CN101694843A - 电流舵型数模转换器的高位电流源单元非平衡设计方法 - Google Patents
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本发明为电流舵型数模转换器的高位电流源单元非平衡设计方法。其能有效降低积分非线性误差(INL)，从而提高高速高精度电流舵型数模转换器的精度。其包括现有的特定开关顺序下高位电流源单元结构，其特征在于：其通过调整每个象限电流源单元矩阵的两侧最外边的列MOS管的宽长比(W/L)，调整其电流大小，使其与同一象限内其它列电流源单元所产生的电流大小不相等，用这种非平衡的电流差来抵消系统带来的二阶误差。
Description
(一)技术领域
本发明涉及10～14位高速高精度电流舵型数模转换器的技术领域，具体为电流舵型数模转换器的高位电流源单元非平衡设计方法。
(二)背景技术
现有高速高精度电流舵型数模转换器，其以标准深亚微米CMOS工艺为基础，目前精度覆盖8～14位，速度高达1GHz，当其精度达到或超过10位时，其高速高精度电流舵型数模转换器结构包括高位电流单元和低位电流单元，所述低位电流单元由M个二进位电流源单元，其电流大小从I到2M-1I，其中I代表一个最低有效位的电流，所述高位电流单元控制高N位，其包括(2N-1)个相同的电流源单元，每个电流源单元电流大小均为2MI，其中高速高精度电流舵型数模转换器的精度即为(M+N)位。
这(2N-1)个相同的电流源单元在实际芯片中物理版图的摆放位置形成个2N个单元的矩阵，其中多余的一个单元为冗余单元，这种摆法使电流源单元之间最紧凑，占用的面积最小，故而匹配也最好。
在实际中，电流源单元匹配误差主要有随机误差和系统误差两种，随机误差无法克服。系统误差主要表现为一阶误差(单调线性函数)和二阶误差(偶函数抛物线)。其通过将(2N-1)个相同的电流源单元中的每个单元分成四部分组成，这四部分分别在四个象限对称放置，通过其在四个象限内各自产生的一阶误差相互抵消消除其一阶误差，而现有降低二阶误差主要是通过使用特定的电流源单元开关顺序来最大限度的降低二阶误差，但是其效果不明显，究其原因是因为每个象限的电流源单元矩阵的最两边的两列所带来的二阶误差最大、最明显，现有技术无法有效降低其二阶误差。
其特定的电流源开关顺序以10位精度的高精度电流舵型数模转换器的高位电流源单元中的第二象限为例，(四个象限内的情况分别关于对称轴对称)见图1，其高位电流源单元为6位，其组成一个8×8的矩阵，其分为8行8列，其按照特定的顺序依次打开，从左往右数，物理列的第四列式被打开的第1列，物理列的第五列是被打开的第2列，具体打开的列数顺序见图1中序号所示，从上往下数，物理行的第四行是被打开的第1行，物理行的第五行是被打开的第2行，具体打开的行数顺序见图2中序号所示。在第1列对应行的电流源单元按照开关顺序全部打开后，第2列按照其开关顺序对应打开，依次类推。
其10位精度的高精度电流舵型数模转换器的电流源高位单元的开关顺序和系统误差示意图，见图2，图中轴坐标分别对应其所在的列和所产生的系统误差，由图中可以很清楚地看到，现有的这种高位电流源单元开关顺序有个很大的弊端就是每个象限电流源单元矩阵的两侧最外边的列(图中第7、第8列)相对于最先打开的第1列带来的系统的二阶误差最大。
由于二阶误差不能有效得到降低，现有高速高精度电流舵型数模转换器静态性能的重要指标-积分非线性误差(INL)高，导致整个数模转换器的精度误差大。
(三)发明内容
针对上述问题，本发明提供了电流舵型数模转换器的高位电流源单元非平衡设计方法，其能有效降低积分非线性误差(INL)，从而提高高速高精度电流舵型数模转换器的精度。
