DE19546953B4

DE19546953B4 - Halbleitervorrichtung beziehungsweise Digital-Analog-Wandler mit Widerstandsreihe

Info

Publication number: DE19546953B4
Application number: DE19546953A
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Kobatake
Original assignee: NEC Electronics Corp
Current assignee: NEC Electronics Corp
Priority date: 1994-12-15
Filing date: 1995-12-15
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2015-12-16
Also published as: KR960027367A; JPH08167847A; TW279289B; KR100221754B1; DE19546953A1; US5680132A; JP2944442B2

Abstract

Halbleitervorrichtung mit:
einem Widerstandsstrangschaltkreis mit einer Vielzahl von Widerständen (R00-R15), die in Reihe zwischen einem ersten und einem zweiten Bezugsspannungsknoten (-Vref, +Vref) verbunden sind und einer Auswahlschaltung mit einer Vielzahl von Schalttransistoren (S0-S3, S00-S15), wobei die Auswahlschaltung einen der Verbindungspunkte der Widerstände auswählt und einen Ausgewählten der Verbindungspunkte mit einem Ausgangsknoten (OUT) verbindet,
wobei alle Widerstände in vier mäanderförmig aneinander grenzenden Teilsträngen in einem ersten Bereich (1) eines Halbleitersubstrats ausgebildet sind, und das Halbleitersubstrat einen zweiten Bereich (2) einseitig anliegend an den ersten Bereich (1) aufweist, und alle Schalttransistoren auf dem zweiten Bereich ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Digital-Analog-Wandler (im Folgenden als DA-Wandler bezeichnet) und insbesondere einen DA-Wandler mit einer Anzahl von in Reihe gestalteten Widerständen.

DA-Wandler werden zur Wandlung eines Digitalsignals in ein Analogsignal verwendet. Der Aufbau eines bekannten DA-Wandlers ist beispiel weise in der japanischen Offenlegungsschrifft JP 60-112327 A beschrieben, bei dem Diffusionswiderstände serpentinenartig angeordnet sind und ein Ausgangssignal von beiden Seiten eines Widerstandsstrangs abgenommen wird. Durch Einsatz eines derartigen Aufbaus kann der DA-Wandler die Erfordernisse hinsichtlich des präzisen Betriebs durch nur geringfügiges Vergrößern der Besetzungsfläche erfüllen, selbst wenn ein langer Widerstandsstrang als Einheits Widerstandsstrang (im Folgenden als R-Strang bezeichnet) erforderlich ist.

Wie in 9 dargestellt ist, umfaßt der DA-Wandler einen Serpentinenwiderstand 21 (im Folgenden als Serpentinen-R-Strang bezeichnet) bei dem eine Anzahl von Widerstandselementen R00 bis R15 in Reihe zwischen einen Anschluß für positive und einen Anschluß für negative Spannung V_ref und – V_ref geschaltet sind und zur Bildung eines symmetrischen Aufbaus mäandern. Jedes Widerstandselement R00 bis R15 ist aus einem Hauptwiderstandselement zusammengesetzt, das eine Diffusionsschicht mit vorgegebener Breite um ein vorgegebenes Intervall verlängert, und eine Unterwiderstandskomponente, die sich senkrecht in die Hauptwiderstandskomponente erstreckt und mit der Hauptwiderstandskomponente verbunden ist.

Zum selektiven Ausgeben der von jedem Verbindungsknoten der Widerstandselemente R00 bis R15 ausgegebenen Potentiale sind an beiden Seiten des Serpentinen-R-Strangs 21 Auswahlschaltungen 22' und 22'' angeordnet, die aus einer ersten und einer zweiten Schaltelementgruppe S00 bis S03, S04 bis S07, S08 bis S11 und S12 bis S15 und S0 bis S3 zusammengesetzt sind. Erste Auswahlsignale A00 bis A03 werden den Gates der ersten Schaltelementgruppe S00 bis S03, S04 bis S07, S08 bis S11 und S12 bis S15 zugeführt, und zweite Auswahlsignale A0 bis A3 werden den Gates der zweiten Schaltelementgruppe S0 bis S3 zugeführt. Die erste und die zweite Schaltelementgruppe sind beispielsweise aus N-Kanal-MOS-Transistoren aufgebaut.

