本發(fā)明屬于數(shù)模轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，特別涉及到電流舵型DAC(DigitaltoAnalogConverter，即數(shù)模轉(zhuǎn)換器)中的電流源陣列排布方法，具體為一種DAC電流源陣列排布方法。
背景技術(shù)：
：隨著數(shù)字集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號的處理速度越來越快，作為模擬世界與數(shù)字電路接口的ADC(AnalogtoDigitalConverter，即模數(shù)轉(zhuǎn)換器)和DAC成為系統(tǒng)性能提升的瓶頸之一。因此，高速高精度成為DAC發(fā)展的必然趨勢。由于電流舵型DAC輸出的是電流信號，可以直接驅(qū)動負(fù)載而不需要額外增加電壓緩沖器，因此往往用來實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)換，對其做深入的研究顯得十分必要。電流源陣列是電流舵型DAC的核心結(jié)構(gòu)，電流源的幅值誤差對DAC的靜態(tài)性能影響很大。衡量DAC靜態(tài)性能的兩個重要參數(shù)是DNL(DifferentialNon-Linearity，即微分非線性)和INL(IntegralNon-Linearity，即積分非線性)。為了提高DAC的靜態(tài)性能，設(shè)計(jì)者先后對電流源陣列的誤差及分布情況進(jìn)行了深入研究。電流源的誤差主要包括隨機(jī)誤差和梯度誤差。隨機(jī)誤差與電流源的尺寸成反比，因此可通過增加電流源的尺寸來降低。梯度誤差則主要受工藝誤差、溫度和應(yīng)力等因素的影響，比如，硅片上的摻雜和柵氧厚度以及電源線上的壓降會導(dǎo)致近似線性的梯度誤差，溫度梯度和應(yīng)力會引起近似二階的梯度誤差。梯度誤差會引起電流源的失配，減小電流源的失配可以提高DAC的INL和DNL。因此，為減小梯度誤差引起的電流源失配，設(shè)計(jì)者先后提出了各種設(shè)計(jì)方法，比如共質(zhì)心排布方案(Centroidswitchingscheme)和Q2排布方案(Q2switchingscheme)。共質(zhì)心排布方案將每個電流源等分成4份，然后采用圖3(a)所示的共質(zhì)心方式進(jìn)行排布。Q2排布方案將每個電流源等分成16份，然后采取圖3(b)所示的方式進(jìn)行排布。以4位電流源陣列(對應(yīng)16個電流源)為例，圖9(a)(b)分別表示上述兩種方案對線性梯度誤差和二階梯度梯度誤差的補(bǔ)償，其中和表示線性梯度誤差和二階梯度誤差，和表示補(bǔ)償后線性梯度誤差和二階梯度誤差分別對應(yīng)的殘余項(xiàng)。從圖9(a)可以看出，共質(zhì)心排布方案可以消除線性梯度誤差引起的電流源失配，但無法減小二階梯度誤差引起的電流源失配。從圖9(b)可以看出，Q2排布方案在消除線性梯度誤差引起的電流源失配的同時，可以減小二階梯度誤差對電流源失配的影響。雖然后者在一定程度上減小二階梯度誤差對電流源失配的影響，但并不能消除二階梯度誤差對電流源失配的影響。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對上述存在問題或不足，為有效消除線性梯度誤差和二階梯度誤差對電流源失配的影響，從而提高DAC的DNL和INL，本發(fā)明提供了一種DAC電流源陣列排布方法。