本發(fā)明涉及CMOS模擬電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電流舵數(shù)模轉(zhuǎn)換器電流源陣列的版圖結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

電流舵型數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的溫度計編碼是一種1進(jìn)制編碼形式，每一位只有“0”或者“1”兩種狀態(tài)，而且“1”只能連續(xù)出現(xiàn)在低位，“0”不能出現(xiàn)在“1”中間，“1”也不能出現(xiàn)在“0”中間。圖1所示的15位溫度計碼數(shù)模轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡圖。從圖中可以看出，它有15個電流數(shù)值相同為4I₀的電流源并聯(lián)構(gòu)成，每個電流源對應(yīng)的通路上都有一個雙向數(shù)字開關(guān)用以控制這個電流源的電流流向。該電路具有兩路差分輸出，輸出電流為：Ioutput-A＝(T15+T14+T13+…+T2+T1)×(4I₀)

在實現(xiàn)圖1所示的4I₀電流源陣列時，由于工藝偏差及溫度梯度的影響，各個電流源單元的輸出會有偏差，因此對電流源陣列的匹配要求非常高。被廣泛應(yīng)用的四象限隨機(jī)游動式開關(guān)(Quad-Quadratic Random Walk Switching,Q2-RW)常用來對電流源陣列進(jìn)行布局。如圖2所示為一個有16個電流源單元(電流源單元為I₁、I₂…I₁₆)的陣列結(jié)構(gòu)，將電流源單元距離量化及歸一化后，如圖3所示，

假設(shè)工藝參數(shù)及溫度梯度函數(shù)為：f(x,y)＝a+bx+cx²+dx³+…+ey+gy²+hy³+…+ixy+…(其中a,b,c,d,e,g,h,i不全為0)，以電流源單元I₁、I₂為例，其工藝參數(shù)及溫度梯度絕對值為：

f(I₁)＝f(1,4)＝a+b+c+d+…+4e+16g+64h+…+4i+…

f(I₂)＝f(4,2)＝a+4b+16c+64d+…+2e+4g+8h+…+8i+…

則I₁、I₂電流源單元之間因為工藝及溫度梯度的不匹配為：

Δ＝f(I1)-f(I2)＝-3b-15c-63c+…+2e+12g+56h+…-4i+…≠0

由上式可知，I₁和I₂電流源單元的失配包含一階、二階及高階項，且數(shù)值較大，即失配較嚴(yán)重，這會造成各電流源單元在相同輸入下具有不相等的輸出絕對值，使轉(zhuǎn)換器的精度降低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的旨在提供一種具有二階失配補(bǔ)償?shù)碾娏鞫嫘蛿?shù)模轉(zhuǎn)換器電流源陣列版圖結(jié)構(gòu)，以提高數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度。

為達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供一種電流舵數(shù)模轉(zhuǎn)換器的電流源陣列的版圖結(jié)構(gòu)，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸入信號的高n位為溫度計編碼，所述電流源陣列的版圖結(jié)構(gòu)包括由2ⁿ個溫度計型電流源單元I₁～I(xiàn)₂ⁿ構(gòu)成的電流源陣列，每一所述溫度計型電流源單元具有M個并聯(lián)的子電流源，所述電流源陣列包括M個區(qū)域，每一所述區(qū)域包括2ⁿ個所述子電流源，n為大于等于1的正整數(shù)，M為大于等于4的偶數(shù)；對于任一所述溫度計型電流源單元，其形心位于所述電流源陣列的幾何中心且其M個并聯(lián)的子電流源中至少有4個子電流源平均分布在兩個所述區(qū)域中。

優(yōu)選地，所述電流源陣列中，至少有兩個溫度計型電流源單元，其在所述電流源陣列版圖結(jié)構(gòu)的第一方向上的投影位置完全相同，且在第二方向上的投影位置也完全相同，其中所述第二方向與所述第一方向垂直。

優(yōu)選地，所述電流源陣列的版圖結(jié)構(gòu)包括16個溫度計型電流源單元，每一所述溫度計型電流源單元具有4個并聯(lián)的子電流源，所述電流源陣列包括4個排列為方形的區(qū)域，每一所述區(qū)域包括16個排列為方形的子電流源，4個所述區(qū)域形成以所述電流源陣列的幾何中心為原點的四個象限。