Jeder Verbindungsknoten der Widerstandselemente R00 bis R15 ist mit jeweils einem Anschluß der ersten Schaltelementgruppe S00 bis S15 mit Metallverdrahtungen verbunden. Die anderen Anschlüsse der ersten Schaltungselementgruppe S00 bis S15 sind mit den entsprechenden Anschlüssen der zweiten Schaltelementgruppe S0 bis S3 mit Metallverdrahtungen verbunden. Die anderen Anschlüsse der Schaltelemente S00, S04, S08 und S12 sind gemeinsam mit einem Anschluß für das Schaltelement S0 verbunden. Die anderen Schaltelemente der ersten Schaltelementgruppe sind mit den entsprechenden Schaltelementen der zweiten Schaltgruppe in der selben Weise wie vorstehend verbunden. Die anderen Anschlüsse der Schaltelemente S0 bis S3 der zweiten Schaltelementgruppe sind miteinander mit der Metallverdrahtung verbunden und erzeugen die Ausgabe OUT. Die Äquivalentschaltung zu 9 ist in 10 dargestellt.

Bei dem bekannten DA-Wandler wird jedes Potential, das von den Verbindungsknoten der Widerstandselemente R00 bis R15 ausgegeben wird, über den Ausgangsanschluß OUT über die Schaltelemente ausgegeben, die durch die ersten und zweiten Auswahlsignale A00 bis A03 und A0 bis A3 ausgewählt werden. Die Ausgangsspannung VOUT ist durch die Formel (1) gegeben.

Der bekannte DA-Wandler ist als 4-Bit-DA-Wandler aufgebaut. Bei diesem DA-Wandler wird die Potentialdifferenz zwischen der Bezugsspannung +V_ref und der Spannung -V_ref auf 1/16 geteilt, und der Spannungswert, der durch Teilen dieser Potentialdifferenz auf 1/16 erhalten wird, wird als ein Schritt verwendet. Zwei Bit des digitalen Vierbiteingabesignals werden dekodiert, wodurch sie als erstes Auswahlsignal A00 bis A03 ausgegeben werden, und die verbleibenden zwei Bit werden dekodiert, wodurch sie als zweites Auswahlsignal A0 bis A3 ausgegeben werden. Die ausgewählten Schaltelemente werden durch Auswahlsignale gesteuert, um aufgrund der Auswahlsignale A00 bis A03 den Einschaltzustand einzunehmen.

Die 13A und 13B erläutern schematisch die durch die Formel (1) ausgedrückten Ausgangscharakteristika. Bezugnehmend auf die 13a und 13b sind die folgenden Tatsachen der gestrichelten Linie entnehmbar. Die Analogausgabe rangiert von einem Minimumwert zu einem Maximumwert, nämlich von der Bezugsspannung -V_ref bis zur Bezugsspannung +V_ref entsprechend den Minimal- bzw. Maximalwerten der digitalen Eingaben. Der Offsetwert ist Null, so daß kein Geradenfehler auftritt, und die gestrichelte Linie zeigt die idealen Eingangs-Ausgangscharakteristika des DA-Wandlers.

Obwohl bei dem vorstehend beschriebenen bekannten DA-Wandler die Widerstandselementes R00 bis R15 serpentinenförmig angeordnet sind, sind die Widerstandselemente R00 bis R15 in Reihe ausgerichtet. Aufgrunddessen ist beispielsweise der Abstand zwischen den Widerständen R00 und R15 groß. Desweiteren kann bei Hochpräzisions-DA-Wandlern der Abstand deutlich größer sein, da viele Widerstandselemente miteinander in Reihe geschaltet sind.

Wie 14a zeigt, sind Widerstandselemente R00 bis R03 und andere Widerstandselemente aus hochkonzentrierten N-Diffusionsschichten (N+-Typ) 104 aufgebaut, die in der Oberfläche des Halbleitersubstrats (P-Substrat 103) gebildet sind und miteinander über Kontaktlöcher 102 in Reihe verbunden sind. Wenn der Bereich, der Rauschen erzeugt, d.h. die Digitalschaltung 101, vorhanden ist, sind deshalb die Widerstandselemente R00 bis R03 und andere Widerstandselemente und die Digitalschaltung 101 elektrisch miteinander über den eigenen Widerstand des Halbleitersubstrats und über die Kapazität der Diffusionsschichten elektrisch miteinander verbunden.

