CN102130687A - 一种数模转换器的电流源开关阵列的序列排布方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数模转换器的电流源开关阵列的序列排布方法，所述开关阵列包括(2n)²个按(2n)*(2n)的阵列形式排列的电流源开关，其中，n为偶数，所述序列排布方法包括一维方向排布步骤和二维方向排布步骤，其中，一维方向排布步骤，是将每横排的2n个电流源开关的序列按层次式对称开关序列排布。采用本发明序列排布方法的电流源开关阵列能够有效地抑制梯度误差与对称误差，即减小数模转换器的静态误差，以保证数模转换器的高精度。

Description

一种数模转换器的电流源开关阵列的序列排布方法

技术领域

本发明涉及电能计量领域，尤其涉及一种数模转换器的电流源开关阵列的序列排布方法。

背景技术

对于高精度DAC(即数模转换器)而言，电路的误差预防和修正时非常重要的。以输出电流为30mA的15位DAC为例，能分辨的最小模拟电流：

由此可见，对DAC而言，即使是很小的误差都会造成输出模拟信号的动态静态性能变差。DAC的误差一般可以分为两类：第一类称为静态误差，它存在与静态操作过程中，且与时间无关，与DAC的工作频率范围无关；第二类称为动态误差，这种误差会使DAC的性能在高频处变得很差。

由于对于DAC而言，要满足高速度、高精度的要求，一般都会采用电流源型DAC，并且为了减少DAC的微分非线性误差与积分非线性误差，通常会采用分段式电流舵结构，因此，现针对电流舵型DAC结构，对影响其精度的重要因素之一，即静态误差进行详细介绍。

在DAC中，产生静态误差的非理想因素一般可以分为两类：随机误差与系统误差。

随机误差主要是由一些随机因素，如制版误差、光刻误差以及掺杂浓度的随机起伏造成，结果是使数据转换器中匹配单元的特征属性，如电流、压降、阻值等呈随机正态分布。具体来说，由于DAC电流源间的失配是在IC制作过程中产生的，在光刻、离子注入等工艺的影响下，容易使晶体管的参数发生变化，因此，即使两个完全相同的MOS管距离非常接近，它们还是会存在细微的差别，从而产生随机误差。由于随机误差的存在，电流源阵列中的电流源与参考电流IREF在镜像时会产生偏差，因此，就要求电流源的匹配精度必须保证随机误差不会显著降低DAC的性能参数。

两个特征尺寸完全相同、距离为D的MOS管饱和电流之间的标准差的计算公式为：

$\frac{{\mathrm{\σ}}^2\left(I\right)}{I^2}=\frac{4{\mathrm{\σ}}^2\left(V_T\right)}{{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^2}+\frac{{\mathrm{\σ}}^2\left(\mathrm{\β}\right)}{{\mathrm{\β}}^2}---\left(1\right),$

其中，

为电流源阵列中饱和电流的标准偏差；(V_gs-V_T)为电流源的过驱动电压；

且Aβ与

分别为大信号增益失调常数与阈值电压失调常数，是铸造工艺参数，WL为MOS管的面积，

为小信号阈值电压失调常数，

为小信号增益失调常数。

由公式(1)可知，

${\left(\mathrm{WL}\right)}_{\min }=\frac{1}{2}[A_{\mathrm{\β}}^2+\frac{4A_{V_T}^2}{{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^2}]/{\left(\frac{\mathrm{\σ}\left(I\right)}{I}\right)}^2---\left(2\right),$

由公式(2)可知，增加MOS管的面积即可有效降低随机误差的影响。但是随着MOS管面积的增大，整个芯片面积增大，同时寄生电容增大，使电路速度降低。另一方面，在相同的σ(I)值下，增加MOS管的过驱动电压(V_gs-V_T)可以减小MOS管的面积，反之，若过驱动电压(V_gs-V_T)过大，则输出摆幅降低，导致SNR(signal to noise ratio，信号噪音比)下降。因此电流源的设计必须在速度、面积、失配、动态性能之间做出折衷。一般来说，DAC的DNL(Differential nonlinearity，微分非线性误差)＜1LSB，以保证DAC的单调性；DAC的INL(Integral nonlinearity，积分非线性误差)＜0.5LSB，以保证DAC的输出变化量在量化误差的范围内。

