CN103647556B - 电流舵数模转换器电流源阵列的版图结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流舵数模转换器的电流源阵列的版图结构，该数模转换器输入信号的高n位为温度计编码，所述电流源阵列的版图结构包括由2ⁿ个温度计型电流源单元I₁～I₂ ⁿ构成的电流源阵列，每一所述温度计型电流源单元具有M个并联的子电流源，所述电流源阵列包括M个子阵列，每一所述子阵列包括2ⁿ个分别属于不同所述温度计型电流源单元的子电流源，n为大于等于1的正整数，M为大于等于2的正整数；对于任一所述温度计型电流源单元，其形心位于所述电流源阵列的几何中心。本发明能够提高数模转换器的精度。

Description

电流舵数模转换器电流源阵列的版图结构

技术领域

本发明涉及CMOS模拟电路技术领域，特别涉及一种电流舵数模转换器电流源阵列的版图结构。

背景技术

电流舵型数字模拟转换器的温度计编码是一种1进制编码形式，每一位只有“0”或者“1”两种状态，而且“1”只能连续出现在低位，“0”不能出现在“1”中间，“1”也不能出现在“0”中间。图1所示的15位温度计码数模转换器结构简图。从图中可以看出，它有15个电流数值相同为4I₀的电流源并联构成，每个电流源对应的通路上都有一个双向数字开关用以控制这个电流源的电流流向。该电路具有两路差分输出，输出电流为：Ioutput-A=(T15+T14+T13+…+T2+T1)×(4I₀)

在实现图1所示的4I₀电流源阵列时，由于工艺偏差及温度梯度的影响，各个电流源单元的输出会有偏差，因此对电流源阵列的匹配要求非常高。被广泛应用的四象限随机游动式开关(Quad-Quadratic Random Walk Switching,Q2-RW)常用来对电流源阵列进行布局。如图2所示为一个有16个电流源单元（电流源单元为I₁、I₂…I₁₆）的阵列结构，将电流源单元距离量化及归一化后，如图3所示，

假设工艺参数及温度梯度函数为：f(x,y)=a+bx+cx²+dx³+…+ey+gy²+hy³+…+ixy+…(其中a,b,c,d,e,g,h,i不全为0)，以电流源单元I₁、I₂为例，其工艺参数及温度梯度绝对值为：

f(I₁)=f(1,4)=a+b+c+d+…+4e+16g+64h+…+4i+…

f(I₂)=f(4,2)=a+4b+16c+64d+…+2e+4g+8h+…+8i+…

则I₁、I₂电流源单元之间因为工艺及温度梯度的不匹配为：

Δ=f(I1)-f(I2)=-3b-15c-63c+…+2e+12g+56h+…-4i+…≠0

由上式可知，I₁和I₂电流源单元的失配包含一阶、二阶及高阶项，且数值较大，即失配较严重，这会造成各电流源单元在相同输入下具有不相等的输出绝对值，使转换器的精度降低。

发明内容

本发明的主要目的旨在提供一种具有二阶失配补偿的电流舵型数模转换器电流源阵列版图结构，以提高数模转换器的精度。

为达成上述目的，本发明提供一种电流舵数模转换器的电流源阵列的版图结构，所述数模转换器输入信号的高n位为温度计编码，所述电流源阵列的版图结构包括由2ⁿ个温度计型电流源单元I₁～I₂ ⁿ构成的电流源阵列，每一所述温度计型电流源单元具有M个并联的子电流源，所述电流源阵列包括M个子阵列，每一所述子阵列包括2ⁿ个分别属于不同所述温度计型电流源单元的子电流源，n为大于等于1的正整数，M为大于等于2的正整数；对于任一所述温度计型电流源单元，其形心位于所述电流源阵列的几何中心。

优选地，所述电流源阵列中，至少有两个温度计型电流源单元，其M个子电流源在第一方向上的投影位置完全相同，且在第二方向上的投影位置也完全相同，其中所述第二方向与所述第一方向垂直。

优选地，所述电流源阵列的版图结构包括16个温度计型电流源单元，每一所述温度计型电流源单元具有4个并联的子电流源，所述电流源阵列包括4个排列为方形的子阵列，每一所述子阵列包括16个排列为方形且分别属于不同所述温度计型电流源单元的子电流源。

优选地，每一所述温度计型电流源单元的4个子电流源在所述电流源阵列的第一方向的投影位置和/或第二方向的投影位置均不相同。

优选地，对于任一所述温度计型电流源单元，其位于各子阵列的4个子电流源在所述电流源阵列的第一方向的投影以X-0-0-X-0-X-X-0或0-X-X-0-X-0-0-X的方式排列，在所述电流源阵列的第二方向的投影以Y-0-0-Y-0-Y-Y-0或0-Y-Y-0-Y-0-0-Y的方式排列，其中X、Y表示子电流源，0表示空。

