数模转换装置及其数模转换电路

技术领域

本发明涉及数模转换(digital to analog conversion)，特别是涉及一种数模转换装置及其数模转换电路。

背景技术

现有的数模转换电路包括多个P型金属氧化物半导体场效应晶体管(pMOSFET)及多个N型金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOSFET)，且具有以下缺点。

(1)P型金属氧化物半导体场效应晶体管的总数目等于N型金属氧化物半导体场效应晶体管的总数目。因此，现有的数模转换电路使用大量的金属氧化物半导体场效应晶体管，且占据大的面积。

(2)所有P型金属氧化物半导体场效应晶体管的体端子(bulk terminal)都接收最大电压，而所有N型金属氧化物半导体场效应晶体管的体端子都接收最小电压。因此，大多数P型金属氧化物半导体场效应晶体管和大多数N型金属氧化物半导体场效应晶体管有显著的体效应(body effect)和大的导通电阻值。

(3)对于P型金属氧化物半导体场效应晶体管及N型金属氧化物半导体场效应晶体管中的每一个而言，当此金属氧化物半导体场效应晶体管将传输的电压的幅值(magnitude)接近在其栅极端子(gate terminal)接收到的信号的电压幅值时，此金属氧化物半导体场效应晶体管很难导通。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数模转换装置及其数模转换电路。所述数模转换电路可以改善背景技术的至少一个缺点。

根据本发明的一个层面，一种数模转换装置适用于接收多个第一输入电压及多个第二输入电压，输出与数字输入信号所表示的值相应的一个所述第一输入电压作为第一输出电压，且输出与所述数字输入信号所表示的值相应的一个所述第二输入电压作为第二输出电压。所述第一输入电压在第一电压范围内。所述第二输入电压在低于所述第一电压范围的第二电压范围内。所述数模转换装置包含第一数模转换电路及第二数模转换电路。所述第一数模转换电路包括多个第一数模转换部，每个所述第一数模转换部用于接收至少一个所述第一输入电压，所述第一数模转换部共同输出至少一个所述第一输入电压。所述第二数模转换电路包括多个第二数模转换部，每个所述第二数模转换部用于接收至少一个所述第二输入电压，所述第二数模转换部共同输出至少一个所述第二输入电压。每个所述第一数模转换部包括多个P型金属氧化物半导体场效应晶体管，每个所述P型金属氧化物半导体场效应晶体管具有体端子及栅极端子。每个所述第一数模转换部的至少一些所述P型金属氧化物半导体场效应晶体管的所述体端子用于接收多个具有不同幅值的第一体电压中的相应一个。所述第一数模转换部的所述P型金属氧化物半导体场效应晶体管中的每一个的所述栅极端子用于接收栅极信号，且每个所述第一数模转换部接收到的所述栅极信号中的至少一些的电压幅值在多个不同的第一逻辑高电平中的相应一个与多个不同的第一逻辑低电平中的相应一个间切换。每个所述第二数模转换部包括多个N型金属氧化物半导体场效应晶体管，每个所述N型金属氧化物半导体场效应晶体管具有体端子及栅极端子。每个所述第二数模转换部的至少一些所述N型金属氧化物半导体场效应晶体管的所述体端子用于接收多个具有不同幅值的第二体电压中的相应一个。所述第二数模转换部的所述N型金属氧化物半导体场效应晶体管中的每一个的所述栅极端子用于接收栅极信号，且每个所述第二数模转换部接收到的所述栅极信号中的至少一些的电压幅值在多个不同的第二逻辑高电平中的相应一个与多个不同的第二逻辑低电平中的相应一个间切换。

本发明数模转换装置中，每个所述第一数模转换部输出其接收到的至少一个所述第一输入电压中的一个。所述第一数模转换电路还包括第一选择器。所述第一选择器电连接到所述第一数模转换部以接收所述第一数模转换部分别输出的所述第一输入电压，且输出其接收到的所述第一输入电压中的一个作为所述第一输出电压。每个所述第二数模转换部输出其接收到的至少一个所述第二输入电压中的一个。所述第二数模转换电路还包括第二选择器。所述第二选择器电连接到所述第二数模转换部以接收所述第二数模转换部分别输出的所述第二输入电压，且输出其接收到的所述第二输入电压中的一个作为所述第二输出电压。