優(yōu)選地，每一所述溫度計型電流源單元的四個子電流源，平均分布與第一、第三象限或第二、第四象限中。

優(yōu)選地，每一所述溫度計型電流源單元在所述第一方向的投影位置和/或第二方向的投影位置均不重合。

優(yōu)選地，對于任一所述溫度計型電流源單元，其4個子電流源在所述第一方向的投影以X-0-0-X-0-X-X-0或0-X-X-0-X-0-0-X的方式排列，在所述電流源陣列的第二方向的投影以Y-0-0-Y-0-Y-Y-0或0-Y-Y-0-Y-0-0-Y的方式排列，其中X、Y表示子電流源，0表示空。

優(yōu)選地，所述的溫度計型電流源單元由溫度計碼信號控制打開和關(guān)閉。

本發(fā)明的有益效果在于，通過將線性的溫度計型電流源單元構(gòu)成的電流源陣列轉(zhuǎn)換為多個由子電流源構(gòu)成的區(qū)域，并將各子電流源按一定的規(guī)律排列，使每一溫度計型電流源單元的形心位于電流源陣列的幾何中心，可以減小由工藝偏差及溫度梯度引起的不同電流源單元之間的失配，從而提高數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度。此外，對于任一個溫度計行電流源單元，其子電流源并不是完全分散在不同的區(qū)域中，而是至少有四個子電流源平均分布在兩個區(qū)域內(nèi)，能夠減小版圖設(shè)計的復(fù)雜度降低信號間的寄生參數(shù)，提高芯片的整體性能。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)的15位溫度計碼數(shù)模轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中具有16個電流源單元的四象限隨機(jī)游動式開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖；

圖3所示為圖2所示的結(jié)構(gòu)在距離歸一化后的示意圖；

圖4是本發(fā)明一較佳實施例電流源陣列在距離歸一化后的布局示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

本發(fā)明的電流舵數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以是溫度計碼電流舵數(shù)模轉(zhuǎn)換器或分段式電流舵數(shù)模轉(zhuǎn)換器。本實施以應(yīng)用在55nm CMOS工藝中的10位的電流舵型數(shù)模轉(zhuǎn)換器為例，對本發(fā)明加以說明。該數(shù)模轉(zhuǎn)換器的高4位采用溫度計編碼形式，將該高4位二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為線性的15位溫度計碼，溫度計碼信號Ti/TiB(i＝1～15，Ti和TiB為互補(bǔ)信號)分別控制具有電流I的電流源單元。

本發(fā)明在實現(xiàn)15位溫度計碼電流舵數(shù)模轉(zhuǎn)換器時，將16個溫度計型電流源單元I₁～I(xiàn)₁₆構(gòu)成電流源陣列，而每一個電流源單元則由4個子電流源I'_i(i＝1～16)并聯(lián)構(gòu)成，因此每個子電流源I'的電流大小減為電流源單元I的電流四分之一，因此每一個溫度計碼信號控制其對應(yīng)的電流源單元的4個子電流源同時打開或關(guān)閉。如圖4所示，電流源陣列包括4個區(qū)域(如粗現(xiàn)況內(nèi))，而每個區(qū)域由16個子電流源構(gòu)成，這樣就將溫度計型電流源單元I₁～I(xiàn)₁₆構(gòu)成的電流源陣列布局成4個區(qū)域，且每個區(qū)域都具有電流大小為原來四分之一的16個子電流源，圖中相同數(shù)字僅僅代表相同數(shù)字的子電流源同時開關(guān)，數(shù)字順序不分先后。需要注意的是，本發(fā)明中，同一區(qū)域內(nèi)的子電流源并不分別屬于不同的溫度計型電流源單元。實際上，同一個溫度計型電流源單元的至少兩個并聯(lián)的子電流源位于同一區(qū)域中。例如在本實施例中，粗線框內(nèi)的區(qū)域就包括分別屬于8個不同溫度計型電流源單元的16個子電流源構(gòu)成。對于任一個溫度計型電流源單元，它的形心(即4個子電流源I'_i的形心)位于電流源陣列的幾何中心，即其子電流源存在一定的鏡像關(guān)系，因此對于任一個溫度計型電流源單元，至少有4個子電流源平均分布在兩個區(qū)域中。如圖4所示，4個區(qū)域呈正方形排布，且每一個區(qū)域由16個正方形排布的子電流源組成，因此電流源陣列的幾何中心位于該正方形的中心處。當(dāng)然在其他實施例中，子陣列或子電流源也可呈其它形狀排布，如矩形或圓形等。由于電流源單元是由MOS晶體管實現(xiàn)的，且各個MOS晶體管的規(guī)格尺寸相同，本實施例中通過將電流源單元在距離上進(jìn)行量化歸一至X軸和Y軸的二維平面，將電流源陣列對應(yīng)到該二維平面的X軸和Y軸的坐標(biāo)系中以方便說明。假設(shè)以圖4所示的距離歸一化后的電流源陣列的左下角為原點，則電流源陣列的幾何中心的坐標(biāo)(x₀，y₀)，在本實施例中幾何中心坐標(biāo)為(4.5,4.5)，對于任一溫度計型電流單元的4個子電流源I'_i1，I'_i2，I'_i3，I'_i4在該二維平面也具有其相對應(yīng)的坐標(biāo)，且其X軸的坐標(biāo)分別與幾何中心坐標(biāo)x₀之間的差值Δx_i的和∑Δx_i1～x_i4為0，同樣的，在Y軸的坐標(biāo)分別與幾何中心坐標(biāo)y0之間的差值Δy_i的和∑y_i1～_i4為0，這樣就可以實現(xiàn)溫度計型電流源單元的形心與電流源陣列的幾何中心重合。圖4陣列中的數(shù)字代表相應(yīng)的子電流源，以子電流源I'₁為例，其在X軸的坐標(biāo)分別為1,4,6,7，與幾何中心坐標(biāo)投影在X軸的坐標(biāo)x0的差值為-3.5，-0.5,1.5和2.5，其和為0。同樣的，投影在Y軸上的坐標(biāo)分別為8,5,3和2，與幾何中心坐標(biāo)投影在Y軸的坐標(biāo)y0的差值為3.5，0.5和-1.5，-2.5，其和同樣為0。

