專利名稱：用于電流型數(shù)模轉(zhuǎn)換器中電流源導(dǎo)通陣列及其構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及數(shù)模轉(zhuǎn)換器中等權(quán)重電流源陣列的導(dǎo)通 技術(shù)。
背景技術(shù)：
近年來隨著集成電路工藝尺寸的不斷縮小，數(shù)字集成電路技術(shù)在提高性能和降低 成本這兩方面不斷進(jìn)步，使得越來越多的電路模塊采用了數(shù)字化技術(shù)，由數(shù)字電路來實現(xiàn)。 數(shù)字電路具有速度快、功耗低、魯棒性較好等優(yōu)點。但是，處理的自然界信號都是模擬信號， 要實現(xiàn)數(shù)字化技術(shù)，首先必須采集外界的各種模擬信號，將其量化、編碼，經(jīng)過數(shù)字信號處 理器之后，再將這些新產(chǎn)生的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成模擬信號輸出。所以，作為模擬世界與數(shù)字電 路系統(tǒng)之間的接口，模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器在整個信號處理過程中是必不可少的。目前，基于CMOS工藝的數(shù)模轉(zhuǎn)換器有電阻型結(jié)構(gòu)、電流型結(jié)構(gòu)、電容型結(jié)構(gòu)以及 Δ Σ結(jié)構(gòu)。其中應(yīng)用最為廣泛有兩種結(jié)構(gòu)，一種是Δ Σ結(jié)構(gòu)，一種是電流型結(jié)構(gòu)。Δ Σ結(jié) 構(gòu)采用過采樣技術(shù)以及噪聲整形技術(shù)，可以實現(xiàn)很高的分辨率，但是其有效帶寬很低，主要 應(yīng)用在音頻領(lǐng)域。電流型結(jié)構(gòu)自身不需要高速高線性度的運(yùn)算放大器，并且不存在大的節(jié) 點電容。由于上述兩個優(yōu)點，電流型結(jié)構(gòu)成為了高速應(yīng)用的不二選擇。電流型數(shù)模轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)特性，由電流源陣列的匹配特性決定。在原理圖設(shè)計中， 每個等權(quán)重的電流源都是完全相同的，這樣可以得到理想的最佳特性。但是，實際流片加工 后，每個電流源由于引入了隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，都是不同的。隨機(jī)誤差是加工的標(biāo)準(zhǔn)偏差 造成的，主要決定了數(shù)模轉(zhuǎn)換器的微分非線性(DNL)。而系統(tǒng)誤差是由于每個電流源方位不 同造成的，主要決定了數(shù)模轉(zhuǎn)換器的積分非線性(INL)。在CMOS集成電路制造過程中，柵氧 厚度、離子注入濃度等物理量在芯片的不同位置存在偏差；電路的工作環(huán)境也會使芯片不 同位置上大小相同的MOS管產(chǎn)生不一樣大小的電流。這些變化導(dǎo)致的結(jié)果可以近似的看作 是一次梯度誤差和二次梯度誤差，可以用一個與方位坐標(biāo)相關(guān)的函數(shù)描述。一次梯度誤差可以描述為ε (i, j) = ai+bj(1)二次梯度誤差可以描述為ε (i, j) = c[icos(a )+jsin(a )]2+d[-isin(a )+jcos(a )]2(2)其中i，j分別為陣列的行序號和列序號，α為二次誤差關(guān)于主軸的旋轉(zhuǎn)角，a, b， c，d為四個常系數(shù)。于是，可以推導(dǎo)出單位電流源的總梯度誤差 其中、和jn分別為組成某單位電流源的m個小電流源對應(yīng)的行序號和列序號。
