CN101494459A - 用于电流舵数模转换器的高匹配电流源布局 - Google Patents

Abstract

一种用于分段式电流舵数模转换器的高匹配电流源布局，其中，温度计型电流舵对数模转换器的性能影响至关重要，它包括由n－1个(n＝0，1，2，3…)温度计型电流源组成的电流源阵列，电流源阵列排布成m个(m＝0，1，2，3…)子阵列，电流源阵列的子陈列关于整体阵列版图的x轴和y轴对称，并且，在每个细分的象限内，子阵列具有关于该象限的x′轴和y′轴对称的轴对称排布结构。电流源阵列采用双中心对称结构，可以抑制奇次工艺误差，并减小偶次误差。这种排布具有子阵列面小、区域内工艺误差变化很小的特点，使得所有的电流源受到几乎相同的工艺误差影响，大大的提高了电流源之间的匹配和数模转换器的精度。

Description

用于电流舵数模转换器的高匹配电流源布局

技术领域

本发明涉及一种用于电流舵数模转换器的高匹配电流源布局；本发明还涉及一种分段式电流舵模数转换器的温度计型电流源阵列布局。

背景技术

由于数字技术所具有强抗干扰能力、高稳定性、高度集成化、以及灵活、可移植的特点日益突出，使得采用数字信号处理能够方便的实现各种先进的自适应数字算法，进而完成模拟电路无法实现的功能，因此，越来越多的模拟信号处理正在被数字技术所取代。然而，现实的世界是一个模拟信号的世界，这就需要将经过处理的数字信号还原为现实世界的模拟信号，这种转换过程称作数模转换(DAC)。数模转换器是数字信号和模拟信号的重要接口。

传统的电压分配或电荷分配DAC，在输出端都需要电流/电压转换的放大器，从而限制了DAC的速度与精度，并且传统的电流分配DAC中，需要用一个很大的器件来分配电流，同样占用很大的面积。而电流舵结构DAC，由于在输出端不需要电流/电压转换放大器，使DAC的转换速率以及精度得到很大提高。速度、精度、功耗和芯片面积是DAC设计中的4个重要约束条件。

由于电流舵型数模转换器直接输出电流，不需要额外的输出级做电流/电压转换，且其内部没有大的电容性结点做充放电动作，所以，在高速、高精度的应用领域(如宽带系统通信系统，由于频域特性比静态特性更为重要，而电流舵数模转换器可以实现较好的频域特性)，电流舵机构的DAC被广泛采用。

电流舵DAC的结构主要由数字输入的编码方式决定，根据编码方式的不同，可分为：二进制编码DAC，温度计编码DAC，直接编码DAC，混合编码DAC等机构。其中：二进制编码的DAC结构指利用一定数量的二进制权重器件(如电流源、电阻、电容)实现数/模转换；温度计编码的DAC结构是利用一定数目的等值权重元件(电流源)，将二进制输入转换成温度计编码方式，有温度计编码输出直接控制电流开关，实现DA转换；直接编码的DAC结构是根据数字输入码直接编码后产生不同的输出幅值；而由于上述各种高速DAC有不同的优点和缺点，所以结合多种编码方式实现的混合编码DAC具有较好的综合性能，所以，现在对于高精度的DAC，最常用的结构就是混合编码的电流舵结构DAC，这种DAC不仅能够达到很高的精度，而且能够有效的减少芯片面积。例如，DAC的低字位，电流权重小，输出的毛刺能量较小，所以采用二进制编码的方式，DAC的高字位，权重较大，如果采用二进制编码，输出毛刺将会很大，所以一般采用温度计编码方式，这种结构，也称为分段式电流舵结构。

