CN103634012B - 内插式数字至模拟转换器 - Google Patents

Abstract

一种内插式数字至模拟转换器，用于将一个数字信号转换成一个模拟信号。数字信号具有一个第一位至一个第N位。内插式数字至模拟转换器包含：一个路由单元，用于接收第一位、第二位、一个第一电压及一个第二电压，并在接收到第一电压及第二电压时，根据第一位及第二位，输出第一电压及第二电压中的一个作为一个第一路由电压，输出第一电压及第二电压中的一个作为一个第二路由电压；及一个插补单元，用于接收第一位、第一路由电压及第二路由电压，并根据第一位对第一路由电压及第二路由电压进行插补，以产生模拟信号。

Description

内插式数字至模拟转换器

技术领域

本发明涉及一种数字至模拟转换器，特别是涉及一种内插式数字至模拟转换器。

背景技术

参阅图1，一种现有的六位数字至模拟转换器1用于将一个数字信号D[5:0]转换成一个模拟信号Vout。数字信号D[5:0]具有一个第一位至一个第六位D[0]~D[5]。现有的六位数字至模拟转换器包括一百二十六个开关11及一个缓冲级12，并接收第一位至第六位D[0]~D[5]，及幅值呈等差数列的一个第一参考电压至一个第六十四参考电压Vref0~Vref63，且利用开关11根据第一位至第六位D[0]~D[5]进行二元树解码，以输出第一参考电压至第六十四参考电压Vref0~Vref63中的一个经由缓冲级12缓冲后产生模拟信号Vout。在图1中，对应D[*]的开关11在D[*]=0时不导通，在D[*]=1时导通，对应 的开关11在D[*]=0时导通，在D[*]=1时不导通，因此，在D[5:0]=000000时，Vout=Vref0，在D[5:0]=000001时，Vout=Vref1，在D[5:0]=000010时，Vout=Vref2，…，在D[5:0]=111111时，Vout=Vref63。

然而，现有的六位数字至模拟转换器1所使用的开关11的数目较多，导致布局时拉线较复杂，且开关11及拉线所占据的面积较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内插式数字至模拟转换器，可以改善先前技术的缺点。

本发明内插式数字至模拟转换器用于将一个数字信号转换成一个模拟信号。该数字信号具有一个第一位至一个第N位，N>1。该内插式数字至模拟转换器包含一个路由单元及一个插补单元。该路由单元用于接收该第一位、该第二位、一个第一电压及一个第二电压，并在接收到该第一电压及该第二电压时，根据该第一位及该第二位，输出该第一电压及该第二电压中的一个作为一个第一路由电压，输出该第一电压及该第二电压中的一个作为一个第二路由电压。该插补单元电连接到该路由单元，用于接收该第一位、该第一路由电压及该第二路由电压，并根据该第一位对该第一路由电压及该第二路由电压进行插补，以产生介于该第一路由电压及该第二路由电压间的该模拟信号。

本发明的有益效果在于：通过该路由单元及该插补单元，在N足够大时，可以减少该内插式数字至模拟转换器所使用的开关的数目，导致布局时拉线较简单，且开关及拉线所占据的面积较小。

附图说明

图1是一个电路图，显示一种现有的六位数字至模拟转换器；

图2是一个方块图，显示本发明内插式数字至模拟转换器的第一较佳实施例；

图3是一个电路图，显示第一较佳实施例的一个多路复用单元及一个路由单元；

图4是一个电路图，显示第一较佳实施例的一个插补单元的第一种实施态样；

图5是一个电路图，显示第一较佳实施例的插补单元的第二种实施态样；

图6是一个电路图，显示第一较佳实施例的插补单元的第三种实施态样；

图7是一个电路图，显示第一较佳实施例的插补单元的第四种实施态样；

图8是一个方块图，显示本发明内插式数字至模拟转换器的第二较佳实施例；

图9是一个电路图，显示第二较佳实施例的三个多路复用单元及三个路由单元；

图10是一个电路图，显示本发明内插式数字至模拟转换器的第三较佳实施例的三个多路复用单元及三个路由单元。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。首先需要说明的是，本发明并不限于下述具体实施方式，本领域的技术人员应该从下述实施方式所体现的精神来理解本发明，各技术术语可以基于本发明的精神实质来作最宽泛的理解。图中相同或相似的构件采用相同的附图标记表示。