構(gòu)造合理的電流源導(dǎo)通陣列可以有效抑制一次和二次梯度誤差的積累。下面簡單介紹目前學(xué)術(shù)界已有的幾種電流源導(dǎo)通陣列。Q2隨機(jī)游走方法Q2 隨機(jī)游走方法(Quad Quadrant Random-Walk Scheme)是 Van der Plas 在 1999 年提出的。該方法也是針對8位的等權(quán)重電流源陣列設(shè)計的。首先，每個單位電流源等分為 16個分離的單元，均勻分布在電流源陣列中，如表1中陰影部分所示。這樣可以使X方向上 的梯度誤差變?yōu)?/4，Y方向上的梯度誤差變?yōu)?/8。此方法稱為Q2導(dǎo)通方法(QuadQuadrant switching scheme)0表1為Q2導(dǎo)通方法中的電流源陣列 除了 Q2導(dǎo)通方法外，他還使用了隨機(jī)游走導(dǎo)通方法(Random-Walk switching scheme)來進(jìn)一步抑制系統(tǒng)誤差的積累，該方法生成的電流源導(dǎo)通陣列如表2所示。圖中每 個數(shù)字代表一個單位電流源的導(dǎo)通序號，導(dǎo)通順序為0，1,2,3,...，253，254，255。表2為隨機(jī)游走導(dǎo)通方法生成的電流源導(dǎo)通陣列 梯度誤差和邊界效應(yīng)容忍導(dǎo)通方法(Gradient-error and Edge-Effect Tolerant Switching Scheme)是由Jurgen Deveugele在2004年提出的。他首先提出了一種4位電 流源導(dǎo)通陣列，如表3所示，該導(dǎo)通陣列可以完全消除1次和2次誤差，并且對邊界效應(yīng)有 很強(qiáng)的容忍力，不需要外圍電流源冗余陣列。在此基礎(chǔ)上，他擴(kuò)展出了一種適用于8位電流 源導(dǎo)通陣列，如表4所示。該方法可以使INL歸零16次，即每16個點歸零一次，這樣可以 有效的抑制系統(tǒng)誤差的積累。表3為4位梯度誤差和邊界效應(yīng)容忍導(dǎo)通方法生成的電流源導(dǎo)通陣列 表4為8位梯度誤差和邊界效應(yīng)容忍導(dǎo)通方法生成的電流源導(dǎo)通陣列 以上方法形成的導(dǎo)通陣列雖然效果不同，但都可以抑制電流源陣列的梯度誤差積 累，改善數(shù)模轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)特性。但是，上述導(dǎo)通方法主要適用于8位的等權(quán)重電流源陣 列。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種用于電流型數(shù)模轉(zhuǎn)換器中 電流源導(dǎo)通陣列及其構(gòu)造方法，該方法構(gòu)造的導(dǎo)通陣列能夠完全消除一次梯度誤差，并能夠很好的抑制二次誤差，防止梯度誤差的積累。本發(fā)明提出的用于電流型數(shù)模轉(zhuǎn)換器中電流源導(dǎo)通陣列的構(gòu)造方法，其特征在 于，包括以下步驟1)首先構(gòu)造4位基本導(dǎo)通陣列A，該陣列由16個4X4子矩陣組成，該陣列中每個 單元格元素代表一個單位電流源的導(dǎo)通順序的序號，將每個單位電流源分成16個小電流 源，分別分離地位于16個4X4子矩陣中，每個電流源在該基本導(dǎo)通陣列A的每行每列中分 別占有一個小電流源，并且，整個基本導(dǎo)通矩陣的導(dǎo)通順序的序號分布中心對稱；2)將基本導(dǎo)通陣列A進(jìn)行擴(kuò)展，得到一個適用于6位等權(quán)重電流源陣列的導(dǎo)通陣 列B;該陣列B分為左上(I)、右上(II)、左下(III)、右下(IV)四個區(qū)域，每個區(qū)域是一個 大小為16X16的子矩陣；擴(kuò)展公式為b(l, 1) = a+16b(l,2) = a+48b(2,1) = a(4)b(2,2) = a+32和b(l, 1) = a+32b(l，2)=ab(2,1) = a+48(5)b(2,2) = a+16式中，a為陣列A中的電流源導(dǎo)通順序的序號，b是由a擴(kuò)展生成的一個2X2陣 列；在陣列B中，區(qū)域I和區(qū)域IV由公式4擴(kuò)展生成，區(qū)域II和區(qū)域III由公式5擴(kuò)展生 成。