信号处理系统及其自我校准数字模拟转换方法

摘要

一种信号处理系统，其包括一数字模拟转换器、一比较单元以及一控制单元。数字模拟转换器接收一数字输入并产生一输出电压。比较单元接收输出电压并比较第一输出电压与一参考电压，以产生一输出值。控制单元接收输出值，并据此利用固件或软件以数值映射方式产生数字输入，以校正数字模拟转换器。另外，一种自我校准数字模拟转换方法亦被提出。

说明书

技术领域

本发明是有关于一种信号处理系统及其数字模拟转换方法，且特别是有 关于一种具自我校准机制的信号处理系统及其数字模拟转换方法。

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，诸如输出于视频、电视的数字模拟转换器(video DAC、 TVDAC)。已知的数字模拟转换器通常会具有一个外接电阻，其设置的目的是 作为数字模拟转换器内部的参考电流于输出时的参考电阻。然而，在数字模 拟转换器外设置一个外接电阻的设计，虽然可以用来降低制程变异的影响， 但是此设计仍有机率因制程变异而造成良率的损失。

发明内容

本发明提供一种信号处理系统，可使其数字模拟转换器具备自我校准机 制，以避免制程变异的影响，增加其良率。

本发明提供一种自我校准数字模拟转换方法，用于一内建参考电阻的数 字模拟转换器，可使该数字模拟转换器具备自我校准机制，以避免制程变异 的影响，增加其良率。

本发明提供一种信号处理系统，其包括一数字模拟转换器、一比较单元 以及一控制单元。数字模拟转换器接收一数字输入并产生一第一输出电压。 比较单元接收第一输出电压并比较第一输出电压与一第一参考电压，以产生 一输出值。控制单元接收输出值，并据此利用固件或软件以数值映射方式产 生数字输入，以校正数字模拟转换器。

在本发明一实施例中，上述的数字模拟转换器包括一参考电阻。控制单 元依据输出值选择增加或减少参考电阻的阻值，以校正数字模拟转换器。

在本发明一实施例中，上述的数字模拟转换器包括一参考电流源及一电 流源阵列。控制单元依据输出值选择增加或减少参考电流源与电流源阵列的 一镜射比，以校正数字模拟转换器。

在本发明一实施例中，上述的数字模拟转换器接收一第二参考电压。控 制单元依据输出值选择增加或减少第二参考电压，以校正数字模拟转换器。

在本发明一实施例中，上述的信号处理系统还包括一测试补偿单元。测 试补偿单元输入一测试信号至数字模拟转换器，以使数字模拟转换器产生一 第二输出电压。测试补偿单元判断第二输出电压是否与测试信号匹配。

在本发明一实施例中，上述的数字模拟转换器包括一补偿电流源，用于 提供一补偿电流。测试补偿单元依据其判断结果选择增加或减少补偿电流的 大小。

在本发明一实施例中，上述的控制单元包括一查找表。在以数值映射方 式产生数字输入时，控制单元在查找表中找出输出值所对应的数字输入，以 校正数字模拟转换器。

本发明提供一种自我校准数字模拟转换方法，用于一数字模拟转换器。 自我校准数字模拟转换方法包括如下步骤。接收一数字输入并产生一第一输 出电压。接收第一输出电压并比较第一输出电压与一第一参考电压，以产生 一输出值。接收输出值，并据此利用固件或软件以数值映射方式产生数字输 入，以校正数字模拟转换器。

在本发明一实施例中，上述的数字模拟转换器包括一参考电阻。在校正 数字模拟转换器的步骤中，依据输出值选择增加或减少参考电阻的阻值，以 校正数字模拟转换器。

在本发明一实施例中，上述的数字模拟转换器包括一参考电流源及一电 流源阵列。在校正数字模拟转换器的步骤中，依据输出值选择增加或减少参 考电流源与电流源阵列的一镜射比，以校正数字模拟转换器。

在本发明一实施例中，上述的数字模拟转换器接收一第二参考电压。在 校正数字模拟转换器的步骤中，依据输出值选择增加或减少第二参考电压， 以校正数字模拟转换器。

在本发明一实施例中，上述的自我校准数字模拟转换方法还包括如下步 骤。输入一测试信号至数字模拟转换器，以使数字模拟转换器产生一第二输 出电压。判断第二输出电压是否与测试信号匹配。