优选地，所述的温度计型电流源单元由温度计码信号控制打开和关闭。

本发明的有益效果在于，通过将线性的温度计型电流源单元构成的电流源阵列转换为多个由子电流源构成的子阵列，并将各子电流源按一定的规律排列，使每一温度计型电流源单元的形心位于电流源阵列的几何中心，可以减小由工艺偏差及温度梯度引起的不同电流源单元之间的失配，从而提高数模转换器的精度。

附图说明

图1为现有技术的15位温度计码数模转换器结构示意图；

图2为现有技术中具有16个电流源单元的四象限随机游动式开关的结构图；

图3所示为图2所示的结构在距离归一化后的示意图；

图4是本发明一较佳实施例电流源阵列在距离归一化后的布局示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

本发明的电流舵数模转换器可以是温度计码电流舵数模转换器或分段式电流舵数模转换器。本实施以应用在55nm CMOS工艺中的10位的电流舵型数模转换器为例，对本发明加以说明。该数模转换器的高4位采用温度计编码形式，将该高4位二进制码转换为线性的15位温度计码，温度计码信号Ti/TiB（i=1～15，Ti和TiB为互补信号）分别控制具有电流I的电流源单元。

本发明在实现15位温度计码电流舵数模转换器时，将16个温度计型电流源单元I₁～I₁₆构成电流源阵列，而每一个电流源单元则由4个子电流源I'_i（i=1～16）并联构成，因此每个子电流源I'的电流大小减为电流源单元I的电流四分之一，因此每一个温度计码信号控制其对应的电流源单元的4个子电流源同时打开或关闭。如图4所示，电流源阵列包括4个子阵列，而每个子阵列均由分别属于不同温度计型电流源单元的I'₁至I'₁₆的16个子电流源构成。这样就将温度计型电流源单元I₁～I₁₆构成的电流源阵列布局成4个子阵列，且每个子阵列也都具有电流大小为原来四分之一的16个不同的子电流源，图中相同数字仅仅代表相同数字的子电流源同时开关，数字顺序不分先后。其中，对于任一个温度计型电流源单元，它的形心（即4个子电流源I'_i的形心）位于电流源阵列的几何中心。如图4所示，4个子阵列成正方形排布，且每一个子阵列由16个正方形排布的子电流源组成，因此电流源阵列的几何中心位于该正方形的中心处。当然在其他实施例中，子阵列或子电流源也可呈其它形状排布，如矩形或圆形等。由于电流源单元是由MOS晶体管实现的，且各个MOS晶体管的规格尺寸相同，本实施例中通过将电流源单元在距离上进行量化归一至X轴和Y轴的二维平面，将电流源阵列对应到该二维平面的X轴和Y轴的坐标系中以方便说明。假设以图4所示的距离归一化后的电流源阵列的左下角为原点，则电流源阵列的几何中心的坐标（x₀，y₀），在本实施例中几何中心坐标为（4.5,4.5），对于任一温度计型电流单元的4个子电流源I'_i1，I'_i2，I'_i3，I'_i4在该二维平面也具有其相对应的坐标，且其X轴的坐标分别与几何中心坐标x₀之间的差值Δx_i的和∑_Δx_i1～x_i4为0，同样的，在Y轴的坐标分别与几何中心坐标y₀之间的差值Δy_i的和∑y_i1～i4为0，这样就可以实现温度计型电流源单元的形心与电流源阵列的几何中心重合。图4阵列中的数字代表相应的子电流源，以子电流源I'₁为例，其在X轴的坐标分别为1,4,6,7，与几何中心坐标投影在X轴的坐标x₀的差值为-3.5，-0.5,1.5和2.5，其和为0。同样的，投影在Y轴上的坐标分别为3,5,8和2，与几何中心坐标投影在Y轴的坐标y₀的差值为-1.5,0.5,3.5和-2.5，其和同样为0。

每一温度计型电流源单元的形心位于电流源阵列的几何中心，意味着温度计电流源单元的子电流源的坐标在X（Y）轴上的投影与几何中心坐标在X（Y）轴上的投影差值之和为0，换言之，每一温度计电流源单元的子电流源在X（Y）轴上的投影的坐标之和也都是一个固定值，在本实施例中X轴坐标之和为几何中心坐标X轴坐标x₀的4倍，Y轴坐标之和为几何中心的Y轴坐标y₀的4倍。