其技术方案是这样的：其包括现有的特定开关顺序下高位电流源单元结构，其特征在于：其通过调整每个象限电流源单元矩阵的两侧最外边的列MOS管的宽长比(W/L)，调整其电流大小，使其与同一象限内其它列电流源单元所产生的电流大小不相等，用这种非平衡的电流差来抵消系统带来的二阶误差。
其进一步特征在于：所述每个象限电流源单元矩阵的两侧最外边的列MOS管的长度不变，根据制造厂家进行CMOS工艺生产自身所带来的二次误差对所述每个象限电流源单元矩阵的两侧最外边的列MOS管的宽度进行调整。
采用本发明的方法后，其通过调整每个象限电流源单元矩阵的两侧最外边的列MOS管的宽长比(W/L)、调整器电流大小，进而使其与同一象限内其它列电流源单元所产生的电流大小不相等，由于现有的高位电流源单元开关顺序有个很大的弊端就是每个象限电流源单元矩阵的两侧最外边的列相对于最先打开的第1列带来的系统的二阶误差最大，其调整每个象限电流源单元矩阵的两侧最外边的列电流大小后，其产生的非平衡电流差能有效抵消系统带来的二阶误差，进而能有效降低积分非线性误差(INL)，提高高速高精度电流舵型数模转换器的精度。
(四)附图说明
图1是高精度电流舵型数模转换器的高位电流源单元第二象限矩阵图；
图2是电流源高位单元的开关顺序和系统误差示意图；
图3是一种误差率下10位电流单元平衡和非平衡两种方法下的INL对比示意图；
图4是一种误差率下10位电流单元平衡和非平衡两种方法下的INL对比示意图；
图5是一种误差率下11位电流单元平衡和非平衡两种方法下的INL对比示意图；
图6是一种误差率下12位电流单元平衡和非平衡两种方法下的INL对比示意图。
(五)具体实施方式
本发明包括现有的特定开关顺序下高位电流源单元结构，其通过调整每个象限电流源单元矩阵的两侧最外边的列MOS管的宽长比(W/L)，调整其电流大小，使其与同一象限内其它列电流源单元所产生的电流大小不相等，用这种非平衡的电流差来抵消系统带来的二阶误差。所述每个象限电流源单元矩阵的两侧最外边的列MOS管的长度不变，根据制造厂家进行CMOS工艺生产自身所带来的二次误差对所述每个象限电流源单元矩阵的两侧最外边的列MOS管的宽度进行调整。
下面结合实施例进一步描述本发明
实施例一：10位精度的高速高精度电流舵型数模转换器，其低位电流单元由4个二进位电流源单元组成，其高位电流单元控制6高位，其包括63个电流源单元，这63个电流源单元在实际芯片中物理版图的摆放位置中每个单元分成四部分组成，这四部分分别在四个象限对称放置，其在每个象限形成个8×8的矩阵，其分为8行8列，其中多余的一个单元为冗余单元，由于其分别在四个象限对称放置，其每个象限内的单元均按照特定的顺序依次打开，以第二象限为例，见图1，从左往右数，物理列的第四列式被打开的第1列，物理列的第五列是被打开的第2列，具体打开的列数顺序见图1中序号所示，从上往下数，物理行的第四行是被打开的第1行，物理行的第五行是被打开的第2行，具体打开的行数顺序见图1中序号所示。在第1列对应行的电流源单元按照开关顺序全部打开后，第2列按照其开关顺序对应打开，依次类推。其中CMOS工艺生产自身所带来的二阶误差为0.024％，其63个电流源单元的MOS管的长度均为L，其中第1、2、3、4、5、6列MOS管的宽度均为W，第7列MOS管的宽度为0.99W，第8列MOS管的宽度为1.01W。
通过对第7列和第8列MOS管宽度的调整后，其INL示意图见图3中的a线，其工艺相同，且每列的MOS的宽度均为W的INL示意图见图3中的b线，图3中，a线的INL(LSB)的范围为-3.3～1.1，b线的INL(LSB)的范围为-3.3～4.5，图3中的横坐标代表依次序打开的各个电流单元序号，纵坐标代表积分非线性误差(INL)。
