JP2015070112A - Lsiに内蔵するda変換器の設計方法 - Google Patents
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Abstract
Description
かかるDA変換器に入力されるデジタル値の下位4ビットの2進数の各重みに応じて、最下位ビットが0のときは、S1をT3側につなぎ、最下位ビットが1のときは、S1をT2側につなぐ。次のビットが0のときは、S2をT3側につなぎ、そのビットが1のときは、S2をT2側につなぐ。同様にS3,S4も動作し、下位4ビット分のDA変換器が構成されている。ここでR1’=R2’=R3’=R4’=R、R0=R1=R2=R3=R4=2Rとなるように設計する。ここでRは単位抵抗の値であり、設計時に与えられるものである。
かかるDA変換器に入力される上位側2bitの値が0の場合は、S5,S6,S7はともにT3側につなぐ。上位側2bitの値が1の場合は、S5をT2側に、S6,S7をT3側につなぐ。上位側2bitの値が2の場合は、S5,S6をT2側に、S7をT3側につなぐ。上位側2bitの値が3の場合は、S5,S6,S7はともにT2側につなぐ。つまり上位2ビットの示す数のスイッチをT2側につなぐ。ここで、R5=R6=R7=2Rとし、下位4bitのDA変換器の合成抵抗2Rと等しくする。
まず設計仕様として、DA変換器のビット数と、単位抵抗値もしくは出力抵抗値が与えられる。
回路設計者は経験により、二進部とセグメント部の分割を決める。
回路設計者は、DA変換器の精度を満たすために必要な抵抗比の相対精度を決める。
レイアウト設計者が、抵抗比の相対精度に応じ、プロセス毎の経験に基づき、単位抵抗Rの幅Wを決める。
レイアウト設計者は、式に基づき、単位抵抗Rの長さLを決める。
単位抵抗を配置し、配線する。
集積回路上で、複数の入力ビットと、複数の単位素子の物理量に比例した出力を持つDA変換器の設計において、
前記入力ビットを分割するためのゼロを含むことができる変数を設けて複数のDA変換器の組合せとして分割設計し、
前記変数の関数として単位物理量の値からかかる単位素子の縦と横の比を算出し、
前記単位素子の縦と横の積を、上記分割の結果許容される精度を満たす値としてかかる物理量のペリグロム係数を用いて算出し、
両者の連立方程式から前記単位素子の概略の縦と横の長さを算出し、
かかる算出された縦と横の長さの一つが半導体の設計基準を満たない場合は、それを満たす値に置き換えて、他方を算出し、
前記変数の値をゼロを含む取り得る値で変化させたときの評価関数を算出し、
かかる評価関数により前記変数値を選択することを特徴とするDA変換器の設計方法が得られる。
上位のセグメント方式の2Rの抵抗の本数は2n-1本である。単位抵抗R換算はその2倍の2(2n-1)本である。
DA変換器の出力抵抗はこれらとR-2R側合成抵抗値2Rとの並列なので、2R/2nと計算される。
下位b-nビットがR-2R方式の二進重みである。
下位各ビットともRの抵抗1本と2Rの抵抗2本で構成され、最左端のR0(値は2R)を加えて、単位抵抗R換算で3(b-n)+2本である。
上位と下位の合計で、基準抵抗は2(2n-1)+3(b-n)+2本である。
設計マージンは、通常1/2程度を用いるが、これに限定しない。またDA変換器の所望の精度が甘くてよい場合には、m1として1以上の値とすることもありうる。
抵抗の種類と、シート抵抗値(ρsとおく)、最小幅(Xminとおく)、幅の補正値(ΔXとおく)、コンタクト抵抗(Rcとおく)、最小抵抗間隔(Xsとおく)などである。
最近は、抵抗の相対精度を示す値として、通称ペリグロム係数もしくはグラフが参考値として提示される。
そうでない場合には、設計者がペリグロム係数を測るためのテストチップを作ることもある。
