CN110837016A - 精密匹配电阻阵列及其校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种精密匹配电阻阵列及其校准方法，所述方法包括：S1、通过第一控制元件和/或第二控制元件对可调电阻进行校准，使增益精度达到增益阈值和/或匹配精度达到匹配阈值；S2、控制固定电阻周边的相对电场场强，使固定电阻的电压线性度达到线性度阈值。本发明的电阻阵列由多个独立电阻组成，能够集成于一个芯片内，具有较高的集成度；电阻阵列具有高增益精度、高匹配精度及高线性度的优点。

Description

精密匹配电阻阵列及其校准方法

技术领域

本发明属于电路技术领域，具体涉及一种精密匹配电阻阵列及其校准方法。

背景技术

集成电路设计中需要用到电阻阵列，现有技术中的电阻阵列通常为分立式，分立电阻由多个独立电阻组成，分立电阻实现增益精度约为0.1％，匹配度约为0.1％，随着集成电路的发展，对器件的集成度、增益精度、和匹配度等具有较高的要求，如增益精度和匹配度需达到0.001％，现有技术中分立电阻则无法满足上述要求。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种精密匹配电阻阵列及其校准方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精密匹配电阻阵列及其校准方法，以实现电阻阵列的高增益精度、高匹配精度及高线性度。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种精密匹配电阻阵列，所述电阻阵列包括串联于输入端和输出端之间的固定电阻和可调电阻，所述固定电阻包括若干串联设置的电阻对，可调电阻包括串联设置的串联单元和并联单元，所述串联单元包括若干串联设置的第一电阻、及分别与第一电阻并联设置的第一控制元件，所述并联单元包括若干并联设置的第二电阻、及分别与第二电阻串联设置的第二控制元件，所述可调电阻的阻值通过第一控制元件和/或第二控制元件进行调节。

一实施例中，所述电阻对包括串联设置的第三电阻及第四电阻。

一实施例中，所述第一控制元件和/第二控制元件为短路开关。

一实施例中，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻为poly电阻或薄膜电阻。

一实施例中，所述电阻阵列包括串联于第一输入端和第一输出端之间的第一固定电阻和第一可调电阻、及串联于第二输入端和第二输出端之间的第二固定电阻和第二可调电阻。

本发明另一实施例提供的技术方案如下：

一种精密匹配电阻阵列的校准方法，所述方法包括：

S1、通过第一控制元件和/或第二控制元件对可调电阻进行校准，使增益精度达到增益阈值和/或匹配精度达到匹配阈值；

S2、控制固定电阻周边的相对电场场强，使固定电阻的电压线性度达到线性度阈值。

一实施例中，所述步骤S1包括：

S11、通过第一可调电阻中的第一控制元件和/或第二控制元件对第一可调电阻进行校准，使得第一固定电阻与第一可调电阻达到第一增益阈值和/或第一匹配阈值；

S12、通过第二可调电阻中的第一控制元件和/或第二控制元件对第二可调电阻进行校准，使得第二固定电阻与第二可调电阻达到第二增益阈值和/或第二匹配阈值，且，第一可调电阻和第二可调电阻整体达到第三匹配阈值。

一实施例中，所述步骤S1中，通过第一控制元件和/或第二控制元件对可调电阻进行校准具体为：

控制可调电阻中第一控制元件的短路或开路状态，对可调电阻中串联单元的阻值进行校准；

控制可调电阻中第二控制元件的短路或开路状态，对可调电阻中并联单元的阻值进行校准。

一实施例中，所述第二增益阈值小于第一增益阈值，第二匹配阈值小于第一匹配阈值，且第三匹配阈值小于第一匹配阈值。

一实施例中，所述步骤S3中，控制固定电阻周边的相对电场场强包括：

通过控制电阻对中第三电阻与第四电阻之间的电压、第三电阻与第四电阻两端的电压、及电路布局形成的相对电场分布，使每个电阻对的相对电场场强一致。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的电阻阵列由多个独立电阻组成，能够集成于一个芯片内，具有较高的集成度；