In 14b sind der eigene Substratwiderstand und die Diffusionsschichtkapazitäten als Widerstände R00 bis R03 und andere Widerstände und die Kondensatoren C00 bis C03 und andere Kondensatoren wiedergegeben. Es soll angemerkt werden, daß der Widerstand r00 den Substratwiderstand zwischen der Digitalschaltung 101 und dem Widerstandselement R00 angibt und daß die Widerstände r01 bis r03 und andere Widerstände den Substratwiderstand zwischen den Widerstandselementen wie den Widerstandselementen R00 bis R03 und anderen Widerstandselementen angeben. Das Widerstandselement, das in der Nähe der Digitalschaltung 101 angeordnet ist, d.h. R00, ist elektrisch mit der Digitalschaltung 101 über den Substratwiderstand r00 mit relativ geringem Widerstandswert und die Diffusionsschichtkapazität C00 verbunden. Das in einer großen Distanz von der Digitalschaltung 101 angeordnete Widerstandselement, das heißt das Widerstandselement R15, das im entferntesten Abstand vom Widerstandselement R00 in 9 angeordnet ist, ist elektrisch mit der Digitalschaltung 101 über den Substratwiderstand mit relativ hohem Widerstandswert und die Diffusionsschichtkapazität C15 verbunden, wobei der Substratwiderstand die Summe der Substratwiderstände S_r = r00 + r01 + r02 + r03 + ... r15 ist.

Aufgrunddessen wird das Widerstandselement in der Nähe der Digitalschaltung 101 von Rauschen deutlich beeinflußt. Demgegenüber werden die Widerstandselemente, die in einem großen Abstand von der Digitalschaltung 101 angeordnet sind, kaum durch dieses Rauschen beeinflußt. Wenn die Rauschquelle in der Nähe von beispielsweise dem Widerstandselement R00 vorhanden ist und Rauschen in positiver Richtung erzeugt wird, wird deshalb, bezugnehmend auf 9, die Ausgabe in der Nähe der negativen Bezugsspannung -Vref deutlich in die positive Richtung verschoben, d.h. eine Offsetspannung wird erzeugt, wie durch die durchgezogene Linie in der Eingangs-Ausgangs-Charakteristik des DA-Wandlers in 13A zeigt. Demgegenüber verschiebt sich die Ausgangsspannung in der Nähe der positiven Bezugsspannung +V_ref im wesentlichen nicht.

In diesem Fall ist es möglich, den Geradenfehler durch Offseteinstellung und eine Gaineinstellung etwas zu reduzieren, wie durch die durchgezogenen Linien der 13B dargestellt ist. Es ist jedoch nicht möglich, den gesamten Geradenfehler zu entfernen.

Insbesondere ist bei dem bekannten DA-Wandler, der in 9 dargestellt ist, der Abstand zwischen den Widerstandselementen, d.h. zwischen den Widerstandselementen R00 und R15, groß, so daß Widerstandselemente, die durch Rauschen deutlich beeinflußt werden, und solche, die nur wenig beein flußt werden, koexistieren. Aus diesem Grund existiert das Problem des Geradenfehlers.

Zum Reduzieren des Abstands zwischen den Widerstandselementen wurde im Hinblick auf diesen Problemkreis der in 11 dargestellte DA-Wandler vorgeschlagen.

Gemäß 11 umfaßt der bekannte DA-Wandler einen ersten, einen zweiten und einen dritten R-Strang 31', 31'' und 31''', die zwischen der positiven +V_ref und der negativen -V_ref Bezugsspannung ausgebildet sind und aus Serpentinenreihenschaltungen gebildet sind, die aus Widerstandselementen R00 bis R03, R04 bis R07, R08 bis R11 und R12 bis R15 aufgebaut sind, die in Reihe geschaltet sind.

Um selektiv die Potentiale, die von den Verbindungsknoten der Widerstandselemente R00 bis R15 ausgegeben werden, aufzunehmen, sind eine erste und eine zweite Auswahlschaltung 32' und 32'' zwischen dem ersten R-Strang 31' und dem zweiten R-Strang 31'' bzw. dem zweiten R-Strang 31'' und dem dritten R-Strang 31''' vorgesehen. Die erste und die zweite Auswahlschaltung 32' und 32'' sind aus der ersten Schaltungselementengruppe S00 bis S03, S04 bis S07, S08 bis S11 und S12 bis S15 aufgebaut, die N-Kanal-MOS-Transistoren sind, deren Gates die ersten Auswahlsignale A01 bis A03 zugeführt werden.

Eine dritte Auswahlschaltung 32''' aus einer zweiten Schaltelementgruppe S0 bis S3 ist an einer Seite des dritten R-Stranges 31''' angeordnet. Die zweite Schaltelementgruppe S0 bis S3 setzt sich zusammen aus N-Kanal-MOS-Transistoren, deren Gates mit den zweiten Auswahlsignalen A0 bis A3 versorgt werden. Jeder Verbindungsknoten der Widerstandselemente R00 bis R15 ist mit jeweils dem einen Anschluß der ersten Schaltungselementgruppe S00 bis S15 mit einer Metallverdrahtung verbunden. Die anderen Anschlüsse der Schaltelemente S00, S07, S08 und S15; S01, S06, S09 und S14; S02, S05, S10 und S13; S03, S04, S11 und S21 sind mit dem anderen Anschluß der Schaltelemente S0 bis S3 mit einer Metallverdrahtung verbunden. Die anderen Anschlüsse der Schaltelemente S0 bis S3 sind mit einem Ausgangsanschluß OUT über eine Metallverdrahtung verbunden, um die Ausgabe aufzunehmen. Ein Äquivalent dieses bekannten DA-Wandlers ist in 12 dargestellt.

