电路模块以及数模转换器的制作方法

本发明涉及集成电路制造领域，更具体地涉及一种电路模块以及数模转换器。

背景技术：

金属-氧化物-半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductorfieldeffecttransistor，mosfet)是集成电路的基础。mosfet都是做在衬底上的，在衬底上形成两块重掺杂区，分别为源(source)和漏(drain)。然后在衬底之上用二氧化硅做一块绝缘层，为栅氧化层或栅绝缘层，栅氧化层的上面是栅(grid)。

在电路中衬底的电位对器件的性能有很大的影响，如果衬底的电位与源极电位不相等，则会在器件内部引起体效应，导致阈值电压的偏移。图1a至图1c示出根据现有技术的几种衬底电位的连接方法。如图1a所示，将mos管的衬底接固定电位，例如将pmos管的衬底接高电位vdd，nmos管的衬底接低电位gnd。在这种结构中，由于源极和衬底之间压降较大，mos管的阈值电压相应较大，因此在低电源电压电路中，当开关管需要传输中间电位(如vdd/2)时，导通电阻会非常大，因此需要较大的开关面积，甚至有可能在某些电压下不导通，无法传输电压。

图1b示出根据现有技术的另一种连接方法，如图1b所示，将mos管的衬底与源极连接在一起，使其电位相等。但是这种结构必须保证源极电位固定高于(pmos管)或低于(nmos管)漏极电位，即源漏电位差只能固定为正或者为负。但是在大部分的mos管工作在开关状态下时，mos管两端的电位并不能保证其中一端始终高于另一端。并且将mos管的衬底与源极连接在一起也会导致在开关切换过程中mos管的源极电位发生变化，由此mos管工作在不同的电压下时，开关切换产生的尖刺电压差异较大。

图1c示出根据现有技术的另一种连接方法，如图1c所示，对于串联在一起的mos管结构，可将衬底与中间浮动电位连接在一起。这种结构需要两个尺寸完全相同的mos管，因此会增大电路的面积；另外由于中间电位是浮动的，因此在开关切换时中间电位会跟随mos管两端电压而变化，并且该变化不可控，从而容易造成开关切换时出现很多随机的尖刺电压。

因此，需要对现有技术进行改进以得到一种电路模块，在降低mos管的导通电阻的同时不会出现随机的尖刺电压。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电路模块以及数模转换器，在降低mos管的导通电阻的同时不会出现随机的尖刺电压。

根据本发明的一方面提供一种电路模块，包括：开关网络，所述开关网络包括多级开关管，每级所述开关管在导通阶段提供待传输电压，电压生成模块，用于根据参考电压提供多个第一电压，其中，所述多个开关管的衬底相互隔开，所述第一电压用于向所述开关管提供衬底电压。

优选地，所述待传输电压的电压值随所述开关管的级数增加。

优选地，所述多个第一电压的数量与所述开关管的数量相等，每个所述第一电压向与其对应的所述开关管提供所述衬底电压。

优选地，所述多个第一电压的数量小于所述开关管的数量，每个所述第一电压向多个所述开关管提供所述衬底电压。

优选地，所述电压生成模块包括串联连接在所述参考电压与地之间的第一电阻串，所述第一电阻串用于根据所述参考电压得到所述多个第一电压。

优选地，所述第一电阻串包括串联连接的多个第一电阻和第二电阻，其中，所述第一电阻连接于所述第一电阻串的首端和尾端，所述第二电阻位于所述第一电阻串的中间。

优选地，所述第一电阻的阻值为所述第二电阻的阻值的二分之一。

优选地，所述多级开关管选自nmos管和/或pmos管。

根据本发明的另一方面提供一种数模转换器，其特征在于，包括：第二电阻串，包括连接在参考电压与参考地之间的多个第三电阻以及上述的电路模块，其中，所述电路模块包括：开关网络，用于根据输入的数字信号在所述第二电阻串中选定至少一个第三电阻，所述开关网络包括多个开关管，所述多个开关管在导通阶段输出与所述数字信号相应的模拟信号；电压生成模块，用于根据参考电压提供多个第一电压，其中，所述多个开关管的衬底相互隔开，所述第一电压用于向所述开关管提供衬底电压。

