。之間〇 R3 之電阻爲選擇使其爲R2之電阻，後者爲與Rbl&Rb2標稱値 之並聯組合串聯〇 電阻器^:與尺"被修整爲使節點162之 電壓移動至基極150之電壓之上或下，以修改基極電流爲 偏置平衡電路I5所6引起扭曲之所需。 電壓信號92之對稱上升與下降時間，及而DAC類比電 本紙張尺度適用中國國家標準（ CNS )_A4胁（ 210X297公ft ) "16- ------；-------^裝— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 A7 B7 五、發明説明（14) 壓信號之上升與下降時間，爲藉由調整從射極耦合電晶體 Q1與Q2分別之射極164與16 6所抽出之總尾部電流Ιβ而被設 定〇 當射極耦合對125回應數位信號88而切換時，尾部電 流U之極性相對於電容器C1切換，使其對電容器C1充電或 放電〇減少尾部電流I*減慢電容器C1之回應，此增加上升 與下降時間〇 爲控制尾部電流Ie，射極164與16 6連接至一ηρη電晶 體Q7之集極168，其射極17 0經修整電阻器RT3連接至低電 壓供給Vee〇 —參考電壓Lefl施於電晶體Q7之基極172， 使其供給尾部電流I 〇 〇 電阻器Rt 3被修整直到對稱之上卉 與下降時間被增加至該點，其使DAC類比電壓信號之上升 與下降邊緣落入線性斜坡之所要誤差界限內。再者，於各 信號路徑90之各電阻器RT 2最好被修整爲使各信號路徑相 關之上升與下降時間大致爲相同〇 圖9爲限制開關102之示意圖。電壓信號131於一差分 輸入180被施於限制開關102 〇 —位準移位電路182使電壓 信號131移位，並將之施於NPN電晶體Q8與Q9之射極耦合對 188分別之基極184與186 〇 位準移位電路1 8 2包括電晶體 Q10至Q13及各自之射極偏壓電阻器Re，其以位準移位電路 120之相同方式連接（如圖8所示）〇 射極耦合對188於差分輸出192處差分產生電壓信號92 跨於其集極189與190〇電壓信號92之高與低平臺位準爲準 確度受限，此爲藉由調整射極耦合對188所供給總射極電 流Ie2〇其逹成爲藉由連接一電晶體Q14之集極194至一共 本紙張尺度逋用中國國家榡準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -17- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、τ

T 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 A7 B7 五、發明説明（15 ) 同射極接合點196，後者介於電晶體Q8與Q9分別之射極198 與20 0之間。電晶體Q14之射極202經可修整電阻器RT4連接 至低供給電壓V*·， 而其基極204連接至一參考電壓Vrer2 〇電阻器Rt 4被修整直到DAC類比電壓信號之各平臺値在該 數位碼字所代表理想値之LSB之一半以內〇 爲維持電壓信號上升與下降邊緣之線性，其爲由波形 整形電路所建立者，輸入電壓之範圍被增加，此範圍爲射 極耦合對188於其上表現如一線性擴大器者。此可以許多 方式達成，譬如使用射極退化電阻器或定標平行電晶體〇 如圖所示，射極退化電阻器Rd，一般小於約1 00歐姆，夺皮 連接於接合點196與電晶體Q8及Q9之射極198及20 0之間。 如圖10所示，此延伸射極耦合對之轉移函數204之線性範-圍，其延伸量約等玲1*2 Rd 〇 圖11爲加權與總和電路104之一較佳具體形式，其包 括一對周知之R-2R梯形電路206 〇 信號路徑9 0之電壓信號 9 2差分施於各自之節點208 〇 如圖所示，該碼字爲一12位 元之混合二進位/溫度計碼，其由一 8位元之二進位碼所形 成，此藉由直接映射其五個LSB成混合碼內之五個LSB〇二 進位碼之3個MSB被映射成混合碼內之7個相等加權位元〇 此等七個位元各者之加權爲與二進位碼之第六位元同等〇 R-2R梯形電路206於節點5至11之同等電阻爲R，使對 應溫度計編碼位元之電流信號16至Ih爲相等加權。