电阻阵列具有高增益精度、高匹配精度及高线性度的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一具体实施例中电阻阵列的电路原理图；

图2为本发明一具体实施例中可调电阻的电路原理图；

图3为本发明一具体实施例中固定电阻的电路原理图；

图4为本发明一具体实施例中固定电阻校准方法的流程示意图；

图5a、5b分别为本发明一具体实施例中固定电阻形成相对电场分布的原理图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

并且，应当理解的是尽管术语第一、第二等在本文中可以被用于描述各种元件或结构，但是这些被描述对象不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将这些描述对象彼此区分开。例如，第一电阻可以被称为第二电阻，并且类似地第二电阻也可以被称为第一电阻，这并不背离本申请的保护范围。

本发明公开了一种精密匹配电阻阵列，该电阻阵列包括串联于输入端和输出端之间的固定电阻和可调电阻，固定电阻包括若干串联设置的电阻对，可调电阻包括串联设置的串联单元和并联单元，串联单元包括若干串联设置的第一电阻、及分别与第一电阻并联设置的第一控制元件，并联单元包括若干并联设置的第二电阻、及分别与第二电阻串联设置的第二控制元件，可调电阻的阻值通过第一控制元件和/或第二控制元件进行调节。

优选地，电阻对包括串联设置的第三电阻及第四电阻。

本发明还公开了一种精密匹配电阻阵列的校准方法，包括：

S1、通过第一控制元件和/或第二控制元件对可调电阻进行校准，使增益精度达到增益阈值和/或匹配精度达到匹配阈值；

S2、控制固定电阻周边的相对电场场强，使固定电阻的电压线性度达到线性度阈值。

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

参图1所示，本发明一具体实施例中的电阻阵列包括串联于输入端和输出端之间的固定电阻和可调电阻，其中，第一固定电阻R1A和第一可调电阻R1B串联于输入端INP和输出端OUTP之间，第二固定电阻R2A和第二可调电阻R2B串联于输入端INN和输出端OUTN之间，进一步地，第一固定电阻R1A和第一可调电阻R1B之间与输入端INP_M相连，第二固定电阻R2A和第二可调电阻R2B之间与输入端INP_N相连。

结合图2所示，本实施例中的可调电阻包括串联设置的串联单元和并联单元，以第二可调电阻R2B为例，其包括串联单元S和并联单元P，串联单元包括若干串联设置的第一电阻、及分别与第一电阻并联设置的第一控制元件，第一电阻和第一控制元件并联形成若干单元S1、S2…SN，并联单元包括若干并联设置的第二电阻、及分别与第二电阻串联设置的第二控制元件，第二电阻和第二控制元件串联形成若干单元P1、P2…PN。

本实施例中的第一控制元件和第二控制元件为短路/开路控制元件，其可以为短路开关等，可调电阻的阻值通过第一控制元件和第二控制元件进行调节，串联单元S的总电阻为所有第一控制元件为开路状态对应的所有第一电阻的串联阻值，并联单元P的总电阻为所有第二控制元件为短路状态对应的所有第二电阻的并联阻值。

结合图3所示，本实施例中的固定电阻包括若干串联设置的电阻对，每个电阻对包括串联设置的第三电阻及第四电阻。以第二固定电阻R2A为例，其包括N个电阻对，第一个电阻对包括第三电阻R2A_1A和第四电阻R2A_1B，第二个电阻对包括第三电阻R2A_2A和第四电阻R2A_2B，…，第N个电阻对包括第三电阻R2A_NA和第四电阻R2A_NB。