如图1所示的电流舵型数模转换器的原理图，电流舵型数模转换器基于一组相互匹配的电流源I_j(j＝0，1，...N-1，N为整数)，这组电流源可以是一元权重电流源，或是二进制加权电流源。根据数字信号的大小，相应的电流源开启，输出电流到输出端。低位电流源为二进制加权，根据低位数字信号对应开启；高位电流源为一元权重电流源，即温度计型电流源，根据高位数字信号的值由低位到高位开启相应数目。由于电流源是数字信号到模拟信号转换的核心器件，因此，电流源的精度是数模转换器中的一个关键问题。在电流源阵列版图中，由于工艺误差的存在，不同位置的电流源之间会产生失配误差，使转换器的精度降低。随着对数模转换器精度要求的不断提高，由电流源失配所带来的影响也越来越大。为了得到高精度的数模转换器，必须对传统的电流源布局进行改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于电流舵数模转换器的高匹配电流源布局；本发明的另一个目的在于提供一种分段式电流舵模数转换器的温度计型电流源阵列布局。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种用于电流舵数模转换器的高匹配电流源布局，它包括由n-1个(n＝0，1，2，3...)温度计型电流源组成的电流源阵列，电流源阵列排布成m个(m＝0，1，2，3...)子阵列，电流源阵列的子陈列关于整体阵列版图的x轴和y轴对称，并且，在每个细分的象限内，子阵列具有关于该象限的x′轴和y′轴对称的轴对称排布结构。

一种分段式电流舵模数转换器的温度计型电流源阵列布局，电流源阵列由n-1个(n＝0，1，2，3...)温度计型电流源组成，电流源阵列排布成m个(m＝0，1，2，3...)子阵列，电流源阵列的所述的子陈列关于整体阵列版图的x轴和y轴对称，并且，在每个细分的象限内，子阵列具有关于该象限的x′轴和y′轴对称的轴对称排布结构。

由于上述技术方案的采用采用，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

电流源阵列采用多中心对称结构，可以抑制奇次工艺误差，并减小偶次误差。这种排布具有子阵列面小、区域内工艺误差变化很小的特点，使得所有的电流源受到几乎形同的工艺误差影响，大大的提高了电流源之间的匹配和数模转换器的精度。

附图说明

图1为电流舵型数模转换器的原理图；

图2为一个电流源在电流源阵列中的3种不同实现的示意图；

图3本发明电流源阵列排布示意图；

图4为本发明一个电流源子阵列中电流源的布局图；

其中：1、电流源阵列；11、子阵列；12、温度计型电流源；121、子电流源。

具体实施方式

下面以采用TSMC 0.18um工艺、电源电压为1.8V的6-6分段电流舵数模转换器的温度计型电流源布局为例，对本发明进行具体说明。每个温度计型电流源12由2⁶(km＝2⁶)个子电流源121并联构成，在阵列版图布局中，分散在32(m＝32，L＝2)个子阵列11中，每个子阵列分布2个子电流源121，即k＝2。

如图2所示，以电流源阵列1阵列版图布局的中心为原点O，与工艺及热变化相关的误差被近似表达为泰勒表达式：

i_{thermal，tech，...}(x，y)＝b₀+b₁x+b₂y+b₃xy+b₄x²+b₅y²…(1)

其中，(x，y)是子电流源121在阵列版图布局的坐标。

阵列的空间分布中包含线性和二阶误差(忽略高阶误差)，设一阶和二阶的空间误差为ε^res(1)(x，y)和ε_res ⁽²⁾(x，y)，如果每个电流源12不拆分，如图2(a)所示，则剩余误差为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{res}}(x,y)={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{res}}^{\left(1\right)}(x,y)+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{res}}^{\left(2\right)}(x,y)---\left(2\right)$

如果每个电流源12被拆分成4个子电流源121并联，并且分布在4个对称的位置上，如图2(b)所示，相当于对每个电流源12的误差做空间均分。当电流源12晶体管相对于x轴和y轴呈对称设置时，一阶的线性误差将被抵消掉，然而，二阶误差仍然存在：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{res}}(x,y)={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{sp}}^{\left(2\right)}\left(x\right)+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{sp}}^{\left(2\right)}\left(y\right)---\left(3\right)$

为了抑制二阶误差，电流源12必须被拆分为更多的子模块。如果将电流源分为16个子电流源121并联，且相对于阵列空间的x轴和y轴对称的分布在不同位置，如图2(c)所示，则剩余误差在x方向变为原来的在y方向变为原来的