ペリグロム氏の論文ではトランジスタのばらつきに関してであったが、ここでは一般化して、ペリグロム係数を扱う。縦軸にばらつきの標準偏差値σ、横軸に素子面積の平方根の逆数を取った時に、ほぼ直線に載るので、その傾きをペリグロム係数と定義し、pとおく。
かかるばらつき範囲と、前記抵抗の相対精度の許容値Aが等しくなるときが、許容限界となる。
従ってA=m×p/√(X×Y)となり、面積X×Y=(m×p/A)2が得られる。
前項と合わせて、X,Yの連立方程式が求まった。これを解けば単位抵抗の幅Xが求められる。
これを厳密に解いても良いが、近似式U≒k×Y/Xを使うと、両式の比からX2=(m×p/A)2/kとなり、幅X=m×p/(A√k)と求められる。
なお、ここで得られた幅Xが、設計基準の最小幅Xmin未満の場合は、X=Xminに変更する。
この幅Xを用いて、Y=(U-α)(X-ΔX)/kで厳密に長さYを求めることができる。
選択したものをレイアウト設計すればよい。
あるいは上記の算出結果から、少なくとも単位抵抗を必要本数並べた自動配置は容易である。
第二の実施例は、図1の回路図のDA変換器において、レイアウトの基準抵抗として値が2Rのものを選択することを提唱する。値がRの抵抗は、かかる基準抵抗を2個並列にすることで実現できる。
0016項は、基準抵抗の値がRであっても2Rであっても、その面積X×Yは許容ばらつきとペリグロム係数で決まるので、同じであることを示している。
0017項で示すように単位抵抗値2R=U≒k×Y/Xなので、実施例2の単位抵抗の形状は、実施例1の単位抵抗に比べて、Xが概略1/√2、Yが概略√2倍となり、形状は異なるが、面積は等しい。
上記以外は、実施例1のフローチャート及び詳細な説明を準用できる。
一方、上位nビットのセグメント方式の部分は2Rの抵抗が2n-1本となる。
上位と下位の合計で、単位抵抗は(2n-1)+3(b-n)+1本である。この本数は、0013項に示された実施例1の場合より2n本も少ない。単位抵抗の面積が同じで本数が少ないので、抵抗領域全体の面積も小さいという利点が得られる。
図5はこれをレイアウトした例であり、単位抵抗16本でできた。
ここでT11が出力端子である。T12を正の電源、T13をGNDとすることが多いがこれに限らない。T14は説明のための内部端子である。
この動作は、抵抗R10〜R16の7本の抵抗の直列接続により、端子T12とT14間の電圧を分圧した電圧の内、DA変換器の入力の上位3bitをデコードした値で選択されたスイッチS10〜S17の1つを介し、アンプAmpの第一の端子に出力される。抵抗R20〜R26の7本の直列接続により、端子T13とT14間の電圧を分圧した電圧の内、DA変換器の入力の下位3bitをデコードした値で選択されたスイッチS20〜S27の1つを介し、アンプAmpの第2の端子に出力される。アンプAmpは両入力の差を取り、端子T11に出力する。ここで、抵抗R29は下位側のDA変換器の出力と上位側の1LSBとを合わせるためのスケーリング用抵抗である。この例では抵抗R29は端子T14,T13間の電圧を、端子T12,T14間の電圧の1/8にするための抵抗であり、概略R10〜R16と等しい値を持つ。
まず設計仕様として、DA変換器のビット数と、単位抵抗値が与えられる。
回路設計者は経験により、上位抵抗ストリングス部と下位抵抗ストリングス部の分割を決める。
回路設計者は、DA変換器の精度を満たすために必要な抵抗比の相対精度を決める。
レイアウト設計者が、抵抗比の相対精度に応じ、プロセス毎の経験に基づき、単位抵抗Rの幅Wを決める。
レイアウト設計者は、式に基づき、単位抵抗Rの長さLを決める。
単位抵抗を配置し、配線する。
図9はそのレイアウトの一例である。なお抵抗の数が多い場合は、蛇行させて配置するのが一般的である(図示せず)。
上位の抵抗ストリング方式の単位抵抗の本数は2n-1本である。下位b-nビットのR-2R方式の抵抗ストリング方式の単位抵抗の本数は2b-n-1本である。
上位と下位の合計で、基準抵抗は2n-1+2b-n-1本である。