第一较佳实施例

参阅图2，本发明内插式数字至模拟转换器的第一较佳实施例2用于将一个数字信号D[N-1:0]转换成一个模拟信号Vout。数字信号具有一个第一位至一个第N位D[0]～D[N-1]，N>2。本实施例内插式数字至模拟转换器2包含一个多路复用单元21、一个路由单元22及一个插补单元23。

多路复用单元21用于接收第三位至第N位D[2]～D[N-1]，及幅值呈等差数列的一个第一参考电压至一个第M+1参考电压Vref0~VrefM，并根据第三位至第N位D[2]～D[N-1]，输出参考电压Vref0~VrefM中序号相邻的两个，分别作为一个第一电压V0及一个第二电压V1，M＝2^N-2。

路由单元22电连接到多路复用单元21，用于接收第一位D[0]、第二位D[1]、第一电压V0及第二电压V1，并在接收到第一电压V0及第二电压V1时，根据第一位D[0]及第二位D[1]，输出第一电压V0及第二电压V1中的一个作为一个第一路由电压Vr0，输出第一电压V0及第二电压V1中的一个作为一个第二路由电压Vr1。

插补单元23电连接到路由单元22，用于接收第一位D[0]、第一路由电压Vr0及第二路由电压Vr1，并根据第一位D[0]对第一路由电压Vr0及第二路由电压Vr1进行插补，以产生介于第一路由电压Vr0及第二路由电压Vr1间的模拟信号Vout。

参阅图2、图3与图4，以下举N=6为例进行说明。

多路复用单元21包括四十个开关211。在图3中，对应D[*]的开关211在D[*]=0时不导通，在D[*]=1时导通，对应 的开关在D[*]=0时导通，在D[*]=1时不导通，因此，在D[5:2]=0000时，V0=Vref0，V1=Vref1，在D[5:2]=0001时，V0=Vref1，V1=Vref2，在D[5:2]=0010时，V0=Vref2，V1=Vref3，…，在D[5:2]＝1111时，V0=Vref15，V1=Vref16，如表1所示。

路由单元22包括一个第一输入端220、一个第二输入端221、一个第一输出端222、一个第二输出端223、一个第一开关224、一个第二开关225、一个第三开关226、一个第四开关227、一个第五开关228及一个第六开关229。第一输入端220用于接收第一电压V0。第二输入端221用于接收第二电压V1。第一输出端222用于输出第一路由电压Vr0。第二输出端223用于输出第二路由电压Vr1。第一开关224电连接在第一输入端220与第一输出端222间，受第二位D[1]控制在导通与不导通间切换。第二开关225与第三开关226在第一输入端220与第二输出端223间串联。第二开关225受第二位D[1]控制在导通与不导通间切换。第三开关226受第一位D[0]控制在导通与不导通间切换。第四开关227电连接在第二输入端221与第一输出端222间，受第二位D[1]控制在导通与不导通间切换。第五开关228与第六开关229在第二输入端221与第二输出端223间并联。第五开关228受第二位D[1]控制在导通与不导通间切换。第六开关229受第一位D[0]控制在导通与不导通间切换。当第一位D[0]为0时，第三开关226导通，第六开关229不导通，而当第一位D[0]为1时，第三开关226不导通，第六开关229导通。当第二位D[1]为0时，第一开关224及第五开关228导通，第二开关225及第四开关227不导通，而当第二位D[1]为1时，第一开关224及第五开关228不导通，第二开关225及第四开关227导通。