即：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{res}}(x,y)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{sp}}^{\left(2\right)}\left(x\right)}{4}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{sp}}^{\left(2\right)}\left(y\right)}{8}---\left(4\right)$

由上述式(2)～(4)，可以得出，将电流源12拆分的越多，分布的越分散，剩余误差越小，电流源之间的匹配度越高。

如图3所示的用于电流舵数模转换器的高匹配电流源布局，它包括由n-1个(n＝1，2，3...)温度计型电流源12组成的电流源阵列1，这里n＝64，电流源阵列1排布成m个(m＝1，2，3...)子阵列11，m＝32，电流源阵列1的子陈列11关于整体阵列版图的x轴和y轴对称，并且，在每个细分的象限内，子阵列11具有关于该象限的x′轴和y′轴对称的轴对称排布结构。

具体的，假定通过电流源阵列1所在的阵列版图的中心原点O的两条相互垂直的直线分别为x轴和y轴，经过一次细分，x轴、y轴将电流源阵列1所在区域版图分割成四个象限I，II，III，VI，32个子阵列11分别关于x轴、y轴对称设置；在上述基础上，假设象限I_L是对电流源阵列1区域版图的一个L次细分象限，假定通过象限I_L-1的象限中心原点的两条相互垂直的直线分别为所述的象限I_L-1的x′轴和y′轴，位于象限I_L-1中的

个 $(\frac{m}{4^{L-1}}\≥1)$ 子阵列11分别关于x′轴和y′轴对称设置。

在本实施例中，L＝2，即，对电流源阵列1区域版图进行两次细分，第一次细分形成四个区域，即，四个象限I，II，III，VI，每个象限各8个子阵列，进而，经过第二次细分，将四象限I，II，III，VI中的每一个分成4个区域，图3中虚线所示，共形成16个区域，并且，对于四象限I，II，III，VI中的每一个，他所包含的8个子阵列关于该象限的x′轴和y′轴对称设置。

通过两次，甚至更多次的将阵列版图细分，并且在细分区域内排布关于该区域的x轴和y轴对称的子阵列，将每个细分区域的剩余误差降低到最小，这样，经过多层细分区域直至整块阵列版图，剩余误差也被降低至很小。

n-1个温度计型电流源12中的每一个由km个(k＝1，2，3...)子电流源121并联组成，每个子阵列11中均设置有属于每个温度计型电流源12中的k个子电流源121。在本实施例中，km＝64，将分属于每个温度计型电流源12的64个子电流源121分配排列在32个子阵列中，每个子阵列排放2个子电流源121。

如图4所示，每个温度计型电流源12上连接有一个独立的控制开关，控制开关控制km个子电流源121的开合，在每个子阵列11中，由开启次序相邻近的控制开关控制的子电流源121相间隔设置。图4中，每个数字编号代表属于一个温度计型电流源12的两个子电流源121，相邻编号代表他们的控制开关相邻近，在布局时，将相邻近的开关控制的温度计型电流源12隔开，以防止由于处于同一象限区域，相同极性的误差发生累积。

如图4所示，每个子阵列11中设置有一个用于消除线上压降影响的独立偏置I_ref，由外部输入的参考电流，根据每一个子阵列11的I_ref值，形成对立的参考电流。

Claims (10)

1、一种用于电流舵数模转换器的高匹配电流源布局，它包括由n-1个(n＝1，2，3…)温度计型电流源(12)组成的电流源阵列(1)，所述的电流源阵列(1)排布成m个(m＝1，2，3…)子阵列(11)，其特征在于：所述的电流源阵列(1)的所述的子陈列(11)关于整体阵列版图的x轴和y轴对称，并且，在每个细分的象限内，所述的子阵列(11)具有关于该象限的x′轴和y′轴对称的轴对称排布结构。