本發(fā)明提出的DAC電流源陣列排布方法，包括以下步驟：步驟1、如圖1，構(gòu)造23m×23m矩陣Bm(m＝0,1,2…)：1×1矩陣B0：[0]8×8矩陣B1：0246810121431751191513571313159116420141210891113151357108141220641214810460215131197531]]>64×64矩陣B2：將矩陣B1中的每個元素b1替換為8×8矩陣P1，得到矩陣B2，其中，矩陣P1為矩陣B1與矩陣16b1×I的和，I為8×8的全1矩陣；依次類推，23m×23m矩陣Bm：將矩陣Bm-1中的每個元素bm-1替換為8×8矩陣Pm-1，得到矩陣Bm，其中，矩陣Pm-1為矩陣B1與矩陣16bm-1×I的和，I為8×8的全1矩陣；步驟2、如圖2，構(gòu)造2n×2n矩陣Cn(n＝0,1,2,3)：1×1矩陣C0：[0]2×2矩陣C1：0110]]>4×4矩陣C2：將矩陣C1中的每個元素c1替換為2×2矩陣Q1，得到矩陣C2，其中，矩陣Q1為矩陣C1與矩陣2c1×I的和，I為2×2的全1矩陣；8×8矩陣C3：將矩陣C2中的每個元素c2替換為2×2矩陣Q2，得到矩陣C3，其中，矩陣Q2為矩陣C1與矩陣2c2×I的和，I為2×2的全1矩陣；步驟3、N位電流源陣列排布方法：令N＝4m+n(m＝0,1,2…，n＝0,1,2,3)得到對應(yīng)的m和n的大小，從而選擇矩陣Bm和Cn來構(gòu)造N位電流源陣列；首先將矩陣Bm中的每個元素bm替換為矩陣Rm，得到矩陣F，其中Rm為矩陣Cn與矩陣2nbm×I的和，I為2n×2n的全1矩陣，然后建立直角坐標(biāo)系，將矩陣F置于坐標(biāo)系中的第一象限，并關(guān)于x軸，y軸和坐標(biāo)原點(diǎn)對稱得到另三個象限的矩陣，將四個象限的矩陣組合在一起，得到23m+n+1×23m+n+1矩陣A4m+n，即對應(yīng)N位電流源陣列的排布方式；在該排布方式中，矩陣A4m+n中相同的元素對應(yīng)同一電流源，因此A4m+n對應(yīng)24m+n個電流源，其中多余的一個電流源可作為偏置電流源。本發(fā)明還提出，針對上述電流源陣列，在四周放置與電流源單元尺寸相同的MOS管用作偽電流源以保證電流源的周圍環(huán)境一致，降低工藝誤差。綜上所述，本發(fā)明通過研究梯度誤差的分布，構(gòu)造兩類基本矩陣，并利用基本矩陣，提出適用于不同位數(shù)電流源陣列的構(gòu)造方式；本發(fā)明涉及的電流源陣列排布方法能夠有效消除線性梯度誤差和二階梯度誤差對電流源失配的影響，改善DAC的靜態(tài)性能。附圖說明圖1是23m×23m矩陣Bm(m＝1,2…)的構(gòu)造方式；圖2(a)是2n×2n矩陣Cn(n＝1,2,3)的構(gòu)造方式；(b)是矩陣C1，C2和C3；圖3(a)是共質(zhì)心排布方案；(b)是Q2排布方案；圖4是實(shí)施例中6位電流源陣列的構(gòu)造方式；圖5是實(shí)施例中第一象限的32×32陣列；圖6是實(shí)施例中第二象限的32×32陣列；圖7是實(shí)施例中第三象限的32×32陣列；圖8是實(shí)施例中第四象限的32×32陣列；圖9(a)是共質(zhì)心排布的4位電流源陣列的線性梯度誤差和二階梯度誤差分布及對應(yīng)的補(bǔ)償；(b)是Q2排布的4位電流源陣列的線性梯度誤差和二階梯度誤差分布及對應(yīng)的補(bǔ)償；(c)是采用本發(fā)明排布方法的4位電流源陣列的線性梯度誤差和二階梯度誤差分布及對應(yīng)的補(bǔ)償；圖10(a)是在忽略隨機(jī)誤差情況下，DAC的DNL與輸入碼的關(guān)系；(b)是在考慮隨機(jī)誤差情況下，DAC的DNL與輸入碼的關(guān)系；圖11(a)是在忽略隨機(jī)誤差情況下，DAC的INL與輸入碼的關(guān)系；(b)是在考慮隨機(jī)誤差情況下，DAC的INL與輸入碼的關(guān)系。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。就所述電流源陣列排布方案對線性梯度誤差和二階梯度誤差的補(bǔ)償進(jìn)行分析：(1)梯度誤差的計(jì)算線性梯度誤差εl可由以下公式來計(jì)算：εl＝gl*cosθ*x+gl*sinθ*y(1)其中，θ為梯度角，gl為線性梯度的斜率。二階梯度誤差εq可由以下公式來計(jì)算：εq＝gq*(x2+y2)-a0(2)其中，gq和a0均為常量，其值主要由晶片鍵合(Die-bonding)技術(shù)決定。(2)梯度誤差補(bǔ)償分析