Es soll angemerkt werden, daß der Betrieb des DA-Wandlers gemäß 11 dem des bekannten DA-Wandlers, der oben mit Bezug auf die 9 und 10 beschrieben wurde, entspricht. Diese Beschreibung hinsichtlich des Betriebs des DA-Wandlers der 11 wird unterlassen.

Auch in dem bekannten DA-Wandler der 11 sind die ersten und zweiten Auswahlschaltungen 32' und 32'' , die aus den Schaltelementen S00 bis S15 aufgebaut sind, zwischen den ersten und zweiten Reihenschaltungen 31' und 31'' angeordnet, und die zweiten und dritten Schaltungen 31'' und 31''', die den R-Strang bilden, bewirken die Verlängerung der Verbindungsverdrahtungen zwischen den Schaltelementen S00 bis S15 und jeder der Reihenschaltungen 31', 31'' und 31'''. Als Ergebnis ist der Abstand zwischen den Widerstandselementen, beispielsweise R00 und R15, groß. Desweiteren neigt die Anzahl der Widerstandselemente zum Anstieg, wenn der Abstand zwischen den Widerstandselementen ansteigt. Wie oben beschrieben, ergibt sich somit das Problem, daß Widerstandselemente, die stark durch das Substratrauschen, beeinflußt werden, und solche, die wenig beeinflußt werden, koexistieren, so daß der Geradenfehler verursacht wird.

Gemäß der japanischen Offenlegungsschrift JP 63-202957 A und wie in 15 dargestellt ist, werden Mittel zum Erreichen eines Hochpräzisions-Widerstandsverhältnisses vorgeschla gen, wobei eine Gruppe von Widerstandselementeinheiten in Reihe mit einer anderen geschaltet ist, wobei die andere Gruppe von Widerstandselementen parallel zueinander geschaltet sind. Mittel zum freien Ausgeben irgendeiner Spannung, die durch die Leckwiderstände erhalten werden, sind jedoch nicht beschrieben. Desweiteren betrifft dieser Stand der Technik nicht den technischen Gesichtspunkt hinsichtlich des Auftretens des Geradenfehlers, der in dem DA-Wandler aufgrund von durch das Substrat übertragenem Rauschen auftritt, ebensowenig wie die Entfernung des Geradenfehlers. Dies ergibt sich daraus, daß der Stand der Technik lehrt, daß jeder Widerstand einen fixierten exakten Widerstandswaert hat.

Weitere Digital-Analog-Wandler entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und der Offenbarung der 11 und 12 sind in US 44398207 A , DE 4307578 A1 und DE 3526461 A1 offenbart.

Das Abstract der JP 03140017 A zeigt einen Analogdigitalwandler, bei dem auf beiden Seiten der Widerstandsstränge Auswahlschaltungen vorgesehen sind.

Eine Aufgabe der Erfindung liegt somit in der Schaffung eines DA-Wandlers, der einen Geradenfehler selbst dann deutlich reduzieren kann, wenn Rauschen an einem Substrat, in dem das Widerstandselement gebildet ist, auftritt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Die abängigen Ansprüche betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Zur Lösung dieser Aufgabe umfaßt die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung einen Widerstandsstrangschaltkreis mit einer Vielzahl von Widerständen, die in Reihe zwischen einem ersten und einem zweiten Bezugsspannungsknoten verbunden sind und einer Auswahlschaltung mit einer Vielzahl von Schalttransistoren, wobei die Auswahlschaltung einen der Verbindungspunkte der Widerstände auswählt und einen Ausgewählten der Verbindungspunkte mit einem Ausgangsknoten verbindet, wobei alle Widerstände in vier mäanderförmig aneinander grenzenden Teilsträngen in einem ersten Bereich eines Halbleitersubstrats ausgebildet sind, und das Halbleitersubstrat einen zweiten Bereich einseitig anliegend an den ersten Bereich aufweist, und alle Schalttransistoren auf dem zweiten Bereich ausgebildet sind.

