CN1980069A - 电流源单元配置结构及da转换器 - Google Patents

Abstract

本发明构成用于DA转换器的高精度的电流源。a₁、a₂、......a_n (n是4以上的整数)，分别表示由MOS晶体管构成而输出恒定电流的电流源单元。将这些电流源单元在半导体芯片上配置成2维矩阵状，连接多个电流源单元而构成具有所需电流量的电流源。配置成2维矩阵状时，在对第1行所包含的电流源单元标上标号a₁、a₂、......a_n的情况下，配置成使2维矩阵中包括电流源单元个数分别相同的第1行和第2行，所述第1行由a₁、a₂、......a_n的排列构成，所述第2行，是将第1行中的a_i、a_i+1、......a_i+j (i、j分别是1以上的整数、且i+j是n/2以下的整数)的排列和a_k、a_k+1、......a_k+j (k是大于n/2的整数、且k+j是n以下的整数)的排列替换而形成。

Description

电流源单元配置结构及DA转换器

技术领域

本发明涉及一种电流源单元配置结构及DA(Digital-to-Analog)转换器，特别是涉及用于降低因制造工艺等而产生的晶体管特性的偏差的影响的电流源单元配置结构以及具有该电流源单元配置结构的DA转换器。

背景技术

作为将数字信号转换成模拟信号的DA转换器，公知的有电流加法型的DA转换器。电流加法型的DA转换器，根据数字信号决定被选择的电流源单元的数量，将所选择的电流源单元的输出电流值相加，并作为模拟信号将其输出。

图5是表示电流加法型的DA转换器的构成的框图。在图5中，数字信号Din在解码器110中被解码，并根据解码器110的输出将开关SW1～SWn接通/断开。从电流源单元组120输出的各电流，由开关SW1～SWn中的接通的开关进行选择而相加，并流向电阻R。在电阻R的一端的电压A_out，得到DA转换了的模拟信号。

接下来，对电流源单元组120进行说明。电流源单元组120，由输出恒定电流的多个电流源单元构成。例如，在构成10比特DA转换器时，如图6(a)所示，由与2¹⁰-1＝1023个LSB(Least Significant Bit，最低有效位)对应的电流源单元构成。由根据解码器110的输出而动作的开关来选择这些电流源单元的输出电流。这种解码方法中，动作的开关的数量随着二进制码的值的增大而增加，也称为温度计码。此时，虽然直线性误差少，但开关SW1～SWn的数量非常多达到1023个，不适于安装。

因此，通常将下位比特设为二进制码、将上位比特用温度计码表示来构成DA转换器。例如，在构成10比特DA转换器时，如图6(b)所示，通过根据解码器110的输出而动作的开关SW1～SWn，来选择由分别相当于64LSB的15个MSB(Most Significant Bit，最高有效位)和32LSB、16LSB、8LSB、4LSB、2LSB、1LSB构成的各电流源单元的输出电流。此时，开关SW1～SWn的数量是21个。此外，64LSB、32LSB、16LSB、8LSB、4LSB、2LSB、1LSB的电流源单元，由具有以2的幂乘倍变化的W/L比的MOS晶体管等形成的恒流源构成。

这样构成的电流加法型的DA转换器，具有低频干扰小、元件精度较低、CMOS化容易等适于高速动作的优点，因此被广泛使用。

这种电流加法型的DA转换器，从转换精度的方面看时，优选的是，与MSB对应的多个电流源单元的各电流源单元的输出电流的大小全部相等。但实际上，晶体管特性因制造工艺等而产生偏差，各电流源单元的输出电流的大小并不是恒定。因此，在DA转换时，产生微分直线性误差或非直线性误差(积分直线性误差)，这些误差取决于各电流源单元的输出电流量的偏差。

