緩衝電路(Buffer)

因為液晶顯示器的負載很大，所以需要一組輸出驅動電路來驅動液晶負載。

因此，我們利用放大器接成單增益電路當作緩衝器使用，如圖 7.16所示[18]。為 了符合數位類比轉換器輸出的大擺幅(約 2.7V)，故使用軌對軌(rail-to-rail)放大器 來達到比較大的輸入範圍，如圖 7.17。而使用架構上會使用兩級操作放大器 (Two-stage OP Amplifier)主要是因為可以增加它的增益(Gain)和輸出擺幅(Output swing)，使緩衝器的電壓偏移誤差(offset)縮減到可以接受的範圍內，大約為數位 類比轉換器的四分之一最低有效位元 (1/4LSB)。

在設計時，若是增益頻寬太大或是輸出級的轉導(gm15)太小，皆有可能導致 右半平面零點的發生，因此，為了避免出現右半平面零點，此兩級放大器中有加 入與補償電容串聯的調零電阻(Nulling resistor) (M17)。除此之外，因使用電晶體 當作電阻使用，必須要有偏壓點供給其閘極電壓，我們使用疊接兩個二極體型式

VB4 VB4

VB4

VINP VINN

VINP VINN

VDD

因為使用電阻補償技巧過後[2]，使得極點和零點的位置為:

7.4 模擬結果

此小節主要是呈現數位類比轉換器電路佈局後之模擬結果。一開始我們會先 把工作在弱反向區操作放大器的效能表以及緩衝器內操作放大器的效能表和偏 差圖呈現出來，接下來就會列出數位類比轉換器系統模擬的圖形，其中包含數位 轉類比的轉換曲線，以及靜態效能中的微分非線性誤差(Differential nonlinearity error, DNL) 、積分非線性誤差(Integral nonlinearity error, INL)。

表 7.1為數位類比轉換器中的操作放大器之效能，其中比較重要的效能參數

為增益(Gain)、輸出擺幅(Output swing)、相位邊界(Phase margin)、迴轉率(Slew rate)，這四個參數對於整個系統上扮演著重要角色，若是其中某個參數沒有達到 應有的效能，則會對整個數位類比轉換器效能有顯著的影響。

表 7.1 數位類比轉換器中的放大器效能表 OP corner TT(50) SS(120) FF(-20) Gain 95.1dB 96.0dB 90.0dB Input swing -0.1V~+0.1V -0.1V~+0.1V -0.1V~+0.1V Output swing 0.2V~3.2V 0.2V~3.2V 0.2V~3.2V GBW 2.77MHz 2.52MHz 2.86MHz

PM 54^o 53^o 57^o

PSRR (dB)@

100Hz

78 67 70

Slew Rate (25.6/-11.4)V/μs (23/-11.5)V/μs (32/-13.7)V/μs POWER 7.62μW 7.89μW 7.24μW

CL 0.5pF 0.5pF 0.5pF

FOMS 213 182 235

FOML 1160 1003 1337

表 7.2為緩衝器內之放大器效能表，其中比較值得關切的效能參數為增益 (Gain)、輸入擺幅(Input swing)、輸出擺幅(Output swing)、相位邊界(Phase margin)、

迴轉率(Slew rate)，這五個參數對於緩衝器的設計非常重要，若是其中某個參數 沒有達到應有的效能，會沒辦法真實反映出數位類比轉換器之類比輸出，因此，

也是影響效能的重要區塊。

表 7.2 緩衝器內之放大器效能表

OP corner TT(50) FF(-20) SS(120)

Gain 126dB 116dB 130dB Input swing 0.1V~3.2 V 0.1 V ~3.2 V 0.1 V ~3.2 V Output swing 0.1 V ~3.2 V 0.1 V ~3.2 V 0.1 V ~3.2 V GBW 18.6MHz 22.3MHz 16.3MHz

PM 57.5 ^o 57 ^o 58.4 ^o

Slew Rate 26/-5.5 V/μs 27/-5.7 V/μs 25.6/-5.5 V/μs POWER 1.33mW 1.34mW 1.33mW

C_L 10pF 10pF 10pF

Input capacitance 0.06pF 0.06pF 0.06pF

圖 7.18為緩衝電路之電壓偏移圖，因我們所設計的數位類比轉換器之最低 有效位元(Least Significant Bit, LSB)為 1.318mV。因此，為了使緩衝器能夠真實 反映數位類比轉換器之真實類比輸出，我們必須將緩衝器之偏移誤差量降到比最 低有效位元還要小很多，我們將之設定為:

1

buffer offset  4LSB (7.18)

buffer offset (V)

buffer input (V)

圖 7.18 電壓偏移誤差圖

圖 7.19為數位類比轉換圖，因數位類比轉換器為十一位元，所以數位碼是

從-1023 到 0 到 1023，共 2047 碼，而類比輸出範圍設定為 0.295V 到 2.95V。

Digital-to-Analog diagram Analog value(V)

Digital code

圖 7.19 數位類比轉換圖

圖 7.20為靜態效能中的微分非線性誤差(DNL)曲線，由圖可以看出來其最大 值不超過±0.15 最低有效位元(LSB)。

X 軸：digital code Y 軸：DNL（LSB）

圖 7.20 微分非線性誤差

圖 7.21為靜態效能中的積分非線性誤差(INL)曲線，由圖可以看出來其最大

值不超過±0.5 最低有效位元(LSB)。

X 軸：digital code Y 軸：INL（LSB）

圖 7.21 積分非線性誤差