Auf diese Weise sind alle Widerstände in einer beschränkten Fläche gebildet, wobei das Rauschen auf den nächsten Widerstand und den entferntesten Widerstand im wesentlichen auf demselben Wert liegt. Aufgrunddessen ist die Charakteristik des Geradenfehlers im wesentlichen eine gerade Linie.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die oben genannte und andere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich. Es zeigen:
1 ein Layoutdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen DA-Wandlers,
2 eine Äquivalentschaltung des Ausführungsbeispiels des DA-Wandlers,
3 ein Layoutdiagramm eines DA-Wandlers, der nicht für Erfindung gehört, jedoch der Erläuterung der Erfindung dient,
4 ein Diagramm einer Äquivalentschaltung von 3
5A und 5B Diagramme, die schematisch die Eingangs-/Ausgangscharakteristik des erfindungsgemäßen DA-Wandlers zeigen, wobei insbesondere 5A die ideale Eingangs-Ausgangs-Charakteristik des DA-Wandlers und eine Eingangs-/Ausgangs-Charakteristik zeigt, wenn Rauschen auftritt, und
5B die Eingangs-/Ausgangscharakteristik nach Offset- und Gaineinstellungen zeigt,
6 eine Schnittdarstellung eines Halbleitersubstrats, auf dem ein Widerstandselement aus Polysilizium gebildet ist,
7 eine Aufsicht auf Widerstandselemente gemäß der Erfindung, die aus einem gurtförmigen Widerstandskörper gebildet sind,
8 ein Diagramm einer weiteren Struktur eines Schaltelementes, das eine Auswahlschaltung gemäß der Erfindung bildet,
9 ein Layoutdiagramm eines bekannten DA-Wandlers,
10 ein Diagramm einer Äquivalentschaltung des bekannten DA-Wandlers,
11 ein Layoutdiagramm eines anderen bekannten DA-Wandlers,
12 ein Layoutdiagramm eines weiteren bekannten DA-Wandlers,
13A und 13B Diagramme der Eingangs-Ausgangs-Charakteristik des bekannten DA-Wandlers, wobei insbesondere 13A die ideale Eingangs-Ausgangs-Charakteristik des bekannten DA-Wandlers und eine Eingangs-Ausgangs-Charakteristik zeigt, wenn Rauschen auftritt, und wobei 13B die Eingangs-Ausgangs-Charakteristik nach Offset- und Gaineinstellungen zeigt,
14A ein Diagramm der Anordnung der Widerstandselemente und einer Digitalschaltung, die auf dem Halbleitersubstrat gebildet sind,
14B eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A' von 14A zur Erläuterung elektrischer Kopplungen der Widerstandselemente und der Digitalschaltung, und
15 ein Layoutdiagramm eines weiteren bekannten DA-Wandlers.
Die Erfindung wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Bezugnehmend auf 1 umfaßt der DA-Wandler gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel einen R-Strang 1, der zwischen einer positiven und einer negativen Bezugsspannung (Vref und -Vref) angeordnet ist, wobei Reihenschaltungen durch Anordnen einer Anzahl von Widerstandselementen, die ausgerichtet sind, als Serpentine gebildet sind. Der R-Strang 1 umfaßt eine erste Reihenschaltung aus vier Widerstandselementen R00 bis R03, die ausgerichtet sind, eine zweite Reihenschaltung aus vier Widerstandselementen R04 bis R07, die ausgerichtet sind, eine dritte Reihenschaltung aus vier Widerstandselementen R08 bis R11, die ausgerichtet sind, und eine vierte Reihenschaltung aus vier Widerstandselementen R12 bis R15, die ausgerichtet sind. Die aneinandergrenzenden Reihenschaltungen sind elektrisch durch Verbindung jeweiliger Anschlüsse mit Metallverdrahtungen verbunden, so daß die Reihenschaltungen als Serpentine erscheinen.
Zur Aufnahme ausgewählter Potentiale, die von Verbindungsknoten der Widerstandselemente R00 bis R15 ausgegeben werden, ist eine Auswahlschaltung 2 an einer Seite des R-Stranges 1 angeordnet. Die Auswahlschaltung 2 umfaßt eine erste Schaltelementgruppe S00 bis S03, S04 bis S07, S08 bis S11 und S12 bis S15 aus N-Kanal-MOS-Transistoren, deren Gates erste Auswahlsignale A01 bis A03 zugeführt werden, und eine zweite Schaltelementgruppe S0 bis S3 aus N-Kanal-MOS-Transistoren, deren Gates zweite Auswahlsignale A0 bis A3 zugeführt werden.
