JP4757006B2 - 電流源セル配置構造およびda変換器 - Google Patents

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Description

本発明は、電流源セル配置構造およびDA変換器に係り、特に、製造プロセス等に起因して生じるトランジスタ特性のばらつきの影響を低減する電流源セル配置構造およびその電流源セル配置構造を備えるDA変換器に係る。
ディジタル信号をアナログ信号に変換するDA変換器として、電流加算型のものが知られている。電流加算型のDA変換器は、ディジタル信号を元に選択される電流源セルの数を決定し、選択された電流源セルの出力電流を加算してアナログ信号として出力するものである。
図5は、電流加算型のDA変換器の構成を示すブロック図である。図5において、ディジタル信号Dinは、デコーダ110でデコードされ、デコーダ110の出力に応じてスイッチSW1〜SWnがオンオフされる。電流源セル群120から出力されるそれぞれの電流は、スイッチSW1〜SWn中のオンとなったスイッチによって選択されて加算され、抵抗Rに流れる。抵抗Rの一端の電圧Aoutには、DA変換されたアナログ信号が得られる。
次に、電流源セル群120について説明する。電流源セル群120は、定電流を出力する複数の電流源セルから構成される。例えば、10ビットDA変換器を構成する場合、図6(a)に示すように、210−1=1023個のLSB(Least Significant Bit)に対応する電流源セルから構成される。これらの電流源セルの出力電流をデコーダ110の出力で動作するスイッチによって選択する。このようなデコード方法は、バイナリコードの値が大きくなるに連れて動作するスイッチ数が増えていき、温度計コードとも呼ばれる。この場合、直線性誤差は少ないが、スイッチSW1〜SWnの数が1023個と極めて多くなり、実装するには向かない。
したがって、通常は、下位ビットをバイナリコードとし、上位ビットを温度計コードで表してDA変換器を構成する。例えば、10ビットDA変換器を構成する場合、図6(b)に示すように、15個の64LSBに相当するMSB(Most Significant Bit)と、32LSB、16LSB、8LSB、4LSB、2LSB、1LSBとからなるそれぞれの電流源セルの出力電流を、デコーダ110の出力で動作するスイッチSW1〜SWnによって選択するようにする。この場合、スイッチSW1〜SWnの数は、21個となる。なお、64LSB、32LSB、16LSB、8LSB、4LSB、2LSB、1LSBの電流源セルは、それぞれ2のべき乗倍で変化させたW/L比を有するMOSトランジスタなどによる定電流源で構成される。
以上のように構成される電流加算型のDA変換器は、高速動作に向いている、グリッジが小さい、素子精度は緩い、CMOS化が容易であるなどの利点を有するので広く使われている。
このような電流加算型のDA変換器は、変換精度の面から見た場合、MSBに対応する各電流源セルの出力電流の大きさは全て等しいことが理想的である。しかし実際には、製造プロセス等に起因してトランジスタ特性にばらつきが生じて、各電流源セルの出力電流の大きさは一定とはならない。このため、DA変換に際し、微分直線性誤差や非直線性誤差(積分直線性誤差)が生じるが、これらの誤差は各電流源セルの出力電流量のばらつきに依存する。
特許文献1では、このような各電流源セルの出力電流の誤差が配置位置に対し一定方向(直線的)に傾斜状にばらつくものとして、このばらつきをキャンセルした一定の電流値を出力する電流源セルの配置構造を開示している。この電流源セル配置構造は、図7に示すようにそれぞれ所定電流量を有する複数の電流源セル100がマトリクス配列された電流源セルマトリクスの各電流源セルを複数組み合わせて所要電流量を有する定電流源MCELL1〜MCELL15を構成するものである。電流源セルマトリクスがマトリクス配列の中心に対して対称配置されるAブロック101、Bブロック102に分割され、定電流源が各ブロックからそれぞれ行方向若しくは列方向に選択された等数の電流源セルの組み合わせからなる。
特開2002−9247号公報(図1)
ところで、チップ内の電流源セル配置領域における実際の製造プロセスのばらつきを詳しく解析してみると、大きく分けて、傾斜状のばらつき、山状あるいは谷状のばらつき、およびランダムなばらつきが存在することが判明した。この3つのばらつきの発生要因について以下に説明する。
