一种DAC电流源阵列排布方法与流程

本发明属于数模转换领域，特别涉及到电流舵型DAC(DigitaltoAnalogConverter，即数模转换器)中的电流源阵列排布方法，具体为一种DAC电流源阵列排布方法。
背景技术：
：随着数字集成电路技术的迅速发展，数字信号的处理速度越来越快，作为模拟世界与数字电路接口的ADC(AnalogtoDigitalConverter，即模数转换器)和DAC成为系统性能提升的瓶颈之一。因此，高速高精度成为DAC发展的必然趋势。由于电流舵型DAC输出的是电流信号，可以直接驱动负载而不需要额外增加电压缓冲器，因此往往用来实现高速转换，对其做深入的研究显得十分必要。电流源阵列是电流舵型DAC的核心结构，电流源的幅值误差对DAC的静态性能影响很大。衡量DAC静态性能的两个重要参数是DNL(DifferentialNon-Linearity，即微分非线性)和INL(IntegralNon-Linearity，即积分非线性)。为了提高DAC的静态性能，设计者先后对电流源阵列的误差及分布情况进行了深入研究。电流源的误差主要包括随机误差和梯度误差。随机误差与电流源的尺寸成反比，因此可通过增加电流源的尺寸来降低。梯度误差则主要受工艺误差、温度和应力等因素的影响，比如，硅片上的掺杂和栅氧厚度以及电源线上的压降会导致近似线性的梯度误差，温度梯度和应力会引起近似二阶的梯度误差。梯度误差会引起电流源的失配，减小电流源的失配可以提高DAC的INL和DNL。因此，为减小梯度误差引起的电流源失配，设计者先后提出了各种设计方法，比如共质心排布方案(Centroidswitchingscheme)和Q2排布方案(Q2switchingscheme)。共质心排布方案将每个电流源等分成4份，然后采用图3(a)所示的共质心方式进行排布。Q2排布方案将每个电流源等分成16份，然后采取图3(b)所示的方式进行排布。以4位电流源阵列(对应16个电流源)为例，图9(a)(b)分别表示上述两种方案对线性梯度误差和二阶梯度梯度误差的补偿，其中和表示线性梯度误差和二阶梯度误差，和表示补偿后线性梯度误差和二阶梯度误差分别对应的残余项。从图9(a)可以看出，共质心排布方案可以消除线性梯度误差引起的电流源失配，但无法减小二阶梯度误差引起的电流源失配。从图9(b)可以看出，Q2排布方案在消除线性梯度误差引起的电流源失配的同时，可以减小二阶梯度误差对电流源失配的影响。虽然后者在一定程度上减小二阶梯度误差对电流源失配的影响，但并不能消除二阶梯度误差对电流源失配的影响。技术实现要素：针对上述存在问题或不足，为有效消除线性梯度误差和二阶梯度误差对电流源失配的影响，从而提高DAC的DNL和INL，本发明提供了一种DAC电流源阵列排布方法。本发明提出的DAC电流源阵列排布方法，包括以下步骤：步骤1、如图1，构造23m×23m矩阵Bm(m＝0,1,2…)：1×1矩阵B0：[0]8×8矩阵B1：0246810121431751191513571313159116420141210891113151357108141220641214810460215131197531]]>64×64矩阵B2：将矩阵B1中的每个元素b1替换为8×8矩阵P1，得到矩阵B2，其中，矩阵P1为矩阵B1与矩阵16b1×I的和，I为8×8的全1矩阵；依次类推，23m×23m矩阵Bm：将矩阵Bm-1中的每个元素bm-1替换为8×8矩阵Pm-1，得到矩阵Bm，其中，矩阵Pm-1为矩阵B1与矩阵16bm-1×I的和，I为8×8的全1矩阵；步骤2、如图2，构造2n×2n矩阵Cn(n＝0,1,2,3)：1×1矩阵C0：[0]2×2矩阵C1：0110]]>4×4矩阵C2：将矩阵C1中的每个元素c1替换为2×2矩阵Q1，得到矩阵C2，其中，矩阵Q1为矩阵C1与矩阵2c1×I的和，I为2×2的全1矩阵；8×8矩阵C3：将矩阵C2中的每个元素c2替换为2×2矩阵Q2，得到矩阵C3，其中，矩阵Q2为矩阵C1与矩阵2c2×I的和，I为2×2的全1