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2024年1月24日发(作者:贝尔摩德同人)

一个高精度◆低成本1 O位 数字模拟转换曩的设计与实现 马烨,李斌 (华南理工大学电子与信息学院,广东广州510640) 摘要:随着集成技术的日益发展,高精度的数字模拟信号转换器模块(DAC)已经是许多芯片中不可或 缺的模块。影响数模转换精度关键的因素之一是电阻的匹配程度。本文详细地描述和实现了一个采用 UMC 0.35“m工艺的高精度、低成本的10位DAC的设计电路,该电路对电阻匹配系数要求与7位DAC 的要求相同,对工艺、版图精度的要求降低了8倍,在相同精度要求下有效减小了版图面积,降低了设 计难度和生产成本。最后在版图上采用新颖的排列方式,进一步降低了温度等因素的影响。本文设计的 DAC的精度为DNL范围在一0.2~+0.2,INL范围在一0.6~+0.6。该模块已经成功应用在某些驱动芯片 中。 关键字:数字模拟转换器;温度计码;电阻匹配;版图 Design and Simulation of a lO-bit Digital-to-Analog Converter with High-Precision and Low-Cost MA Ye,LI Bin (School of Electronic and Information Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 5 10640,Guangdong,China) Abstract:With the development of IC technology,high-precision digital—an ̄og converter module(DAC)has been one of the indispensable modules in chips. One of the most critical factors which affcet the precision of the digital-analog converter is the resistance matching degee.In this paper,a 10一bit DAC with high—precision and low—cost is designed and implemented by 0.35 m process tcehnology.The requirement for the matching coefifcient of hte resistance in this circuit is the same with that of the 7-bit DAC,which means hte requirement of hte process technology nad the precision of hte layout is decreased by 8 times,resulting in low cost.Finally,the temperature effect on the layout is further decreased by the proper layout of the DAC.The testing results show htat the scope of the DNL is一0.2~+0.2 and that of the INL is一0.6-+0.6.The proposed DAC has been successfully applied in the commercial motor chips. Key words:DAC;thermometer code;resistance matching;layout 基金项目:国家自然科学基金2010年面上项目(项目批准号:60976026) ht}n.,^AAAAAI r、j ma,'t%- ̄ryl 

I…H巾国集成电路 甜 . } ■ China Integrated Circuit 一’。 1 引言 加导致了成本上升,并且这种DAC响应速度很慢。 对于l0位的DAC需要210个电阻,因此该结构的 随着信息时代的飞速发展,日益精确的信息处 设计只适用于低位数的DAC。 理芯片对数模,模数转化器(DAC/ADC)精度提出 本文采用一种分段阶梯的电阻网络架构设计一 越来越高的要求,高精度、低成本的数模/模数转换 个高精度10位DAC,有效地避免了两者的短处,同 器的设计面临着严峻的挑战。本文研究一种提高 时在版图设计上采用新颖的排列,从而使电阻匹配 DAC转换精度的方法,并通过新颖的电路和版图结 系数要求与7位DAC的要求相同,降低了芯片的设 构,设计了一个高精度、严格单调的数模转换器。 计难度与生产成本。 传统DAC有两种典型的架构:R一2R阶梯式结 构和2nR结构。传统的R一2RLADDER结构如图1 2分段阶梯结构DAC 所示Il 。 分段阶梯结构的DAC是R一2R 结构与2nR结构的结合,是经常采 用的一种DAC结构。分段阶梯DAC 的示意图如图2所示。 分段阶梯结构中的关键是决定 圈1 R一2R木i自形挚构 n 2 R 哪几位采用温度计码(thermometer code),最大程度地降低脉冲尖峰对 DAC的影响刚。很明显,使用温度计 舵? 1 ̄bit9 1 /8 1/1024 码结构的位数越多,对尖峰脉冲的 bitO 抑制效果更好。但是采用的温度计 MSB LSB 码结构位数越多,电阻个数会以指 图2分段阶梯结构的DAC 数增长,成本也急剧地增加。因此, 该结构的特点是速度快,但对电阻的匹配与温 在选择使用温度计码结构位数和版图面积上存在一 度特性要求很高。假设图1是一个10位DAC,最大 个折中。从仿真的结果得出,在该10位DAC中采用 输出为2 mV。当输入码字是0,l11,111,111时,输 3位的温度计码能有效地抑制脉冲尖峰对性能的影 出电压是0.999 mV。当输入码字跳变为1,000,000, 响(如图3),图中曲线族是不同工艺角的仿真结 000时,输出电压是1 mV,此时MSB(most 果。从图中可以看出分割位数取3的时候,尖峰脉冲 signiifcant bit)bl0接偏置电源,其它位开关都接地。 与版图面积达到一个最理想的折中。 如果bl0位有0.001 mV的误差将导致DAC输出曲 因此,本文设计的DAC高三位采用温度计码结 线的非线性,即MSB位电阻偏差必须保证在 构,低7位采用R一2R阶梯结构。该DAC总共包括 0.001/1:0.1%以内,才能保证DAC的单调性。这 1024个模拟输出级,采用三位温度计码的分割结构 样,对于高位数的DAC将给版图以及工艺制程提出 将其分割成了八个128级的模拟输出。从图2可以 非常高的要求。 看出,右边的R一2R结构产生128级的模拟输出,左 2nR阶梯结构非常简单,对电阻匹配要求也很 边的分割结构控制着八个128级模拟输出。左边的 低。但是随着DAC位数的增加,芯片面积也急剧增 三位分割结构由一个3—8解码器控制(如图4),其 

