CN117955499A - 一种分段电阻结构的数模转换器版图结构 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种分段电阻结构的数模转换器版图结构，包括：R‑2R电阻网络；温度计码电阻网络，其包括多个码位的电阻支路，且每个码位的电阻支路由八个单位电阻通过串并联的方式形成；桥接电阻网络，其用于桥接所述R‑2R电阻网络和所述温度计码电阻网络，所述桥接电阻网络由四个单位电阻通过串并联的方式形成；其中，所述温度计码电阻网路中的电阻设置于所述桥接电阻网络中各电阻的两侧以形成多组第一对称结构，且多组所述第一对称结构设置于所述R‑2R电阻网络的两侧以形成相对于所述R‑2R电阻网络的第二对称结构。本申请的版图结构可有效提高DAC中电阻的匹配性，进而提高DAC的精度和性能。

Description

一种分段电阻结构的数模转换器版图结构

技术领域

本发明涉及集成电路应用领域，尤其涉及一种分段电阻结构的数模转换器版图结构。

背景技术

数模转换器(Digital-to-Analog Converter,DAC)是具有将数字信号加权转化为模拟信号功能的一种集成电路设计，随着集成电路不断的发展，对高精度高性能的DAC需求日益增加。DAC的种类可以根据电路加权方式的不同，划分为电压型、电荷型、电流型三种，其中电流型DAC又有R-2R梯形电阻结构、二进制加权电阻结构、温度计码型等结构。传统R-2R梯形电阻二进制算法引入的误差将精度限制到8-10位，对于10位及以上的DAC，可以通过分段方式结合不同结构的优势，兼顾精度，面积，速度等优点来改善其性能。

对于传统N位精度的分段电阻结构的DAC，采用增加温度计码位数来提高DAC精度，但是温度计码位数越多，电阻个数和开关数量会以指数级增加，版图面积也会急剧增加。

发明内容

鉴于以上现有技术存在的问题，本发明提出一种分段电阻结构的数模转换器版图结构，主要解决现有现有模数转换电路中电阻之间匹配性不高的问题。

为了实现上述目的及其他目的，本发明采用的技术方案如下。

本申请提供一种分段电阻结构的数模转换器版图结构，包括：R-2R电阻网络；温度计码电阻网络，其包括多个码位的电阻支路，且每个码位的电阻支路由八个单位电阻通过串并联的方式形成；桥接电阻网络，其用于桥接所述R-2R电阻网络和所述温度计码电阻网络，所述桥接电阻网络由四个单位电阻通过串并联的方式形成；其中，所述温度计码电阻网路中的电阻设置于所述桥接电阻网络中各电阻的两侧以形成多组第一对称结构，且多组所述第一对称结构设置于所述R-2R电阻网络的两侧以形成相对于所述R-2R电阻网络的第二对称结构。

在本申请一实施例中，所述电阻支路中的八个单位电阻两两并联后串联，将不同电阻支路中相同连接位置的单位电阻归入一个小组，得到八个电阻分组；每两个电阻分组之间设置一个桥接电阻网络中的单位电阻形成所述第一对称结构，其中，所述第一对称结构的两个电阻分组中的归属于同一电阻支路的单位电阻为相互并联的单位电阻。

在本申请一实施例中，每个码位的所述电阻支路的阻值为两个单位电阻。

在本申请一实施例中，所述桥接电阻网络的阻值为一个单位电阻。

在本申请一实施例中，奇数的电阻分组中不同码位的单位电阻的排布方式相同，偶数的电阻分组中不同码位的单位电阻的排布方式相同，且奇数的电阻分组中不同码位的单位电阻的排布方式与偶数的电阻分组中不同码位的单位电阻的排布方式相反。

在本申请一实施例中，所述温度计码电阻网络包括七个码位，则第一个电阻分组、第三个电阻分组、第五个电阻分组中对应码位的单位电阻排布方式包括：第一个码位对应的单位电阻设置于中间位置，第六个码位以及第七个码位对应的单位电阻分别设置于所述第一个码位对应的单位电阻两侧，第二码位对应的单位电阻设置于所述第六码位对应的单位电阻远离所述第一码位对应的单位电阻的一侧；所述第三码位对应的单位电阻设置于所述第七码位对应的单位电阻远离所述第一码位对应的单位电阻的一侧，所述第四码位对应的单位电阻设置于所述第二码位对应的单位电阻远离所述第六码位对应的单位电阻的一侧，所述第五码位对应的单位电阻设置于所述第三码位对应的单位电阻远离所述第七码位对应的单位电阻的一侧。