本发明数模转换装置中，所述第一选择器包括多个P型金属氧化物半导体场效应晶体管及多个N型金属氧化物半导体场效应晶体管，其中，所述P型金属氧化物半导体场效应晶体管及所述N型金属氧化物半导体场效应晶体管中的每一个具有体端子及栅极端子，所述P型金属氧化物半导体场效应晶体管的所述体端子用于接收体电压，其幅值大于或等于所述第一输入电压的幅值中的最大者，且小于或等于所述第一电压范围的上限，所述N型金属氧化物半导体场效应晶体管的所述体端子用于接收体电压，其幅值大于或等于所述第一电压范围的下限，且小于或等于所述第一输入电压的幅值中的最小者，所述P型金属氧化物半导体场效应晶体管及所述N型金属氧化物半导体场效应晶体管中的每一个的所述栅极端子用于接收栅极信号，其电压幅值在所述第一电压范围的下限与上限间切换。所述第二选择器包括多个P型金属氧化物半导体场效应晶体管及多个N型金属氧化物半导体场效应晶体管，其中，所述P型金属氧化物半导体场效应晶体管及所述N型金属氧化物半导体场效应晶体管中的每一个具有体端子及栅极端子，所述P型金属氧化物半导体场效应晶体管的所述体端子用于接收体电压，其幅值大于或等于所述第二输入电压的幅值中的最大者，且小于或等于所述第二电压范围的上限，所述N型金属氧化物半导体场效应晶体管的所述体端子用于接收体电压，其幅值大于或等于所述第二电压范围的下限，且小于或等于所述第二输入电压的幅值中的最小者，所述P型金属氧化物半导体场效应晶体管及所述N型金属氧化物半导体场效应晶体管中的每一个的所述栅极端子用于接收栅极信号，其电压幅值在所述第二电压范围的下限与上限间切换。

本发明数模转换装置中，每一所述第一数模转换部与所述第一选择器协作以在其间定义至少一条第一传输路径，每条所述第一传输路径在激活时允许此第一数模转换部接收到的至少一个所述第一输入电压中的相应一个通过其传输且作为所述第一输出电压。所述第一数模转换部及所述第一选择器可共同操作以只激活一条所述第一传输路径。所述第一数模转换部的所述P型金属氧化物半导体场效应晶体管各自的宽长比被设计成使得所述第一传输路径各自在激活时提供的电阻值基本相同。每一所述第二数模转换部与所述第二选择器协作以在其间定义至少一条第二传输路径，每条所述第二传输路径在激活时允许此第二数模转换部接收到的至少一个所述第二输入电压中的相应一个通过其传输且作为所述第二输出电压。所述第二数模转换部及所述第二选择器可共同操作以只激活一条所述第二传输路径。所述第二数模转换部的所述N型金属氧化物半导体场效应晶体管各自的宽长比被设计成使得所述第二传输路径各自在激活时提供的电阻值基本相同。

本发明数模转换装置中，所述第一数模转换部彼此电连接，且共同输出所述第一输入电压中的一个作为所述第一输出电压。所述第二数模转换部彼此电连接，且共同输出所述第二输入电压中的一个作为所述第二输出电压。

本发明数模转换装置中，每一所述第一数模转换部定义至少一条第一传输路径，每条所述第一传输路径在激活时允许此第一数模转换部接收到的至少一个所述第一输入电压中的相应一个通过其传输且作为所述第一输出电压。所述第一数模转换部可共同操作以只激活一条所述第一传输路径。所述第一数模转换部的所述P型金属氧化物半导体场效应晶体管各自的宽长比被设计成使得所述第一传输路径各自在激活时提供的电阻值基本相同。每一所述第二数模转换部定义至少一条第二传输路径，每条所述第二传输路径在激活时允许此第二数模转换部接收到的至少一个所述第二输入电压中的相应一个通过其传输且作为所述第二输出电压。所述第二数模转换部可共同操作以只激活一条所述第二传输路径。所述第二数模转换部的所述N型金属氧化物半导体场效应晶体管各自的宽长比被设计成使得所述第二传输路径各自在激活时提供的电阻值基本相同。