同时，在单位电流源阵列中，各单位电流源的输出并不完全一致，除了随机误差的影响，还受系统误差的影响。

系统误差主要由电路结构、版图结构或工艺加工中存在的一些特定因素造成，比如掺杂浓度的梯度、电源线上的压降、芯片的热分布等，它导致单位电流的误差匹配按一定的规律分布。比如在芯片中某一特定方向呈一定的梯度分布或对称分布。系统误差主要有以下四种：梯度误差、对称误差、边缘误差、电流源有效输出阻抗的影响，这里重点介绍梯度误差、对称误差对DAC的影响。

在数模混合设计中，模拟电压源经由芯片封装的外端引脚输入芯片，模拟电源的大小将直接影响电流源的过驱动电压，造成电流源上的电流发生变化。实际上，外端引脚到内部PMOS电流源之间用金属线连接，当电流经过金属线时会产生电压降。由于芯片内电流源阵列中的各个电流源与外端引脚的距离不同，每个电流源的本地模拟电源电压会有差异，导致电流源产生的电流大小不同，从而在输出端产生失真，引起梯度误差；另外，芯片工作时，由于内部温度不一致，导致其热分布不均匀，从而造成对称误差。

单位电流源中开关序列的选择是限制DAC的INL的原因之一。现有技术中，一般是按照如图1(a)所示的传统式对称开关序列，打开对称处于中心两边的单位电流源开关的，如此一来，由一个单位电流源引起的梯度误差就可以被与其对称放置的另一个单位电流源所产生的误差抵消，即可以补偿单位电流源的梯度误差；例如，当数字信号输入为4，则序列标号为1、2、3、4的单位电流源开关动作，分别由它们控制的单位电流源1、2、3、4会开启，由图1(b)可知，由单位电流源1、3所引起的梯度误差会被单位电流源2、4所引起的梯度误差所抵消；然而由图1(c)可知，单位电流源产生的对称误差却不能被抵消，从而导致了较差的INL。由此可见，现有的电流源开关的序列排布方式并不能满足DAC的精度要求。

鉴于上述原因，现在迫切需要对DAC的电流源开关阵列的序列排布方式进行改进，以减小电流舵型DAC的静态误差。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种数模转换器的电流源开关阵列的序列排布方法，以减小数模转换器的静态误差，从而保证数模转换器的高精度。

本发明所述的一种数模转换器的电流源开关阵列的序列排布方法，所述开关阵列包括(2n)2个按(2n)*(2n)的阵列形式排列的电流源开关，其中，n为偶数，所述序列排布方法包括下列步骤：

一维方向排布步骤，将每横排的2n个电流源开关的序列按层次式对称开关序列排布；

二维方向排布步骤，由上至下、由左至右地按以分别位于第一排第一列、第一排第二列、第二排第一列和第二排第二列的4个电流源开关为一组、以分别位于第一排第三列、第一排第四列、第二排第三列和第二排第四列的4个电流源开关为一组、以分别位于第三排第一列、第三排第二列、第四排第一列和第四排第二列的4个电流源开关为一组，直至以分别位于第2n-1排第2n-1列、第2n-1排第2n列、第2n排第2n-1列和第2n排第2n列的4个电流源开关为一组的方式，将所述开关阵列分为n²个按n*n的阵列形式排列的开关单元，将每个开关单元内的电流源开关的序列按以对角线对称的方式排布，并使位于同一对角线上的所有开关单元内的且位于该对角线上的电流源开关的序列相同。