(1)傾斜状のばらつき
第1の要因は、パッケージ封入時の応力による。ウェーハをパッケージに封入する際にどこか一箇所に応力の中心がかかると、そこを中心にトランジスタの特性が変化する。一箇所に応力がかからなくてもチップの端の方と中心では応力のかかり方が異なる。この応力の中心がかかる場所が電流源セル配置領域の上ならば別であるが、電流源セル配置領域から遠く離れたところであると、その位置を起点とした傾斜状の傾きを持つばらつきが発生する。
第2の要因は、電源ラインを流れる電流によるIRドロップによる。これはプロセスではなく、レイアウト設計に起因するものである。電流源セルを構成するトランジスタに電流を供給する配線が、例えば電流源セル配置領域の右(あるいは左)端から配線されれば、右(左)端からのIRドロップのためにトランジスタの特性ばらつきが傾斜状になる。ただし、両端から均等に配線したり、電流源セル配置領域の真中へ配線し、そこから左右にIRドロップするように配線したりすれば、ばらつきは山(あるいは谷)状になる。
(2)山状あるいは谷状のばらつき
第1の要因は、熱処理を伴う拡散工程の濃度分布による。電流源セルは、基本的に一箇所に集めてレイアウトを行うので、電流源セル配置領域にはトランジスタが集まり、電流源セル配置領域の周りにはトランジスタがほとんど配置されないレイアウトになる。拡散工程では電流源セル配置領域にイオン注入を行うが、そのときの拡散は濃度の高い所から低い所へと拡散する。したがって、領域の周辺部では、より濃度が薄い端の方にイオンが拡散する。領域の中心部でもイオンは拡散するが、やはり領域の中心部と端とでは微妙に分布が変わると考えられる。
第2の要因は、トランジスタのエッジの形状による。電流源セル配置領域の中心部では両サイドにトランジスタが存在するが、電流源セル配置領域の端の方になると片側にしかトランジスタが存在しないので、拡散時にトランジスタの形状などが変わってしまう。この影響を避けるために、通常、電流源セルの両端にはダミートランジスタを配置する。しかし、レイアウト面積の制約でダミートランジスタを配置出来ないこともある。また、領域中心部のトランジスタでは、2、3個目の隣にもトランジスタが存在しているのに対し、領域の端の方であるとダミーがあったとしても、2、3個目の隣にはトランジスタが存在しないこともある。これらが影響して、特性(トランジスタの形状)が変化する。
第3の要因は、温度分布による。電流源セル配置領域の中心部ではトランジスタが集中して存在するので、中心部は、周辺部に比べ電流源セル部の温度が高くなる。この場合、電流源セル配置領域外のレイアウトを考慮しなければ、温度勾配による特性ばらつきが山(あるいは谷)状になる。
(3)ランダムなばらつき
露光装置のレンズディストーションによる加工形状の誤差、イオン注入時のウェーハ表面分布の変動、酸化膜厚の変動などの要因によって、形成されるトランジスタの形状に微少な違いができてしまい、トランジスタの特性がランダムにばらつく。
実際のプロセスばらつきは、これら3つのばらつきの組み合わせからなる。電流加算型のDA変換器で、各電流源セルの出力電流を加算するように構成した場合、(3)ランダムなばらつきの影響は、軽減されると考えられる。
ところで、特許文献1では、(1)傾斜状のばらつきの影響を低減するような電流源セルのレイアウトを提供している。DA変換器が組み込まれるのがカスタムLSI等であって、チップの端に置かれる等、予めレイアウトが定まっている場合であれば、傾斜状のばらつきを考慮することが有効であることも多い。しかしながら、DA変換器を例えばマクロセルとして提供するような場合には、DA変換器が配置されるチップ上のレイアウトを固定的に定めることはできない。マクロセルとしては、DA変換器がチップ上にどのように配置されても、所定の性能を発揮することが求められる。すなわち、従来のように傾斜状のばらつきを考慮したのでは、マクロセルに用いるような高精度のDA変換器を提供することができない虞があった。
本発明者は、DA変換器をマクロセルとして提供するような場合にあっては、製造プロセスにおける傾斜状のばらつきよりも山状あるいは谷状のばらつきを考慮した方が適用性が高まるとの結論を得て、本発明の電流源セル配置構造を創案するに至った。