因此，路由单元22在第一位D[0]为0、第二位D[1]为0时，输出第一电压V0作为第一路由电压Vr0，输出第二电压V1作为第二路由电压Vr1，在第一位D[0]为1、第二位D[1]为0时，输出第一电压V0作为第一路由电压Vr0，输出第二电压V1作为第二路由电压Vr1，在第一位D[0]为0、第二位D[1]为1时，输出第二电压V1作为第一路由电压Vr0，输出第一电压V0作为第二路由电压Vr1，在第一位D[0]为1、第二位D[1]为1时，输出第二电压V1作为第一路由电压Vr0，输出第二电压V1作为第二路由电压Vr1，如表1所示。

插补单元23包括一个负载231、一个第一差动对232、一个第二差动对233、一个可变电流源234及一个输出级236。负载231具有一个第一端2311及一个第二端2312。第一差动对232包括一个第一晶体管2321及一个第二晶体管2322。第一晶体管2321具有一个电连接到负载231的第一端2311的第一端、一个第二端，及一个接收第一路由电压Vr0的控制端。第二晶体管2322具有一个电连接到负载231的第二端2312的第一端、一个电连接到第一晶体管2321的第二端的第二端，及一个接收模拟信号Vout的控制端。第二差动对233包括一个第三晶体管2331及一个第四晶体管2332。第三晶体管2331具有一个电连接到负载231的第一端2311的第一端、一个第二端，及一个接收第二路由电压Vr1的控制端。第四晶体管2332具有一个电连接到负载231的第二端2312的第一端、一个电连接到第三晶体管2331的第二端的第二端，及一个接收模拟信号Vout的控制端。可变电流源234具有一个电连接到第一晶体管2321的第二端的第一端2341，及一个电连接到第三晶体管2331的第二端的第二端2342，用于根据第一位D[0]，于其第一端2341供应一个第一可变电流，及于其第二端2342供应一个第二可变电流，在第一位D[0]为0时，第一可变电流与第二可变电流的比例为(k+1):1，在第一位D[0]为1时，第一可变电流与第二可变电流的比例为k:2，k>0。输出级236电连接到负载231的第一端2311，用于根据负载231的第一端2311上的电压产生模拟信号Vout。

因此，插补单元23产生模拟信号Vout的方式为：在第一位D[0]为0时，Vout＝Vr0×(k+1)/(k+2)+Vr1×1/(k+2)，在第一位D[0]为1时，Vout＝Vr0×k/(k+2)+Vr1×2/(k+2)，如表1所示，其中描述k= 2的情况。

图4至图7分别显示插补单元23的四种实施态样。在插补单元23中，可以如图4与图6所示那般，负载231以P型金氧半晶体管实现，第一差动对232、第二差动对233及可变电流源234以N型金氧半晶体管实现，输出级236以互补金氧半晶体管实现，但是也可以如图5与图7所示那般，负载231以N型金氧半晶体管实现，第一差动对232、第二差动对233及可变电流源234以P型金氧半晶体管实现，输出级236以互补金氧半晶体管实现。图4与图6所示的插补单元23不同的地方在于可变电流源234以不同的电路达到相同的功能。图5与图7所示的插补单元23不同的地方在于可变电流源234以不同的电路达到相同的功能。

值得注意的是，k的数值端视设计需要而定，不以2为限。举例来说，在第一参考电压至第M+1参考电压Vref0~VrefM的幅值呈等差数列时，如果期望数字信号D[5:0]与模拟信号Vout间呈线性关系，则选择k=2，而如果期望数字信号D[5:0]与模拟信号Vout间呈非线性关系，则选择k≠2。当然，第一参考电压至第M+1参考电压Vref0~VrefM的幅值也可以不是呈等差数列。

表1

本实施例内插式数字至模拟转换器2通过路由单元22及插补单元23，在N足够大时，可以减少所使用的开关211、224~229的数目，这导致布局时拉线较简单，且开关及拉线所占据的面积较小。例如本实施例内插式数字至模拟转换器2在N=6时总共使用四十六个开关211、224~229，而现有的六位数字至模拟转换器1（见图1）则使用一百二十六个开关11。

值得注意的是，本实施例可以经修改而运用于N=2的情况，此时，内插式数字至模拟转换器2不包括多路复用单元21，第一电压V0相同于第一参考电压Vref0，第二电压V1相同于第二参考电压Vref1。