梯形 電路20 6將電流信號14-1。分離，使各電流信號之適當二進 位部份被提供至輸出〇 於各節點208之電流信號被加總合 本紙張尺度適用中國國家標华（CNS ) A4規格（210X297公釐） -18- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -装 訂 A7 203206 B7 五、發明説明（1 6 ) 計，以產生差分電流信號1〇6，其與DAC之數位碼字輸入成 比例〇 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖12爲DAC 84之一較佳具體形式之方塊圖。圖7所示 DAC 84之電路被擴大以包括一再編碼器210,其將m位元二 進位碼映射成η位元混合二進位/溫.度計碼，校準選擇電路 212,其容許信號路徑9 0之獨立校準，及閂電路214,其使 數位信號8 8被施於波形整形電路100與線性開關102之前再 同步化〇 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 該m位元二進位碼字被分裂成其111-^個MSB，此被映射 成該混合碼字之2· —d個相等加權位元，及其W個LSB _， 此被映射成該混合碼字之w個相等加權之LSB 〇如此，DAC 84具有η個信號路徑90，其中η = 2" _胃-1 + wo數位信號 88對應於二進位碼字之m-w個MSB，被施於一再編碼器210 ，後者將其等映射成2·»· * -1個溫度計編碼之數位信號88 〇 溫度計編碼之數位信號88爲輸入至其各自之校準選擇 電路212,及輸入至該選擇電路2 12,後者爲對應於次一較 低位元〇 MSB之選擇電路之第二輸入爲連接接地〇於正常 操作下，一選擇不作用之命令被施於一外部輸入（TRIM)， 使選擇電路21 2將數位信號8 8通過至其各自之閂電路214 〇 對應於二進位碼字之w個LSB數位信號88爲輸入到延遲 電路218,其延遲該等信號之輸入其等各自之閂電路214, 其延遲時間量約等於再編碼器210與校準選擇電路21 2所引 起之延遲〇 再編碼器210、 選擇電路212及延遲電路218使數位信 本紙張尺度適财關家辟（CNS ) A4· ( 21GX297公釐) — 19 — A7 B7 五、發明説明（l7 ) 號8 8相對於彼此成扭曲。爲消除該扭曲，數位信號88被施 於各信號路徑9 0之閂電路214 〇—時鐘22 0施加一時鐘信號 到該閂電路2 1 4， 其使數位信號8 8再同步化，並將其等於 次一時鐘周期施於波形整形電路100〇 該時鐘信號本身可 被該電路扭曲。延遲電路222爲用以改良該同步化，而由 外部修整電阻器ϋτ 6作調整〇 如上所述，DAC 84之校準最好爲獨立校準各信號路徑 90 〇對應於二進位碼之信號路徑90藉由操作該碼字而被隔 離爲只具有單一之高位元。當經由外部輸入（TRIM)作用時 ，校準選擇電路212隔離各信號路徑90之一者，其對應於 溫度計編碼位元。選擇電路212包括邏輯電路，其施行下 表1所示之眞値表，使只有正常操作會被開啓之最高位元 於校準時被開啓。於表1中，符號E表示一輸入碼AB爲不可 能。或者，選擇電路212可被移除，而電壓信號74藉由增 量該數位碼字而被校準〇

AB

00 01 11 10 0 0 1 1 E 1 0 1 0 E 表1 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 ------；---^.批衣— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 雖然業經顯示並說明本發明許多例示性具體形式，對 業界技術熟練人員將會出現許多變化與替代具體形式〇譬 如，pnp電晶體可被用來代替所示之npn裝置，而各電路可 被再組構以於一正V。。與一接地Ve e之間作偏壓〇此等變化 本紙張尺度逋用中國國家梂準（CNS〉A4規格（210x297$# ) A7 B7 五、發明説明（18 ) 與替代具體形式爲經構想，而可不脫離本發明之精神與範 疇被完成，本發明範疇如以下所附申請專利範圍所界定0 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297qf：)