在本发明一实施例中，上述的数字模拟转换器包括一补偿电流源，适于 提供一补偿电流。自我校准数字模拟转换方法还包括依据判断结果选择增加 或减少补偿电流的大小。

在本发明一实施例中，上述的利用固件或软件以数值映射方式产生该数 字输入的步骤包括如下步骤。在一查找表中找出输出值所对应的数字输入， 以校正数字模拟转换器。

基于上述，在本发明的范例实施例中，数字模拟转换器内建参考电阻， 并使用上述的数字模拟转换方法，其具备自我校准机制，可避免制程变异的 影响，增加其良率。

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 所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1绘示本发明一实施例的信号处理系统的功能方块图。

图2绘示图1的数字模拟转换器的电路示意图。

图3绘示本发明一实施例的调整参考电阻的阻值的方法流程图。

图4绘示本发明一实施例的调整参考电流源与电流源阵列的镜射比的方 法流程图。

图5绘示本发明一实施例的调整第二参考电压的方法流程图。

图6绘示本发明一实施例的调整补偿电流的方法流程图。

图7绘示本发明一实施例的查找表。

[主要元件标号说明]

100：信号处理系统    110：数字模拟转换器

112：电流源阵列      120：比较单元

130：控制单元        140：测试补偿单元

I_REF：参考电流源     I_CPS：补偿电流源

R_OUT：输出电阻       R_ADJ：参考电阻

V_REF1：第一参考电压  V_REF2：第二参考电压

V_OUT1：第一输出电压  V_OUT2：第二输出电压

OP：运算放大器       S_D：输出值、数字信号

S_IN：数字输          S_TEST：测试信号

S300、S302、S304、S306、S308、S310、S312：调整参考电阻的阻值的 方法步骤

S400、S402、S404、S406、S408、S410、S412：调整参考电流源与电流 源阵列的镜射比的方法步骤

S500、S502、S504、S506、S 508、S510、S512：调整第二参考电压的方 法步骤

S600、S602、S604、S606、S608：调整补偿电流的方法步骤

具体实施方式

若将已知外接于数字模拟转换器的参考电阻内建于其中，将会使得该内 建的参考电阻受到制程的影响而造成其阻值有所不同，以致于数字模拟转换 器输出的操作电压电平产生漂移，操作范围改变，最终使得芯片的良率下降。

有鉴于此，在本发明的范例实施例中，通过自我校准数字模拟转换方法， 数字模拟转换器会将其输出的电压作一反馈比较，并通过调整参考电阻的阻 值、调整参考电流源与电流源阵列的镜射比、调整参考电压或调整补偿电流 的大小，以减少制程变化的影响，进而提升芯片良率，达成低成本、高效能 的电路设计。

图1绘示本发明一实施例的信号处理系统的功能方块图。请参考图1， 在本实施例中，信号处理系统100包括一数字模拟转换器110、一比较单元 120、一控制单元130以及一测试补偿单元140。数字模拟转换器110接收一 数字输入S_IN并产生一第一输出电压V_OUT1。比较单元120接收第一输出电压V_OUT1并比较第一输出电压V_OUT1与一第一参考电压V_REF1，以产生一输出值S_D。进而， 控制单元130接收输出值S_D，并据此利用固件或软件以数值映射方式产生数 字输入S_IN，以校正数字模拟转换器110。在此，信号处理系统100所处理者 例如是一视频图像信号。

详细而言，图2绘示图1的数字模拟转换器的电路示意图。请参考图2， 在本实施例中，数字模拟转换器110包括一运算放大器OP、一电流源阵列112、 一参考电阻R_ADJ、一参考电流源I_REF、一输出电阻R_OUT以及一补偿电流源I_CPS。

在本实施例中，数字模拟转换器110耦接比较单元120，并输出其第一 输出电压V_OUT1至比较单元120，以利用比较单元120与特定的第一参考电压 V_REF1进行比较。举例而言，比较单元120例如可以是一模拟数字转换器或一比 较器。若比较单元120是以一比较器实施，则该比较器接收第一输出电压V_OUT1与第一参考电压V_REF1进行比较，以得到第一输出电压V_OUT1的电平，如图1所 示。若比较单元120是以一模拟数字转换器实施，则该模拟数字转换器会将 第一输出电压V_OUT1转换为一数字信号，以代表第一输出电压V_OUT1的电平。换 句话说，此时比较单元120不需另外接收第一参考电压V_REF1。

接着，信号处理系统100再通过控制单元130来调整参考电阻R_ADJ的阻值、 调整第二参考电压V_REF2或调整参考电流源I_REF与电流源阵列112的镜射比以进 行校准。或者，信号处理系统100亦可通过测试补偿单元140来调整补偿电 流I_CPS的大小，以补偿第一输出电压V_OUT1因微分非线性误差(Differential  non-linearity，DNL)所造成的偏移(offset)。