本发明数模转换装置中，所述第一数模转换部分别对应多个连续的第一电压子范围，所述第一电压子范围共同构成所述第一电压范围。每个所述第一数模转换部接收到的至少一个所述第一输入电压在相应一个所述第一电压子范围内。对于每个所述第一数模转换部而言，相应所述第一体电压的幅值大于或等于此第一数模转换部接收到的至少一个所述第一输入电压的幅值中的最大者，且小于或等于相应所述第一电压子范围的上限。所述第二数模转换部分别对应多个连续的第二电压子范围，所述第二电压子范围共同构成所述第二电压范围。每个所述第二数模转换部接收到的至少一个第二输入电压在相应一个所述第二电压子范围内。对于每个所述第二数模转换部而言，相应所述第二体电压的幅值大于或等于相应所述第二电压子范围的下限，且小于或等于此第二数模转换部接收到的至少一个所述第二输入电压的幅值中的最小者。

本发明数模转换装置中，对于与第n个所述第一电压子范围相应的一个所述第一数模转换部而言，相应所述第一体电压的幅值等于相应所述第一电压子范围的上限，其中，1≤n≤N-1，N是所述第一电压子范围的总数目，且所述第n个第一电压子范围低于第n+1个所述第一电压子范围。对于与第m个所述第二电压子范围相应的一个所述第二数模转换部而言，相应所述第二体电压的幅值等于相应所述第二电压子范围的下限，其中，2≤m≤M，M是所述第二电压子范围的总数目，且所述第m个第二电压子范围高于第m-1个所述第一电压子范围。

本发明数模转换装置中，所述第一数模转换部分别对应多个连续的第一电压子范围，所述第一电压子范围共同构成所述第一电压范围。每个所述第一数模转换部接收到的至少一个所述第一输入电压在相应一个所述第一电压子范围内。对于每个所述第一数模转换部而言，相应所述第一逻辑高电平等于相应所述第一电压子范围的上限，且相应所述第一逻辑低电平小于相应所述第一电压子范围的下限。所述第二数模转换部分别对应多个连续的第二电压子范围，所述第二电压子范围共同构成所述第二电压范围。每个所述第二数模转换部接收到的至少一个所述第二输入电压在相应一个所述第二电压子范围内。对于每个所述第二数模转换部而言，相应所述第二逻辑低电平等于相应所述第二电压子范围的下限，且相应所述第二逻辑高电平大于相应所述第二电压子范围的上限。

本发明数模转换装置中，对于与第n个所述第一电压子范围相应的一个所述第一数模转换部而言，相应所述第一逻辑低电平等于第n-1个所述第一电压子范围的下限，其中，2≤n≤N，N是所述第一电压子范围的总数目，且所述第n个第一电压子范围高于所述第n-1个第一电压子范围。对于与第m个所述第二电压子范围相应的一个所述第二数模转换部而言，相应所述第二逻辑高电平等于第m+1个所述第二电压子范围的上限，其中，1≤m≤M-1，M是所述第二电压子范围的总数目，且所述第m个第二电压子范围低于所述第m+1个第二电压子范围。对于与所述第一个第一电压子范围相应的一个所述第一数模转换部而言，相应所述第一逻辑低电平等于所述第M个第二电压子范围的下限。对于与所述第M个第二电压子范围相应的一个所述第二数模转换部而言，相应所述第二逻辑高电平等于所述第一个第一电压子范围的上限。

根据本发明的另一个层面，一种数模转换电路适用于接收多个输入电压，且输出与数字输入信号所表示的值相应的一个所述输入电压作为输出电压。所述输入电压在电压范围内。所述数模转换电路包含多个数模转换部，每个所述数模转换部用于接收至少一个所述输入电压，所述数模转换部共同输出至少一个所述输入电压。每个所述数模转换部包括多个P型金属氧化物半导体场效应晶体管，每个所述P型金属氧化物半导体场效应晶体管具有体端子及栅极端子。每个所述数模转换部的至少一些所述P型金属氧化物半导体场效应晶体管的所述体端子用于接收多个具有不同幅值的体电压中的相应一个。所述数模转换部的所述P型金属氧化物半导体场效应晶体管中的每一个的所述栅极端子用于接收栅极信号，且每个所述数模转换部接收到的所述栅极信号中的至少一些的电压幅值在多个不同的逻辑高电平中的相应一个与多个不同的逻辑低电平中的相应一个间切换。