發(fā)明內(nèi)容中所涉及的N位電流源陣列，通過最后層次的共質(zhì)心排布補(bǔ)償線性梯度誤差，從而使得線性梯度誤差對電流源的失配影響得到消除，因此下面著重分析矩陣F所對應(yīng)的排布方式對二階梯度誤差的補(bǔ)償。根據(jù)
發(fā)明內(nèi)容所述，矩陣F通過矩陣Bm和Cn構(gòu)造生成，而Bm和Cn通過矩陣B1和C1擴(kuò)展生成，因此，首先需要分析矩陣B1和C1所對應(yīng)的排布陣列對二階梯度誤差的補(bǔ)償。下面就矩陣B1所對應(yīng)的電流源排布陣列對二階梯度誤差的補(bǔ)償進(jìn)行分析：由于MOS管電流源的寬長比一般不為1，電流源陣列一般不是正方形，因此我們假設(shè)x方向的長度是y方向長度的a倍。以陣列的左下頂點(diǎn)為原點(diǎn)，設(shè)陣列y方向的長度為1，則x方向的長度為a，根據(jù)公式(2)，電流源的二階梯度誤差為ϵq(m,n)=gq×((am8)2+(n8)2)-a0---(3)]]>εq(m,n)表示x方向第m個，y方向第n個電流源的二階梯度誤差。將(3)式提取公因子后得到：ϵq(m,n)=gq×182((am)2+n2)-a0---(4)]]>為了方便分析，我們將上式的公因子略去，將簡化的二階梯度誤差記為εq'(m,n)，即εq'(m,n)＝(am)2+n2(5)計(jì)算出矩陣B1對應(yīng)的16個電流源的殘余二階梯度誤差，以為例，結(jié)果如下：ϵres(2)(0)=ϵq′(1,8)+ϵq′(4,5)+ϵq′(6,3)+ϵq′(7,2)=(a2+64)+(16a2+25)+(36a2+9)+(49a2+4)---(6)]]>ϵres(2)(1)=ϵq′(2,7)+ϵq′(3,6)+ϵq′(5,4)+ϵq′(8,1)=(4a2+49)+(9a2+36)+(25a2+16)+(64a2+1)---(7)]]>ϵres(2)(2)=ϵq′(2,8)+ϵq′(3,5)+ϵq′(5,3)+ϵq′(8,2)=(4a2+64)+(9a2+25)+(25a2+9)+(64a2+4)---(8)]]>ϵres(2)(3)=ϵq′(1,7)+ϵq′(4,6)+ϵq′(6,4)+ϵq′(7,1)=(a2+49)+(16a2+36)+(36a2+16)+(49a2+1)---(9)]]>和的等式中，括號內(nèi)的第一項(xiàng)相同，因此只需要計(jì)算出括號內(nèi)的第二項(xiàng)的和。對于括號內(nèi)第二項(xiàng)的和為：64+25+9+4＝102對于括號內(nèi)第二項(xiàng)的和為：49+36+16+1＝102因此，ϵres(2)(0)=ϵres(2)(3)---(10)]]>同理，ϵres(2)(1)=ϵres(2)(2)---(11)]]>和的等式中，每個括號內(nèi)的第二項(xiàng)相同，因此只需要計(jì)算出括號內(nèi)的第二項(xiàng)的和。對于括號內(nèi)第一項(xiàng)的和為：a2+16a2+36a2+49a2＝102a2對于括號內(nèi)第一項(xiàng)的和為：4a2+9a2+25a2+64a2＝102a2因此，ϵres(2)(0)=ϵres(2)(2)---(12)]]>綜合(10)，(11)，(12)各式，可得：ϵres(2)(0)=ϵres(2)(1)=ϵres(2)(2)=ϵres(2)(3)---(13)]]>按照同樣的分析，最終可得因此矩陣B1所對應(yīng)的電流源排布陣列可消除二階梯度誤差對電流源失配的影響。