本發(fā)明還提出采用上述方法構(gòu)造的電流源導(dǎo)通陣列，其特征在于，該電流源導(dǎo)通 陣列為適用于6位等權(quán)重電流源陣列的電流源導(dǎo)通陣列B ；該陣列B分為左上、右上、左下、 右下四個區(qū)域，每個區(qū)域是一個大小為16X16的子矩陣；電流源導(dǎo)通陣列B中，每個單位電 流源分成了 16個獨立的小電流源，并且在導(dǎo)通陣列B的每兩行每兩列中，都占有一個小電 流源。另外，每個單位電流源的16個小電流源在導(dǎo)通陣列B中的行序號和列序號之和均相 同；且導(dǎo)通陣列B中每個單位電流源行序號平方和與列序號平方和亦均相同。本發(fā)明的技術(shù)特點和有益效果本發(fā)明能夠適用于6位等權(quán)重電流源導(dǎo)通陣列，并且能夠完全消除一次梯度誤差 的積累，有效抑制二次梯度誤差的積累。另外，還可以進(jìn)一步擴(kuò)展生成8位電流源導(dǎo)通陣 列，通過仿真與前面提到的兩種導(dǎo)通方法相比，本發(fā)明的DNL和INL均更優(yōu)。
具體實施例方式本發(fā)明提出的用于電流型數(shù)模轉(zhuǎn)換器中電流源導(dǎo)通陣列及其構(gòu)造方法詳細(xì)說明 如下本發(fā)明提出的電流源陣列導(dǎo)通方法稱為二維梯度容差導(dǎo)通方法(2-dimension gradient-error tolerant switching scheme),是將Q2導(dǎo)通方法與梯度誤差禾口邊界效應(yīng) 容忍導(dǎo)通方法相結(jié)合，得出的一種新型的導(dǎo)通方法。該方法將一個基本4位導(dǎo)通陣列進(jìn)行擴(kuò)展，得到一個適用于6位等權(quán)重電流源陣列的導(dǎo)通陣列，并且可以進(jìn)一步擴(kuò)展得到一個 適用于8位等權(quán)重電流源陣列的導(dǎo)通陣列。本發(fā)明方法具體包括以下步驟1)首先構(gòu)成4位基本導(dǎo)通陣列A(此陣列是針對4位等權(quán)重電流源陣列設(shè)計的。 本方法與梯度誤差和邊界效應(yīng)容忍導(dǎo)通方法中提出的4位導(dǎo)通方法類似)。該陣列由16個 4X4子矩陣組成，該陣列中每個單元格元素代表一個單位電流源的導(dǎo)通順序的序號，將每 個單位電流源分成16個獨立的小電流源，分別分離地位于16個4X4子矩陣中，每個電流 源在該基本導(dǎo)通陣列A的每行每列中分別占有一個小電流源，并且，整個基本導(dǎo)通矩陣的 導(dǎo)通順序的序號分布中心對稱。 上述基本導(dǎo)通陣列A的實施例結(jié)構(gòu)如表5所示， 表5為4位基本導(dǎo)通陣列A 表5中粗線分割成由4X4子矩陣組成的16塊。單位電流源的導(dǎo)通順序的序號用自然數(shù)字表示。2)將基本導(dǎo)通陣列A進(jìn)行擴(kuò)展，得到一個適用于6位電流源陣列的電流源導(dǎo)通陣 列B;該陣列B分為左上(I)、右上(II)、左下(III)、右下(IV)四個區(qū)域，每個區(qū)域是一個 大小為16X16的子矩陣；擴(kuò)展公式為b(l, 1) = a+16b(l,2) = a+48b(2,1) = a(4)b(2,2) = a+32和b(l, 1) = a+32b(l，2)=ab(2,1) = a+48(5)b(2,2) = a+16式中，a為陣列A中的電流源導(dǎo)通順序的序號，b是由a擴(kuò)展生成的一個2X2陣 列；在陣列B中，區(qū)域I和區(qū)域IV由公式(4)擴(kuò)展生成，區(qū)域II和區(qū)域III由公式(5)擴(kuò) 展生成。