设计 巾国集成电路 China Integrated Circuit 表1温度计码解码器真值表 鬻搬 Bit 7 BIt 8 Bit 9 A B C D E F G 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 晶圆上分布的电阻匹配主要存在两种斜率误 图3尖峰脉冲和分割位数的关系嘲 差:线性误差和二次误差。线性误差主要是掺杂、氧 化层厚度和电源供电差异等导致的。在晶圆的x Y 平面上如图5(a)所示。二次误差是因为温度和芯 片上的应力造成的,如图5(b)所示。图5(c)直观 (图中曲线簇代表不同的工艺角) 真值表如表1所示。这样分割的高三位不受电阻匹 配的任何影响,只要DAC低七位的严格单调性就可 以保证DAC的DNL在一1~+1范围内。即MSB位 由原来的bit9降低到了bit6,对电阻匹配要求降低 了8倍,提高了DAC产品精度与良率。 地给出了这两种斜率误差对电阻匹配的综合影响同。 Thermometer- Decoded 图4温度计码解码器 3 版图设计 无论是采用哪种结构的DAC,电阻的匹配特性 都影响着电路的性能。有效地控制影响电阻匹配的 因素可以提高电路性能。 3.1电阻排列设计 

版图上电阻优化的排列顺序对DAC性能有着积极 的影响。 3.2版图设计 在本文设计中的创新主要是通过电阻版图排列 顺序来优化DAC电路的性能。首先电阻的不匹配系 数公式为 A (△R )%=— 兰 、/ I (1) L 其中w、L分别为MOS管的栅宽和栅长, A△RV是由工艺决定的 。根据UMC O.35 m工艺 提供的电阻匹配报告,A△RV为1.4999/100。在 图5(a)线-陛误差分布图;(b)二次误差分布图; (c)综合误差分布图; 从图5可以看出,对DAC中电阻有效的排列可 以降低因为不匹配所导致的误差。 典型的排列顺序有纵横方案(Row—Column DAC中MSB对性能影响最大,因此该设计中把高 三位电阻的2R用4组电阻串联,每组由两个单位 电阻R并联如图6所示,从而使电阻面积增大,降 低不匹配系数,最后通过版图的布局将电阻在晶圆 上的误差降到最低,进一步优化DAC的性能。 本文设计的DAC采用UMC0.35 m工艺实现, 具体的版图如图7所示。 图7中8根黄色的电阻对应图6中展开的电 阻,DAC版图总共使用了90根电阻。在版图中尽量 增加动态随机分布,从而有利于抵消不匹配的影响。 将版图尽可能地对称从而使电阻组合后(并联、串 联)的阻值与理想值更接近。 Schemes)和层次方案(Hierarchical Schemes)等。表 2可以看出电阻不同排列顺序对积分非线性误差 (INL)性能优化的贡献[51。 积分非线性(INL)是DAC的一个重要性能指 标,是实际的有限精度特性和理想的有限精度特性 在垂直方向上的最大差值。DAC的积分非线性 (INL)是每一位的误差的累计。