矩陣Bm由矩陣B1擴(kuò)展而來，根據(jù)其擴(kuò)展方式容易知道矩陣Bm所對應(yīng)的電流源排布陣列可消除二階梯度誤差對電流源失配的影響。對于矩陣C1，根據(jù)矩形對角線相等的性質(zhì)，容易得出：因此，矩陣C1所對應(yīng)的電流源排布陣列可消除二階梯度誤差對電流源失配的影響。矩陣Cn由矩陣C1擴(kuò)展而來，根據(jù)其擴(kuò)展方式容易知道矩陣Cn所對應(yīng)的電流源排布陣列可消除二階梯度誤差對電流源失配的影響。矩陣F通過矩陣Bm和Cn構(gòu)造生成，根據(jù)
發(fā)明內(nèi)容所涉及的構(gòu)造方式，容易得到矩陣F所對應(yīng)的電流源排布陣列可消除二階梯度誤差對電流源失配的影響。為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述補(bǔ)償理論，對該排布方案使用matlab進(jìn)行建模分析。以矩陣A4所對應(yīng)的4位電流源陣列的排布方式為模型，將梯度誤差計(jì)算公式(1)(2)中的各參量設(shè)定如下：θ＝45°,gq＝0.003,a0＝0。將該排布方式對梯度誤差的補(bǔ)償效果進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖9(c)所示。圖9(c)中共有16個電流源，每個電流源等分成16份，分布在x-y平面的16×16陣列中的不同位置，左側(cè)的圖表示陣列中的不同位置所對應(yīng)的梯度誤差值和右側(cè)的圖表示將每個電流源對應(yīng)的16份的梯度誤差求和后得到的殘余梯度誤差值和可見，16個電流源的殘余線性梯度誤差相等，殘余二階梯度誤差也相等，因此A4所對應(yīng)的電流源陣列的排布方式能夠有效消除線性梯度誤差和二階梯度誤差對電流源失配的影響。下面以12位分段式電流舵型DAC為例，具體實(shí)施該排布方案：將DAC按照低6位二進(jìn)制譯碼，高6位溫度譯碼的方式分段，由N＝4m+n(m＝0,1,2…，n＝0,1,2,3)，N＝6(N為溫度譯碼的位數(shù))，可知m＝1，n＝2，因此DAC的電流源陣列可通過矩陣B1和C2來構(gòu)造。如圖4所示，首先將矩陣B1中的每個元素b1替換為矩陣R1，得到32×32矩陣F(如圖5所示)，其中R1為矩陣C2與矩陣4b1×I的和，I為4×4的全1矩陣，然后建立直角坐標(biāo)系，將矩陣F置于坐標(biāo)系中的第一象限，然后將第一象限的矩陣以Y軸為對稱軸翻轉(zhuǎn)，得到第二象限的矩陣(如圖6所示)，將第一象限的矩陣以坐標(biāo)原點(diǎn)為對稱中心翻轉(zhuǎn)，得到第三象限的矩陣(如圖7所示)，將第一象限的矩陣以X軸為對稱軸翻轉(zhuǎn)，得到第四象限的矩陣(如圖8所示)。將四個象限的矩陣組合在一起，得到64×64矩陣A6，即為DAC電流源排布陣列。矩陣A6中共有64個不同元素，對應(yīng)64個電流源，每個電流源被等分成64份，分布在不同位置，從而實(shí)現(xiàn)梯度誤差的補(bǔ)償。由于低6位二進(jìn)制譯碼對應(yīng)63個LSB電流源，因此陣列中的一個電流源(對應(yīng)64個子電流源)可用來實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制譯碼方式。利用matlab對上述DAC的靜態(tài)性能(INL和DNL)進(jìn)行100次仿真，結(jié)果如圖10，圖11所示?？梢钥吹?，在忽略電流源陣列的隨機(jī)誤差，只考慮線性和二階梯度誤差的情況下，該DAC的INL和DNL僅受到輸出阻抗變化的影響，其值很小，因此該DAC電流源陣列排布方案消除了線性和二階梯度誤差對DAC的影響，提高了DAC的靜態(tài)性能。當(dāng)前第1頁1 2 3