根据本发明的第三方面提供一种数模转换器，其特征在于，包括：电流源网络，包括多个电流源以及上述的电路模块，其中，所述电路模块包括：开关网络，用于根据输入的数字信号在所述电流源网络中选定至少一个电流源，所述开关网络包括多个开关管，所述多个开关管在导通阶段输出与所述数字信号相应的模拟信号；电压生成模块，用于根据参考电压提供多个第一电压，其中，所述多个开关管的衬底相互隔开，所述第一电压用于向所述开关管提供衬底电压。

本发明的电路模块和数模转换器包括电压生成模块，用于生成开关网络中多个开关的衬底电压，既保证了所有开关的正常导通，又不会使得开关的阈值电压太大，增大开关的导通电阻；同时也不会增大开关的面积和寄生电容，在开关切换过程中不会出现大的尖刺电压。

在优选地实施例中，电压生成模块得到固定电位的衬底电压，因此开关管的衬底电压的电压值不会随着开关的切换而变化，同时也不会影响数模转换器中电阻串上的电压。因此包括该电压生成模块的数模转换器在不同情况下，开关切换时产生的尖刺电压的一致性好，不随传输电压值的变化而变化。

在优选地实施例中，通过调整电压生成模块中的电阻与数模转换器的电阻串的电阻之间的关系，可在外部环境(如电源电压、参考电压、温度、工艺角等)变化时，保证开关管的衬底电压和需要传输的电压可具有相应比例的变化，进一步提高电路的可靠性。

在优选地实施例中，对于位数较高的数模转换器，数模转换器的电阻串中电阻之间的电压值相差较小，因此可将开关网络中的多个开关管进行分组，同一组中的不同开关管使用相同的第一电压值和第二电压值，既保证了所有开关的正常导通，又不会使得开关的阈值电压太大，增大开关的导通电阻；同时不会增加电压生成模块和数模转换器的逻辑复杂性。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1a示出根据现有技术的一种衬底电位连接方法的结构示意图。

图1b示出根据现有技术的另一种衬底电位连接方法的结构示意图。

图1c示出根据现有技术的另一种衬底电位连接方法的结构示意图。

图2示出根据本发明第一实施例的电阻型数模转换器的一种结构示意图。

图3示出根据本发明第一实施例的电阻型数模转换器的另一种结构示意图。

图4示出根据本发明第二实施例的电流型数模转换器的一种结构示意图。

图5示出根据本发明第二实施例的电流型数模转换器的另一种结构示意图。

图6示出根据本发明第三实施例的电阻型数模转换器的一种结构示意图。

图7示出根据本发明第三实施例的电阻型数模转换器的另一种结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

图2和图3示出根据本发明第一实施例的数模转换器100，用于将n位的数字信号转换为模拟信号，数模转换器100可由集成电路实施为独立模块或者与其他模块组合。数模转换器100包括电阻串110、开关网络120、以及电压生成模块130。

电阻串110包括串联于参考电压vref和地之间的电阻ra4-ra1。其中，电阻ra1-ra4的阻值相等。值得注意的是，电阻ra1，ra2，ra3和ra4的两端分别具有连接端子，例如：电阻ra1两端分别具有端子t1和端子t2，电阻ra2具有端子t2和端子t3，电阻ra3具有端子t3和端子t4，电阻ra4具有端子t4和端子t5，如图2和图3所示。响应于参考电压vref馈送的电流，电阻串110中的电阻ra1-ra4在端子t1-t5处产生电压。

开关网络120包括(2^n/2+1)个开关管，n为大于0的偶数，所述多个开关管与电阻串110中的多个连接端子对应连接。例如，在本实施例中，开关网络120包括开关管sm0-sm4，如图2和图3所示，开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4的第一通路端分别连接到端子t1，t2，t3，t4和t5，第二通路端与模拟信号输出端连接。

开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4的闭合和断开状态分别由解码电路产生的控制信号控制。

其中，本实施例中的开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4可通过金属-氧化物-半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductorfieldeffecttransistor，mosfet)来实现，当然，本发明不以此为限制，本领域的技术人员可以根据具体情况进行选择。

在下面的实施例中，将以开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4为mos管为例进行说明。如图2所示，开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4为nmos管，或者如图3所示，开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4为pmos管。