实施例二：10位精度的高速高精度电流舵型数模转换器，其低位电流单元由4个二进位电流源单元组成，其高位电流单元控制6高位，其包括63个电流源单元，这63个电流源单元在实际芯片中物理版图的摆放位置中每个单元分成四部分组成，这四部分分别在四个象限对称放置，其第二象限结构图见图1。其中CMOS工艺生产自身所带来的二阶误差为0.032％，其63个电流源单元的MOS管的长度均为l，其中第1、2、3、4、5、6列MOS管的宽度均为w，第7列MOS管的宽度为0.985w，第8列MOS管的宽度为1.015w。
通过对第7列和第8列MOS管宽度的调整后，其INL示意图见图4中的c线，其工艺相同，且每列的MOS的宽度均为w的INL示意图见图4中的d线，图4中，c线的INL(LSB)的范围为-4.5～1.6，d线的INL(LSB)的范围为-4.5～6，图4中的横坐标代表依次序打开的各个电流单元序号，纵坐标代表积分非线性误差(INL)。
实施例三：11位精度的高速高精度电流舵型数模转换器，其低位电流单元由5个二进位电流源单元组成，其高位电流单元控制6高位，其包括63个电流源单元，这63个电流源单元在实际芯片中物理版图的摆放位置中每个单元分成四部分组成，这四部分分别在四个象限对称放置，其第二象限结构图见图1。其中CMOS工艺生产自身所带来的二阶误差为0.036％，其63个电流源单元的MOS管的长度均为l′，其中第1、2、3、4、5、6列MOS管的宽度均为w′，第7列MOS管的宽度为0.98w′，第8列MOS管的宽度为1.02w′。
通过对第7列和第8列MOS管宽度的调整后，其INL示意图见图5中的e线，其工艺相同，且每列的MOS的宽度均为w′的INL示意图见图5中的f线，图5中，e线的INL(LSB)的范围为-4.9～1.8，f线的INL(LSB)的范围为-5～6.7，图5中的横坐标代表依次序打开的各个电流单元序号，纵坐标代表积分非线性误差(INL)。
实施例四：12位精度的高速高精度电流舵型数模转换器，其低位电流单元由6个二进位电流源单元组成，其高位电流单元控制6高位，其包括63个电流源单元，这63个电流源单元在实际芯片中物理版图的摆放位置中每个单元分成四部分组成，这四部分分别在四个象限对称放置，其第二象限结构图见图1。其中CMOS工艺生产自身所带来的二阶误差为0.04％，其63个电流源单元的MOS管的长度均为L′，其中第1、2、3、4、5、6列MOS管的宽度均为W′，第7列MOS管的宽度为0.975W′，第8列MOS管的宽度为1.025W′。
通过对第7列和第8列MOS管宽度的调整后，其INL示意图见图6中的g线，其工艺相同，且每列的MOS的宽度均为W′的INL示意图见图6中的h线，图6中，g线的INL(LSB)的范围为-5.3～2.1，h线的INL(LSB)的范围为-5.6～7.4，图6中的横坐标代表依次序打开的各个电流单元序号，纵坐标代表积分非线性误差(INL)。
Claims (2)
1.电流舵型数模转换器的高位电流源单元非平衡设计方法，其包括现有的特定开关顺序下高位电流源单元结构，其特征在于：其通过调整每个象限电流源单元矩阵的两侧最外边的列MOS管的宽长比(W/L)，调整其电流大小，使其与同一象限内其它列电流源单元所产生的电流大小不相等，用这种非平衡的电流差来抵消系统带来的二阶误差。
2.根据权利要求1所述的电流舵型数模转换器的高位电流源单元非平衡设计方法，其特征在于：所述每个象限电流源单元矩阵的两侧最外边的列MOS管的长度不变，根据制造厂家进行CMOS工艺生产自身所带来的二次误差对所述每个象限电流源单元矩阵的两侧最外边的列MOS管的宽度进行调整。
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