进一步而言，第一输出电压V_OUT1输出至模拟数字转换器或比较器后，其 比较结果会传送至控制单元130。接着，控制单元130会按预设条件，通过 固件(firmware)或软件(software)来决定如何调整数字模拟转换器110。例 如，控制单元130可选择通过电压转换电流源的回路来调整参考电阻RADJ、调 整第二参考电压V_REF2或调整参考电流源I_REF与电流源阵列112的镜射比。其中， 该电压转换电流源的回路例如包括运算放大器OP、参考电阻R_ADJ及参考电流 源I_REF。

详细而言，图3绘示本发明一实施例的控制单元调整参考电阻的阻值的 方法流程图。请参考图1至图3，在本实施例中，自我校准数字模拟转换方 法例如是适于图1及图2所绘示的信号处理系统100及数字模拟转换器110， 但本发明不限于此。

首先，在步骤S300中，控制单元130给定一数字输入S_IN至数字模拟转 换器110。其中，数字输入S_IN例如是一视频图像信号。接着，在步骤S302 中，数字模拟转换器110依据数字输入S_IN输出对应的第一输出电压V_OUT1至比 较单元120。之后，在步骤S304中，控制单元130读取比较单元120的一输 出值S_D，以判断第一输出电压V_OUT1的电平是否在一预期范围内。在本实施例 中，比较单元120例如是一模拟数字转换器，因此输出值S_D例如是第一输出 电压V_OUT1经由模拟数字转换而得的一数字信号，其代表第一输出电压V_OUT1的 电平。

继之，在步骤S306中，控制单元130判断第一输出电压V_OUT1的电平是否 在预期范围内。若第一输出电压V_OUT1的电平在预期范围内，表示参考电阻RADJ 受制程变异的影响较小，则此时控制单元130不调整参考电阻R_ADJ的阻值，而 结束自我校准的操作。相反地，若第一输出电压V_OUT1的电平不在预期范围内， 则控制单元130会调整参考电阻R_ADJ的阻值，以进行自我校准。是以，若第一 输出电压V_OUT1的电平不在预期范围内，自我校准数字模拟转换方法会进行步 骤S308。

在步骤S308中，控制单元130进一步判断第一输出电压V_OUT1的电平是否 大于一特定的预期值。在步骤S310中，若第一输出电压V_OUT1的电平大于该预 期值，控制单元130增加参考电阻R_ADJ的阻值，以达到自我校准的目的。相反 地，在步骤S312中，若第一输出电压的电平小于或等于该预期值，控制单元 130减少参考电阻R_ADJ的阻值，同样可以达到自我校准的目的。因此，当控制 单元130结束步骤S310或S312后，自我校准数字模拟转换方法会再次回到 步骤S302，以继续进行自我校准。换句话说，通过上述自我校准方法，控制 单元130依据第一输出电压V_OUT1的电平是否在预期范围内，决定是否调整参 考电阻R_ADJ的阻值，以调整第一输出电压V_OUT1。

值得一提的是，在电压转换电流源的回路中，当参考电阻R_ADJ的阻值增加 时，参考电流源I_REF所提供的参考电流会降低，以使第一输出电压V_OUT1的电平 可小于该预期值。相反地，当参考电阻R_ADJ的阻值减少时，参考电流源I_REF所 提供的参考电流会增加，以使第一输出电压V_OUT1的电平可大于该预期值。

换句话说，在本实施例中，控制单元130在读取输出值S_D之后，依据输 出值S_D选择增加或减少参考电阻R_ADJ的阻值，以校正数字模拟转换器。另外， 本实施例的自我校准数字模拟转换方法是通过调整数字模拟转换器110的参 考电阻R_ADJ的阻值来减少制程变化的影响。在另一实施例中，自我校准数字模 拟转换方法亦可选择通过调整数字模拟转换器110的参考电流源I_REF与电流源 阵列112的镜射比，或者通过调整数字模拟转换器110所接收的第二参考电 压V_REF2，来达到调整第一输出电压V_OUT1的目的，以减少制程变化的影响。

图4即绘示本发明一实施例的控制单元调整参考电流源与电流源阵列的 镜射比的方法流程图。请参考图1、图2至图4，在本实施例中，参考电流源 I_REF与电流源阵列112例如是利用多个电流镜来实施，因此调整两者间的镜射 比，即可改变电流源阵列112输出的电流，进而达到调整第一输出电压V_OUT1的目的。