数模转换器100还包括电压生成模块130，电压生成模块130用于根据参考电压vref得到多个第一电压，所述第一电压用于向开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4提供衬底电压。电压生成模块130包括串联于参考电压vref与地之间的多个电阻rc1-rc9，其中，电阻rc2-rc8的阻值相等，电阻rc1和电阻rc9的阻值相等且为电阻rc2-rc8的阻值的一半。电阻rc1-rc9的两端分别具有连接端子，例如：电阻rc1两端分别具有端子q1和端子q2，电阻rc2具有端子q2和端子q3，电阻rc3具有端子q3和端子q4，电阻rc4具有端子q4和端子q5，依次类推，如图2和图3所示。电阻rc1-rc9两端的连接端子用于与开关网络120中的开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4的衬底对应连接。电阻rc1-rc9用于响应于参考电压vref馈送的电流在其两端产生对应开关管的衬底电压。

在本实施例中，电阻串110响应于参考电压vref馈送的电流，在端子t1-t5处分别产生电压vt1＝0v、vt2＝vref/4、vt3＝vref/2、vt4＝3vref/4、vt5＝vref。

电压生成模块130响应于参考电压vref馈送的电流，在端子q1-q10处分别产生电压vq1＝0v、vq2＝vref/16、vq3＝3vref/16、vq4＝5vref/16、vq5＝7vref/16、vq6＝9vref/16、vq7＝11vref/16、vq8＝13vref/16、vq9＝15vref/16、vq10＝vref。因此电压生成模块130得到的电压值可以覆盖数模转换器100中电阻串110里所有的电压值，可以将这些电压用作开关网络120中开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4的衬底电压。具体的，如图2所示，对于nmos管结构的开关网络，将开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4的衬底分别与端子q1、q3、q5、q7和q9连接；在另一种结构中，如图3所示，对于pmos管结构的开关网络，将开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4的衬底分别与端子q2、q4、q6、q8和q10连接。其中，端子q1、q3、q5、q7和q9分别向nmos结构的开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4提供第一电压值，第一电压值分别用于nmos结构的开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4的衬底电压；端子q2、q4、q6、q8和q10分别向pmos结构的开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4提供第二电压值，第二电压值分别用于pmos结构的开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4的衬底电压。

此外，接地端和连接参考电压vref端的端子得到的第一电压值与第二电压值与对应开关管需要传输的电压值相等；电压生成模块130中的其他端子得到的第一电压值均比对应的开关管需要传输的电压值低vref/16，第二电压值均比对应的开关管需要传输的电压值高vref/16。这样既保证了所有开关的正常导通，又不会使得开关的阈值电压太大，增大开关的导通电阻；同时也不会增大开关的面积和寄生电容，因此在开关切换过程中不会出现大的尖刺电压。

此外，本实施例的数模转换器100采用电压生成模块130生成开关网络120中开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4的衬底电压，得到固定电位的衬底电压，因此开关管的衬底电压的电压值不会随着开关的切换而变化，同时也不会影响数模转换器中电阻串上的电压。所以本发明的数模转换器在不同情况下，开关切换时产生的尖刺电压的一致性好，不随传输电压值的变化而变化。同时通过调整电压生成模块中的电阻与数模转换器的电阻串的电阻之间的关系，可在外部环境(如电源电压、参考电压、温度、工艺角等)变化时，开关管的衬底电压和需要传输的电压可具有相应比例的变化，进一步提高电路的可靠性。

图4和图5示出根据本发明第二实施例的电流型数模转换器的结构示意图。如图4和图5所示，数模转换器300包括电流源网络310、开关网络320以及电压生成模块330。

电流源网络310包括多个电流源，如图4和图5所示，本实施例的电流源网络310包括电流源i1-i5电流源i1-i5的电流大小依次为i/32、i/16、i/8、i/4、i/2。开关网络320包括开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4，开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4的第一通路端与电流源i1-i5的正极连接，第二通路端与模拟信号输出端连接。电流源i1-i5的负极与电源电压vdd连接。

开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4的闭合和断开状态分别由解码电路产生的控制信号控制。

其中，本实施例中的开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4可通过金属-氧化物-半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductorfieldeffecttransistor，mosfet)来实现，当然，本发明不以此为限制，本领域的技术人员可以根据具体情况进行选择。