本发明数模转换电路中，所述数模转换部分别对应多个连续的电压子范围，所述电压子范围共同构成所述电压范围。每个所述数模转换部接收到的至少一个所述输入电压在相应一个所述电压子范围内。对于每个所述数模转换部而言，相应所述体电压的幅值大于或等于此数模转换部接收到的至少一个所述输入电压的幅值中的最大者，且小于或等于相应所述电压子范围的上限。对于每个所述数模转换部而言，相应所述逻辑高电平等于相应所述电压子范围的上限，且相应所述逻辑低电平小于相应所述电压子范围的下限。

本发明数模转换电路中，对于与第n个所述电压子范围相应的一个所述数模转换部而言，相应所述体电压的幅值等于相应所述电压子范围的上限，其中，1≤n≤N-1，N是所述电压子范围的总数目，且所述第n个电压子范围低于第n+1个所述电压子范围。

本发明数模转换电路中，对于与第n个所述电压子范围相应的一个所述数模转换部而言，相应所述逻辑低电平等于第n-1个所述电压子范围的下限，其中，2≤n≤N，N是所述电压子范围的总数目，且所述第n个电压子范围高于所述第n-1个电压子范围。

根据本发明的又一个层面，一种数模转换电路适用于接收多个输入电压，且输出与数字输入信号所表示的值相应的一个所述输入电压作为输出电压。所述输入电压在电压范围内。所述数模转换电路还包含多个数模转换部，每个所述数模转换部用于接收所述输入电压中的至少一个，所述数模转换部共同输出所述输入电压中的至少一个。每个所述数模转换部包括多个N型金属氧化物半导体场效应晶体管，每个所述N型金属氧化物半导体场效应晶体管具有体端子及栅极端子。每个所述数模转换部的至少一些所述N型金属氧化物半导体场效应晶体管的所述体端子用于接收多个具有不同幅值的体电压中的相应一个。所述数模转换部的所述N型金属氧化物半导体场效应晶体管中的每一个的所述栅极端子用于接收栅极信号，且每个所述数模转换部接收到的所述栅极信号中的至少一些的电压幅值在多个不同的逻辑高电平中的相应一个与多个不同的逻辑低电平中的相应一个间切换。

本发明数模转换电路中，所述数模转换部分别对应多个连续的电压子范围，所述电压子范围共同构成所述电压范围。每个所述数模转换部接收到的至少一个所述输入电压在相应一个所述电压子范围内。对于每个所述数模转换部而言，相应所述体电压的幅值大于或等于相应所述电压子范围的下限，且小于或等于此数模转换部接收到的至少一个所述输入电压的幅值中的最小者。对于每个所述数模转换部而言，相应所述逻辑低电平等于相应所述电压子范围的下限，且相应所述逻辑高电平大于相应所述电压子范围的上限。

本发明数模转换电路中，对于与第m个所述电压子范围相应的一个所述数模转换部而言，相应所述体电压的幅值等于相应所述电压子范围的下限，其中，2≤m≤M，M是所述电压子范围的总数目，且所述第m个电压子范围高于第m-1个所述电压子范围。

本发明数模转换电路中，对于与第m个所述电压子范围相应的一个所述数模转换部而言，相应所述逻辑高电平等于第m+1个所述电压子范围的上限，其中，1≤m≤M-1，M是所述电压子范围的总数目，且所述第m个电压子范围低于所述第m+1个电压子范围。

本发明的有益的效果在于：由于每个数模转换电路的数模转换部包括单一类型的金属氧化物半导体场效应晶体管，所以此数模转换电路使用较少的金属氧化物半导体场效应晶体管且占据较少的面积。