由于采用了上述的技术解决方案，通过本发明序列排布方法的电流源开关阵列，其开关序列在一维方向上是基于层次性排布的，并且在二维方向上的排布过程中，将每个开关单元内的电流源开关的序列按以对角线对称的方式排布，并使位于同一对角线上的所有开关单元内的且位于该对角线上的电流源开关的序列相同，由于层次式对称开关序列在可以抵消梯度误差的基础上，克服传统式对称开关序列不能抵消对称误差的缺点，因此，采用本发明序列排布方法的电流源开关阵列能够有效地抑制梯度误差与对称误差，即减小数模转换器的静态误差，以保证数模转换器的高精度。

附图说明

图1(a)是现有技术中传统式对称开关序列示意图；

图1(b)是现有技术中传统式对称开关的梯度误差分布图；

图1(c)是现有技术中传统式对称开关的对称误差分布图；

图2(a)是本发明一种数模转换器的电流源开关阵列的序列排布方法中层次式对称开关序列示意图；

图2(b)是基于图2(a)的层次式对称开关的梯度误差分布图；

图2(c)是基于图2(a)的层次式对称开关的对称误差分布图；

图3是采用本发明序列排布方法的电流源开关阵列的具体实施例的序列示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例进行详细说明。

请参阅图2(a)、(b)、(c)和图3，在本发明中，开关阵列包括(2n)²个按(2n)*(2n)的阵列形式排列的电流源开关1’，其中，n为偶数，在本实施例中，n的取值为8，即开关阵列包括16²个按16*16的阵列形式排列的电流源开关1’。

以本实施例为例，本发明的电流源开关阵列的序列排布方法包括下列步骤：

一维方向排布步骤，将每横排的16个电流源开关1’的序列按层次式对称开关序列排布(下文中将对这种现有的层次式对称开关序列进行说明)；

二维方向排布步骤，由上至下、由左至右地按以分别位于第一排第一列、第一排第二列、第二排第一列和第二排第二列的4个电流源开关1’为一组、以分别位于第一排第三列、第一排第四列、第二排第三列和第二排第四列的4个电流源开关1’为一组、以分别位于第三排第一列、第三排第二列、第四排第一列和第四排第二列的4个电流源开关1’为一组，直至以分别位于第15排第15列、第15排第16列、第16排第15列和第16排第16列的4个电流源开关1’为一组的方式，将开关阵列分为8²个按8*8的阵列形式排列的开关单元2’，将每个开关单元2’内的电流源开关1’的序列按以对角线对称的方式排布，并使位于同一对角线上的所有开关单元2’内的且位于该对角线上的电流源开关1’的序列相同。

下面首先对一维方向排布步骤中的层次式对称开关序列的原理进行说明：

通常，芯片的掺杂浓度和氧化层厚度会造成电流源矩阵的线性误差；而温度误差、梯度误差和硅片的应力会造成二次项误差。现把系统误差仅看作位置的函数，以电流源阵列中心为原点建立直角坐标系，将电流源的电流值进行泰勒展开，忽略三次方以上的项可得：

$i(x,y)=\left[\begin{array}{cccc}1& x& x^2& x^3\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}{a}_{00}& a_{10}& a_{20}& a_{30}\\ a_{01}& a_{11}& a_{21}& 0\\ a_{02}& a_{12}& 0& 0\\ a_{03}& 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}1\\ y\\ y^2\\ y^3\end{array}\right]---\left(3\right)$

$=(a_{00}+a_{01}\mathrm{xy}+a_{02}{x}^2{y}^2+a_{03}{x}^3{y}^3)+(a_{10}+a_{11}\mathrm{xy}+a_{12}{x}^2{y}^2)+(a_{20}+a_{21}\mathrm{xy})+a_{30}$