在专利文献1中公开了如下电流源单元的配置结构：使这种各电流源单元的输出电流的误差相对配置位置向一定方向(直线的)倾斜状偏离，而输出消除了该偏差的恒定的电流值。该电流源单元的配置结构，如图7所示，分别具有预定电流量的多个电流源单元100被矩阵排列，将由此形成的电流源单元矩阵的各电流源单元多个组合，而构成具有所需电流量的恒流源MCELL1～MCELL15。电流源单元矩阵被分隔成相对矩阵排列的中心对称配置的A模块101、B模块102，恒流源由从各模块中分别按行方向或列方向选择的相等数量的电流源单元的组合构成。

专利文献1：特开2002-9247号公报(图1)

在实际的制造工艺中，对芯片内的电流源单元配置区域的实际的制造工艺的偏差详细分析时，判明出大体分为倾斜状的偏差、山状或谷状的偏差、以及随机的偏差。对这3个偏差的产生原因进行如下说明。

(1)倾斜状的偏差

第1因素是封装封入时的应力。将晶片(wafer)封入封装中时如果在某一位置产生应力，则晶体管的特性以该位置为中心发生变化。即使在一个位置没有产生应力，在芯片的端部和中心处应力的产生方式也不同。如果该应力产生的位置不是电流源单元配置区域上，而是远离电流源单元配置区域的位置，则产生具有以该位置为起点的倾斜状的斜率的偏差。

第2因素是流过电源线的电流引起的IR降(IR Drop)。这是由方案设计引起的，而不是由工艺引起。向构成电流源单元的晶体管供给电流的配线，例如从电流源单元配置区域的右(或左)端开始依次配线时，由于起自右(左)端的IR降，晶体管的特性偏差成倾斜状。但是，从两端均等依次配线，或向电流源单元配置区域的正中间配线、以从此处向左右产生IR降的方式依次配线时，偏差成山(或谷)状。

(2)山状或谷状的偏差

第1因素是伴随热处理的扩散工艺中的浓度分布。电流源单元，基本上集中在一个地方进行方案，因此变为如下方案：晶体管集中在电流源单元配置区域，电流源单元配置区域的周围几乎没有配置晶体管。在扩散工艺中在电流源单元配置区域进行离子注入，离子从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。从而，在区域的周边部，离子向浓度更低的端部扩散。虽然离子在区域的中心部也扩散，但在区域的中心部和端部的分布还是微妙地发生变化。

第2因素是在晶体管的边缘处的形状。在电流源单元配置区域的中心部，晶体管存在于两侧，但如果位于电流源单元配置区域的端部，则晶体管只存在于一侧，因此在扩散时晶体管的形状等发生变化。为了避免该影响，通常在电流源单元配置区域的两端配置虚拟晶体管。但有时也会因方案面积的制约而无法配置虚拟晶体管。此外，在区域中心部的晶体管中在第2、3个相邻处也存在晶体管，而与此相对，是区域的端部时，有时即使有虚拟晶体管，在第2、3个相邻处也不存在晶体管。受这些影响，特性(晶体管的形状)发生变化。

第3因素是温度分布。由于在电流源单元配置区域的中心部晶体管集中存在，因此中心部的电流源单元部的温度高于周边部。此时，如果不考虑电流源单元配置区域外的方案，则由温度梯度引起的特性偏差为山(或谷)状。

(3)随机的偏差

由于由曝光装置的透镜畸变引起的加工形状的误差、离子注入时的晶片表面分布的变动、氧化膜厚度的变动等因素，所形成的晶体管的形状发生微小的变化，晶体管的特性随机地偏离。

实际的工艺偏差，由这3个偏差的组合而成。在电流加法型的DA转换器中，构成为将各电流源单元的输出电流相加时，(3)随机的偏差的影响得以减轻。

在专利文献1中提供了用于减小(1)倾斜状的偏差的影响的电流源单元的方案。组装DA转换器的是常规LSI等，且预先确定了置于芯片的端部等的方案时，考虑倾斜状的偏差大多是有效的。然而，将DA转换器作为例如宏单元来提供时，无法确保确定DA转换器在芯片上的配置方案。作为宏单元，要求DA转换器无论怎样被配置于芯片上都能发挥预定的性能。即，如现有技术那样考虑倾斜状的偏差时，可能无法提供用于宏单元的高精度的DA转换器。

