CN107704647A - 电流数模转换器及其布局方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流数模转换器及其布局方法，所述电流数模转换器包括多路并联的电流源，每路电流源至少串联一个控制开关，通过输入数字信号来控制所述控制开关的通断，多路并联电流源的公共端作为输出端，输出模拟信号；将所述每路电流源分别分成多个电流源单元，每路中的所述多个电流源单元串联，所述多个电流源单元分布在所述电流数模转换器的不同位置。本发明通过对电流源的合理布局来提高芯片输出电流的准确性。

Description

电流数模转换器及其布局方法

技术领域

本发明涉及一种数模转换技术领域，特别涉及一种电流数模转换器及其布局方法。

背景技术

数字模拟转换器(Digital-to-Analog Converter，简称为DAC)的积分非线性(INL)和微分非线性(DNL)是表征其性能的两个重要指标。其中，积分非线性(INL)是表征数模转换器的输出理想值与实际转换值之间的偏差。

图1为现有技术的电流数字模拟转换器(DAC)的电路图，图1包括多个并联的大小相同的电流源，如电流源01、02、03、......、n。所述的多个并联电流源输出端接地，输入端通过串联一开关后连接至公共连接点，公共连接点连接至所述电流DAC的输出端。输入一串数字编码(由1或0组成)控制开关通断，进而控制DAC的输出电流。

电流数字模拟转换器(DAC)的多个电流源在芯片上的传统布局如图2所示。图2中的I1、I2、I3、......、IN为每个电流源的电流，代表其在芯片上的排列位置。一个电流DAC输入一串数字编码，输出一个电流，N个电流DAC输入N串数字编码，输出N个电流。以输入的一串数字编码为横坐标，对应输出的电流为纵坐标，这样得到若干个坐标点，根据获得的坐标点画出函数曲线，即输出的实际函数曲线。理论上，输出曲线是一条过原点的理想直线，而在实际中由于多种因素导致芯片的输出曲线不是线性的，如图3所示，Digital表示输入的数字信号，Analog表示输出的模拟信号，实际输出曲线与理论输出曲线存在偏差。图3中以a、b、c、d四个坐标点为例，根据图3中的坐标点，可以得知实际的输出函数为如图3中所示的曲线函数。

由于每个电流源的随机误差不同，即每个电流源产生的电流不可能完全相同；同时也由于热传导，应力等的梯度效应的影响，例如靠近芯片功率部分的热量要高，使得靠近芯片功率部分的电流源受到的影响也大，以及划片时靠近边缘的电流源受到的应力大等因素影响，使得每个电流源输出的电流也是不同的，最终造成了芯片的输出曲线较大地偏离了理想直线，从而影响精度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种提升精度的电流数模转换器的布局方法，解决现有技术存在的布局不合理而降低精度的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种电流数模转换器的布局方法，所述电流数模转换器包括多路并联的电流源，每路电流源至少设有一个控制开关，通过输入数字信号来控制所述控制开关的通断，多路并联电流源的公共端作为输出端，得到输出模拟信号；

将所述每路电流源分别分成N个电流源单元，所述N个电流源单元分布在所述电流数模转换器的不同位置；

每个电流源单元为相应路电流源的等分值，其大小等于相应路电流源的1/N。

可选的，所述多路并联电流源有M路，从每路电流源中选择一个电流源单元，形成一个由M个不同路的电流源单元组成的排列区，按照上述规则得到N个所述排列区。

可选的，每个排列区的电流源单元随机排列成规则或不规则形状。

可选的，每个排列区的电流源单元采用中心对称的方式排列，每两个电流源单元呈中心对称，若为奇数，则加入冗余的电流源单元予以补足，从几何上将电流数模转换器分为四个象限，两个呈中心对称排布的电流源单元分别位于对角的两个象限。

可选的，将M路电流源按照控制顺序进行排序，所述每个排列区中的M个不同路的电流源单元依序配对排布，第一对的两个电流源单元呈中心对称排布在两个对角的象限，则第二对的两个电流源单元呈中心对称排布在另外两个对角的象限，依此规则交替排布。

可选的，每路电流源中的每个电流源单元包括至少一个电流镜管，该路电流源包括至少一个共栅管，所述共栅管的源极与该路中的所有电流镜管的漏极连接，所述电流镜管与所述共栅管共同组成共源共栅电流镜。

可选的，每路电流源包括至少一个控制开关和至少一个共源共栅电流镜，所述的控制开关与所述共源共栅电流镜串联。

可选的，所述的数字信号由计算器输出计数信号，并经解码器解码后得到，所述控制开关与所述解码器的单元一一对应排列。

可选的，所述电流数模转换器的输出端采用输出总线实现，所述的控制开关与所述解码器的单元分别位于输出总线的两侧，并各自排列成一排。

本发明还提供一种电流数模转换器，包括多路并联的电流源，每路电流源串联一个控制开关，通过输入数字信号来控制所述控制开关的通断，多路并联电流源的公共端作为输出端，得到输出模拟信号；