以陣列A的實施例中第一行第一列單元格元素14和第一行最后列單元格元素3為 例。由于陣列A中第一行第一列單元格元素14擴(kuò)展后位于陣列B中的區(qū)域I，故使用擴(kuò)展 公式(4)，生成4個單元格元素30、62、14和46，分別位于陣列B的前兩行前兩列；而陣列A 中第一行最后列單元格元素3擴(kuò)展后位于陣列B中的區(qū)域II，故使用擴(kuò)展公式(5)，生成4 個單元格元素35、3、51和19，分別位于陣列B的前兩行末兩列(如陣列B的實施例所示)。采用上述方法構(gòu)造的電流源導(dǎo)通陣列B中，每個單位電流源分成了 16個獨立的小 電流源，并且在導(dǎo)通陣列B的每兩行每兩列中，都占有一個小電流源。另外，每個單位電流 源的16個小電流源的在導(dǎo)通陣列B中的行序號和列序號之和均相同；且導(dǎo)通陣列B中每個 單位電流源行序號平方和與列序號平方和都是常數(shù)。采用本發(fā)明方法構(gòu)造的電流源導(dǎo)通陣列B的實施例結(jié)構(gòu)如表6所示表6為6位導(dǎo)通陣列B 在表6中，以單位電流源1和單位電流源2為例進(jìn)行說明。對于單位電流源1，其 16 個小電流源分別位于第 2，3，5,8，10，11，13，16，18，19，21，24，26，27，29，32 行，這 16 個序 號之和為264。單位電流源2的16個小電流源分布位于第1，4，6，7，9，12，14，15，17，20，22， 23，25，28，30，31行，這16個序號之和亦為264。并且，這兩個電流源的16個小電流源都分 別位于第 2，3，5，8，10，11，13，16,18，19，21，24，26，27，29，32 列，所以，列序號之和也相同， 且為264。同樣方法，可以檢驗所有單位電流源的行、列序號之和都同為264。一次梯度誤 差與電流源陣列的位置成線性關(guān)系，由于每個單位電流源的行序號之和以及列序號之和相 同，所以，此導(dǎo)通陣列可以完全消除一次梯度誤差。導(dǎo)通陣列B中，每個單位電流源行序號平方和與列序號平方和同樣都是常數(shù)。同 樣以上述實施例中單位電流源1和單位電流源2為例。對于單位電流源1，其16個小電流 源分別位于第 2，3，5，8，10，11，13，16，18，19，21，24，26，27，29，32 行，這 16 個序號平方和為 5720。單位電流源2的16個小電流源分布位于第1，4，6，7，9，12，14，15，17，20，22，23，25， 28，30，31行，這16個序號平方和亦為5720。并且，這兩個電流源的16個小電流源都分別 位于第 2，3，5，8，10，11，13，16，18，19，21，24，26，27，29，32 列，所以，列序號平方和也相同， 且為5720。同樣方法，可以檢驗所有單位電流源的行、列序號平方和都同為5720。所以，對 于所有單位電流源，公式3中，in、jn、in2和jn2為常數(shù)，對整體的線性度沒有影響。只有injn 項影響線性度，當(dāng)C 二 d或者α 二??！^！力仏為整數(shù))時，梯度誤差將完全消除。采用本發(fā)明方法還可將陣列B作為基本導(dǎo)通陣列利用擴(kuò)展公式1和公式2再次擴(kuò) 展，可以得到一個適用于8位等權(quán)重電流源陣列的導(dǎo)通陣列。由于陣列矩陣過大，在此省略 8位導(dǎo)通陣列的具體實施例。
若有實際需要，還可將8位等權(quán)重電流源陣列的導(dǎo)通陣列作為基本陣列按本發(fā)明 上述方法生成更高位數(shù)的等權(quán)重電流源陣列的導(dǎo)通陣列。表7給出了本發(fā)明構(gòu)造的電流源導(dǎo)通陣列與前面提到的兩種導(dǎo)通方法構(gòu)造的陣 列的比較，由比較結(jié)果可以看出本發(fā)明存在優(yōu)勢。表7三種方法構(gòu)造的電流源陣列導(dǎo)通陣列的比較