附图说明

图1是一个方块图，说明本发明数模转换装置的第一实施例；

图2与图3分别是一个电路图与一个方块图，共同说明第一实施例的第一示例性实施方式；

图4是一个示意图，说明第一实施例的第一示例性实施方式的第一电压子范围、第二电压子范围、第一输入电压、第二输入电压及栅极信号间的关系；

图5是一个电路图，说明第一实施例的第一示例性实施方式的第一传输路径及第二传输路径；

图6是一个电路图，说明第一实施例的第二示例性实施方式；

图7是一个电路图，说明第一实施例的第三示例性实施方式；

图8是一个方块图，说明本发明数模转换装置的第二实施例；

图9是一个电路图，说明第二实施例的示例性实施方式；

图10是一个示意图，说明第二实施例的示例性实施方式的第一电压子范围、第二电压子范围、第一输入电压、第二输入电压及栅极信号间的关系；及

图11是一个电路图，说明第二实施例的示例性实施方式的第一传输路径及第二传输路径。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

在本发明被详细描述前，应当注意在以下的说明内容中，类似的组件是以相同的编号来表示。

参阅图1，本发明数模转换装置的第一实施例适用于接收多个第一输入电压及多个第二输入电压，输出与一个数字输入信号所表示的值相应的一个第一输入电压作为一个第一输出电压，且输出与数字输入信号所表示的值相应的一个第二输入电压作为一个第二输出电压。第一输入电压在一个第一电压范围内。第二输入电压在低于第一电压范围的一个第二电压范围内。本实施例的数模转换装置包括一个第一数模转换电路1、一个第二数模转换电路2及一个电平转换器(levelshifter)3。

在本实施例中，第一数模转换电路1包括N个第一数模转换部11

特别地，第一电压范围是从VA

在本实施例中，第二数模转换电路2包括M个第二数模转换部21

特别地，第二电压范围是从VB

在本实施例中，每个第一数模转换部11

特别地，如以下表1所示，对于第n个第一数模转换部11

第一选择器12包括多个P型金属氧化物半导体场效应晶体管(图未示)和多个N型金属氧化物半导体场效应晶体管(图未示)，其中每个晶体管具有一个体端子和一个栅极端子。如以下表1所示，对于第一选择器12而言，P型金属氧化物半导体场效应晶体管的体端子用于接收一个体电压，其幅值大于或等于第一输入电压的幅值中的最大者，且小于或等于第一电压范围的上限(也就是VA

表1

在本实施例中，每个第二数模转换部21

特别地，如以下表2所示，对于第m个第二数模转换部21

第二选择器22包括多个P型金属氧化物半导体场效应晶体管(图未示)和多个N型金属氧化物半导体场效应晶体管(图未示)，其中每个晶体管具有一个体端子和一个栅极端子。如以下表2所示，对于第二选择器22而言，P型金属氧化物半导体场效应晶体管的体端子用于接收一个体电压，其幅值大于或等于第二输入电压的幅值中的最大者，且小于或等于第二电压范围的上限(也就是VB

表2

电平转换器3电连接到第一数模转换电路1及第二数模转换电路2，用于接收数字输入信号，且基于数字输入信号产生栅极信号来控制第一数模转换电路1及第二数模转换电路2的P型金属氧化物半导体场效应晶体管及N型金属氧化物半导体场效应晶体管在导通与不导通间的操作。

图2至图4及以下表3共同说明本实施例的数模转换装置的第一示例性实施方式。在第一示例性实施方式中，数字输入信号DATA(2：0)是三位元宽，有八个第一输入电压INPA-INPH及八个第二输入电压INNA-INNH，且N＝M＝2。此外，VA

第二个第一数模转换部11

第一个第一数模转换部11

第一选择器12包括两个P型金属氧化物半导体场效应晶体管121及两个N型金属氧化物半导体场效应晶体管122。对于第一选择器12而言，幅值等于第一电压范围的上限(也就是VA

第二个第二数模转换部21

第一个第二数模转换部21

第二选择器22包括两个P型金属氧化物半导体场效应晶体管221及两个N型金属氧化物半导体场效应晶体管222。对于第二选择器22而言，幅值等于第二电压范围的上限(也就是VB