本発明の1つのアスペクトに係る電流源セル配置構造は、電流源セルを2次元マトリクス状に配置し、複数の電流源セルを接続して所要電流量を有する電流源を構成する。そして、この電流源セル配置構造は、2次元マトリクスの或る1行分に含まれる電流源セルのそれぞれに対してa、a、・・・a(nは4以上の整数)の符号を付した場合に、a、a、・・・aの並びからなる第1の行と、第1の行におけるa、ai+1、・・・ai+j(i、jはそれぞれ1以上の整数、かつi+jはn/2以下の整数)の並びとa、ak+1、・・・ak+j(kはn/2を超える整数、かつk+jはn以下の整数)の並びとを入れ替えた第2の行と、をそれぞれ同数ずつ2次元マトリクス中に含み、それぞれの行におけるa、ai+1、・・・ai+jおよびa、ak+1、・・・ak+jの同一符号の電流源セル同士をすべての行に亘って接続するように構成する。
本発明によれば、製造プロセスに山状あるいは谷状のばらつきがあっても、このばらつきを低減するように電流源セル同士を組み合わせるので、高精度の電流源を構成することができる。
図1は、本発明の実施形態に係る電流源セル配置構造を示す図である。図1において、a、a、・・・a(nは4以上の整数)は、それぞれMOSトランジスタ等で構成されて定電流を出力する電流源セルを表す。これらの電流源セルを半導体チップ上で2次元マトリクス状に配置し、複数の電流源セルを接続して所要電流量を有する電流源を構成する。2次元マトリクス状に配置するに際し、第1の行(図1における最下端の行)に含まれる電流源セルのそれぞれに対してa、a、・・・aの符号を付した場合に、a、a、・・・aの並びからなる第1の行と、第1の行におけるa、ai+1、・・・ai+j(i、jはそれぞれ1以上の整数、かつi+jはn/2以下の整数)の並びとa、ak+1、・・・ak+j(kはn/2を超える整数、かつk+jはn以下の整数)の並びとを入れ替えた第2の行と、をそれぞれ同数ずつ2次元マトリクス中に含むように配置する。この場合、第1および第2の行が列方向に交互に存在するように構成することが好ましい。そして、それぞれの行におけるa、ai+1、・・・ai+jおよびa、ak+1、・・・ak+jの同一符号の電流源セル同士をすべての行に亘って接続することで、それぞれI、Ii+1、・・・Ii+jおよびI、Ik+1、・・・Ik+jの電流を出力する電流源を構成する。
以上のように構成される電流源セル配置構造では、電流源セルの出力する電流値が行方向に山状あるいは谷状に変化する場合に、電流源セル同士を組み合わせることで、山あるいは谷を隔てた変化同士がキャンセルされるように電流値が平均化される。したがって、製造プロセスによって山状あるいは谷状のばらつきが生じ、このばらつきによってそれぞれの電流源セルの出力する電流値がばらつく場合であっても、電流源セル同士を組み合わせて出力される電流I、Ii+1、・・・Ii+jおよびI、Ik+1、・・・Ik+j間のばらつきは、ほとんど無くなり、高精度の電流源が構成される。なお、電流源セルの出力する電流値が列方向に山状あるいは谷状に変化する場合には、電流源セル同士をすべての行に亘って接続しているので、変化の影響を受けることはほとんどない。
また、電流源セル配置構造は、a、a、・・・aの並びからなる第1の行と、第1の行におけるa、ai+1、・・・ai+jの並びとa、ak+1、・・・ak+jの並びとを入れ替えた第2の行とから構成される。したがって、a、ai+1、・・・ai+jおよびa、ak+1、・・・ak+jに対応する配線の長さは、それぞれほぼ等しくなり、それぞれの配線における配線抵抗によるIRドロップもほぼ等しくなる。このため、IRドロップによるばらつきは、ほとんど無い。
これに対し、従来技術による電流源セル配置構造では、電流源セル同士を接続する配線は、マトリクス配列の中心に対して対称となる。したがって、それぞれの配線の長さが等しくないために、配線における配線抵抗によるIRドロップが不均一となる。
図2は、本発明の実施例に係る電流源セル配置構造を示す図である。図2において、A〜A15、B、C、D、Eは、それぞれMOSトランジスタ等で構成されて定電流を出力する電流源が配される電流源セルを表す。図2の下の行において、左から電流源セルEの一部、電流源セルA〜A、B、A〜A、電流源セルCの一部、電流源セルA〜A15、電流源セルDの一部が配置される。また、上の行において、左から電流源セルEの残り、電流源セルA〜A15、電流源セルCの残り、電流源セルA〜A、B、A〜A、電流源セルDの残りが配置される。さらに、両端の外側には、電流源セル配置構造の端に近い電流源セルのトランジスタ形状などが拡散時に変化してしまうような影響を避けるために、ダミートランジスタが配される領域を設定する。