Claims (1)

1. 經濟部中央揉準局貝工消费合作社印裝 A8 B8 C8 D8 六、申请專利範園 1. 一種數位類比變換器（DAC)，包含： 多個產生各驅動信號之波形整形電路，其沿各上升與 下降邊緣，於各上升與下降期間？分別於回應一序列之η 位元碼字之低與高平臺値之間切換，其中各位元控制一數 位信號，後者於一已知時鐘周期被施於各波形整形電路之 一者； 多個具有轉移函數之限制開關，其將各驅動信號之低 與高平臺値分別限制於低與高限制値，同時大致保持該上 升與下降邊緣之形狀； 一加權各驅動信號之加權電路，其依據其等各別位元 於碼字內之位置，以產生加權之驅動信號；及 一總和各加權驅動信號之總和電路，以建構一大略片 段式線性類比波形，其具有各輸出平臺値及上升與下降輸 出邊緣， 所述各波形整形電路設定所述各上升與下降時間，使 各上升與下降輸出邊緣分別於上升與下降時間Trs與Tfs內 落入一線性輸出斜坡之一第一誤差界限內，其中該斜坡之 坡度爲連續碼字間差値之函數，而所述各限制開關設定各 低與高限制値，使各輸出平臺値於一落入時間τρ 8內落入 該碼字所代表理想値之一第二誤差界限內。 2. 如申請專利範圍第1項之DAC，其中所述各波形整形電路 控制各上升時間，以減少落入時間Τ ρ 3與T r s之總和，並控 制各下降時間，以減少落入時間Tp s與Tf s之總和〇 3 .如申請專利範圍第1項所述之DAC，其中所述各平臺値於 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS > A4規格（210x292/#_) -- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝. 經濟部中央標準局貝工消費合作社印装 2ϋ32ϋ6 ?88 D8 六、申請專利範圍 一落入時間Ts內落入所述第二誤差界限內，該落入時間爲 從所述數位信號之連續時鐘邊緣量起，而所述平臺値落入 時間Τρ β爲從所述上升與下降時間之終點量起，所述各波 形整形電路設定所述上升與下降時間爲至少所述落入時間 之 25 % 〇 4. 如申請專利範圍第1項所述之DAC，其中所述各波形整形 電路設定所述上升與下降時間約爲相同〇 5. 如申請專利範圍第1項所述之DAC，其中所述第一與第二 誤差界限約爲相同〇 6 .如申請專利範圍第5項所述之DAC，其中所述碼字具有二 最不顯著位元（LSB)，其對應一量化解析度界限，所述第 一與第二誤差界限最多爲所述量化解析度界限〇 7. 如申請專利範圍第6項所述之DAC，其中所述第一與第二 誤差界限約爲所述LSB之半。 8. 如申請專利範圍第1項所述之DAC，其中所述各波形整形 電路包含·· 一第一對差分連接之電晶體，其具有一差分輸入，後 者回應該波形整形電路之相關數位信號，一共同之尾部電 流，及一差分輸出； —電容器，其跨接於所述差分輸出，以產生所述驅動 信號；及 ~電流源，其供給該共同尾部電流於一位準，其緩慢 充電與放電該電容器，足以分別產生各驅動信號之上升與 下降輸出邊緣，其落入所述線性輸出斜坡之所述第一誤差 本紙張尺度適用中國蠲家標準（CNS ) Μ規格（21〇><297^| ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝· 訂 經濟部中央揉準局貝工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 界限內0 9 .