適用于8位電流源陣列 歸一化誤差 隨機(jī)游走分布導(dǎo)梯度誤差容忍導(dǎo)通 分布通方法[9
DNL INL DNL INL DNL INL
權(quán)利要求
一種用于電流型數(shù)模轉(zhuǎn)換器中電流源導(dǎo)通陣列的構(gòu)造方法，其特征在于，包括以下步驟1)首先構(gòu)造4位基本導(dǎo)通陣列A，該陣列由16個4×4子矩陣組成，該陣列中每個單元格元素代表一個單位電流源的導(dǎo)通順序的序號，將每個單位電流源分成16個小電流源，分別分離地位于16個4×4子矩陣中，每個電流源在該基本導(dǎo)通陣列A的每行每列中分別占有一個小電流源，并且，整個基本導(dǎo)通矩陣的導(dǎo)通順序的序號分布中心對稱；2)將基本導(dǎo)通陣列A進(jìn)行擴(kuò)展，得到一個適用于6位等權(quán)重電流源陣列的導(dǎo)通陣列B；該陣列B分為左上(I)、右上(II)、左下(III)、右下(IV)四個區(qū)域，每個區(qū)域是一個大小為16×16的子矩陣；擴(kuò)展公式為b(1，1)＝a+16b(1，2)＝a+48(4)b(2，1)＝ab(2，2)＝a+32和b(1，1)＝a+32b(1，2)＝ab(2，1)＝a+48 (5)b(2，2)＝a+16式中，a為陣列A中的電流源導(dǎo)通順序的序號，b是由a擴(kuò)展生成的一個2×2陣列；在陣列B中，區(qū)域I和區(qū)域IV由公式(4)擴(kuò)展生成，區(qū)域II和區(qū)域III由公式(5)擴(kuò)展生成。
2.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，還包括以所述陣列B為基本導(dǎo)通陣列，用擴(kuò)展 公式(4)、(5)得到一個適用于8位等權(quán)重電流源陣列的導(dǎo)通陣列。
3.采用如權(quán)利要求1所述方法構(gòu)造的電流源導(dǎo)通陣列，其特征在于，該電流源導(dǎo)通陣 列為適用于6位等權(quán)重電流源陣列的電流源導(dǎo)通陣列B ；該陣列B分為左上(I)、右上(II)、 左下(III)、右下(IV)四個區(qū)域，每個區(qū)域是一個大小為16X16的子矩陣；電流源導(dǎo)通陣 列B中，每個單位電流源分成了 16個獨立的小電流源，并且在導(dǎo)通陣列B的每兩行每兩列 中，都占有一個小電流源；另外，每個單位電流源的16個小電流源在導(dǎo)通陣列B中的行序號 和列序號之和均相同；且導(dǎo)通陣列B中每個單位電流源行序號平方和與列序號平方和亦均 相同。
4.如權(quán)利要求3所述的電流源導(dǎo)通陣列，其特征在于，該陣列B為全文摘要
本發(fā)明涉及用于電流型數(shù)模轉(zhuǎn)換器中電流源導(dǎo)通陣列的構(gòu)造方法，屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，該方法包括首先構(gòu)造4位基本導(dǎo)通陣列，該陣列由16個4×4子矩陣組成，該陣列中每個單元格元素代表一個單位電流源的導(dǎo)通順序的序號，將每個單位電流源分成16個小電流源，每個電流源在該基本導(dǎo)通陣列的每行每列中分別占有一個小電流源，并且，整個基本導(dǎo)通矩陣的導(dǎo)通順序的序號分布中心對稱；將基本導(dǎo)通陣列中的每個電流源導(dǎo)通序號進(jìn)行擴(kuò)展，生成一個2×2陣列，最終得到一個適用于6位等權(quán)重電流源陣列的導(dǎo)通陣列；該方法構(gòu)造的導(dǎo)通陣列能夠完全消除一次梯度誤差，并能夠很好的抑制二次誤差，防止梯度誤差的積累。
文檔編號H03M1/66GK101924561SQ20101022174
公開日2010年12月22日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者劉力源, 李冬梅, 陳昊 申請人:清華大學(xué)