将所述每路电流源分别分成N个电流源单元，所述N个电流源单元分布在所述电流数模转换器的不同位置；

所述多路并联电流源有M路，从每路电流源中选择一个电流源单元，形成一个由M个不同路的电流源单元组成的排列区，按照上述规则得到N个所述排列区。

与现有技术相比，本发明之技术方案具有以下优点：本发明将数模转换器中的每路电流源分别分成多个电流源单元，所述多个电流源单元分布在所述电流数模转换器的不同位置，即按一定的排列方式分布集成在芯片上，将相同输入的数字编码累计成一个数字编码作为横坐标，将对应的输出累加作为纵坐标，得到一系列坐标点，得到的坐标点均匀分布在理想输出曲线的两侧，根据得到的坐标点进行线性拟合，得到拟合后的输出函数曲线，本发明得到的拟合函数曲线与理想输出曲线接近，可以提高芯片输出电流的准确性。

附图说明

图1为现有技术数模转换器的电路原理示意图；

图2为现有技术数模转换器的电流源排列示意图；

图3为现有技术数模转换器的电流输出曲线示意图；

图4为本发明数模转换器的电流源排列示意图；

图5为本发明数模转换器的电流输出曲线示意图；

图6为本发明中电流源的结构示意图；

图7为本发明的版图排布示意图；

图8为本发明的效果对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。

为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图4所示，示意了本发明数模转换器电流源的一种排列方式，即将所述每路电流源分别分成多个电流源单元，每个电流源单元为相应路电流源的等分值，所述多个电流源单元分布在所述电流数模转换器的不同位置。图4中共有64个电流源单元，并按图中所示的排列方式分布在芯片上。图中的1、2、3、......、16，分别代表每路电流源I1、I2、I3、......、I16的1/4倍，即将每个电流源分成4份电流源单元。

本发明设计的电流DAC版图匹配与布局方法不仅仅限于图4所示的实施例，本发明也可以将需要输出的各个电流平均分成2份、3份、5份等，按照图4所示的版图布局方式分布在芯片上，也可以设置多份如图4所示的版图布局方式，将他们进行组合排布。

所述多路并联电流源有M路，从每路电流源中选择一个电流源单元，形成一个由M个不同路的电流源单元组成的排列区，按照上述规则得到N个所述排列区。在本附图的实施例中，具有16路并联的电流源，由于每路电流源分成4份电流源单元，选取每路其中的1份，共16个电流源单元，组成一个排列区，由图中可以看出，本实施例按照上述规则形成了4个排列区。一个排列区已经将16个电流源单元随机排列成规则或不规则形状，起到了减小误差和提高电流精度的作用，同时所成的4个排列区又进行排列，进一步提高了精度。

所述的排列方式也多种情况，除了随机排列，在规则排列中，本实施例列举了中心对称的方式，即每个排列区的电流源单元采用中心对称的方式排列，每2个电流源单元呈中心对称，若为奇数，则加入冗余的电流源单元予以补足，从几何上将电流数模转换器分为四个象限，两个呈中心对称排布的电流源单元分别位于对角的两个象限。所述的冗余的电流源单元是指不接入或直接接地的电流源单元，即不需要参与电流输出的。所述的象限是几何上虚拟的位置，对其引入是为了更好地说明本发明的技术方案。

为了进一步提高精度，将M路电流源按照控制顺序进行排序，所述每个排列区中的M个不同路的电流源单元依序配对排布，第一对的两个电流源单元呈中心对称排布在两个对角的象限，则第二对的两个电流源单元呈中心对称排布在另外两个对角的象限，依此规则交替排布。按照这种规则，当选择前两路电流源时，由于排列的位置是相对的，因而电流源的误差方向也是相反的，因此，对于配对的两个电流源单元所在路的电流源，第二路电流源的误差能够抵消第一路的误差。

如图5所示，示意了本发明电流输出曲线，并将其与理想曲线、现有技术输出曲线进行对比。在输入相应数字信号的情况下，作为横坐标，会控制某一路或多路的电流源接入，每路电流源的大小由4个电流源单元合计而成，从而输出相应的表征输出电流的模拟信号，作为纵坐标，得到一个坐标点，以此类推，可以得到的一系列坐标点。由于每个电流源存在自然误差以及芯片热传导和应力的影响，电流DAC实际输出与理想输出存在一定的偏差。由于每个电流源(I1、I2、I3、......、I16)平均分成四份分开分布在芯片上，因而上述得到的坐标点会分布在理想输出曲线的两边。将本发明得到坐标点进行线性拟合，得到拟合后的函数曲线，本发明线性拟合后的函数曲线非常接近理想的输出函数曲线，即精度明显高于现有技术。现有技术的电流DAC版图布局下得到的坐标点，以a、b、c、d四个点为例，本发明实例中电流DAC版图布局下得到的坐标点，以A、B、C、D四个点为例。本实施例中虽然以16个电流源为例，但不限于这样的实施例。本实施例所述的电流DAC版图布局方式并不限定各个电流源单元的位置，还可以将上述所述的1放在芯片中央，2放在芯片边缘，3放在芯片中央，等等，以此类推。