在本申请一实施例中，在同一所述第一对称结构中，电阻分组相对于所述桥接电阻网络中的单位电阻呈中心对称。

在本申请一实施例中，多个所述第一对称结构分别设置于所述R2R网络相对的两侧，且同侧的各第一对称结构呈中心对称。

在本申请一实施例中，在所述第二对称结构中，各所述第一对称结构相对于所述R2R电阻网络呈中心对称。

如上所述，本申请提供的一种分段电阻结构的数模转换器版图结构，具有以下有益效果。

本申请在不额外增加温度计码位数和开关的基础上，通过设计温度计码电阻网络和桥接电阻网络的电路结构，可提高高位电阻、桥接电阻的匹配性，降低电阻阵列受应力梯度的影响，以较小的开销极大地提升了数模转换器的精度和性能。

附图说明

图1为传统DAC的电路结构示意图。

图2为本申请一实施例中分段电阻结构的数模转换器版图结构的局部示意图。

图3为本申请一实施例中桥接电阻网络的电路结构示意图。

图4为本申请一实施例中温度计码电阻网络中其中一个码位对应的电阻结构。

图5为本申请一实施例中N位DAC电阻版图布局方式的示意图。

图6为本申请一实施例中第1、3、5、7组电阻分组的布局方式示意图。

图7为本申请一实施例中第2、4、6、8组电阻分组的布局方式示意图。

图8为本申请一实施例中12位DAC的版图结构示意图。

图9为本申请一实施例中12位DAC的电路结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

经发明人研究发现：

请参阅图1，图1为传统DAC的电路结构示意图。对于传统N位精度的分段电阻结构的DAC，常用的方式是将DAC高3位转换为7位的温度计码T0～T6，低位D_N-4-D₀采取R-2R电阻网络，可以结合R-2R结构型速度快和温度计码型结构单调、电阻匹配性好的优点。但是该结构的电路，其高位温度计码电阻相互之间匹配性不高，受应力梯度的影响大；桥接电阻R_A(N-4)与电阻R_T0-R_T6的匹配性设计难度大。

基于以上传统DAC电路结构的不足，本申请实施例在不增加温度计码位数和开关的基础上，将桥接电阻R_A(N-4)(N为DAC的精度，如N＝12表示12位的DAC)由一个单位电阻替换为四个串并联结构电阻阵列，将R_T0～R_T6替换为8个串并联结构电阻阵列，并且版图上通过局部和整体对称的布局方式，降低了电阻阵列受应力梯度的影响，以较小的开销极大的提升了DAC的精度与性能。下面结合具体实施例对本申请的技术方案进行详细阐述。

请参阅图2，图2为本申请一实施例中分段电阻结构的数模转换器版图结构的局部示意图。本申请实施例提供版图结构包括：R-2R电阻网络、温度计码电阻网络和桥接电阻网络。R-2R电阻网络通过桥接电阻网络与温度计码电阻网络桥接。以12位分段电阻结构的DAC为例，其高三位为温度计码电阻网络，低九位为R-2R电阻网络，高三位和低九位电阻网络之间通过桥接电阻网络进行桥接。

请参阅图3，图3为本申请一实施例中桥接电阻网络的电路结构示意图。桥接电阻网络可由四个单位电阻通过串并联的方式构成，示例性地，四个单位电阻分别表示为：R_{A(N-4)_1}、R_{A(N-4)_2}、R_{A(N-4)_3}和R_{A(N-4)_4}，其中R_{A(N-4)_1}与R_{A(N-4)_4}为并联关系，R_{A(N-4)_2}与R_{A(N-4)_3}为并联关系，再将并联的R_{A(N-4)_1}、R_{A(N-4)_4}与并联的R_{A(N-4)_2}、R_{A(N-4)_3}串联，该四个单位电阻串并联后的总电阻仍等于一个单位电阻。通过四个单位电阻替换原有的一个单位电阻的结构可将桥接电阻的匹配精度提高四倍。