应当理解的是，虽然本实施例中第一电阻和第一控制元件的数量、第二电阻、和第二控制元件的数量、电阻对的数量均以N标示，但各个N的值可以相等，也可以不等。

参图4所示，本发明中精密匹配电阻阵列的校准方法，其包括以下步骤：

S1、通过第一控制元件和/或第二控制元件对可调电阻进行校准，使增益精度达到增益阈值和/或匹配精度达到匹配阈值；

S2、控制固定电阻周边的相对电场场强，使固定电阻的电压线性度达到线性度阈值。

其中，步骤S1包括：

S11、通过第一可调电阻中的第一控制元件和/或第二控制元件对第一可调电阻进行校准，使得第一固定电阻与第一可调电阻达到第一增益阈值和/或第一匹配阈值；

S12、通过第二可调电阻中的第一控制元件和/或第二控制元件对第二可调电阻进行校准，使得第二固定电阻与第二可调电阻达到第二增益阈值和/或第二匹配阈值，且，第一可调电阻和第二可调电阻整体达到第三匹配阈值。

优选地，第二增益阈值小于第一增益阈值，第二匹配阈值小于第一匹配阈值，且第三匹配阈值小于第一匹配阈值。

另外，步骤S1中通过第一控制元件和/或第二控制元件对可调电阻进行校准具体为：

控制可调电阻中第一控制元件的短路或开路状态，对可调电阻中串联单元的阻值进行校准；

控制可调电阻中第二控制元件的短路或开路状态，对可调电阻中并联单元的阻值进行校准。

本发明的步骤S1通过各种校准方法(如激光校正、模拟开关控制、或者metal Fuse等)，同时实现高增益及高匹配度特性。

本发明一具体实施例中步骤S1的具体校准方法如下：

参图2所示，第一固定电阻R1A和第二固定电阻R2A为内部高度匹配的不可调电阻，第一可调电阻R1B和第二可调电阻R2B的阻值可调。通过调整第一可调电阻R1B和第二可调电阻R2B的电阻阻值实现高增益精度以及高匹配度。

具体方法：

首先校准第一可调电阻R1B，使R1A/R1B的增益精度和匹配精度满足0.001％以上的要求；

然后再调整第二可调电阻R2B，使其同时满足R2A/R2B的增益精度和匹配精度要求，如小于0.001％，同时满足匹配精度{R1A/R1B/(R2A/R2B)-1}的要求，如小于0.001％。

具体校准第一可调电阻R1B或第二可调电阻R2B的方法中，校准分为粗调(S1，S2，...SN组成)和精调(P1，P2，...PN组成)。

粗调通过各种校准方式来实现S1/S2/SN等方框内的短路和开路，控制第一电阻串联的大小，实现大电阻阻值可调；

精调通过各种校准方式来实现P1/P2/PN等方框内的开路和短路，控制第二电阻并联的大小，从而实现精细小电阻微调。

该方明通过各种特定的方法，来实现电阻的高线性度，线性度包括温度线性度和电压线性度。

本发明中利用半导体工艺一致性，来实现电阻的温度线性度，避免分立器件制备材料不匹配导致电阻间的材料差异，从而导致线性度变差。该发明中利用传统半导体工艺，采用材质非常稳定的poly电阻、或者高性能薄膜电阻来实现温度相关的线性度。由于半导体工艺指标中，电阻材料非常稳定，因此其电阻R1A/R1B或者R2A/R2B的比值温度特性可以做到非常低，比如小于1ppm。

本发明的步骤S2中主要通过控制固定电阻周边的相对电场场强，来实现电阻的电压线性度，使固定电阻的电压线性度达到线性度阈值。

如图3所示，通过控制电阻对中第三电阻与第四电阻之间的电压、第三电阻与第四电阻两端的电压、及电路Layout布局形成的相对电场分布，使N个电阻对的相对电场场强一致。R1A/R2A/R1B/R2B都由类似的电阻对组成，那么R1A/R1B或者R2A/R2B的比值电压系数会非常小，那么电阻的电压线性度就非常高。