上下の行のそれぞれの電流源セルA〜A15の電流源同士は、図2(a)あるいは(b)に示すように共通に接続配線され、電流源から出力される電流が加算され、それぞれ電流IA1〜IA15として出力される。なお、図2(a)、(b)では、表示が煩雑となるのを防ぐために電流源セルA、A13、A15に接続される配線のみを図示しているが、電流源セルA〜A12、電流源セルA14についても同様に配線されるものとする。図2(a)、(b)に示すように、電流源セルA〜A、B、A〜Aと、電流源セルA〜A15とは、上下の行において並びが入れ替えられた状態にあるので、電流源セルA〜A15に接続されるそれぞれの配線の長さは、ほとんど等しくなる。
このような電流源セルA〜A15には、図6(b)に示した15個のMSB(64LSBに相当)に対応する電流源セルが配置される。また、MSB未満の32LSB、16LSB、8LSB、4LSB、2LSB、1LSBに対応するそれぞれの電流源セルは、電流源セルB、C、D、Eに分散され、あるいはいずれかに配置される。そして、これらの電流源セルは、図5に示したDA変換器における電流源セル群120を構成する。さらに、それぞれの電流源セルの出力電流は、デコーダ110の出力で動作するスイッチSW1〜SW21によって選択されて加算され、抵抗Rに流れる。抵抗Rの一端の電圧Aoutには、DA変換されたアナログ信号が得られる。
なお、電流源セルB、C、D、Eの一部を電流源として利用されることのないダミーの電流源セルとしてもよい。このようなダミーの電流源セルは、電流源セル配置領域内のトランジスタの配置密度の偏りを無くし、製造プロセスのばらつきの発生を防止する働きを持つ。
以上のように構成される電流源セル配置構造において、電流源セルA〜A15に配置される電流源は、上下の行のそれぞれ対応する電流源同士が共通に接続配線され、電流源から出力される電流値が加算される。したがって、製造プロセスによって電流源となるトランジスタの形状に山状あるいは谷状のばらつきが生じる場合に、電流源から出力される電流値のばらつきがキャンセルされるように平均化される。この結果、電流源セルA〜A15に配置される電流源から出力されるそれぞれの電流IA1〜IA15の値がほぼ等しくなって、電流値同士の誤差を1LSB未満とすることができる。
次に、具体的な数値例を元にばらつきが低減される様子について説明する。図3は、本発明の実施例に係る電流源セル配置構造における出力電流のばらつきを説明する図である。ここでは、図3(a)に示すように、図示の簡略化のために8×2のマトリックス状に配置された電流源セルa11、a21、a31、a41、a51、a61、a71、a81、a52、a62、a72、a82、a12、a22、a32、a42における出力電流のばらつき値の例を示す。それぞれの電流源セルにおける出力電流のばらつき値が、左から−0.001、−0.0005、+0.0005、+0.001、+0.001、+0.0005、−0.0005、−0.001のように山状のばらつきを有するものとする。また、電流源セルa11とa12、電流源セルa21とa22、・・・電流源セルa71とa72、電流源セルa81とa82、は、それぞれ共通に接続されるものとする。さらに、共通に接続されて出力される電流が、この電流源セルの組み合わせの順にオンとされて加算され、アナログ信号として出力されるものとする。この場合、電流源セルの組み合わせ同士でばらつきがキャンセルされるので、図3(b)に示すように、オンとする電流源セルの数を順次増加させていっても、誤差は0を維持し、直線性が失われることがない。
一方、図4は、従来の電流源セル配置構造における出力電流のばらつきを説明する図である。図3と同一の条件で従来技術に適用した場合には、図4(b)に示すように、オンとする電流源セルの数を順次増加させて行くと、誤差は+−に大きく変動し、直線性が失われてしまう。
以上の説明では、電流源セル配置構造における出力電流のばらつきが山状である場合について説明したが、谷状のばらつきが生じる場合であっても同様の傾向を呈する。