请参阅图4，图4为本申请一实施例中温度计码电阻网络中其中一个码位对应的电阻结构。温度计码电阻网络包括多个具有相同电阻结构的电阻支路，每个电阻支路均通过八个单位电阻串并联的方式构成。示例性地，其中一条电阻支路的八个单位电阻分别表示为：R_{T0_1}、R_{T0_2}、R_{T0_3}、R_{T0_4}、R_{T0_5}、R_{T0_6}、R_{T0_7}、R_{T0_8}。其中。R_{T0_1}与R_{T0_2}为并联关系，R_{T0_3}与R_{T0_4}为并联关系，R_{T0_5}与R_{T0_6}为并联关系，R_{T0_7}与R_{T0_8}为并联关系，再将前述四组并联关系的电阻结构依次串联起来得到一条电阻支路。八个单位电阻串并联后得到的电阻支路的总阻值仍等于两个单位电阻的阻值。通过八个单位电阻串并联的电阻结构替换传统的两个单位电阻串联的结构，可将温度计码电阻网络的匹配精度提高四倍。

在一实施例中，温度计码电阻网路中的电阻设置于所述桥接电阻网络中各电阻的两侧以形成多组第一对称结构，且多组第一对称结构设置于R-2R电阻网络的两侧以形成相对于R-2R电阻网络的第二对称结构。

在一实施例中，电阻支路中的八个单位电阻两两并联后串联，将不同电阻支路中相同连接位置的单位电阻归入一个小组，得到八个电阻分组；每两个电阻分组之间设置一个桥接电阻网络中的单位电阻形成第一对称结构，其中，所述第一对称结构的两个电阻分组中的归属于同一电阻支路的单位电阻为相互并联的单位电阻。

请参阅图5，图5为本申请一实施例中N位DAC电阻版图布局方式的示意图。具体地，以七个码位的温度计码电阻网络为例，为了进一步提高电阻的匹配性，降低电阻在芯片制造过程中受应力梯度的影响，可将相同连接位置的档位电阻归为一组，每条电阻支路包括八个单位电阻，共有七条电阻支路，因此可得到八个电阻分组，每个电阻分组包含七个单位电阻。版图结构中低位电阻(R-2R电阻网络的电阻)位于版图中部，分为两排，低位电阻包括R_A0～R_A(N-4)电阻和R_B00～R_B(N-4)电阻，桥接电阻网络的电阻与温度计码电阻网络的电阻位于版图四角。其中，四个桥接单位电阻R_{A(N-4)_1}、R_{A(N-4)_2}、R_{A(N-4)_3}和R_{A(N-4)_4}分别位于第1组和第2组、第3组和第4组、第5组和第6组、第7组和第8组的电阻分组中间。

在一实施例中，奇数的电阻分组中不同码位的单位电阻的排布方式相同，偶数的电阻分组中不同码位的单位电阻的排布方式相同，且奇数的电阻分组中不同码位的单位电阻的排布方式与偶数的电阻分组中不同码位的单位电阻的排布方式相反。

以七个码位的温度计码电阻网络为例，第一个电阻分组、第三个电阻分组、第五个电阻分组中对应码位的单位电阻排布方式包括：第一个码位对应的单位电阻设置于中间位置，第六个码位以及第七个码位对应的单位电阻分别设置于所述第一个码位对应的单位电阻两侧，第二码位对应的单位电阻设置于所述第六码位对应的单位电阻远离所述第一码位对应的单位电阻的一侧；所述第三码位对应的单位电阻设置于所述第七码位对应的单位电阻远离所述第一码位对应的单位电阻的一侧，所述第四码位对应的单位电阻设置于所述第二码位对应的单位电阻远离所述第六码位对应的单位电阻的一侧，所述第五码位对应的单位电阻设置于所述第三码位对应的单位电阻远离所述第七码位对应的单位电阻的一侧。