从表2中可以看到 电阻版图排列方式对DAC性能影响很大,表中最后 那种新的排列方式最大地优化了线性误差。因此, 表2电阻排列对INI_影响 位置一> 原始的排列顺序:46.5 4.75 4.85 4.95 5.05 5.15 5.25 5.35 电阻对应误差(96):一7 —5 —3 —1 +1 +3 +5 +7 对应电阻的误差序列 (%): 对应电阻的INL值(%): INL (DAC) 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 (%) 连续排列: ~7—5 3~1+1+3+5+7 —7—12—15-lfi—l5一l2—7 0 l6 l 2 3 4 5 6 7 8 对称排列: -1+1 3+3—5+5—7+7 +1 0+3 0+5 0+7 0 7 7 5 3 1 2 4 6 8 新的排列㈣: +3—7十7—3+l一5+5~1 2 6 4 8 5 1 7 3 +3—4+3 0+1—4+l 0 4 h什n.,^ ^^, i mjn nm 

为2R。因此电阻串联的话,应使其版图尽可能的对 MSB 称。在该版图里,设计上使4组串联的电阻以版图的 c=: 三个中心点对称。(3)电阻的线性误差。在图5中可 图6 MSB电阻结构 以看到电阻分布的斜率误差曲面存在三个中心点, 因此在设计该DAC电阻版图时,充分利用这个特性 在版图中设计了三个中心点来抵消斜率误差的影 从图6和图7中可以看到,电阻l&2、3&4、5&6 响。最后,DAC版图应该尽量摆放在芯片中心位置 和7&8是并联后再串联组成2R的MSB电阻。在版 并远离功率管,以降低应力和温度对其特性的影响。 图上的排列如图7所示,主要考虑了三个因素:(1) 电阻的并联。如1.05R与0.95R并联为0.49875R,与 4测试结果 理想值0.5R偏差0.25%;1.01R与0.99R并联为 图8是在常温下使用3.3 V电压供电,DAC特 0.5049495R,与理想值偏差为0.49%。因此电阻并联 性的测试结果。DNL的测试结果范围在一0.2~+0. 的话,应该使并联的电阻尽可能的阻值相等。在版 2,INL的测试结果范围在一0.6~+0.6,设计的电路 图设计上让其间距最小来实现。(2)电阻的串联。 具有很好的单调性。 如1.05R与0.95R串联为2R,1.01R与0.99R串联 图9是DAC最大输出时的温度特性数据。左图 是传统版图排列的 DAC温度特性曲线,右 图是本文设计的DAC 温度特性曲线。由于本 文设计的版图中采用三 个中心点分布有效地降 低了由于温度变化所导 致的二次斜率误差,提 高了DAC的温度特性。 图1O是DAC的传 输特性。从编码0到编 码1023可以看到DAC 的输出电流从0 mA单 调线性地变换到102.3 mA,每一步是0.1 mA。 5结束语 本文在UMC 0.35 m制程下设计了 一个1O位高精度、严格 图7 DAC版图设计 单调的数模转换器,主 