具体地，形成相对电场分布可以通过如下方法：

参图5a所示，以第三电阻R2A_1A和第四电阻R2A_1B形成的电阻对为例进行说明，取相邻两个电阻R2A_1A和R2A_1B的中间电压作为电阻对的衬底电位，这样可以降低电阻对两端的电压差，同时降低两端对衬底的电势差，降低电阻对周边电势差，提高线性度。

参图5b所示，形成相对电场分布还可以通过如下方法：

以第三电阻R2A_1A和第四电阻R2A_1B形成的电阻对为例进行说明，取相邻两个电阻R2A_1A和R2A_1B的中间电压作为两个电阻纵向上极板(金属线)，电阻对两端分别作为各自的下极板。这样让一个电阻对中两个电阻分别看到不同方向的电势场强，平衡电场对电阻阻值的影响。

当然，还可以通过其他方法来形成相对电场分布，此处不再一一举例进行赘述。

上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明的电阻阵列由多个独立电阻组成，能够集成于一个芯片内，具有较高的集成度；

电阻阵列具有高增益精度、高匹配精度及高线性度的优点。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种精密匹配电阻阵列，其特征在于，所述电阻阵列包括串联于输入端和输出端之间的固定电阻和可调电阻，所述固定电阻包括若干串联设置的电阻对，可调电阻包括串联设置的串联单元和并联单元，所述串联单元包括若干串联设置的第一电阻、及分别与第一电阻并联设置的第一控制元件，所述并联单元包括若干并联设置的第二电阻、及分别与第二电阻串联设置的第二控制元件，所述可调电阻的阻值通过第一控制元件和/或第二控制元件进行调节。

2.根据权利要求1所述的精密匹配电阻阵列，其特征在于，所述电阻对包括串联设置的第三电阻及第四电阻。

3.根据权利要求1所述的精密匹配电阻阵列，其特征在于，所述第一控制元件和/第二控制元件为短路开关。

4.根据权利要求2所述的精密匹配电阻阵列，其特征在于，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻为poly电阻或薄膜电阻。

5.根据权利要求1所述的精密匹配电阻阵列，其特征在于，所述电阻阵列包括串联于第一输入端和第一输出端之间的第一固定电阻和第一可调电阻、及串联于第二输入端和第二输出端之间的第二固定电阻和第二可调电阻。

6.一种精密匹配电阻阵列的校准方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、通过第一控制元件和/或第二控制元件对可调电阻进行校准，使增益精度达到增益阈值和/或匹配精度达到匹配阈值；

S2、控制固定电阻周边的相对电场场强，使固定电阻的电压线性度达到线性度阈值。

7.根据权利要求6所述的校准方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

S11、通过第一可调电阻中的第一控制元件和/或第二控制元件对第一可调电阻进行校准，使得第一固定电阻与第一可调电阻达到第一增益阈值和/或第一匹配阈值；

S12、通过第二可调电阻中的第一控制元件和/或第二控制元件对第二可调电阻进行校准，使得第二固定电阻与第二可调电阻达到第二增益阈值和/或第二匹配阈值，且，第一可调电阻和第二可调电阻整体达到第三匹配阈值。

8.根据权利要求6所述的校准方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过第一控制元件和/或第二控制元件对可调电阻进行校准具体为：

控制可调电阻中第一控制元件的短路或开路状态，对可调电阻中串联单元的阻值进行校准；

控制可调电阻中第二控制元件的短路或开路状态，对可调电阻中并联单元的阻值进行校准。

9.根据权利要求7所述的校准方法，其特征在于，所述第二增益阈值小于第一增益阈值，第二匹配阈值小于第一匹配阈值，且第三匹配阈值小于第一匹配阈值。

10.根据权利要求6所述的校准方法，其特征在于，所述步骤S3中，控制固定电阻周边的相对电场场强包括：

通过控制电阻对中第三电阻与第四电阻之间的电压、第三电阻与第四电阻两端的电压、及电路布局形成的相对电场分布，使每个电阻对的相对电场场强一致。

Images