矩阵；步骤3、N位电流源阵列排布方法：令N＝4m+n(m＝0,1,2…，n＝0,1,2,3)得到对应的m和n的大小，从而选择矩阵Bm和Cn来构造N位电流源阵列；首先将矩阵Bm中的每个元素bm替换为矩阵Rm，得到矩阵F，其中Rm为矩阵Cn与矩阵2nbm×I的和，I为2n×2n的全1矩阵，然后建立直角坐标系，将矩阵F置于坐标系中的第一象限，并关于x轴，y轴和坐标原点对称得到另三个象限的矩阵，将四个象限的矩阵组合在一起，得到23m+n+1×23m+n+1矩阵A4m+n，即对应N位电流源阵列的排布方式；在该排布方式中，矩阵A4m+n中相同的元素对应同一电流源，因此A4m+n对应24m+n个电流源，其中多余的一个电流源可作为偏置电流源。本发明还提出，针对上述电流源阵列，在四周放置与电流源单元尺寸相同的MOS管用作伪电流源以保证电流源的周围环境一致，降低工艺误差。综上所述，本发明通过研究梯度误差的分布，构造两类基本矩阵，并利用基本矩阵，提出适用于不同位数电流源阵列的构造方式；本发明涉及的电流源阵列排布方法能够有效消除线性梯度误差和二阶梯度误差对电流源失配的影响，改善DAC的静态性能。附图说明图1是23m×23m矩阵Bm(m＝1,2…)的构造方式；图2(a)是2n×2n矩阵Cn(n＝1,2,3)的构造方式；(b)是矩阵C1，C2和C3；图3(a)是共质心排布方案；(b)是Q2排布方案；图4是实施例中6位电流源阵列的构造方式；图5是实施例中第一象限的32×32阵列；图6是实施例中第二象限的32×32阵列；图7是实施例中第三象限的32×32阵列；图8是实施例中第四象限的32×32阵列；图9(a)是共质心排布的4位电流源阵列的线性梯度误差和二阶梯度误差分布及对应的补偿；(b)是Q2排布的4位电流源阵列的线性梯度误差和二阶梯度误差分布及对应的补偿；(c)是采用本发明排布方法的4位电流源阵列的线性梯度误差和二阶梯度误差分布及对应的补偿；图10(a)是在忽略随机误差情况下，DAC的DNL与输入码的关系；(b)是在考虑随机误差情况下，DAC的DNL与输入码的关系；图11(a)是在忽略随机误差情况下，DAC的INL与输入码的关系；(b)是在考虑随机误差情况下，DAC的INL与输入码的关系。具体实施方式以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。就所述电流源阵列排布方案对线性梯度误差和二阶梯度误差的补偿进行分析：(1)梯度误差的计算线性梯度误差εl可由以下公式来计算：εl＝gl*cosθ*x+gl*sinθ*y(1)其中，θ为梯度角，gl为线性梯度的斜率。二阶梯度误差εq可由以下公式来计算：εq＝gq*(x2+y2)-a0(2)其中，gq和a0均为常量，其值主要由晶片键合(Die-bonding)技术决定。(2)梯度误差补偿分析
发明内容中所涉及的N位电流源阵列，通过最后层次的共质心排布补偿线性梯度误差，从而使得线性梯度误差对电流源的失配影响得到消除，因此下面着重分析矩阵F所对应的排布方式对二阶梯度误差的补偿。根据
发明内容所述，矩阵F通过矩阵Bm和Cn构造生成，而Bm和Cn通过矩阵B1和C1扩展生成，因此，首先需要分析矩阵B1和C1所对应的排布阵列对二阶梯度误差的补偿。下面就矩阵B1所对应的电流源排布阵列对二阶梯度误差的补偿进行分析：由于MOS管电流源的宽长比一般不为1，电流源阵列一般不是正方形，因此我们假设x方向的长度是y方向长度的a倍。以阵列的左下顶点为原点，设阵列y方向的长度为1，则x方向的长度为a，根据公式(2)，电流源的二阶梯度误差为ϵq(m,n)=gq×((am8)2+(n8)2)-a0---(3)]]>εq(m,n)表示x方向第m个，y方向第n个电流源的二阶梯度误差。将(3)式提取公因子后得到：ϵq(m,n)=gq×182((am)2+n2)-a0---(4)]]>为了方便分析，我们将上式的公因子略去，将简化的二阶梯度误差记为εq'(m,n)，即εq'(m,n)＝(am)2+n2(5)计算出矩阵B1对应的16个电流源的残余二阶梯度误差，以为例，结果如下：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，括号内的第一项相同，因此只需要计算出括号内的第二项的和。