設計マージンは、通常1/2程度を用いるが、これに限定しない。またDA変換器の所望の精度が甘くてよい場合には、m1として1以上の値とすることもありうる。
抵抗の種類と、シート抵抗値(ρsとおく)、最小幅(Xminとおく)、幅の補正値(ΔXとおく)、コンタクト抵抗(Rcとおく)、最小抵抗間隔(Xsとおく)などである。
最近は、抵抗の相対精度を示す値として、通常ペリグロム係数もしくはグラフが参考値として提示される。
そうでない場合は、設計者がペリグロム係数を測るためのテストチップを作ることもある。
ここで一般的にペリグロム係数というのは、縦軸にばらつきの標準偏差値σ、横軸に素子面積の平方根の逆数を取った時に、ほぼ直線に載るので、その傾きのことである。ここではペリグロム係数をpとおく。
かかるばらつき範囲と、前記抵抗の相対精度の許容値Aが等しくなるときが、許容限界となる。
従ってA=m×p/√(X×Y)となり、面積X×Y=(m×p/A)2が得られる。
前項と合わせて、X,Yの連立方程式が求まった。これを解けば単位抵抗の幅Xが求められる。
これを厳密に解いても良いが、近似式U≒k×Y/Xを使うと、両式の比からX2=(m×p/A)2/kとなり、幅X=m×p/(A√k)と求められる。
なお、ここで得られた幅Xが、設計基準の最小幅Xmin未満の場合は、X=Xminに変更する。
この幅Xを用いて、Y=(U-α)(X-ΔX)/kで厳密に長さYを求めることができる。
選択したものをレイアウト設計すればよい。
あるいは上記の算出結果から、少なくとも単位抵抗を必要本数並べた自動配置は容易である。
図11は、特許文献2で示した発明の一例であり、図10の回路のレイアウトの一例である。かかる発明は本願発明と同じ発明者の発明である。各スイッチを制御する配線は省略してある。
この動作は、容量C41〜C47の7個の容量の内、DA変換器の入力の上位3bitをデコードした値の個数分をスイッチS41〜S48を介して端子T32に接続し、そうでない容量はスイッチS41’〜S47’を介して端子T33に接続する。容量C31〜C37の7個の容量の内、DA変換器の入力の下位3bitをデコードした値の個数分をスイッチS31〜S37を介して端子T32に接続し、そうでない容量はスイッチS31’〜S37’を介して端子T33に接続する。
ここで、容量C40,C40’は下位側の容量を、上位側の容量の1LSBと合わせるためのスケーリング容量である。この例では容量C40,C40’は下位側の容量を上位側の1/8にする容量であり、C40〜C47の1〜2倍の容量値である。正しく1/8にするために、容量C40,C40’の値を調節するか、あるいは容量C31〜C37に並列に調整容量を入れる(図示せず)ことが知られている。
まず設計仕様として、DA変換器のビット数と、単位容量値もしくは合計容量が与えられる。
回路設計者は経験により、上位スイッチド・キャパシタ部とスイッチド・キャパシタ部の分割を決める。
レイアウト設計者が、プロセス毎の単位容量の電極間隔dを選ぶ。
レイアウト設計者は、式に基づき、単位容量の長さLを決める。
単位容量を配置し、配線する。
上位のスイッチド・キャパシタ方式の単位容量Cの個数は2n-1個である。下位b-nビットのスイッチド・キャパシタ方式の単位容量Cの個数は2b-n-1個である。分割用容量C40,C40’を加えて、合計で単位容量は2n+2b-n個である。
出力側から見た合計容量はC×2nとなる。もし設計仕様として合計容量が与えられた場合は、この式を使い単位容量Cの値を算出しておく。
設計マージンは、通常1/2程度を用いるが、これに限定しない。またDA変換器の所望の精度が甘くてよい場合には、m1として1以上の値とすることもありうる。
配線間櫛形容量の誘電率(εとおく)、最小電極間隔(Xminとおく)、電極間隔の補正値(ΔXとおく)、フリンジ容量(Ccとおく)、最小電極幅(Xsとおく)などである。