电平转换器3根据数字输入信号的第一位元DATA(0)产生栅极信号SEL_H(0)、SELB_H(0)、SEL_Q(0)、SELB_Q(0)、SEL_L(0)、SELB_L(0)，根据数字输入信号的第二位元DATA(1)产生栅极信号SEL_H(1)、SELB_H(1)、SEL_Q(1)、SELB_Q(1)、SEL_L(1)、SELB_L(1)，且根据数字输入信号的第三位元DATA(2)产生栅极信号SEL_P(2)、SELB_P(2)、SEL_N(2)、SELB_N(2)。栅极信号SEL_*(r)、SELB_*(r)彼此互补，其中，*表示H、Q及L中的任一个，且r表示0及1中的任一个。栅极信号SEL_#(2)、SELB_#(2)彼此互补，其中，#表示P及N中的任一个。

表3

回归参阅图1，在本实施例中，每个第一数模转换部11

相似地，在本实施例中，每个第二数模转换部21

图6说明本实施例的数模转换装置的第二示例性实施方式。第二示例性实施方式类似于第一示例性实施方式，且与第一示例性实施方式不同的地方在于：(1)第一选择器12的P型金属氧化物半导体场效应晶体管121的体端子被第一体电压V1而非供应电压VDDA偏置，第一体电压V1的幅值等于第一输入电压INPA-INPH的幅值中的最大者；及(2)第二选择器22的N型金属氧化物半导体场效应晶体管222的体端子被第二体电压V14而非地电压GNDA偏置，第二体电压V14的幅值等于第二输入电压INNA-INNH的幅值中的最小者。

图7说明本实施例的数模转换装置的第三示例性实施方式。第三示例性实施方式类似于第二示例性实施方式，且与第二示例性实施方式不同的地方在于：(1)第一选择器12的N型金属氧化物半导体场效应晶体管122的体端子被一个体电压V7而非体电压HVDDA偏置，体电压V7的幅值等于第一输入电压INPA-INPH的幅值中的最小者；及(2)第二选择器22的P型金属氧化物半导体场效应晶体管221的体端子被一个体电压V8而非体电压HVDDA偏置，体电压V8的幅值等于第二输入电压INNA-INNH的幅值中的最大者。

回归参阅图1，归纳上述，与现有的数模转换电路相比，本实施例的第一数模转换电路1具有以下优点。

(1)由于第一数模转换部11

(2)每个第一数模转换部11

(3)对于每个第一数模转换部11

相似地，与现有的数模转换电路相比，本实施例的第二数模转换电路2具有以下优点。

(1)由于第二数模转换部21

(2)每个第二数模转换部21

(3)对于每个第二数模转换部21

参阅图8，本发明数模转换装置的第二实施例类似于第一实施例，且在以下描述的方面不同于第一实施例。

在第二实施例中，第一选择器12(见图1)及第二选择器22(见图1)被省略了。第一数模转换部11

每个第一数模转换部11

每个第一数模转换部11

相似地，每个第二数模转换部21

每个第二数模转换部21

图3及图9至图11共同说明第二实施例的数模转换装置的示例性实施方式，其类似于第一实施例的数模转换装置的第一示例性实施方式。

在第二实施例的数模转换装置的示例性实施方式中，每个第一数模转换部11

此外，每个第二数模转换部21

回归参阅图8，归纳上述，与现有的数模转换电路相比，本实施例的第一数模转换电路1具有以下优点。

(1)由于第一数模转换电路1不包括N型金属氧化物半导体场效应晶体管，所以第一数模转换电路1使用较少的金属氧化物半导体场效应晶体管且占据较少的面积。

(2)第一数模转换电路1的每个P型金属氧化物半导体场效应晶体管的体端子可以被偏置在小于最大电压水平(也就是VA

(3)对于每个第一数模转换部11

相似地，与现有的数模转换电路相比，本实施例的第二数模转换电路2具有以下优点。

(1)由于第二数模转换电路2不包括P型金属氧化物半导体场效应晶体管，所以第二数模转换电路2使用较少的金属氧化物半导体场效应晶体管且占据较少的面积。

(2)第二数模转换电路2的每个N型金属氧化物半导体场效应晶体管的体端子可以被偏置在大于最小电压水平(也就是VB

(3)对于每个第二数模转换部21