请参阅图6，图6为本申请一实施例中第1、3、5、7组电阻分组的布局方式示意图。第一个码位的单位电阻R_T0置于中间位置，第七个码位的单位电阻R_T6设置于R_T0的右侧，第六个码位的单元电阻R_T5设置于R_T0的左侧，第三个码位的单位电阻R_T2设置于R_T6的右侧，第二个码位的单元电阻R_T1设置于R_T5的左侧，第五个码位的单位电阻R_T4设置于R_T2的右侧，第四个码位的单元电阻R_T3设置于R_T1的左侧，以此得到奇数的电阻小组的排布，具体地，第1组电阻小组的电阻排布方式表示为：R_{T3_1}、R_{T1_1}、R_{T5_1}、R_{T0_1}、R_{T6_1}、R_{T2_1}、R_{T4_1}；第3组电阻小组的电阻排布方式表示为：R_{T3_3}、R_{T1_3}、R_{T5_3}、R_{T0_3}、R_{T6_3}、R_{T2_3}、R_{T4_3}；第5组电阻小组的电阻排布方式表示为：R_{T3_5}、R_{T1_5}、R_{T5_5}、R_{T0_5}、R_{T6_5}、R_{T2_5}、R_{T4_5}；第7组电阻小组的电阻排布方式表示为：R_{T3_7}、R_{T1_7}、R_{T5_7}、R_{T0-_7}、R_{T6_7}、R_{T2_7}、R_{T4_7}。

请参阅图7，图7为本申请一实施例中第2、4、6、8组电阻分组的布局方式示意图。偶数的电阻小组的排布正好相反，第2组电阻小组的电阻排布方式表示为：R_{T4_2}、R_{T2_2}、R_{T6_2}、R_{T0_2}、R_{T5_2}、R_{T1_2}、R_{T3_2}；第4组电阻小组的电阻排布方式表示为：R_{T4_4}、R_{T2_4}、R_{T6_4}、R_{T0_4}、R_{T5_4}、R_{T1_4}、R_{T3_4}；第6组电阻小组的电阻排布方式表示为：R_{T4_6}、R_{T2_6}、R_{T6_6}、R_{T0_6}、R_{T5_6}、R_{T1_6}、R_{T3_6}；第8组电阻小组的电阻排布方式表示为：R_{T4_8}、R_{T2_8}、R_{T6_8}、R_{T0_8}、R_{T5_8}、R_{T1_8}、R_{T3_8}。

请参阅图8，图8为本申请一实施例中12位DAC的版图结构示意图。四个桥接单位电阻R_{A8_1}、R_{A8_2}、R_{A8_3}、R_{A8_4}分别位于第1组和第2组、第3组和第4组、第5组和第6组、第7组和第8组的R_T0～R_T6中间，形成第一对称结构。在同一第一对称结构中，电阻分组相对于所述桥接电阻网络中的单位电阻呈中心对称，如第1组与第2组相对于R_{A8_1}呈中心对称。

在一实施例中，多个第一对称结构分别设置于R2R网络相对的两侧，且同侧的各第一对称结构呈中心对称。第1组、第2组、第3组、第4组R_T0～R_T6与2个桥接单位电阻R_A(N-4)呈局部中心对称关系；第1、2、3、4组R_T0～R_T6、2个R_A(N-4)和第5、6、7、8组R_T0～R_T6、2个R_A(N-4)组成第二对称结构。在第二对称结构中，各第一对称结构相对于R2R电阻网络整体呈中心对称关系。通过这样的布局方式的版图结构使得高三位温度计码电阻与桥接电阻呈三个中心点对称，内部低位电阻可以根据实际采取的DAC位数拓展，可以有效地提高电阻阵列的匹配性，极大地提升分段电阻结构DAC的精度与性能。