第二较佳实施例

参阅图8，本发明内插式数字至模拟转换器的第二较佳实施例3用于将一个数字信号D[N-1:0]转换成一个模拟信号Vout。数字信号具有一个第一位至一个第N位D[0]～D[N-1]，N>2。本实施例内插式数字至模拟转换器3包含P个多路复用单元31-1~31-P、P个路由单元32-1~32-P，及一个插补单元33，P>1。

多路复用单元31-1用于接收第三位至第N位D[2]～D[N-1]，及幅值不同的多个参考电压，并根据第三位至第N位D[2]～D[N-1]，在输出与不输出参考电压中的两个分别作为一个第一电压V0及一个第二电压V1间切换。

其余多路复用单元31-2~31-P中的每一个31-J用于接收第一位D[0]、第二位D[1]，及幅值不同的多个参考电压，并根据第一位D[0]及第二位D[1]，输出参考电压中的一个，作为一个第J+1电压VJ，J=2,…,P。

路由单元32-1电连接到多路复用单元31-1，用于接收第一位D[0]、第二位D[1]、第一电压V0及第二电压V1，并在接收到第一电压V0及第二电压V1时，根据第一位D[0]及第二位D[1]，输出第一电压V0及第二电压V1中的一个作为一个第一路由电压Vr0，输出第一电压V0及第二电压V1中的一个作为一个第二路由电压Vr1。

其余路由单元32-2~32-P中的每一个32-J电连接到多路复用单元31-J，用于接收第三位至第N位D[2]～D[N-1]及第J+1电压VJ，并根据第三位至第N位D[2]～D[N-1]，在输出与不输出第J+1电压VJ作为第一路由电压Vr0及第二路由电压Vr1间切换。在路由单元32-J输出第J+1电压VJ作为第一路由电压Vr0及第二路由电压Vr1时，路由单元32-1没有接收到第一电压及第二电压。

插补单元33电连接到路由单元32-1~32-P，用于接收第一位D[0]、第一路由电压Vr0及第二路由电压Vr1，并根据第一位D[0]对第一路由电压Vr0及第二路由电压Vr1进行插补，以产生介于第一路由电压Vr0及第二路由电压Vr1间的模拟信号Vout。

参阅图8与图9，以下举N=6、P=3为例进行说明。

多路复用单元31-1包括四十个开关311，且接收幅值呈等差数列的十五个参考电压Vref3~Vref17。在图7中，对应D[*]的开关311在D[*]=0时不导通，在D[*]=1时导通，对应 的开关311在D[*]=0时导通，在D[*]=1时不导通，因此，在D[5:2]＝0000时，不输出参考电压Vref3~Vref17中的两个分别作为第一电压V0及第二电压V1，在D[5:2]＝0001时，V0=Vref3，V1=Vref4，在D[5:2]＝0010时，V0=Vref4，V1=Vref5，…，在D[5:2]=1110时，V0=Vref16，V1=Vref17，在D[5:2]＝1111时，不输出参考电压Vref3~Vref17中的两个分别作为第一电压V0及第二电压V1，如表2所示。

多路复用单元31-2包括六个开关312，且接收幅值呈等差数列的四个参考电压Vref0~Vref3。在图7中，对应D[*]的开关312在D[*]＝0时不导通，在D[*]＝1时导通，对应 的开关312在D[*]=0时导通，在D[*]=1时不导通，因此，在D[1:0]=00时，V2=Vref0，在D[1:0]=01时，V2=Vref1，在D[1:0]=10时，V2=Vref2，在D[1:0]=11时，V2=Vref3，如表2所示。

多路复用单元31-3包括六个开关313，且接收幅值呈等差数列的四个参考电压Vref18~Vref21。在图7中，对应D[*]的开关313在D[*]=0时不导通，在D[*]=1时导通，对应 的开关313在D[*]=0时导通，在D[*]=1时不导通，因此，在D[1:0]=00时，V3=Vref18，在D[1:0]=01时，V3=Vref19，在D[1:0]=10时，V3=Vref20，在D[1:0]=11时，V3=Vref21，如表2所示。