根据工艺及温度梯度场函数为：f(x,y)=a+bx+cx²+dx³+…+ey+gy²+hy³+…+ixy+…(其中a,b,c,d,e,g,h,i不全为0)，观察阵列后，设f1、f2为实数，得到如下式：

f(I₁)=f(1,3)+f(4,5)+f(6,8)+f(7,2)=f1

f(I₂)=f(2,7)+f(3,1)+f(5,4)+f(8,6)=f2

代入工艺及温度梯度函数f(x,y)计算后，得到：

f1=a+18b+…+18e+…+85i+…

f2=a+18b+…+18e+…+85i+…

f1、f2为各单元的绝对值，电流源单元I₁和I₂之间的一阶失配为Δf12=f1-f2。

根据上式可以发现，通过本发明的阵列结构的版图设计，电流源单元I₁和I₂之间的一阶失配都为0，由此可以实现电流源单元之间的失配减小。

较佳的，为了进一步减小电流源单元失配，在本发明的电流源阵列版图结构中，至少有两个温度计型电流源单元，其在X方向和与之垂直的Y方向上的投影位置完全相同，对应于距离归一化后在X轴上和Y轴上的投影位置完全相同。如图4所示，电流源单元I₁和I₇在距离归一化投影在X（Y）轴上的坐标完全相同，投影在X轴上的坐标分别为1,4,6和7，投影在Y轴上的坐标分别为2,3,5和8，则

f(I₁)=f(I₇)=f(1,3)+f(4,5)+f(6,8)+f(7,2)=f1

电流源单元I₁和I₇的输出绝对值相等，达到完全匹配。

进一步地，为了使电流源单元之间的匹配度更高，需要使投影坐标完全相同的能够实现完全匹配的电流源单元更多，因此本发明进一步要对阵列版图结构进行设计，使得对于一个温度计型电流源单元来说，其子电流源在X方向的投影位置不重合（即进行距离量化归一后在X轴方向的投影坐标不重合），且在Y方向的投影位置不重合（即进行距离量化归一后在Y轴方向的投影坐标不重合），由此能够增加具有相同投影坐标的电流源单元。请参考图4，在图4所示的距离归一量化后的版图布局中，每个温度计型电流单元的4个子电流源在X轴对应的4个坐标是不同的，同样在Y轴对应的4个坐标也不同，如此一来，可以实现4个温度计型电流单元在X轴投影后坐标相同且在Y轴投影后坐标相同，在本实施例中，电流源单元I₁，I₇，I₁₀和I₁₆每一个的4个子电流源投影在X轴4个坐标均是1,4,6和7，投影在Y轴的4个坐标均为1,4,6和7；电流源单元I₂，I₈，I₉和I₁₅每一个的4个子电流源投影在X轴的4个坐标为2,3,5和8，投影在Y轴上的4个坐标均为2,3,5和8；电流源单元I₃，I₅，I₁₂和I₁₄每一个的4个子电流源投影在X轴4个坐标均1,4,6和7，投影在Y轴上的4个坐标均为2,3,5和8；电流源单元I₄，I₆，I₁₁和I₁₃每一个的4个子电流源投影在X轴的4个坐标为2,3,5和8，投影在Y轴的4个坐标均为1,4,6和8。设f1、f2、f3、f4为实数，得到如下式：

f(I1)=f(I7)=f(I10)=f(I16)=f(1,3)+f(4,5)+f(6,8)+f(7,2)=f1

f(I2)=f(I8)=f(I9)=f(I15)=f(2,7)+f(3,1)+f(5,4)+f(8,6)=f2

f(I3)=f(I5)=f(I12)=f(I14)=f(1,6)+f(4,4)+f(6,1)+f(7,7)=f3

f(I4)=f(I6)=f(I11)=f(I13)=f(2,2)+f(3,8)+f(5,5)+f(8,3)=f4

电流源单元I₁，I₇，I₁₀和I₁₆的电流源失配为0，即在相同输入下，该四个电流源的输出绝对值相等，达到完全匹配。另外还有三组电流源（分别为I₂，I₈，I₉和I₁₅、I₃，I₅，I₁₂和I₁₄以及I₄，I₆，I₁₁和I₁₃）同组之间的失配也为0。

再进一步的，为了减小在不同组电流源单元之间的二阶失配，本实施例中，每一温度计型电流源单元的4个子电流源在X方向上的投影以X-0-0-X-0-X-X-0或0-X-X-0-X-0-0-X的方式排列，在Y方向上的投影Y-0-0-Y-0-Y-Y-0或0-Y-Y-0-Y-0-0-Y的方式排列（X、Y表示子电流源，0表示空）以达到电流源单元的形心位于版图结构几何中心，以及4组温度计型电流源单元中同组的电流源单元之间完全匹配、不同组的电流源单元的二阶和三阶失配减小的最佳效果。具体来说，当每一温度计型电流源单元的4个子电流源以上述方式排列，属于不同组的温度计电流源单元的子电流源在X（Y）轴上的投影的坐标平方之和也都相同。