由公式(3)可以看出奇次方项关于原点对称，偶次方项关于X、Y轴对称，因此，采用层次式对称开关序列能有效抑制系统误差对DAC的影响。

举例来说，在如图2(a)所示的层次式对称开关序列中，假设数字信号输入依次递增，则首先序列标号为1的电流源开关动作，使由它控制的电流源1导通，然后电流源2依次导通，电流源2上的的输出电流叠加在电流源1之上，此时，如图2(c)所示，电流源1引起的对称性误差被电流源2抵消；然而两者引起的梯度误差不能相互抵消，而是叠加起来；接着，电流源3和电流源4依次开启，同理，电流源3和电流源4引起的对称误差被抵消，此时，如图2(b)所示，电流源1和电流源2引起的梯度误差被电流源3和电流源4引起的梯度误差所抵消；依次类推，随着数字信号输入的递增，由某对电流源开关控制的电流源所引起的梯度误差会被由下一对电流源开关控制的电流源所引起的梯度误差抵消，由某个电流源开关控制的电流源所引起的对称误差会被由下一个电流源开关控制的电流源所引起的对称误差抵消。由此可见，采用层次式对称开关序列在可以抵消梯度误差的基础上，还克服了传统式对称开关序列不能抵消对称误差的缺点，从而满足了DAC对INL的要求。

在实际运用中，由于电流源开关阵列是个二维分布的，因此采用二维方向排布步骤，以形成整个电流源开关阵列的序列排布。本实施例中，给出了如图3所示的一种电流源开关阵列的序列排布图，由图3中可知，在一维方向上，每排的16个电流源开关1’的序列是基于层次对称开关序列排布的，同时，在二维方向上，每个开关单元2’内的电流源开关1’的序列是按以对角线对称的方式排布，而且位于同一对角线上的所有开关单元2’内的且位于该对角线上的电流源开关r的序列相同；例如，在由位于第一排第一列、第一排第二列、第二排第一列和第二排第二列的4个电流源开关1’组成的开关单元2’里，4个电流源开关1’的序列标号分别为14、10、10、14，即以对角线对称分布；在与上述开关单元2’位于同一对角线上的由位于第三排第三列、第三排第四列、第四排第三列和第四排第四列的4个电流源开关1’组成的开关单元2’里，4个电流源开关1’的序列标号分别为14、5、5、14，即两组开关单元2’的位于同一对角线上的电流源开关1’的序列标号相同，均为14。

由层次式对称开关序列的原理可知，由采用上述序列排布方法的电流源开关阵列所控制的电流源阵列能够有效的抑制梯度误差与对称误差，从而有效减小数模转换器的静态误差，以保证数模转换器的高精度。

另外，在实际的设计过程中，为了保证阵列边缘的电流源与阵列内部的电流源外部环境一致，减小版图布局所引起的边缘误差，可以在基于本发明的电流源开关阵列的序列排布方法所形成的电流源阵列的外部加上一圈Dummy器件(冗余器件)，使得所有电流源的外部环境完全一致。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种数模转换器的电流源开关阵列的序列排布方法，所述开关阵列包括(2n)²个按(2n)*(2n)的阵列形式排列的电流源开关，其中，n为偶数，其特征在于，所述序列排布方法包括下列步骤：

一维方向排布步骤，将每横排的2n个电流源开关的序列按层次式对称开关序列排布；

二维方向排布步骤，由上至下、由左至右地按以分别位于第一排第一列、第一排第二列、第二排第一列和第二排第二列的4个电流源开关为一组、以分别位于第一排第三列、第一排第四列、第二排第三列和第二排第四列的4个电流源开关为一组、以分别位于第三排第一列、第三排第二列、第四排第一列和第四排第二列的4个电流源开关为一组，直至以分别位于第2n-1排第2n-1列、第2n-1排第2n列、第2n排第2n-1列和第2n排第2n列的4个电流源开关为一组的方式，将所述开关阵列分为n²个按n*n的阵列形式排列的开关单元，将每个开关单元内的电流源开关的序列按以对角线对称的方式排布，并使位于同一对角线上的所有开关单元内的且位于该对角线上的电流源开关的序列相同。

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