Die Verbindungsknoten der Widerstandselemente R00 bis R15 sind mit einem entsprechenden Anschluß einer Anzahl von Schaltelementen S00 bis S15 der ersten Schaltelementgruppe mit Metallverdrahtungen verbunden. Die anderen Anschlüsse der Anzahl von Schaltelementen S00 bis S15 der ersten Schaltelementgruppe sind mit einem entsprechenden Anschluß der Schaltelemente S0 bis S3 der zweiten Schaltelementgruppe verbunden. Die anderen Anschlüsse der Anzahl der Schaltelemente S00, S04, S08 und S12 der ersten Schaltelementgruppe sind gemeinsam mit einem Anschluß des Schaltelementes S0 verbunden. Ähnlich sind die anderen Anschlüsse der Schaltelemente S01, S07, S09 und S15 mit einem Anschluß des Schaltelementes S1 verbunden, wobei die anderen Anschlüsse der Schaltelemente S02, S06, S10 und S14 mit einem Anschluß des Schaltelementes S2 verbunden sind und die an deren Anschlüsse der Schaltelemente S03, S05, S11 und S13 mit einem Anschluß des Schaltelementes S3 verbunden sind.
Die anderen Anschlüsse der Schaltelemente S0 bis S4 der zweiten Schaltelementgruppe sind gemeinsam miteinander mit Metallverdrahtungen verbunden. Eine Ausgabe OUT wird von diesen Verbindungsknoten aufgenommen.
Eine Äquivalentschaltung des DA-Wandlers des ersten Ausführungsbeispiels der 1 ist in 2 dargestellt. Der DA-Wandler dieses Ausführungsbeispiels ist als DA-Wandler des Vierbit-Typs aufgebaut. Die Potentialdifferenz zwischen der positiven und der negativen Bezugsspannung -Vref und +Vref wird in 16 Teile geteilt, und ein Teil wird als Schritt behandelt. Zwei Bit der digitalen Vierbit-Eingabe werden dekodiert und als erste Auswahlsignale A00 bis A03 ausgegeben, und die verbleibenden zwei Bit der Digitaleingabe werden dekodiert und als zweite Auswahlssignale A0 bis A3 ausgegeben. Dementsprechend werden die ausgewählten Schaltelemente durch Auswahlssignale A00 bis A03 und durch Auswahlsignale A0 bis A3 gesteuert, um den Einschaltzustand einzunehmen.
Die von jedem Verbindungsknoten der Widerstandselemente R00 bis R15 ausgegebenen Potentiale werden über den Ausgangsanschluß OUT über die Schaltelemente ausgegeben, die durch die Auswahlsignale A00 bis A03 und A0 bis A3 ausgewählt werden. Die Ausgangsspannung Vout ist durch die vorgenannte Formel (1) gegeben. In 5A ist die durch die Formel (1) gegebene Eingangs-Ausgangs-Charakteristik als unterbrochene Linie dargestellt.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, das in 1 dargestellt ist, kann jeder Wert der Ausgangsspannung Vout, der durch die Formel (1) gegeben ist, ausgegeben werden, und der R-Strang 1 kann durch die serpentinenförmigen Reihen schaltungen aus der Anzahl der Widerstandselemente R00 bis R03, R04 bis R07, R08 bis R11 und R12 bis R15 aufgebaut sein, die in Ausrichtung angeordnet sind. Die Abstände zwischen den Widerstandselementen können auf ein Minimum reduziert werden, und die gegenseitigen Abstände der Widerstandselemente werden sehr klein, so daß die Abstände zwischen dem Bereich, in dem Rauschen auftritt, d.h. einer Digitalschaltung, und jedem Widerstandselement etwa gleich gestaltet werden kann.
Bezugnehmend auf die 14A und 14B ist das Widerstandselement, das in der Nachbarschaft der Digitalschaltung 101 angeordnet ist, nämlich R00, elektrisch mit der Digitalschaltung 101 über den Substratwiderstand r00 und die Diffusionsschichtkapazität C00 verbunden. Das in der von der Digitalschaltung 101 entferntesten Position angeordnete Widerstandselement ist elektrisch mit der Digitalschaltung 101 über den Substratwiderstand r00 + r12 und die Diffusionsschichtkapazität C12 verbunden. Das Widerstandselement R12, das am Endanschluß der Diagonallinie vom Widerstandselement R00 angeordnet ist, entspricht beispielsweise dem Widerstandselement 12.
Wie sich aus dem Layout der 1 ergibt, bezeichnet der Substratwiderstand r12 den Substratwiderstand zwischen dem Widerstandselement R00 und R12, und sein Widerstandswert ist durch die Formel (2) gegeben. Insbesondere ist der Widerstandswert des Substratwiderstandes r12 durch die Quadratwurzel der Summe der Werte gegeben, die durch Quadrieren der Summe r01 + r02 +r03 der Substratwiderstände zwischen den Widerstandselementen in der Reihenschaltung erhalten wird, und den Wert, der durch Quadrieren der Summe der Substratwiderstände zwischen den Widerstandselementen R00, R07, R08 und R15 erhalten wird. Die Reihenschaltung ist aus den in 1 dargestellten Widerstandselementen R00 bis R03 aufgebaut.
