[发明专利]电流导引的数字至模拟转换器及其单位元件

说明书

本发明关于一种电流导引(current steering)的数字至模拟转换器及其单位元件(unit cell)，特别是关于一种可适用于低电压操作且可节省芯片使用面积的电流导引的数字至模拟转换器及其单位元件。

电流导引的数字至模拟转换器经常使用于信号处理过程中。例如在一绘图芯片中可使用三个电流导引的数字至模拟转换器而将红色、蓝色及绿色的数字视频信号转换为模拟视频信号。

图1是已有的一电流导引的数字至模拟转换器的结构图。该电流导引的数字至模拟转换器10包含一参考电流产生模块(currentreference generating module)11、一可控制电流开关模块(controlledcurrent switching module)12及一电流至电压转换模块(current-to-voltage coverting module)13。该参考电流产生模块11利用一运算放大器14的虚拟短路(virtual short)的特性，将正端的电压V_ref等效至负端。相对地，可求出流经一电阻17的电流I_ref为V_ref/R_ref。一晶体管18用作二极管，因此可以求得一偏置电压BIA1，且流经该晶体管18的电流亦为I_ref。该可控制电流开关模块12包含多个晶体管15及一电流开关矩阵16。该多个晶体管15可利用该偏置电压BIA1而以电流镜(current mirror)的方式产生电流I_ref。该电流开关矩阵16接受并解码该电流导引的数字至模拟转换器10的输入数字码，并产生等比例的电流I_O。该电流至电压转换模块13可利用一运算放大器19将该电流I_O转换为一输出模拟电压V_O。

图2将该可控制电流开关模块12内的多个晶体管15及电流开关矩阵16重组为多个单位元件21，且该多个单位元件21累积其输出电流为I_O。

图3(a)至(c)为已有的电流导引的数字至模拟转换单位元件的结构图。图3(a)的结构包含第一至第四晶体管31～34，其中第三及第四晶体管33及34构成一差动对(differential pair)，而第一及第二晶体管31及32构成一级联(cascade)的偏压负载，可用于提高电流源的输出阻抗。该结构将所有晶体管的n阱区域电压电连接至电源端，因此对于第二至第四晶体管32-34而言，将因为体效应(bodyeffect)而造成过大的阈值电压。公式(1)为已有的MOS晶体管阈值电压计算的公式。 V th = V th 0 + γ 2 ψ F + V BS - 2 ψ F - - - ( 1 ) ]]>

其中V_th为阈值电压，V_th0为V_BS(衬底和源极的电压差)等于0时的阈值电压，r及ψ_F为衬底偏压效应的常数。由公式(1)可以看出体效应正相关于V_BS的值，且导致晶体管32～34的阈值电压V_th的增加。图3(a)的结构并不适用于低电源电压的操作模式，而将导致第一至第四晶体管31～34无法在饱和区(saturation region)工作。图3(b)的结构类似于图3(a)的结构，差别仅是以第一晶体管31作为级联晶体管。类似的道理，图3(b)的结构亦不适用于低电源电压的操作模式。