CN104143982B - 一种用于sar型adc的小面积dac电容阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于SAR型ADC的小面积DAC电容阵列，该DAC电容阵列对应C‑2C梯形电容网络电路，由多个重复单元水平紧凑排列形成；每个重复单元包括位电容Cn、寄生电容Cp、阶间电容Cs和阶间并联电容Cx；所述的寄生电容Cp与位电容Cn共阳极，阴极接地；所述的阶间并联电容Cx与阶间电容Cs并联后，一端与位电容Cn阳极连接，另一端与相邻侧重复单元的位电容Cn阳极连接；所述的位电容Cn之间和阶间电容Cs之间均设有横向寄生电容Cx0；所述的位电容Cn之间和阶间电容Cs之间均存在纵向寄生电容Cp0。与现有技术相比，本发明具有分辨率高、面积小、利用率高等优点。

Description

一种用于SAR型ADC的小面积DAC电容阵列
技术领域
本发明涉及一种DAC电容阵列，尤其是涉及一种用于SAR型ADC的小面积DAC电容阵列。
背景技术
SAR(逐次逼近寄存器)型ADC(模拟数字转换器)是采样速率低于5Msps(每秒百万次采样)的中等至高分辨率应用的常见集成电路模数转换器结构。SAR型ADC的分辨率一般为8位至16位，具有低功耗、小尺寸等特点。这些特点使该类型ADC具有很宽的应用范围。SAR型ADC中与精度相关的重要组成部分——DAC有多种构成结构，常见的主要有纯电阻型、电阻电容混合型、纯电容(电荷重分配)型。其中纯电容型DAC因为其噪声小，制作精度高，而被广泛使用。
纯电容型DAC一般为了确保电容精度，使用金属-绝缘层-金属型电容(MIMCAP)。因为二进制加权电容在8位以上分辨率时，面积需求显著增大，现今主流的纯电容型DAC的电容阵列主要分成2阶(附图1)或3阶(附图2)来制作，以减少面积消耗。由于寄生电容的影响，下一阶对上一阶的实际电荷分配贡献要比原理图中的小，于是需要在阶与阶之间的阶间电容Cs上增加一个并联电容Cx(附图3)，用以平衡寄生电容Cp的影响。也有直接增加Cs电容容值的做法。因为寄生电容的关系，理论上可行的C-2C梯形电容阵列(附图4)DAC也因为没有较好的寄生电容抵消策略而使用甚少。
由于寄生电容和电路电容并不成比例，所以需要增加的并联电容Cx也和电容阵列里的电容尺寸不一，另外Cs的尺寸也不相同。为控制精度，通常还需要在Cs、Cx周围增加电容DUMMY，这样阶与阶间的这块电路的版图通常比较突兀，面积利用率低，实际制作精度也不好，限制了小面积DAC的分辨率提升，同时对工艺参数极度敏感。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种分辨率高、面积小、利用率高的用于SAR型ADC的小面积DAC电容阵列。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于SAR型ADC的小面积DAC电容阵列，其特征在于，该DAC电容阵列对应C-2C梯形电容网络电路，由多个重复单元水平紧凑排列形成；
每个重复单元包括位电容Cn、寄生电容Cp、阶间电容Cs和阶间并联电容Cx；所述的寄生电容Cp与位电容Cn共阳极，阴极接地；
所述的阶间并联电容Cx与阶间电容Cs并联后，一端与位电容Cn阳极连接，另一端与相邻侧重复单元的位电容Cn阳极连接；所述的位电容Cn之间和阶间电容Cs之间均设有横向寄生电容Cx0；所述的位电容Cn之间和阶间电容Cs之间均存在纵向寄生电容Cp0。
相邻重复单元的位电容并联设置。
该DAC电容阵列为8阶以上。
该DAC电容阵列采用C-2C梯形电容阵列排布，即位电容Cn=C，阶间电容Cs=2C。
所述的寄生电容Cp=2Cp0，阶间并联电容Cx=6Cx0，
为了使C-2C电容容值匹配，需要满足如下公式：
由此公式推导，可得：
所述的横向寄生电容Cx0决定各个电容之间的距离。
本发明小面积DAC电容阵列使用某集成电路工艺制作的金属电容，采用四铝以上工艺，其位电容所产生的下极板对地寄生电容即纵向寄生电容Cp0可由测量抽取值计算得出，通过公式计算出横向寄生电容，再通过寄生电容抽取，得到横向寄生电容容值对应的电容间距，最终得到本发明所阐述的DAC电容阵列。
与现有技术相比，本发明基于现今越来越纯熟的半导体集成工艺制作技术，大胆地使用寄生效应来解决寄生效应本身的问题，从而使版图设计更紧凑，设计出的DAC面积更小(只需要3*DA位数个电容单元，且呈规则阵列状)，成本更低。
附图说明
图1为2阶DAC电容阵列的结构示意图；
图2为3阶DAC电容阵列的结构示意图；
图3为多阶DAC电容阵列实际结构示意图；
图4为C-2C梯形电容阵列的结构示意图；
图5为C-2C梯形电容阵列的重复单元电路原理；
图6为本发明电容阵列的俯视结构示意图(以8位为例)；
图7为阶间电容Cs X方向的结构示意图；
图8为阶间电容C X方向的结构示意图；
图9为阶间电容C Y方向的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例：
如图6-9所述，一种用于SAR型ADC的小面积DAC电容阵列，该DAC电容阵列对应C-2C梯形电容网络电路，由多个重复单元水平紧凑排列形成；
每个重复单元包括位电容Cn、寄生电容Cp、阶间电容Cs和阶间并联电容Cx；所述的寄生电容Cp与位电容Cn共阳极，阴极接地；
所述的阶间并联电容Cx与阶间电容Cs并联后，一端与位电容Cn阳极连接，另一端与相邻侧重复单元的位电容Cn阳极连接；所述的位电容Cn之间和阶间电容Cs之间均设有横向寄生电容Cx0；所述的位电容Cn之间和阶间电容Cs之间均存在纵向寄生电容Cp0。
相邻重复单元的位电容并联设置。该DAC电容阵列为8阶。
图6为C-2C梯形电容阵列排布(俯视图)，设定电容间距足够小，同时铝层厚度尽量大，则在两个电容的同层极板之间会产生一个横向寄生电容Cx0，如附图7-9所示。利用这个Cx0去平衡寄生电容Cp=2*Cp0的影响。由于C-2C梯形电容阵列的Cs的数量为位电容C的2倍，因此得到的总Cx=6*Cx0，并且位电容C也增加了一个Cx0，这都对平衡Cp0的影响产生了积极的作用。同时，由于两个电容都是由同一种材料和尺寸形成的，它们的相对值一旦匹配上，工艺的偏差对其影响不会太大。
电容间距的取值不能按照现有工艺的规定，因为现有工艺为了减少寄生效应的影响以及工艺控制方面的考虑将间距规定在某个值以上。在这个发明中，横向寄生电容是要被利用起来的，所以需要人为的将电容间距进一步减小，同时需要尽量增加金属层厚度，为减少匹配难度，电容下极板也必须尽可能的离衬底远(即尽量使用高层金属)。可通过寄生电容抽出模型计算值设计并试产，以实际结果评判距离的适合值。
为了使C-2C电容容值匹配，需要满足如下公式：
由此公式推导，可得：
本发明DAC电容阵列使用某集成电路工艺制作的金属电容，采用四铝工艺，其单位电容所产生的下极板对地寄生电容即位纵向寄生电容Cp0可由测量抽取值计算得出，通过公式计算出横向寄生电容，再通过寄生电容抽取，得到横向寄生电容容值对应的电容间距，最终得到本发明所阐述的DAC电容阵列。