如申請專利範圍第8項所述之DAC，其中各所述限制開關 包含： 一第二對差分連接之電晶體/其回應該開關之驅動信 號，切換一差分輸出於低與高限制値之間，所述對第二對 電晶體呈現一線性操作範圍，同時於各限制値之間切換； 一電流源，其設定共同尾部電流流經所述第二對電晶 體之量，使各限制値於所述碼字之理想値之第二誤差界限 內；及 —線性化電路，其擴大該線性操作範圍，使各上升與 下降邊緣之形狀大致被保持〇 10. 如申請專利範圍第9項所述之DAC，其中所述第二對電 晶慵爲雙極性電晶體，具有射極、基極與集極，所述線性 化電路包含一對射極退化電阻器，其連接於各自電晶體之 射極與所述電流源之間〇 11. 如申請專利範圍第9項所述之DAC，其尙包含：一平衡 電路，其平衡第二對差分連接電晶體，爲藉由偏置所述驅 動信號之値，使所述上升與下降時間約爲相同。 12. 如申請專利範圍第11項所述之DAC，其中所述平衡電路 亦及時移動各上升與下降邊緣，所述DAC尙包含： 一補償電路，其大致偏置各上升與下降邊緣之時間移 動，後者爲由平衡電路移動所述數位信號之値所引起。 13. 如申請專利範圍第1項所述之DAC，其中所述n位元碼字 具有w個最不顯著性之位元（LSB)，其代表一數位碼，及q 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4規格（210X297·$#) ----：--.--叫裝-------訂----^Ί (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A8 C8 D8 六、申請專利範圍 個最顯著之位元（MSB)，其代表一溫度計碼，其中q個MSB 爲累計開啓，該DAC尙包含： —再編碼器，其接收一序列之m位元碼字，後者具有w 個LSB與m-w個MSB， 映射該w個LSB成爲該η位元碼字之w個 LSB，並映射該m-w個MSB成爲該η位元碼字之q個MSB，其中 q = 2®- * - 1 〇 I4·如申請專利範圍第13項所述之DAC，其中所述各波形整 形電路爲可外部修整，以設定各上升與下降時間，而所述 各限制開關爲可外部修整，以設定各低與高限制値，所述 DAC尙包含： —選擇電路，其具有一通過模式，其中對溫度計碼中 q個位元之數位信號爲被施於各自之波形整形電路，及一 修整模式，其中只有對被開啓之溫度計碼中最高位元之數 位信號爲被施於其波形整形電路，使各所述各波形整形電 路與限制開關可被獨立地修整〇 15. 如申請專利範圍第1項所述之DAC，其尙包含： 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 多個閂電路，其接收具有所述已知時鐘周期之一時鐘 信號，與各自位元之數位信號，並於次一時鐘周期輸出該 數位信號至波形整形電路；及 多個延遲電路，其使施於各所述閂電路之時鐘信號同 步，使施於各波形整形電路之數位信號大致爲同步。 16. —種數位類比變換器（DAC),包含： 多個產生驅動信號之波形整形電路，其於沿各上升與 下降邊緣，於轉換期間，回應一序列之η位元碼字之低與 本紙張尺度遑用中國國家標率（CNS ) Α4規格（210X297# ) 經濟部中央標準局工消費合作社印製 A8 B8 C8 _ D8 六、申請專利範圍 高平臺値之間對稱切換，其中各位元控制一數位信號，後 者於一已知時鐘周期被施於各波形整形電路之一者； 多個具有轉移函數之限制開關，其將各驅動信號之低 與高平臺値分別限制於低與高限制_値，同時大致保持各上 升與下降邊緣之形狀； 一加權各驅動信號之加權電路，其依據其等各別位元 於碼字內之位置，以產生加權之驅動信號；及 —總和各加權驅動信號之總和電路，以建構一大略片 段式線性類比波形，其具有各輸出平臺値，於一落入時間 tp s內落入該碼字所代表理想値之一已知誤差界限內，岌 各上升與下降輸出邊緣，分別於上升與下降落入時間Tre 與Tfs內落入一線性輸出斜坡之所述已知誤差界限內，其 中該斜坡之坡度爲連續碼字間差値之一函數， 所述各波形整形電路設定該轉換時間， 使落入時間 τρ，與Tr s之總和及落入時間Tp s與Tf s之總和被設定爲使其 等小於該時鐘周期之一預定部份。 