Da in diesem ersten Ausführungsbeispiel die Abstände zwischen den Widerstandselementen sehr klein sind, hat der Substratwiderstand r11 einen Minimalwert. Nach allem ist die Formel (3) erfüllt . r00 ≃ r00 + r12 (3)
Aufgrunddessen sind das Widerstandselement, das in der Nachbarschaft der Digitalschaltung angeordnet ist, und eins, das in der entferntesten Position von der Digitalschaltung angeordnet ist, elektrisch mit der Digitalschaltung über die Substratwiderstände gekoppelt, die näherungsweise den gleichen Widerstandswert aufweisen. Aus diesem Grund erscheint näherungsweise das gleiche Rauschen an allen Widerstandselementen R00 bis R15, die den R-Strang 1 bilden. Wenn beispielsweise Rauschen in positiver Richtung erscheint, erscheint der Fehler in der Eingangs-Ausgangs-Charakteristik der 5A, die im wesentlichen nicht vom digitalen Eingabewert abhängt. Wie durch die durchgezogene Linie der 5A dargestellt ist, verschiebt sich, wenn die Ausgangsspannung in der Nachbarschaft der negativen Bezugsspannung -Vref sich in die positive Richtung verschiebt, die Ausgangsspannung mit Bezug auf alle digitalen Eingangswerte, einschließlich der positiven Bezugsspannung +Vref, um etwa denselben Betrag in die positive Richtung.
In der Eingangs-Ausgangs-Charakteristik, die durch die durchgezogene Linie der 5A gegeben ist, ist der Geradenfehler im wesentlichen nicht vorhanden, so daß eine Analogausgabe, die durch die durchgezogene Linie der 5B gegeben ist, erhalten werden kann, die nahe am Idealwert liegt. Aufgrunddessen ist es möglich, einen Hochpräzisions-DA-Wandler zu erhalten.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Kopplungswiderstände der Digitalschaltung und die Widerstandselemente als Gesamtsumme r01 + r03 + ... r15 der Widerstandselemente ausgedrückt. Entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Substratwiderstand r12 auf etwa 1/4 bis 1/3 des bekannten DA-Wandlers reduziert, wie durch den Substratwiderstand r12 gezeigt ist, der durch die Formel (2) gegeben ist. Wenn beispielsweise ein 10-Bit-DA-Wandler eingesetzt wird, ist in dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung der Wert des Substratwiderstands auf etwa 1/20 des bekannten DA-Wandlers reduziert. Da die Präzision des DA-Wandlers höher ist, wird die Reduktion des Kopplungswiderstandes zwischen den Widerstandselementen und der Digitalschaltung größer.
3 ist ein Layout-Diagramm eines DA-Wandlers, der nicht zur Erfindung gehört, jedoch der Erläuterung der Erfindung dient.
In 3 ist ein R-Strang zwischen der positiven und der negativen Bezugsspannung +Vref und -Vref gebildet. Der R-Strang ist durch serpentinenförmige Reihenschaltungen gebildet, wobei Widerstandselemente R00 bis R03, R04 bis R07, R08 bis R11 und R12 bis R15 ausgerichtet angeordnet sind.
Zum selektiven Ausgeben von Potentialen von den Verbindungsknoten der Widerstandselemente R00 bis R15 sind Auswahlschaltungen 2' und 2'' an beiden Seiten des R-Strangs 1 angeordnet. Die Auswahlschaltung 2' ist aus Schaltelementen S00 bis S03 und S04 bis S07 zusammengesetzt. Die Schaltelemente S00 bis S03 und S04 bis S07 sind N-Kanal-MOS-Transistoren, deren Gates erste Auswahlsignale A00 und A01 zugeführt werden. Die Auswahlschaltung 2'' ist aus Schaltelementen S08 bis S11 und S12 bis S15 und Schaltelementen S0 bis S3 zusammengesetzt. Die Schaltelemente S08 bis S15 sind N-Kanal-MOS-Transistoren, deren Gates die ersten Signale A02 und A03 zugeführt werden, und die Schaltelemente S0 bis S3 sind N-Kanal-MOS-Transistoren, deren Gates die zweiten Auswahlsignale A0 bis A3 zugeführt werden.