以上のように、本実施例に係る電流源セル配置構造によれば、製造プロセスに山状あるいは谷状のばらつきがあっても、このばらつきを低減するように電流源セル同士を組み合わせるので、高精度の電流源が構成される。したがって、このような電流源セル配置構造を備えることで、マクロセル等に適する高精度なDA変換器が得られる。
以上本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は、上記実施例にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の各請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
本発明の実施形態に係る電流源セル配置構造を示す図である。 本発明の実施例に係る電流源セル配置構造を示す図である。 本発明の実施例に係る電流源セル配置構造における出力電流のばらつきを説明する図である。 従来の電流源セル配置構造における出力電流のばらつきを説明する図である。 電流加算型のDA変換器の構成を示すブロック図である。 電流源セル群の構成を説明する図である。 従来の電流源セル配置構造を示す図である。
符号の説明
、a、・・・a、A〜A15、B、C、D、E 電流源セル
A1〜IA15、I、Ii+1、・・・Ii+j、I、Ik+1、・・・Ik+j 電流

Claims (6)

  1. 電流源セルを2次元マトリクス状に配置し、複数の電流源セルを接続して所要電流量を有する電流源を構成する電流源セル配置構造であって、
    2次元マトリクスの或る1行分に含まれる電流源セルのそれぞれに対してa、a、・・・a(nは4以上の整数)の符号を付した場合に、a、a、・・・aの並びからなる第1の行と、前記第1の行におけるa、ai+1、・・・ai+j(i、jはそれぞれ1以上の整数、かつi+jはn/2以下の整数)の並びとa、ak+1、・・・ak+j(kはn/2を超える整数、かつk+jはn以下の整数)の並びとを入れ替えた第2の行とを、それぞれ同数ずつ前記2次元マトリクス中に含み、
    それぞれの行におけるa、ai+1、・・・ai+jおよびa、ak+1、・・・ak+jの同一符号の電流源セル同士をすべての行に亘って接続するように構成することを特徴とする電流源セル配置構造。
  2. 前記第1および第2の行が列方向に交互に存在することを特徴とする請求項1記載の電流源セル配置構造。
  3. 前記a、ai+1、・・・ai+jおよびa、ak+1、・・・ak+jの並びの一部には、前記同一符号の電流源セル同士をすべての行に亘っては接続することのない構成を含むことを特徴とする請求項1または2記載の電流源セル配置構造。
  4. iが2以上である場合のa〜ai−1、kがi+j+2以上である場合のai+j+1〜ak−1、k+jがn−1以下である場合のak+j+1〜aの並びの一部には、前記電流源として利用されることのないダミーの電流源セルを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一に記載の電流源セル配置構造。
  5. 請求項1〜4のいずれか一に記載の電流源セル配置構造を含むDA変換器であって、
    入力されるディジタル信号を元に前記電流源の選択数を決定し、選択された電流源の出力電流値を加算してアナログ信号として出力することを特徴とするDA変換器。
  6. 請求項3記載の電流源セル配置構造を含み、入力されるディジタル信号を元に前記電流源の選択数を決定し、選択された電流源の出力電流値を加算してアナログ信号として出力するDA変換器であって、
    前記電流源は、DA変換におけるMSB(Most Significant Bit)に対応する電流源であり、
    MSB未満のビットに対応するそれぞれの電流源は、iが2以上である場合のa〜ai−1、kがi+j+2以上である場合のai+j+1〜ak−1、k+jがn−1以下である場合のak+j+1〜aの並びの一部である電流源セル、および/または前記すべての行に亘っては接続することのない構成となる電流源セルに分散され、あるいはいずれかに配置されることを特徴とするDA変換器。
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