根据工艺及温度梯度场函数为：f(x,y)=a+bx+cx²+dx³+…+ey+gy²+hy³+…+ixy+…(其中a,b,c,d,e,g,h,i不全为0)，观察阵列后，设f1、f2为实数，得到如下式：

f(I1)=f(I7)=f(I10)=f(I16)=f(1,3)+f(4,5)+f(6,8)+f(7,2)=f1

f(I2)=f(I8)=f(I9)=f(I15)=f(2,7)+f(3,1)+f(5,4)+f(8,6)=f2

f(I3)=f(I5)=f(I12)=f(I14)=f(1,6)+f(4,4)+f(6,1)+f(7,7)=f3

f(I4)=f(I6)=f(I11)=f(I13)=f(2,2)+f(3,8)+f(5,5)+f(8,3)=f4

代入工艺及温度梯度函数f(x,y)计算后，得到：

f1=a+18b+102c+624d+…+18e+102g+672h+…+85i+…

f2=a+18b+102c+672d+…+18e+102g+624h+…+85i+…

f3=a+18b+102c+624d+…+18e+102g+624h+…+77i+…

f4=a+18b+102c+672d+…+18e+102g+672h+…+77i+…

f1、f2、f3、f4为各单元的绝对值，则不同组的各电流源之间的不匹配为：

Δ12=f1-f2=-48d+…+48h+…

Δ13=f1-f3=…+48h+…+8i+…

Δ14=f1-f4=-48d+…+8i+…

Δ23=f2-f3=+48d+…+8i+…

Δ24=f2-f4=…-48h+…+8i+…

Δ34=f3-f4=-48d+…-48h+…

由于不同组的温度计电流源单元的子电流源在X（Y）轴上的投影的坐标平方之和也都相同，因此不仅一阶失配都为0，且二阶失配项中只剩下xy项，二阶和三阶失配项系数较小。另外不同组电流源单元之间的二阶、三阶失配项数字相等，在极性相反的情况下可以约去，进一步减小了偏差，提高了电流源之间的匹配。

综上所述，本发明提出了一种电流舵数模转换器的电流源阵列的版图结构，通过将线性的温度计型电流源单元构成的电流源阵列划分为多个由子电流源构成的子阵列，并将各子电流源按一定的规律排列，使每一温度计型电流源单元的形心位于电流源阵列的几何中心，可以减小由工艺偏差及温度梯度引起的不同电流源单元之间的失配，从而提高数模转换器的精度。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (4)

1.一种电流舵数模转换器的电流源阵列的版图结构，所述数模转换器输入信号的高n位为温度计编码，其特征在于，所述电流源阵列的版图结构包括由2ⁿ个温度计型电流源单元I₁～I₂ ⁿ构成的电流源阵列，每一所述温度计型电流源单元具有M个并联的子电流源，所述电流源阵列包括M个子阵列，每一所述子阵列包括2ⁿ个分别属于不同所述温度计型电流源单元的子电流源，n为大于等于1的正整数，M为大于等于2的正整数；对于任一所述温度计型电流源单元，其形心位于所述电流源阵列的几何中心；

所述电流源阵列中，至少有两个温度计型电流源单元，其在所述电流源阵列版图结构的第一方向上的投影位置完全相同，且在第二方向上的投影位置也完全相同，其中所述第二方向与所述第一方向垂直；

对于任一所述温度计型电流源单元，其位于各子阵列的4个子电流源在所述第一方向的投影以X-0-0-X-0-X-X-0或0-X-X-0-X-0-0-X的方式排列，在所述电流源阵列的所述第二方向的投影以Y-0-0-Y-0-Y-Y-0或0-Y-Y-0-Y-0-0-Y的方式排列，其中X、Y表示子电流源，0表示空。

2.根据权利要求1所述的电流舵数模转换器的电流源阵列版图结构，其特征在于，所述电流源阵列的版图结构包括16个温度计型电流源单元，每一所述温度计型电流源单元具有4个并联的子电流源，所述电流源阵列包括4个排列为方形的子阵列，每一所述子阵列包括16个排列为方形且分别属于不同所述温度计型电流源单元的子电流源。

3.根据权利要求2所述的电流舵数模转换器的电流源阵列版图结构，其特征在于，每一所述温度计型电流源单元在所述第一方向的投影位置和/或所述第二方向的投影位置均不重合。

4.根据权利要求1所述的电流舵数模转换器的电流源阵列版图结构，其特征在于，所述的温度计型电流源单元由温度计码信号控制打开和关闭。