在本实施例中，所谓的「镜射比」例如是指在参考电流源I_REF与电流源阵 列112中用来组成电流镜的主仆(master/slave)晶体管数目的比例。一般而 言，若实施电流镜的晶体管的宽长比(width/length ratio)相同时，依据主 仆晶体管数目的比例，即可由电流镜的主侧电流推估仆侧电流。举例而言， 在本实施例中，若参考电流源I_REF提供的参考电流为电流镜的主侧电流，电流 源阵列112输出的电流为仆侧电流，且两者间主仆晶体管数目的比例为1∶ 10时，则可推估电流源阵列112输出的电流为参考电流源I_REF提供的参考电 流的10倍。换句话说，当参考电流源I_REF提供的参考电流固定时，调整两者 间的镜射比，即可改变电流源阵列112输出的电流。

在本实施例中，调整镜射比的自我校准数字模拟转换方法类似于图3的 调整参考电阻阻值的自我校准数字模拟转换方法，惟两者之间的差异例如在 于步骤S410及S412。在步骤S410中，若第一输出电压V_OUT1的电平大于该预 期值，控制单元130减少参考电流源I_REF与电流源阵列112的镜射比；相反地， 在步骤S412中，若第一输出电压的电平小于或等于该预期值，控制单元130 增加两者的镜射比。因此，通过调整镜射比，自我校准数字模拟转换方法同 样可以达到自我校准的目的。

换句话说，在本实施例中，控制单元130在读取比较单输出值S_D之后， 依据输出值S_D选择增加或减少参考电流源I_REF与电流源阵列112的镜射比， 以校正数字模拟转换器110。在另一实施例中，自我校准数字模拟转换方法 亦可选择通过调整数字模拟转换器110所接收的第二参考电压V_REF2，来达到 调整第一输出电压V_OUT1的目的，以减少制程变化的影响。

图5即绘示本发明一实施例的控制单元调整第二参考电压的方法流程 图。请参考图1、图2至图5，在本实施例中，运算放大器OP的非反向输入 端耦接于一可调整的第二参考电压V_REF2，而其反向输入端耦接于参考电流源 I_REF与参考电阻R_ADJ之间的节点。因此，当第二参考电压V_REF2改变时，同时也 会改变流过参考电阻R_ADJ的电流，进而改变电流源阵列112输出的电流，达到 调整第一输出电压V_OUT1的目的。

在本实施例中，调整第二参考电压的自我校准数字模拟转换方法类似于 图3的调整参考电阻阻值的自我校准数字模拟转换方法，惟两者之间的差异 例如在于步骤S510及S512。在步骤S510中，若第一输出电压V_OUT1的电平大 于该预期值，控制单元130减少第二参考电压V_REF2；相反地，在步骤S512中， 若第一输出电压的电平小于或等于该预期值，控制单元130增加第二参考电 压V_REF2。因此，通过调整第二参考电压，自我校准数字模拟转换方法同样可 以达到自我校准的目的。

换句话说，在本实施例中，控制单元130在读取比较单输出值S_D之后， 依据输出值S_D选择增加或减少第二参考电压V_REF2，以校正数字模拟转换器110。

另一方面，图6绘示本发明一实施例的测试补偿单元调整补偿电流的方 法流程图。请参考图1、图2及图6，在本实施例中，测试补偿单元140输入 一测试信号S_TEST至数字模拟转换器110，以产生一第二输出电压V_OUT2，如步骤 S600。其中，测试信号S_TEST例如是一斜坡(ramp)信号，以对数字模拟转换器 110进行线性度测试。接着，在步骤S602中，测试信号S_TEST判断数字模拟转 换器110的第二输出电压V_OUT2是否与测试信号S_TEST匹配。在此，若测试信号 S_TEST为上升斜坡信号，则第二输出电压V_OUT2的变化趋势须为单调(monotonic) 上升，始与测试信号S_TEST匹配。类似地，若测试信号S_TEST为下降斜坡信号， 则第二输出电压V_OUT2的变化趋势须为单调下降，始与测试信号S_TEST匹配。进 而，测试补偿单元140依据第二输出电压V_OUT2与测试信号S_TEST是否匹配，决 定是否调整补偿电流I_CPS的大小。

因此，若第二输出电压V_OUT2与测试信号S_TEST匹配，则此时测试补偿单元 140不调整补偿电流I_CPS的大小，而结束自我校准的操作。若第二输出电压V_OUT2与测试信号S_TEST不匹配，在步骤S604中，测试补偿单元140会判断对应第二 输出电压V_OUT2的一遗失码(missing code)是否为电压变小。若遗失码为电压 变小，在步骤S606中，测试补偿单元140增加补偿电流I_CPS的大小；若遗失 码不为电压变小，在步骤S608中，测试补偿单元140减少补偿电流I_CPS的大 小。因此，当控制单元130结束步骤S506或S608后，自我校准数字模拟转 换方法会再次回到步骤S600，以继续进行自我校准。换句话说，本实施例的 测试补偿单元依据其判断结果选择增加或减少补偿电流的大小。