Claims (4)

1.一种用于SAR型ADC的小面积DAC电容阵列，其特征在于，该DAC电容阵列对应C-2C梯形电容网络电路，由多个重复单元水平紧凑排列形成；
每个重复单元包括位电容Cn、寄生电容Cp、阶间电容Cs和阶间并联电容Cx；所述的寄生电容Cp与位电容Cn共阳极，阴极接地；
所述的阶间并联电容Cx与阶间电容Cs并联后，一端与位电容Cn阳极连接，另一端与相邻侧重复单元的位电容Cn阳极连接；所述的位电容Cn之间和阶间电容Cs之间均设有横向寄生电容Cx0；所述的位电容Cn之间和阶间电容Cs之间均存在纵向寄生电容Cp0；
该DAC电容阵列采用C-2C梯形电容阵列排布，即位电容Cn＝C，阶间电容Cs＝2C；
所述的寄生电容Cp＝2Cp0，阶间并联电容Cx＝6Cx0，
为了使C-2C电容容值匹配，需要满足如下公式：
<mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mfrac> <mrow> <mi>C</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>Cx</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>Cp</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>C</mi> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>Cx</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> <mo>(</mo> <mi>C</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>Cx</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>2</mn> <mi>C</mi> <mo>+</mo> <mn>6</mn> <msub> <mi>Cx</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mi>C</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>Cx</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow>
由此公式推导，可得：
<mrow> <msub> <mi>Cx</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <mn>0.5</mn> <mo>*</mo> <msub> <mi>Cp</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>*</mo> <mi>C</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>C</mi> <mo>-</mo> <mn>1.5</mn> <msub> <mi>Cp</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mn>4</mn> </mfrac> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mi>C</mi> <mo>-</mo> <mn>1.5</mn> <msub> <mi>Cp</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
2.根据权利要求1所述的一种小面积DAC电容阵列，其特征在于，相邻重复单元的位电容并联设置。
3.根据权利要求1所述的一种小面积DAC电容阵列，其特征在于，该DAC电容阵列为8阶以上。
4.根据权利要求1所述的一种小面积DAC电容阵列，其特征在于，所述的横向寄生电容Cx0决定各个电容之间的距离。
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