发明内容

本发明人得到了如下结论：在将DA转换器作为宏单元来提供时，与考虑制造工艺中的倾斜状的偏差相比，考虑山状或谷状的偏差的适用性更高，从而发明了本发明的电流源单元配置结构。

本发明的一个形状涉及的电流源单元配置结构，将电流源单元配置成2维矩阵状，连接多个电流源单元而构成具有所需电流量的电流源。并且，该电流源单元配置结构，在对2维矩阵的某1行中包含的各电流源单元标上标号a₁、a₂、……a_n(n是4以上的整数)的情况下，在上述2维矩阵中包括电流源单元个数分别相同的第1行和第2行，所述第1行由a₁、a₂、……a_n的排列而构成，所述第2行，是将上述第1行中的a_i、a_i+1、……a_i+j(i、j分别是1以上的整数、且i+j是n/2以下的整数)的排列和a_k、a_k+1、……a_k+j(k是大于n/2的整数、且k+j是n以下的整数)的排列替换而形成，贯穿所有行连接各行中的a_i、a_i+1、……a_i+j及a_k、a_k+1、……a_k+j的同一标号的电流源单元之间。

根据本发明，即使在制造工艺中有山状或谷状的偏差，但由于以使这些偏差减小的方式组合电流源单元之间，因此可以构成高精度的电流源。

附图说明

图1是本发明的实施方式涉及的电流源单元配置结构的示意图。

图2是本发明的实施例涉及的电流源单元配置结构的示意图。

图3是说明本发明的实施例涉及的电流源单元配置结构中的输出电流的偏差的图。

图4是说明现有的电流源单元配置结构中的输出电流的偏差的图。

图5是表示电流加法型的DA转换器的构成的框图。

图6是说明电流源单元组的构成的图。

图7是现有电流源单元配置结构的示意图。

具体实施方式

图1是本发明的实施方式涉及的电流源单元配置结构的示意图。在图1中，a₁、a₂、……a_n(n是4以上的整数)，分别表示由MOS晶体管构成而输出恒定电流的电流源单元。将这些电流源单元在半导体芯片上配置成2维矩阵状，连接多个电流源单元，构成具有所需电流量的电流源。配置为2维矩阵状时，在对第1行(图1中最下端的行)所包含的各电流源单元标上标号a₁、a₂、……a_n的情况下，被配置成使2维矩阵中包括电流源单元个数分别相同的第1行和第2行，所述第1行由a₁、a₂、……a_n的排列而构成，所述第2行是将第1行中的“a_i、a_i+1、……a_i+j”(i、j分别是1以上的整数、且i+j是n/2以下的整数)的排列和“a_k、a_k+1、……a_k+j”(k是大于n/2的整数、且k+j是n以下的整数)替换而构成。此时，优选构成为第1及第2行在列方向上交替存在。而且，贯穿所有行将各行中的“a_i、a_i+1、……a_i+j”及“a_k、a_k+1、……a_k+j”的同一标号的电流源单元之间连接起来，从而构成分别输出电流I_i、I_i+1、……I_i+j及I_k、I_k+1、……I_k+j的电流源。

在这样构成的电流源单元配置结构中，电流源单元输出的电流值在行方向上呈山状或谷状变化时，通过对电流源单元之间进行组合，相隔为山或谷的变化被消除，电流值被平均化。从而，即使由于制造工艺产生山状或谷状的偏差，并因该偏差而使各电流源单元输出的电流值偏离时，将电流源单元之间组合而输出的电流I_i、I_i+1、……I_i+j及I_k、I_k+1、……I_k+j之间的偏差也几乎消失，构成高精度的电流源。此外，电流源单元输出的电流值的列方向上呈山状或谷状变化时，由于贯穿所有行对电流源单元之间进行了连接，因此几乎不受变化的影响。

此外，电流源单元配置结构，由按a₁、a₂、……a_n排列而成的第1行，和将第1行中的排列a_i、a_i+1、……a_i+j及排列a_k、a_k+1、……a_k+j交替而形成的第2行构成。从而，与a_i、a_i+1、……a_i+j及a_k、a_k+1、……a_k+j对应的各配线的长度基本相同，由各配线中的配线电阻引起的IR降也基本相同。因此，几乎没有由IR降引起的偏差。