17 .如申請專利範圍第16項之DAC，其中所述各平臺値於一 落入時間Ts內落入所述第二誤差界限內，該落入時間爲從 所述數位信號之連續時鐘邊緣量起，而所述平臺値落入時 間Tp 8爲從所述轉換時間之終點量起，所述各波形整形電 路設定所述轉換期間爲至少所述落入時間1之25% 〇 1 8 . —種從一序列數位碼字建構一大略片段式線性類比波 形之方法，其中於該碼字之各位元控制一具有已知時鐘周 期之數位信號，包含： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > Α4規格（210Χ29^^&) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .装. 、π 經濟部中央揉準局貝工消费合作社印裝 2U3206 Β88 D8 六、申請專利範圍 產生多個驅動信號，其沿上升與下降邊緣，於上升與 下降期間，分別於回應各自數位信號之低與高平臺値之間 切換， 調整各驅動信號之低與高平臺値分別至低與高限制値 ，其爲一限制信號之一函數，同時大致保持各上升與下降 邊緣之形狀； 加權各驅動信號，其依據其等各別位元於碼字內之位 置； 總和各加權驅動信號，以建構該大略片段式線性類比 波形，其具有各輸出平臺値及上升與下降輸出邊緣； 修整所述各上升與下降時間，使各上升與下降輸出邊 緣於上升與下降落入時間Tr s與Tf s內分別落入一線性輸出 斜坡之一第一誤差界限內，其中該斜坡之坡度爲連續碼字 間差値之函數；及 修整所述限制信號，使各輸出平臺値於落入時間Tp S 內落入各碼字所代表理想値之一第二誤差界限內ο 19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中修整所述上升時 間減少落入時間Τρ 8與Τμ之總和，而修整下降時間減少落 入時間τρ，與Tfs之總和〇 20. 如申請專利範圍第19項之方法，其中所述各平臺値於 —落入時間T，內落入所述第二誤差界限內，該落入時間爲 從所述數位信號之連績時鐘邊緣量起，而所述平臺値落入 時間Tp，爲從所述上升與下降時間之終點量起，其中所述 上升與下降時間被修整使其等爲至少所述落入時間τ，之25 本紙張尺度適用中國國家標牟（CNS ) Α4規格（210X29]^^) 「裝 -訂 J京 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ABIaD 經濟部中央揉準局貝工消费合作社印製 六、申請專利範圍 % 〇 21 .如申請專利範圍第18項之方法，其尙包含平衡各驅動 信號，使上升與下降時間約爲相同〇 22·—種將一以預定時鐘速率改變之數位信號變換成一類 比格式之方法，對各連續之時鐘周期，其包含： 產生一逐漸線性之類比斜坡信號，其對一小於一完整 時鐘周期之一時段成斜坡，爲從緊接時鐘周期前期之該數 位信號大約値到該數位信號對現行時鐘周期之大約値；及 於所述時鐘周期之其餘期間，限制所述斜坡信號至一 逐漸線性穩定狀態信號，其收斂至該數位信號對現行時鐘 周期之値〇 23 .如申請專利範圍第22項之方法，其中所述斜坡信號被 限制至一逐漸線性穩定狀態信號，後者具有一起始之非線 性大致大於緊接在限制所述斜坡信號前之所述斜坡信號之 非線性0 24.如申請專利範圍第22項之方法，其中所述穩定狀態信 號於一落入時間Ts內收斂到該數位信號値之一誤差界限內 ，後者爲從所述現行時鐘周期之一先導邊緣量起，所述時 間周期舄至少該落入時間延時之% 〇 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297J^磬」 ----1--.--叫裝------^訂—-----^ - 1 . (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)