在下面的实施例中，将以开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4为mos管为例进行说明。如图2所示，开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4为nmos管，或者如图3所示，开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4为pmos管。

电压生成模块330用于根据参考电压vref得到多个第一电压，所述第一电压用于向开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4提供衬底电压。电压生成模块330包括串联于参考电压vref与地之间的多个电阻rc1-rc9，其中，电阻rc2-rc8的阻值相等，电阻rc1和电阻rc9的阻值相等且为电阻rc2-rc8的阻值的一半。电阻rc1-rc9的两端分别具有连接端子，例如：电阻rc1两端分别具有端子q1和端子q2，电阻rc2具有端子q2和端子q3，电阻rc3具有端子q3和端子q4，电阻ra4具有端子q4和端子q5，依次类推，如图4和图5所示。电阻rc1-rc9两端的连接端子用于与开关网络320中的开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4的衬底对应连接。电阻rc1-rc9用于响应于参考电压vref馈送的电流在其两端产生对应开关管的衬底电压。

电压生成模块330得到的电压值可以覆盖数模转换器300中开关网络320中所有开关管传输的电压值，可以将这些电压用作开关网络320中开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4的衬底电压。具体的，如图4所示，将nmos结构的开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4的衬底分别与端子q1、q3、q5、q7和q9连接；在另一种结构中，如图5所示，将pmos结构的开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4的衬底分别与端子q2、q4、q6、q8和q10连接。其中，端子q1、q3、q5、q7和q9分别向nmos结构开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4提供第一电压值，第一电压值分别用于nmos结构开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4的衬底电压；端子q2、q4、q6、q8和q10分别向pmos结构开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4提供第二电压值，第二电压值分别用于pmos结构开关管sm0、sm1、sm2、sm3和sm4的衬底电压。

本实施例的数模转换器300还包括电压生成模块330，用于生成开关网络320中的开关管的衬底电压，这样既保证了所有开关的正常导通，又不会使得开关的阈值电压太大，增大开关的导通电阻；同时也不会增大开关的面积和寄生电容，因此在开关切换过程中不会出现大的尖刺电压，可进一步提高数模转换器的可靠性。

图6和图7示出根据本发明第三实施例的数模转换器的结构示意图。在第一和第二实施例中示出了低位数的数模转换器，因数模转换器的位数较低，因此数模转换器中需要的开关管数量也较少。而随着数模转换器的位数的增加，开关管数量也会增加，如果还采用第一实施例和第二实施例中对每个开关管都单独提供衬底电压，则电压生成模块的电路结构的复杂度会增加，同时数模转换器的逻辑电路的复杂度也会增加。

因此在本发明第三实施例的数模转换器中，对开关网络中的多个开关管进行分组，同一组中的不同开关管采用相同的衬底电压。如图6和图7所示，数模转换器400包括电阻串410、开关网络420以及电压生成模块430。电阻串410包括串联连接在参考电压vref与地之间的电阻ra1-ra16，每个电阻两端分别具有连接端子，例如：电阻ra1两端分别具有端子t1和端子t2，电阻ra2具有端子t2和端子t3，电阻ra3具有端子t3和端子t4，电阻ra4具有端子t4和端子t5，以此类推。

开关网络420包括开关管sm0-sm16，开关管sm0-sm16与电阻串410中的多个连接端子对应连接。例如，开关管sm0-sm16的第一通路端分别连接到端子t1-t17，第二通路端与模拟信号输出端连接。

开关管sm0-sm16的闭合和断开状态由解码电路产生的控制信号控制。

其中，本实施例中的开关管sm0-sm16可通过金属-氧化物-半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductorfieldeffecttransistor，mosfet)来实现，当然，本发明不以此为限制，本领域的技术人员可以根据具体情况进行选择。

在本实施例中，以开关管sm0-sm16为mos管结构为例进行说明。如图6所示，开关管sm0-sm16采用nmos管；或者如图7所示，开关管sm0-sm16采用pmos管。

电压生成模块430用于根据参考电压vref得到多个第一电压，所述第一电压用于向开关管sm0-sm16提供衬底电压。进一步的，电压生成模块430包括串联连接在参考电压vref与地之间的电阻rc1-rc4，电阻rc1-rc4的阻值相等，电阻rc1-rc4的两端都具有连接端子，例如，电阻rc1两端分别具有端子q1和端子q2，电阻rc2具有端子q2和端子q3，电阻rc3具有端子q3和端子q4，电阻rc4具有端子q4和端子q5，如图6和图7所示。