最近は、容量の相対精度を示す値として、通称ペリグロム係数もしくはグラフが参考値として提示される。
そうでない場合は、設計者がペリグロム係数を測るためのテストチップを作ることもある。
ここで一般的にペリグロム係数というのは、縦軸にばらつきの標準偏差値σ、横軸に素子面積の平方根の逆数を取った時に、ほぼ直線に載るので、その傾きのことである。ここではペリグロム係数をpとおく。
かかるばらつき範囲と、前記抵抗の相対精度の許容値Aが等しくなるときが、許容限界となる。
従ってA=m×p/√(X×Y)となり、面積X×Y=(m×p/A)2が得られる。
前項と合わせて、X,Yの連立方程式が求まった。これを解けば単位抵抗の幅Xが求められる。
これを厳密に解いても良いが、近似式U≒k×Y/Xを使うと、両式の比からX2=(m×p/A)2/kとなり、幅X=m×p/(A√k)と求められる。
なお、ここで得られた幅Xが、設計基準の最小電極間隔Xmin未満の場合は、X=Xminに変更する。
この電極間隔Xを用いて、Y=(U-α)(X-ΔX)/kで厳密に長さYを求めることができる。
選択したものをレイアウト設計すればよい。
あるいは上記の算出結果から、少なくとも単位容量を必要本数並べた自動配置は容易である。
図15は図14の回路のレイアウトの一例である。各スイッチを制御する配線は省略してある。
この動作は、電流源I60のカレントミラーとして動作するPチャネルMOSトランジスタM61〜M67の7個のドレイン電流の内、DA変換器の入力の上位3bitをデコードした値の個数分をスイッチS61〜S67を介して端子T52に接続する。電流源I50のカレントミラーとして動作するPチャネルMOSトランジスタM51〜M57の7個のドレイン電流の内、DA変換器の入力の下位3bitをデコードした値の個数分をスイッチS51〜S57を介して端子T52に接続する。
ここで、下位側の電流値を上位側の1LSBの電流と合わせるために、I50は、I60の電流をカレントミラー等で1/8にした電流を供給する(図示せず)。
まず設計仕様として、DA変換器のビット数と、単位電流値もしくは合計電流値が与えられる。
回路設計者は経験により、上位電流源部と下位電流源部の分割を決める。
回路設計者は経験により、カレントミラーを構成するPチャネルMOSトランジスタのチャネル長Lとチャネル幅Wを決める。
レイアウト設計者が、与えられたLとWに従いトランジスタを所定個数発生し、配置する。
配線する。
上位の単位定電流源方式の単位トランジスタの個数は2n-1個である。下位b-nビットの単位定電流源方式の単位トランジスタの個数は2b-n-1個である。合計で単位トランジスタは2n+2b-n個である。
出力側から見た合計電流値はI60×2nとなる。もし設計仕様として合計電流値が与えられた場合は、この式を使いカレントミラーの電流値I60を算出しておく。
設計マージンは、通常1/2程度を用いるが、これに限定しない。またDA変換器の所望の精度が甘くてよい場合には、m1として1以上の値とすることもありうる。
増幅率β、閾値(VTとおく)、最小ゲート長(Xminとおく)、ゲート長の補正値(ΔXとおく)、最小ドレイン/ソース長(Xsとおく)などである。
最近は、トランジスタの相対精度を示す値として、通称ペリグロム係数もしくはグラフが参考値として提示される。
そうでない場合は、設計者がペリグロム係数を測るためのテストチップを作ることもある。
ここで一般的にペリグロム係数というのは、縦軸にばらつきの標準偏差値σ、横軸に素子面積の平方根の逆数を取った時に、ほぼ直線に載るので、その傾きのことである。ここではペリグロム係数をpとおく。
かかるばらつき範囲と、前記ドレイン電流の相対精度の許容値Aが等しくなるときが、許容限界となる。
従ってA=m×p/√(X×Y)となり、面積X×Y=(m×p/A)2が得られる。
これを厳密に解いても良いが、近似式U≒k×Y/Xを使うと、両式の比からX2=(m×p/A)2/kとなり、幅X=m×p/(A√k)と求められる。