路由单元32-1与第一较佳实施例的路由单元22（见图3）相同，此处不再多加说明。路由单元32-1在D[5:2]=0001~1110时所得到的第一路由电压Vr0及第二路由电压Vr1如表2所示。

路由单元32-2包括八个开关322。在图7中，对应 的开关322在D[*]=0时导通，在D[*]=1时不导通，因此，在D[5:2]=0000时，Vr0=V2，Vr1=V2，在D[5:2]为其它状态时，路由单元32-2不输出第三电压V2作为第一路由电压Vr0及第二路由电压Vr1，如表2所示。

路由单元32-3包括八个开关323。在图7中，对应D[*]的开关323在D[*]=0时不导通，在D[*]=1时导通，因此，在D[5:2]=1111时，Vr0=V3，Vr1=V3，在D[5:2]为其它状态时，路由单元32-3不输出第四电压V3作为第一路由电压Vr0及第二路由电压Vr1，如表2所示。

插补单元33与第一较佳实施例的插补单元23（见图4至图7）相同，此处不再多加说明。插补单元33所产生的模拟信号Vout如表2所示，其中描述k=2的情况。

表2

值得注意的是，当k=2时，如果参考电压Vref0~Vref3的公差、参考电压Vref3~Vref17的公差及参考电压Vref17~Vref21的公差的比例为1:4:1，则数字信号D[5:0]与模拟信号Vout间呈线性关系。

本实施例内插式数字至模拟转换器3通过路由单元32-1~32-3及插补单元33，在N足够大时，可以减少所使用的开关的数目，这导致布局时拉线较简单，且开关及拉线所占据的面积较小。例如本实施例内插式数字至模拟转换器3在N=6时总共使用七十四个开关（只计算多路复用单元31-1~31-3及路由单元32-1~32-2的部分），而现有的六位数字至模拟转换器1（见图1）则使用一百二十六个开关11。

第三较佳实施例

参阅图10，本发明内插式数字至模拟转换器的第三较佳实施例与第二较佳实施例相似，不同的地方在于本实施例的多路复用单元31-1’以不同的电路达到相同的功能。以下举N=6、P=3为例进行说明。

本实施例的多路复用单元31-1’包括四十四个开关311，其中，六个开关311受第三位D[2]控制在导通与不导通间切换，八个开关311受第四位D[3]控制在导通与不导通间切换，十八个开关311受第五位D[4]控制在导通与不导通间切换，十二个开关311受第六位D[5]控制在导通与不导通间切换，而第二较佳实施例的多路复用单元31-1（见图9）包括四十个开关311，其中，六个开关311受第三位D[2]控制在导通与不导通间切换，六个开关311受第四位D[3]控制在导通与不导通间切换，十八个开关311受第五位D[4]控制在导通与不导通间切换，十个开关311受第六位D[5]控制在导通与不导通间切换。

应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种内插式数字至模拟转换器，用于将一个数字信号转换成一个模拟信号，该数字信号具有一个第一位至一个第N位，N>1，该内插式数字至模拟转换器的特征在于其包含：

一个第一路由单元，用于接收该第一位、该第二位、一个第一电压及一个第二电压，并在接收到该第一电压及该第二电压时，根据该第一位及该第二位，输出该第一电压及该第二电压中的一个作为一个第一路由电压，输出该第一电压及该第二电压中的一个作为一个第二路由电压；及

一个插补单元，电连接到该第一路由单元，用于接收该第一位、该第一路由电压及该第二路由电压，并根据该第一位对该第一路由电压及该第二路由电压进行插补，以产生介于该第一路由电压及该第二路由电压间的该模拟信号。

2.如权利要求1所述的内插式数字至模拟转换器，其特征在于：该第一路由单元在该第一位为0、该第二位为0时，输出该第一电压作为该第一路由电压，输出该第二电压作为该第二路由电压，在该第一位为1、该第二位为0时，输出该第一电压作为该第一路由电压，输出该第二电压作为该第二路由电压，在该第一位为0、该第二位为1时，输出该第二电压作为该第一路由电压，输出该第一电压作为该第二路由电压，在该第一位为1、该第二位为1时，输出该第二电压作为该第一路由电压，输出该第二电压作为该第二路由电压。