对于括号内第二项的和为：64+25+9+4＝102对于括号内第二项的和为：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，每个括号内的第二项相同，因此只需要计算出括号内的第二项的和。对于括号内第一项的和为：a2+16a2+36a2+49a2＝102a2对于括号内第一项的和为：4a2+9a2+25a2+64a2＝102a2因此，ϵres(2)(0)=ϵres(2)(2)---(12)]]>综合(10)，(11)，(12)各式，可得：ϵres(2)(0)=ϵres(2)(1)=ϵres(2)(2)=ϵres(2)(3)---(13)]]>按照同样的分析，最终可得因此矩阵B1所对应的电流源排布阵列可消除二阶梯度误差对电流源失配的影响。矩阵Bm由矩阵B1扩展而来，根据其扩展方式容易知道矩阵Bm所对应的电流源排布阵列可消除二阶梯度误差对电流源失配的影响。对于矩阵C1，根据矩形对角线相等的性质，容易得出：因此，矩阵C1所对应的电流源排布阵列可消除二阶梯度误差对电流源失配的影响。矩阵Cn由矩阵C1扩展而来，根据其扩展方式容易知道矩阵Cn所对应的电流源排布阵列可消除二阶梯度误差对电流源失配的影响。矩阵F通过矩阵Bm和Cn构造生成，根据
发明内容所涉及的构造方式，容易得到矩阵F所对应的电流源排布阵列可消除二阶梯度误差对电流源失配的影响。为了进一步验证上述补偿理论，对该排布方案使用matlab进行建模分析。以矩阵A4所对应的4位电流源阵列的排布方式为模型，将梯度误差计算公式(1)(2)中的各参量设定如下：θ＝45°,gq＝0.003,a0＝0。将该排布方式对梯度误差的补偿效果进行仿真，结果如图9(c)所示。图9(c)中共有16个电流源，每个电流源等分成16份，分布在x-y平面的16×16阵列中的不同位置，左侧的图表示阵列中的不同位置所对应的梯度误差值和右侧的图表示将每个电流源对应的16份的梯度误差求和后得到的残余梯度误差值和可见，16个电流源的残余线性梯度误差相等，残余二阶梯度误差也相等，因此A4所对应的电流源阵列的排布方式能够有效消除线性梯度误差和二阶梯度误差对电流源失配的影响。下面以12位分段式电流舵型DAC为例，具体实施该排布方案：将DAC按照低6位二进制译码，高6位温度译码的方式分段，由N＝4m+n(m＝0,1,2…，n＝0,1,2,3)，N＝6(N为温度译码的位数)，可知m＝1，n＝2，因此DAC的电流源阵列可通过矩阵B1和C2来构造。如图4所示，首先将矩阵B1中的每个元素b1替换为矩阵R1，得到32×32矩阵F(如图5所示)，其中R1为矩阵C2与矩阵4b1×I的和，I为4×4的全1矩阵，然后建立直角坐标系，将矩阵F置于坐标系中的第一象限，然后将第一象限的矩阵以Y轴为对称轴翻转，得到第二象限的矩阵(如图6所示)，将第一象限的矩阵以坐标原点为对称中心翻转，得到第三象限的矩阵(如图7所示)，将第一象限的矩阵以X轴为对称轴翻转，得到第四象限的矩阵(如图8所示)。将四个象限的矩阵组合在一起，得到64×64矩阵A6，即为DAC电流源排布阵列。矩阵A6中共有64个不同元素，对应64个电流源，每个电流源被等分成64份，分布在不同位置，从而实现梯度误差的补偿。由于低6位二进制译码对应63个LSB电流源，因此阵列中的一个电流源(对应64个子电流源)可用来实现二进制译码方式。利用matlab对上述DAC的静态性能(INL和DNL)进行100次仿真，结果如图10，图11所示。可以看到，在忽略电流源阵列的随机误差，只考虑线性和二阶梯度误差的情况下，该DAC的INL和DNL仅受到输出阻抗变化的影响，其值很小，因此该DAC电流源阵列排布方案消除了线性和二阶梯度误差对DAC的影响，提高了DAC的静态性能。当前第1页1 2 3