请参阅图9，图9为本申请一实施例中12位DAC的电路结构示意图。12位分段电阻结构的DAC高3位为温度计码结构，低9位为R-2R结构。高3位D₁₁～D₉替换为温度计码T₀～T₆，对应的温度计码电阻分别为八个串并联结构的RT0～RT6；桥接电阻为四个串并联结构的R_{A8_1}，R_{A8_2}，R_{A8_3}，R_{A8_4}；低9位D₈～D₀对应的电阻为R-2R结构。其整体电阻版图布局如图8所示，R_{A8_1}与第1组和第2组R_T0～R_T6位于版图右下，R_{A8_2}与第3组和第4组R_T0～R_T6位于版图右上，R_{A8_3}与第5组和第6组R_T0～R_T6位于版图左上，R_{A8_4}与第7组和第8组R_T0～R_T6位于版图左下。低位电阻R_B01～R_B8与电阻R_A0～R_A7按照从左到右的方式依次交替排列。采取该方式的电路结构和版图结构，使得高三位温度计码电阻与桥接电阻呈三个中心点对称，提升了高位温度计码电阻的匹配性、桥接电阻与高位电阻的匹配性、降低了电阻在芯片制造过程中受应力梯度的影响，从而使得12位分段结构DAC达到良好的精度与性能。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种分段电阻结构的数模转换器版图结构，其特征在于，包括：

R-2R电阻网络；

温度计码电阻网络，其包括多个码位的电阻支路，且每个码位的电阻支路由八个单位电阻通过串并联的方式形成；

桥接电阻网络，其用于桥接所述R-2R电阻网络和所述温度计码电阻网络，所述桥接电阻网络由四个单位电阻通过串并联的方式形成；

其中，所述温度计码电阻网路中的电阻设置于所述桥接电阻网络中各电阻的两侧以形成多组第一对称结构，且多组所述第一对称结构设置于所述R-2R电阻网络的两侧以形成相对于所述R-2R电阻网络的第二对称结构。

2.根据权利要求1所述的分段电阻结构的数模转换器版图结构，其特征在于，所述电阻支路中的八个单位电阻两两并联后串联，将不同电阻支路中相同连接位置的单位电阻归入一个小组，得到八个电阻分组；每两个电阻分组之间设置一个桥接电阻网络中的单位电阻形成所述第一对称结构，其中，所述第一对称结构的两个电阻分组中的归属于同一电阻支路的单位电阻为相互并联的单位电阻。

3.根据权利要求1所述的分段电阻结构的数模转换器版图结构，其特征在于，每个码位的所述电阻支路的阻值为两个单位电阻。

4.根据权利要求1所述的分段电阻结构的数模转换器版图结构，其特征在于，所述桥接电阻网络的阻值为一个单位电阻。

5.根据权利要求2所述的分段电阻结构的数模转换器版图结构，其特征在于，奇数的电阻分组中不同码位的单位电阻的排布方式相同，偶数的电阻分组中不同码位的单位电阻的排布方式相同，且奇数的电阻分组中不同码位的单位电阻的排布方式与偶数的电阻分组中不同码位的单位电阻的排布方式相反。

6.根据权利要求5所述的分段电阻结构的数模转换器版图结构，其特征在于，所述温度计码电阻网络包括七个码位，则第一个电阻分组、第三个电阻分组、第五个电阻分组中对应码位的单位电阻排布方式包括：第一个码位对应的单位电阻设置于中间位置，第六个码位以及第七个码位对应的单位电阻分别设置于所述第一个码位对应的单位电阻两侧，第二码位对应的单位电阻设置于所述第六码位对应的单位电阻远离所述第一码位对应的单位电阻的一侧；所述第三码位对应的单位电阻设置于所述第七码位对应的单位电阻远离所述第一码位对应的单位电阻的一侧，所述第四码位对应的单位电阻设置于所述第二码位对应的单位电阻远离所述第六码位对应的单位电阻的一侧，所述第五码位对应的单位电阻设置于所述第三码位对应的单位电阻远离所述第七码位对应的单位电阻的一侧。

7.根据权利要求2所述的分段电阻结构的数模转换器版图结构，其特征在于，在同一所述第一对称结构中，电阻分组相对于所述桥接电阻网络中的单位电阻呈中心对称。

8.根据权利要求7所述的分段电阻结构的数模转换器版图结构，其特征在于，多个所述第一对称结构分别设置于所述R2R网络相对的两侧，且同侧的各第一对称结构呈中心对称。

9.根据权利要求2所述的分段电阻结构的数模转换器版图结构，其特征在于，在所述第二对称结构中，各所述第一对称结构相对于所述R2R电阻网络呈中心对称。