2、根据权利要求1所述的用于电流舵数模转换器的高匹配电流源布局，其特征在于：

假定通过所述的电流源阵列(1)所在的阵列版图的中心原点O的两条相互垂直的直线分别为x轴和y轴，经过一次细分，所述的x轴、y轴将所述的电流源阵列(1)区域版图分割成四个象限(I，II，III，VI)，m个所述的子阵列(11)分别关于所述的x轴、所述的y轴对称设置；

在上述基础上，假设象限(I_L)是对所述的电流源阵列(1)区域版图的一个L次细分象限，假定通过象限(I_L-1)的象限中心原点的两条相互垂直的直线分别为所述的象限(I_L-1)的x′轴和y′轴，位于所述的象限(I_L-1)中的

个 $(\frac{m}{4^{L-1}}\≥1)$ 所述的子阵列(11)分别关于所述的x′轴和y′轴对称设置。

3、根据权利要求2所述的用于电流舵数模转换器的高匹配电流源布局，其特征在于：n-1个所述的温度计型电流源(12)中的每一个由km个(k＝1，2，3…)子电流源(121)并联组成，每个所述的子阵列(11)中均设置有属于每个所述的温度计型电流源(12)中的k个子电流源(121)。

4、根据权利要求3所述的用于电流舵数模转换器的高匹配电流源布局，其特征在于：每个所述的温度计型电流源(12)上连接有一个独立的控制开关，所述的控制开关控制km个所述的子电流源(121)的开合，在每个所述的子阵列(11)中，由开启次序相邻近的控制开关控制的所述的子电流源(121)相间隔设置。

5、根据权利要求3所述的用于电流舵数模转换器的高匹配电流源布局，其特征在于：每个所述的子阵列(11)中设置有一个用于消除线上压降影响的独立偏置(I_ref)。

6、一种分段式电流舵模数转换器的温度计型电流源阵列(1)布局，所述的电流源阵列(1)由n-1个(n＝1，2，3…)温度计型电流源(12)组成，所述的电流源阵列(1)排布成m个(m＝1，2，3…)子阵列(11)，其特征在于：所述的电流源阵列(1)的所述的子陈列(11)关于整体阵列版图的x轴和y轴对称，并且，在每个细分的象限内，所述的子阵列(11)具有关于该象限的x′轴和y′轴对称的轴对称排布结构。

7、根据权利要求6所述的分段式电流舵模数转换器的温度计型电流源阵列布局，其特征在于：

假定通过所述的电流源阵列(1)所在的阵列版图的中心原点O的两条相互垂直的直线分别为x轴和y轴，经过一次细分，所述的x轴、y轴将所述的电流源阵列(1)区域版图分割成四个象限(I，II，III，VI)，m个所述的子阵列(11)分别关于所述的x轴、所述的y轴对称设置；

在上述基础上，假设象限(I_L)是对所述的电流源阵列(1)区域版图的一个L次细分象限，假定通过象限(I_L-1)的象限中心原点的两条相互垂直的直线分别为所述的象限(I_L-1)的x′轴和y′轴，位于所述的象限(I_L-1)中的

个 $(\frac{m}{4^{L-1}}\≥1)$ 所述的子阵列(11)分别关于所述的x′轴和y′轴对称设置。

8、根据权利要求7所述的分段式电流舵模数转换器的温度计型电流源阵列布局，其特征在于n-1个所述的温度计型电流源(12)中的每一个由km个(k＝1，2，3…)子电流源(121)并联组成，每个所述的子阵列(11)中均设置有属于每个所述的温度计型电流源(12)中的k个子电流源(121)。

9、根据权利要求8所述的分段式电流舵模数转换器的温度计型电流源阵列布局，其特征在于：每个所述的温度计型电流源(12)上连接有一个独立的控制开关，所述的控制开关控制km个所述的子电流源(121)的开合，在每个所述的子阵列(11)中，由开启次序相邻近的控制开关控制的所述的子电流源(121)相间隔设置。

10、根据权利要求8所述的分段式电流舵模数转换器的温度计型电流源阵列布局，其特征在于：每个所述的子阵列(11)中设置有一个用于消除线上压降影响的独立偏置(I_ref)。

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