3.如权利要求2所述的内插式数字至模拟转换器，其特征在于该第一路由单元包括：

一个第一输入端，用于接收该第一电压；

一个第二输入端，用于接收该第二电压；

一个第一输出端，用于输出该第一路由电压；

一个第二输出端，用于输出该第二路由电压；

一个第一开关，电连接在该第一输入端与该第一输出端间，受该第二位控制在导通与不导通间切换；

一个第二开关与一个第三开关，在该第一输入端与该第二输出端间串联，该第二开关受该第二位控制在导通与不导通间切换，该第三开关受该第一位控制在导通与不导通间切换；

一个第四开关，电连接在该第二输入端与该第一输出端间，受该第二位控制在导通与不导通间切换；及

一个第五开关与一个第六开关，在该第二输入端与该第二输出端间并联，该第五开关受该第二位控制在导通与不导通间切换，该第六开关受该第一位控制在导通与不导通间切换；

当该第一位为0时，该第三开关导通，该第六开关不导通，而当该第一位为1时，该第三开关不导通，该第六开关导通；

当该第二位为0时，该第一开关及该第五开关导通，该第二开关及该第四开关不导通，而当该第二位为1时，该第一开关及该第五开关不导通，该第二开关及该第四开关导通。

4.如权利要求3所述的内插式数字至模拟转换器，其特征在于该插补单元产生该模拟信号的方式为：

在该第一位为0时，

在该第一位为1时，

k>0。

5.如权利要求4所述的内插式数字至模拟转换器，其特征在于该插补单元包括：

一个负载，具有一个第一端及一个第二端；

一个第一差动对，包括一个第一晶体管及一个第二晶体管，该第一晶体管具有一个电连接到该负载的第一端的第一端、一个第二端，及一个接收该第一路由电压的控制端，该第二晶体管具有一个电连接到该负载的第二端的第一端、一个电连接到该第一晶体管的第二端的第二端，及一个接收该模拟信号的控制端；

一个第二差动对，包括一个第三晶体管及一个第四晶体管，该第三晶体管具有一个电连接到该负载的第一端的第一端、一个第二端，及一个接收该第二路由电压的控制端，该第四晶体管具有一个电连接到该负载的第二端的第一端、一个电连接到该第三晶体管的第二端的第二端，及一个接收该模拟信号的控制端；

一个可变电流源，具有一个电连接到该第一晶体管的第二端的第一端，及一个电连接到该第三晶体管的第二端的第二端，用于根据该第一位，于其第一端供应一个第一可变电流，及于其第二端供应一个第二可变电流，在该第一位为0时，该第一可变电流与该第二可变电流的比例为(k+1):1，在该第一位为1时，该第一可变电流与该第二可变电流的比例为k:2；及

一个输出级，电连接到该负载的第一端，用于根据该负载的第一端上的电压产生该模拟信号。

6.如权利要求1所述的内插式数字至模拟转换器，N>2，其特征在于其还包含：

一个第一多路复用单元，电连接到该第一路由单元，用于接收该第三位至该第N位，及幅值不同的多个参考电压，并根据该第三位至该第N位，输出所述参考电压中的两个，分别作为该第一电压及该第二电压。

7.如权利要求1所述的内插式数字至模拟转换器，其特征在于N>2，其还包含：

一个第二多路复用单元，用于接收该第一位、该第二位，及幅值不同的多个参考电压，并根据该第一位及该第二位，输出所述参考电压中的一个，作为一个第三电压；及

一个第二路由单元，电连接到该第二多路复用单元及该插补单元，用于接收该第三位至该第N位及该第三电压，并根据该第三位至该第N位，在输出与不输出该第三电压作为该第一路由电压及该第二路由电压间切换；

其中，在该第二路由单元输出该第三电压作为该第一路由电压及该第二路由电压时，该第一路由单元没有接收到该第一电压及该第二电压。