Die Verbindungsknoten der Widerstandselemente R00 bis R15 sind mit einem entsprechenden Anschluß der Schaltelemente S00 bis S15 durch eine erste Schicht mit Metallverdrahtungen verbunden. Die anderen Anschlüsse der Schaltelemente S00, S04, S08 und S12, S01, S07, S09 und S15, S02, S06, S10 und S14, S03, S05, S11 und S13 sind mit einem entsprechenden Anschluß der Schaltelemente S0 bis S3 über entweder die erste Schicht Metallverdrahtungen oder sowohl die erste Schicht Metallverdrahtungen und eine zweite Schicht Metallverdrahtungen verbunden, wie durch schräge Linien in 3 dargestellt ist. Die andern Anschlüsse der Schaltelemente S0 bis S3 sind miteinander gemeinsam über die erste und die zweite Schicht Metall verbunden, so daß die Ausgabe vom Ausgangsanschluß OUT aufgenommen werden kann. Eine Äquivalentschaltung des DA-Wandlers ist in 4 dargestellt.
Es soll hier festgestellt werden, daß der Betrieb des DA-Wandlers der nicht zur Erfindung gehört, jedoch der Erläuterung dient, dem des DA-Wandlers des ersten Ausführungsbeispiels entspricht und daß deshalb hier keine weitere Erläuterung folgt.
In dem Beispiel, das nicht zur Erfindung gehört, jedoch der Erläuterung dient sind die Auswahlschaltungen 2' und 2'' separat entlang der beiden Linien des R-Stranges angeordnet, die einander gegenüberstehen. Aufgrunddessen sind die Metallverdrahtungen zum Verbinden der Verbindungsknoten der Widerstandselemente R00 bis R15 mit den einen Anschlüssen der Schaltelemente S00 bis S15 ebenfalls in zwei Gruppen unterteilt. Die Anzahl der Metallverdrahtungen, die auf den Widerstandselementen verlaufen, ist reduziert, so daß der R-Strang mit kleineren Widerstandselementen gebildet werden kann. Auf diese Weise kann die Besetzungsfläche reduziert werden, und die Abstände zwischen den Widerstandselementen können noch weiter reduziert werden, wodurch die Pegeldifferenz des Rauschens, die in allen Widerstandselementen auftritt, weiter reduziert werden kann. Ein DA-Wandler mit höherer Präzision kann so aufgebaut werden.
In dem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden N-Diffusionsschichten in der Nähe des Halbleitersubstrats, die als Widerstandselemente dienen, zur Erläuterung der Erfindung verwendet. Wenn jedoch, wie beispielsweise in 6 dargestellt ist, Widerstandselemente aus einem Polysilizium (P-Si) 62 etc. auf einem Isolierfilm 61 auf einer Fläche eines Halbleitersubstrats 60 ausgebildet werden, ist es offensichtlich, daß entsprechende Effekte wie bei dem Ausführungsbeispiel, erzielt werden können.
Desweiteren wurde die Erläuterung hinsichtlich des Ausführungsbeispiels unter Verwendung des R-Stranges durchgeführt, der aus Widerstandselementen besteht, der durch Verbindung der Einheitswiderstände mit Metallverdrahtungen erhalten wird. Ein ähnlicher Effekt kann ebenfalls erreicht werden, wenn der R-Strang aus den Widerstandselementen besteht, wobei Zapfen von der Metallverdrahtung 73 durch die Kontaktlöcher 72 auf den gurtförmigen Widerstandskörper 71 gebildet sind.
Desweiteren sind in dem Ausführungsbeispiel N-Kanal-MOS-Transistoren, d.h. MOS-Feldeffekttransistoren, als Schaltelemente der Auswahlschaltungen beschrieben, deren Gates mit den Auswahlsignalen versorgt werden. Wenn, wie in 8 dargestellt ist, Schaltelemente aus N-Kanal-MOS-Transistoren und P-Kanal-MOS-Transistoren verwendet werden, deren Gates mit den Auswahlsignalen A bzw. den invertierten Signalen versorgt werden, ist offensichtlich, daß ähnliche Effekte erzielt werden können.
Wie oben beschrieben, umfaßt die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung einen Widerstandsstrangschaltkreis mit einer Vielzahl von Widerständen, die in Reihe zwischen einem ersten und einem zweiten Bezugsspannungsknoten verbunden sind und eine Auswahlschaltung mit einer Vielzahl von Schalttransistoren, wobei die Auswahlschaltung einen der Verbindungspunkte der Widerstände auswählt und einen Ausgewählten der Verbindungspunkte mit einem Ausgangsknoten verbindet,
wobei alle Widerstände in vier mäanderförmig aneinander grenzenden Teilsträngen in einem ersten Bereich eines Halbleitersubstrats ausgebildet sind, und das Halbleitersubstrat einen zweiten Bereich einseitig anliegend an den ersten Bereich aufweist, und alle Schalttransistoren auf dem zweiten Bereich ausgebildet sind.