如图6所示，示意了本发明中电流源的结构，每路电流源中的每个电流源单元包括至少一个电流镜管M1，该路电流源包括至少一个共栅管M2，所述共栅管M2的源极与该路中的所有电流镜管M2的漏极连接，所述电流镜管M1与所述共栅管M2共同组成共源共栅电流镜。每路电流源包括至少一个控制开关和至少一个共源共栅电流镜，所述的控制开关与所述共源共栅电流镜串联。本实施例中，控制开关SWITCH与所述共栅管M2一一对应，以图4中实现每路4个电流源单元为例，附图6中设置有4个表征电流源单元的电流镜管M1，并组成两对，其中每对中的两个电流镜管M1共源共栅，该对所在的支路上设有一个共栅管M2，并在该支路串联有一个控制开关SWITCH，另外一个支路为同样的结构，其中两个支路中的共栅管M2的栅极连接。本附图结构表示一路电流源，通过同时控制两个控制开关SWITCH的导通和截止来接入和断开该路的电流源。

如图7所示，示意了本发明的版图排布结构。所述的数字信号由计算器COUNTER输出计数信号，并经解码器DECODER解码后得到，所述控制开关SWITCH与所述解码器单元DECODER CELL一一对应排列。所述电流数模转换器的输出端采用输出总线实现，所述的控制开关SWITCH与所述解码器单元DECODER CELL分别位于输出总线的两侧，并各自排列成一排。这样的版图排布有利于信号的传输，从而进一步提升精度。本附图与图6相对应，将图6结构作为其中一路电流源，一个电流镜管M1作为一个电流源单元，即每路电流源设有两个控制开关SWITCH、两个共栅管M2和4个电流镜管M1。

如图8所示，示意了本发明的效果对比情况，一种为本发明中未采用特殊规则的情况下的误差情况，另一种则为本发明中采用了特殊的中心对称排布的误差情况(以图4的实施例为例)，可见，误差较为均匀的，即精度较高的为本发明如图4排序的误差情况，从数据上论证了本发明优选方案的技术效果。

虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电流数模转换器的布局方法，所述电流数模转换器包括多路并联的电流源，每路电流源至少设有一个控制开关，通过输入数字信号来控制所述控制开关的通断，多路并联电流源的公共端作为输出端，得到输出模拟信号；

将所述每路电流源分别分成N个电流源单元，所述N个电流源单元分布在所述电流数模转换器的不同位置；

每个电流源单元为相应路电流源的等分值，其大小等于相应路电流源的1/N。

2.根据权利要求1所述的电流数模转换器的布局方法，其特征在于，所述多路并联电流源有M路，从每路电流源中选择一个电流源单元，形成一个由M个不同路的电流源单元组成的排列区，按照上述规则得到N个所述排列区。

3.根据权利要求2所述的电流数模转换器的布局方法，其特征在于，每个排列区的电流源单元随机排列成规则或不规则形状。

4.根据权利要求2所述的电流数模转换器的布局方法，其特征在于，每个排列区的电流源单元采用中心对称的方式排列，每两个电流源单元呈中心对称，若M为奇数，则加入冗余的电流源单元予以补足，从几何上将电流数模转换器分为四个象限，两个呈中心对称排布的电流源单元分别位于对角的两个象限。

5.根据权利要求4所述的电流数模转换器的布局方法，其特征在于，将M路电流源按照控制顺序进行排序，所述每个排列区中的M个不同路的电流源单元依序配对排布，第一对的两个电流源单元呈中心对称排布在两个对角的象限，则第二对的两个电流源单元呈中心对称排布在另外两个对角的象限，依此规则交替排布。

6.根据权利要求3所述的电流数模转换器的布局方法，其特征在于，每路电流源中的每个电流源单元包括至少一个电流镜管，该路电流源包括至少一个共栅管，所述共栅管的源极与该路中的所有电流镜管的漏极连接，所述电流镜管与所述共栅管共同组成共源共栅电流镜。

7.根据权利要求6所述的电流数模转换器的布局方法，其特征在于，每路电流源包括至少一个控制开关和至少一个共源共栅电流镜，所述的控制开关与所述共源共栅电流镜串联。

8.根据权利要求1或2所述的电流数模转换器的布局方法，其特征在于，所述的数字信号由计算器输出计数信号，并经解码器解码后得到，所述控制开关与所述解码器的单元一一对应排列。

9.根据权利要求5所述的电流数模转换器的布局方法，其特征在于，所述电流数模转换器的输出端采用输出总线实现，所述的控制开关与所述解码器的单元分别位于输出总线的两侧，并各自排列成一排。

10.一种电流数模转换器，包括多路并联的电流源，每路电流源至少串联一个控制开关，通过输入数字信号来控制所述控制开关的通断，多路并联电流源的公共端作为输出端，得到输出模拟信号；其特征在于：

将所述每路电流源分别分成多个电流源单元，所述多个电流源单元分布在所述电流数模转换器的不同位置；

所述多路并联电流源有M路，从每路电流源中选择一个电流源单元，形成一个由M个不同路的电流源单元组成的排列区，按照上述规则得到N个所述排列区。