与此相对，在现有技术的电流源单元配置结构中，连接电流源单元之间的配线，相对矩阵配列的中心对称。从而各配线的长度不相等，因此由配线中的配线电阻引起IR降不均。

实施例1

图2是本发明的实施例涉及的电流源单元配置结构的示意图。在图2(a)、(b)中，A₁～A₁₅、B、C、D、E分别表示配置电流源的电流源单元，所述电流源由MOS晶体管等构成，并用于输出恒定电流。在图2(a)、(b)的下行中，从左侧开始配置电流源单元E的一部分、电流源单元A₁～A₂、B、A₃～A₇、电流源单元C的一部分、电流源单元A₈～A₁₅、以及电流源单元D的一部分。此外在上行中，从左侧开始配置电流源单元E的剩余部分、电流源单元A₈～A₁₅、电流源单元C的剩余部分、电流源单元A₁～A₂、B、A₃～A₇、以及电流源单元D的剩余部分。进而，为了避免电流源单元配置结构的端部附近的电流源单元的晶体管形状等在扩散时发生变化等的影响，在两端的外侧设定配置虚拟晶体管的区域。

如图2(a)或(b)所示，在上下行的各电流源单元A₁～A₁₅的电流源之间共同地连接配线，将从电流源输出的电流相加，并分别作为电流I_A1～I_A15输出。此外，在图2(a)(b)中，为防止显示烦杂而仅图示了在电流源单元A₁、A₁₃、A₁₅连接的配线，但对电流源单元A₂～A₁₂、电流源单元A14也同样进行配线。如图2(a)、(b)所示，电流源单元A₁～A₂、B、A₃～A₇、和电流源A₈～A₁₅处于其排列在上下行中被替换的状态，因此在电流源单元A₁～A₁₅上连接的各配线的长度基本相同。

在这种电流源单元A₁～A₁₅上配置与图6(b)所示的15个MSB(相当于64LSB)对应的电流源单元。此外，与小于MSB的32LSB、16LSB、8LSB、4LSB、2LSB、1LSB对应的各电流源单元，被分散到电流源单元B、C、D、E中，或被配置为任意一个。而且，这些电流源单元，构成图5所示DA转换器中的电流源单元组120。进而，各电流源单元的输出电流，由根据解码器110的输出而动作的开关SW1～SW21选择且进行加法运算，并流向电阻R。在电阻R的一端的电压A_out中，得到DA转换了的模拟信号。

此外，也可以将电流源单元B、C、D、E的一部分设为虚拟电流源单元。这种虚拟电流源单元具有如下作用：去除电流源单元配置区域内的晶体管配置密度的不均，防止制造工艺产生偏差。

在这样构成的电流源单元配置结构中，被配置为电流源单元A₁～A₁₅的电流源中，上下行分别对应的电流源之间共同地连接配线，对从电流源输出的电流值进行加法运算。从而，因制造工艺而在作为电流源的晶体管的形状中出现山状或谷状的偏差时，从电流源输出的电流值的偏差被消除而平均化。其结果，从被配置为电流源单元A₁～A₁₅的电流源输出的各电流I_A1～I_A15的值基本相等，可以使电流值之间的误差小于1LSB。

接下来，根据具体的数值例对偏差减小的情况进行说明。图3是说明本发明的实施例涉及的电流源单元配置结构中的输出电流的偏差的图。在此，如图3所示，表示为了图示的简略化而被配置成8×2矩阵状的电流源单元a₁₁、a₂₁、a₃₁、a₄₁、a₅₁、a₆₁、a₇₁、a₈₁、a₅₂、a₆₂、a₇₂、a₈₂、a₁₂、a₂₂、a₃₂、a₄₂中的输出电流的偏差值的例子。各电流源单元中的输出电流的偏差值，从左侧开始为-0.001、-0.0005、+0.0005、+0.001、+0.001、+0.0005、-0.0005、-0.001，为山状的偏差。此外，电流源单元a₁₁和a₁₂、电流源单元a₂₁和a₂₂、……电流源单元a₇₁和a₇₂、电流源单元a₈₁和a₈₂，分别被共同地连接。进而，共同连接而输出的电流，按照该电流源单元的组合的顺序被接通而相加，并作为模拟信号输出。此时，在电流源单元的组合之间偏差被消除，因此如图3(b)所示，即使依次增加接通的电流源单元的数量，误差也维持为0，不会失去直线性。