是以，信号处理系统100亦可通过测试补偿单元140来调整补偿电流I_CPS的大小，以补偿第一输出电压V_OUT1因微分非线性误差所造成的偏移。

图7绘示本发明一实施例的查找表。请参考图1及图7，在本实施例中， 控制单元130例如包括图7所绘示查找表。在以数值映射方式产生数字输入 S_IN时，控制单元130可在查找表中找出输出值S_D所对应的数字输入S_IN，以校 正数字模拟转换器110。

在查找表中，第一栏各列代表参考电阻R_ADJ相较于标准阻值的差异 (variation)百分比的范围，其范围的划分取决于补偿的分辨率。第二栏至第 四栏分别代表对应各差异范围的第一输出电压V_OUT1、输出值S_D及数字输入S_IN。 在图7的查找表中，第二栏及第三栏各参数的大小关系分别如下：V_NX＞...＞ V_NB＞V_NA＞V_TYP＞V_PA＞V_PB＞...＞V_PX；Level_NX＞...＞Level_NB＞Level_NA＞ Level_PA＞Level_PB＞...＞Level_PX。

在本实施例中，输出值S_D及数字输入S_IN例如分别是一10位及一2位的 数字信号，其位数是取决于补偿的分辨率。举例而言，在差异百分比为0％ 之列，假设第一输出电压V_TYP＝1.40伏特，参考电阻R_ADJ与标准阻值相差无 几，因此无须调整。在差异百分比为R_P1％～R_P2％之列，其参考电阻R_ADJ为 正变化(positive resister variation)，例如+1％～+10％，因此第一输出电压V_OUT1可达V_PA＝1.27伏特。相反地，在差异百分比为-R_N1％～-R_N2％之列，其参考 电阻R_ADJ为负变化(negative resister variation)，例如-1％～-10％，因此第一输 出电压V_OUT1可达V_NA＝1.55伏特。在上述三种情况下，设计者可依实际需求， 选择不对参考电阻R_ADJ进行调整，并将数字输入S_IN设定为2位数字信号的 其中一种态样，例如S_IN[0:1]＝00，其位数是取决于补偿的分辨率。

另一方面，在差异百分比为R_N3％～R_N4％之列，其参考电阻R_ADJ为-11 ％～-17％的负变化，此时第一输出电压V_OUT1的变化范围V_NA～V_NB是介于 1.57～1.68伏特之间。因此，比较单元120比较第一输出电压V_OUT1与第一参 考电压V_REF1，而产生的输出值S_D是介于Level_NA～Level_NB。以10位的数字 信号表示之，则输出值S_D是介于493～527之间。此时数字输入S_IN可设定为 2位数字信号的其中一种态样，例如S_IN[0:1]＝01。

此外，在差异百分比为R_P(X-1)％～R_PX％之列，其参考电阻R_ADJ为+11％～ +25％的正变化，此时第一输出电压V_OUT1的变化可达V_PX＝1.26伏特。因此， 输出值S_D是在Level_PX以下。以10位的数字信号表示之，则输出值S_D小于 396。此时数字输入S_IN可设定为2位数字信号的其中一种态样，例如S_IN[0: 1]＝11。类似地，在差异百分比为-R_N(X-1)％～-R_NX％之列，其参考电阻R_ADJ为-18％～-25％的负变化，其V_NX＝1.86伏特，Level_NX＝528，S_IN[0:1]＝10。

在本实施例中，设计者可基于补偿的分辨率，划分参考电阻R_ADJ相较于标 准阻值的差异百分比的范围，以设计适合的查找表。上述实施例中所例示的 各项数值仅用以实施说明，并不用限定本发明。另外，图7的查找表虽然仅 绘示参考电阻R_ADJ的范例实施例，然而参考电流源与电流源阵列的镜射比、第 二参考电压以及补偿电流源利用查找表的调整当可以此类推，在此便不再赘 述。

因此，在本实施例中，通过图7的查找表，控制单元接收输出值S_D，并 可据此利用固件或软件以数值映射方式产生数字输入S_IN，以校正数字模拟转 换器110。

综上所述，在本发明的范例实施例中，数字模拟转换器内建参考电阻， 并使用上述的数字模拟转换方法，其具备自我校准机制，可避免制程变异的 影响，增加其良率。另外，本发明的范例实施例的数字模拟转换方法能有效 改善数字模拟转换器的增益误差以及偏移误差。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属 技术领域中具有通常知识者，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当视所附的权利要求范围所界定者为准。