なお、ここで得られたゲート長Xが、設計基準の最小ゲート長Xmin未満の場合は、X=Xminに変更する。
このゲート長Xを用いて、Y=(U-α)(X-ΔX)/kで厳密にゲート幅Yを求めることができる。
選択したものをレイアウト設計すればよい。
あるいは上記の算出結果から、少なくとも単位トランジスタを必要本数並べた自動配置は容易である。
C31〜C47, C40’ 容量
S1〜S67, S31’〜S47’ MOSトランジスタによるスイッチ
T1〜T52 端子
I50, I60 電流源
Claims (14)
- 集積回路上で、複数の入力ビットと、複数の単位素子の物理量に比例した出力を持つDA変換器の設計において、
前記入力ビットを分割する変数を設けて複数のDA変換器の組合せとして分割設計し、
前記変数の関数として前記物理量の値からかかる単位素子の縦と横の比を算出し、
前記単位素子の縦と横の積を、前記分割の結果許容される精度を満たす値としてかかる物理量のペリグロム係数を用いて算出し、
両者の連立方程式から前記単位素子の正確なもしくは概略の縦と横の長さを算出し、
かかる算出された縦と横の長さの一つが半導体の設計基準を満たない場合は、それを満たす値に置き換えて、他方を算出し、
前記変数の値をゼロを含む取り得る値で変化させたときの評価関数を算出し、
かかる評価関数により前記変数値を選択することを特徴とするDA変換器の設計方法。 - 前項のDA変換器の設計方法で、前記評価関数がその面積及び/もしくは、縦横比であることを特徴とするDA変換器の設計方法。
- 前項のDA変換器の設計方法で、前記評価関数がかかるDA変換器の出力インピーダンスであることを特徴とするDA変換器の設計方法。
- 前各項のDA変換器の設計方法で、前記物理量が抵抗値であることを特徴とするDA変換器の設計方法。
- 請求項1〜3のDA変換器の設計方法で、前記物理量が容量値であることを特徴とするDA変換器の設計方法。
- 請求項1〜3のDA変換器の設計方法で、前記物理量が電流値であり、単位素子がトランジスタであることを特徴とするDA変換器の設計方法。
- 請求項1〜3のDA変換器の設計方法で、物理量が容量値であることを特徴とするDA変換器の設計方法。
- 前各項のDA変換器の設計方法で、前記分割された複数のDA変換器の方式が、二進重みづけ方式と、前記単位素子の数に比例するセグメント方式との、ゼロ個及び重複を含む任意組み合わせであることを特徴とするDA変換器の設計方法。
- 集積回路上で、複数の単位素子の物理量に比例した出力を持つDA変換器の設計において、
前記単位物理量の値からかかる単位素子の縦と横の比を算出し、
前記単位素子の縦と横の積を、前記分割の結果許容される精度を満たす値としてかかる物理量のペリグロム係数を用いて算出し、
両者の連立方程式から前記単位素子の正確なもしくは概略の縦と横の長さを算出し、
かかる算出された縦と横の長さの一つが半導体の設計基準を満たない場合は、それを満たす値に置き換えて、他方を算出することを特徴とするDA変換器の設計方法。 - 前項のDA変換器の設計方法で、前記物理量が抵抗値であることを特徴とするDA変換器の設計方法。
- 請求項8のDA変換器の設計方法で、前記物理量が容量値であることを特徴とするDA変換器の設計方法。
- 請求項8のDA変換器の設計方法で、前記物理量が電流値であり、単位素子がトランジスタであることを特徴とするDA変換器の設計方法。
- 請求項8のDA変換器の設計方法で、物理量が容量値であることを特徴とするDA変換器の設計方法。
- R-2R方式とセグメント抵抗2Rの組合せからなるDA変換器において、2Rの抵抗を単位抵抗とし、掛かる2Rの抵抗を2個並列にしてR-2R方式のRの抵抗を実現することを特徴とするDA変換器の設計方法。
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