电阻rc1-rc4用于响应参考电压vref馈送的电流，在每个电阻的两端产生用于开关网络420的第一电压值和第二电压值。

在本实施例中，将开关网络420中的开关管sm0-sm16进行分组，如图6和图7所示，将开关管sm0-sm3分为第一组，将开关管sm4-sm7分为第二组，将开关管sm8-sm11分为第三组，将开关管sm12-sm16分为第四组。具体地，对于采用nmos结构的开关网络，端子q1向第一组开关管提供衬底电压，端子q2向第二组开关管提供衬底电压，端子q3向第三组开关管提供衬底电压，端子q4向第四组开关管提供衬底电压，如图6所示；对于采用pmos结构的开关网络，由端子q2向第一组开关管提供衬底电压，由端子q3向第二组开关管提供衬底电压，端子q4向第三组开关管提供衬底电压，端子q5向第四组开关管提供衬底电压，如图7所示。

在本发明优选地实施例中，对于位数较高的数模转换器，数模转换器的电阻串中电阻之间的电压值相差较小，因此可将开关网络中的多个开关管进行分组，同一组中的不同开关管使用相同的衬底电压，既保证了所有开关管的正常导通，又不会使得开关管的阈值电压太大，增大开关管的导通电阻；同时不会增加电压生成模块的电路复杂性，不会增加数模转换器的逻辑复杂性。

在上述实施例中提到的“电阻”，可以为单个物理电阻器或者电阻元件，也可以为多个物理电阻器或电阻元件的组合。换言之，本发明所示的电阻型数模转换器适用于各种类型的阻抗元件，每个阻抗元件的阻抗对应于要求的电阻。因此，这里所指的“电阻”进一步是根据电路布局的任何数量不同类型的电阻元件，诸如精确薄膜电阻器，这些精确薄膜电阻器是以sicr或其它材料、或在集成电路情况中以(掺杂p-或n-的)多晶硅形成的。还可以理解，这里描述的“电阻”可以包括任何电路元件，这些电路元件可以跨越它的端子产生与通过它的电流成正比的电压。

在上述实施例中，电压生成模块的结构为电阻串。作为替代的实施例，电压生成模块可以为其他实现多电压输出的电路结构。

此外，为了方便说明，在上述实施例中，将pmos结构的开关网络和nmos结构的开关网络分开进行说明。但是在实际应用中，开关网络中一般同时包括pmos管和nmos管。因此本发明公开的技术方案同样适用于这一结构的开关网络。

需要说明的是，上述实施例仅示出优选地实施例，对于开关网络中的开关管的分组方式和衬底电压的选择方法不以上述实施例为限制，其他运用同样原理的实施例均在本发明的保护范围内。

综上所述，本发明的电压生成模块用于生成开关网络中多个开关的衬底电压，既保证了所有开关的正常导通，又不会使得开关的阈值电压太大，增大开关的导通电阻；同时也不会增大开关的面积和寄生电容，在开关切换过程中不会出现大的尖刺电压。

在优选地实施例中，电压生成模块得到固定电位的衬底电压，因此开关管的衬底电压的电压值不会随着开关的切换而变化，同时也不会影响数模转换器中电阻串上的电压。因此包括该电压生成模块的数模转换器在不同情况下，开关切换时产生的尖刺电压的一致性好，不随传输电压值的变化而变化。

在优选地实施例中，通过调整电压生成模块中的电阻与数模转换器的电阻串的电阻之间的关系，可在外部环境(如电源电压、参考电压、温度、工艺角等)变化时，保证开关管的衬底电压和需要传输的电压可具有相应比例的变化，进一步提高电路的可靠性。

在优选地实施例中，对于位数较高的数模转换器，数模转换器的电阻串中电阻之间的电压值相差较小，因此可将开关网络中的多个开关管进行分组，同一组中的不同开关管使用相同的第一电压值和第二电压值，既保证了所有开关的正常导通，又不会使得开关的阈值电压太大，增大开关的导通电阻；同时不会增加电压生成模块和数模转换器的逻辑复杂性。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。