INL O。6 0.4 0.2 ∞ 69 -j 0 Code —O.2 -0.4 —0.6 图8 DNL与INL的测试数据分布 图9 DAC最大输出时的温度特性 性与DAC的高精度。该电路结构简 单并具有良好的传输特性,可以应 用在大多数音频、马达等控制芯片 中。四 参考文献 [1]Lei Wang,Yasunori Fukatsu,and Kenzo Watnaabe,“A CMOS R一2R Ladder Digital-to-Analog Converter and Its Characterization,’’ IEEE 图10 DAC的传输特性 Instrumentation and Measurement 要在电路结构和电阻版图排列上进行了创新。设计 Technology Conference Budapest,Hungary,May 21 中有效地降低了电路对电阻匹配系数的要求,因此 -23,2001.PP.1026-1031 可以在一定的工艺条件下设计出更高位数、更商陛 【2]Michael Peter Kennedy,“On the Robustness of R一2R 能的DAC。另外,新颖的版图排列使DAC受温度与 Ladder DAC’s.’’IEEE TRANSACTIONS ON 外部应力的影响减小,保证了传输特性的严格单调 (下转第58页) h¨n.,^|AAA|I ;^man,’^ 

用于峰值电流控制模式的降压DCDC中,能节省 芯片和电路板面积,有效地降低产品成本。采用三 端输入的比较器,在启动瞬间,通过控制PWM比 较器负输入端的输入电压,使其按阶梯状上升,电 路避免了浪涌电流和过冲电压。该软启动电路已 经应用于高性能的DCDC中,仿真与测试表明该 电路有非常好的效果,本论文的设计和结果对便 携式设备的设计和应用有较大的帮助。四 P 参考文献 【1】Yuan Bing,Lai Xinquan,Ye Qiang,Jia Xinzhang, A Novel Compact Soft-Start Circuit with Internal Circuitry for DC-DC Converters. [2]Lai X.Q,Guo J.P,et al,A Novel Distla Soft-Start Circuit for DC-DC Switching Regulator. ASICON 2005 6th Int.Conf.on ASIV Proc,P.564(2005). [3]Behzad Razavi,Design of Analog CMOS Integrated Circuits(McGraw—Hill Companies Inc.2001),PP. 图10 buck DCDC版图 9—100 上接第45页 CIRCUITS AND SYSTEMS-PART h FUNDA— JULY 2000 PP.585—595(TU) MENTAL THEORY AND APPLICATIONS,VOL.47, [6]Marcel J.M.Pelgrom,Hans P.Tuinhout and Maarten NO.2,FEBRUARY 2000 PP.109-1 16 Vertregt. “Transistor matching in analog CMOS app— 【3】Mikael Gustavsson,J.Jacob Wikner,and Nianxiong lications,”1998 IEEE PP.915-918 Nick Tan. “CMOS Data Converters for Com—muni [7]Dongwon Seo,“A Heterogeneous 16一Bit DAC Using cation”,Kluwer Academic Publishers 2002 PP.95-96 a Replica Compensation”,IEEE TRANSACTIONS ON [4]Jurgen Deveugele.“A 10-bit 250一MS,s Binary— CIRCUITS AND SYSTEMs-一h REGULAR PAPERS. Weighted Current-Steering DAC,’’ IEEE JOURNAL VOL.55,NO.6,JULY 2008,PP.1455—1463 OF SOLID—STATE CIRCUITs, VOL. 41, N0. 2, FEBRUARY 2oo6 PP.320—329 作者简介 【5]Yonghna Cong,“Switching Sequence Optimization 马烨,华南 ̄2:r-大学电子与信息学院微电子研究所 ofr Gradient Error Compensation in Thermometer—- 硕士研究生,研究方向模拟集成电路设计。 Decoded DAC Arrays,” IEEE TRANSACTIONS ON 李斌,华南理工大学电子与信息学院微电子研究所 CIRCUITS AND SYSTEMS—II: ANALOG AND 教授,博士生导师,研究兴趣半导体器件物理和集成 DIGITAL SIGNAL PROCESSING,VOL.47,N0.7, 电路可靠性以及模拟集成电路设计。 


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