另一方面，图4是说明现有的电流源单元配置结构中的输出电流的偏差的图。按与图3相同的条件适用了现有技术时，如图4(b)所示，依次增加接通的电流源单元的数量时，误差正负变动很大，失去直线性。

在以上的说明中，对电流源单元配置结构中的输出电流的偏差为山状的情况进行了说明，但在产生谷状的偏差的情况下也呈相同的倾向。

如上所述，根据本实施例涉及的电流源单元配置结构，虽然在制造工艺中存在山状或谷状的偏差，但由于对电流源单元之间进行组合以使该偏差减小，因此构成高精度的电流源。从而，通过具有这种电流源单元配置结构，得到适用于宏单元等的高精度的DA转换器。

以上依据上述实施例对本发明进行了说明，但本发明并不仅限定于上述实施例，还包括在权利要求书的各项权利要求的发明的范围内可以由本领域技术人员实现的各种变形、修正。

Claims (6)

1.一种电流源单元配置结构，将电流源单元配置成2维矩阵状，连接多个电流源单元而构成具有所需电流量的电流源，其特征在于，

在对2维矩阵的某1行中包含的各电流源单元标上标号a₁、a₂、……a_n的情况下，在上述2维矩阵中包括电流源单元个数分别相同的第1行和第2行，所述第1行由a₁、a₂、……a_n的排列而构成，所述第2行，是将上述第1行中的a_i、a_i+1、……a_i+j的排列和a_k、a_k+l、……a_k+j的排列替换而形成，其中，n是4以上的整数，i、j分别是1以上的整数、且i+j是n/2以下的整数，k是大于n/2的整数、且k+j是n以下的整数，

贯穿所有行连接各行中的a_i、a_i+1、……a_i+j及a_k、a_k+1、……a_k+j的同一标号的电流源单元之间。

2.如权利要求1所述的电流源单元配置结构，其特征在于，

上述第1及第2行在列方向上交替存在。

3.如权利要求1所述的电流源单元配置结构，其特征在于，

包括如下构成：在上述a_i、a_i+1、……a_i+j及a_k、a_k+1、……a_k+j的排列的一部分中，没有贯穿所有行连接上述同一标号的电流源单元之间。

4.如权利要求1所述的电流源单元配置结构，其特征在于，

在i为2以上时的a₁～a_i-1的排列、k为i+j+2以上时的a_i+j+1～a_k-1的排列、k+j为n-1以下时的a_k+j+1～a_n的排列的一部分中，包括没有被用作上述电流源的虚拟电流源单元。

5.一种DA转换器，包括权利要求1～4中的任意一项所述的电流源单元配置结构，其特征在于，

根据输入的数字信号决定上述电流源单元的选择数，并将被选择的电流源单元的输出电流值相加，而作为模拟信号输出。

6.一种DA转换器，包括权利要求3所述的电流源单元配置结构，根据输入的数字信号决定上述电流源单元的选择数，并将被选择的电流源的输出电流值相加，而作为模拟信号输出，其特征在于，

上述电流源是与DA转换中的MSB对应的电流源，

与小于MSB的比特对应的各电流源，被分散到如下电流源单元中或被配置为其中任意一个：作为i为2以上时的a₁～a_i-1的排列、k为i+j+2以上时的a_i+j+1～a_k-1的排列、k+j为n-1以下时的a_k+j+1～a_n的排列的一部分的电流源单元：及/或没有贯穿上述所有行而进行连接的构成的电流源单元。

Images