每一溫度計型電流源單元的形心位于電流源陣列的幾何中心，意味著溫度計電流源單元的子電流源的坐標(biāo)在X(Y)軸上的投影與幾何中心坐標(biāo)在X(Y)軸上的投影差值之和為0，換言之，每一溫度計電流源單元的子電流源在X(Y)軸上的投影的坐標(biāo)之和也都是一個固定值，在本實施例中X軸坐標(biāo)之和為幾何中心坐標(biāo)X軸坐標(biāo)x₀的4倍，Y軸坐標(biāo)之和為幾何中心的Y軸坐標(biāo)y₀的4倍。

根據(jù)工藝及溫度梯度場函數(shù)為：f(x,y)＝a+bx+cx²+dx³+…+ey+gy²+hy³+…+ixy+…(其中a,b,c,d,e,g,h,i不全為0)，觀察陣列后，設(shè)f1、f2為實數(shù)，得到如下式：

f(I₁)＝f(1,3)+f(4,5)+f(6,8)+f(7,2)＝f1

f(I₂)＝f(2,7)+f(3,6)+f(5,4)+f(8,1)＝f2

代入工藝及溫度梯度函數(shù)f(x,y)計算后，得到：

f1＝a+18b+…+18e+…+85i+…

f2＝a+18b+…+18e+…+85i+…

f1、f2為各單元的絕對值，電流源單元I₁和I₂之間的一階失配為Δf12＝f1-f2。

根據(jù)上式可以發(fā)現(xiàn)，通過本發(fā)明的陣列結(jié)構(gòu)的版圖設(shè)計，電流源單元I₁和I₂之間的一階失配都為0，由此可以實現(xiàn)電流源單元之間的失配減小。

另一方面，由于4個區(qū)域所形成的正方形的中心即為電流源陣列的幾何中心，如果以該電流源陣列的幾何中心為原點的話，4個區(qū)域構(gòu)成四個象限。每一個溫度計型電流源單元的四個子電流源，均是平均分布于第一、第三象限或第二、第四象限中。例如子電流源I'₁僅分布在第二和第四象限中，子電流源I'₃僅分布在第一和第三象限中。本實施例在每一溫度計型電流源單元的形心位于電流源陣列的幾何中心的前提下，將每一個溫度計型電流源單元的四個子電流源平均分配至兩個區(qū)域中，而不是分散在四個區(qū)域，有利于信號間寄生參數(shù)的降低以及芯片整體性能的提高。

較佳的，為了進(jìn)一步減小電流源單元失配，在本發(fā)明的電流源陣列版圖結(jié)構(gòu)中，至少有兩個溫度計型電流源單元，其在X方向和與之垂直的Y方向上的投影位置完全相同，對應(yīng)于距離歸一化后在X軸上和Y軸上的投影位置完全相同。如圖4所示，電流源單元I₁和I₇在距離歸一化投影在X(Y)軸上的坐標(biāo)完全相同，投影在X軸上的坐標(biāo)分別為1,4,6和7，投影在Y軸上的坐標(biāo)分別為8,5,3和2，則

f(I₁)＝f(I₇)＝f(1,8)+f(4,5)+f(6,3)+f(7,2)＝f1

電流源單元I₁和I₇的輸出絕對值相等，達(dá)到完全匹配。

進(jìn)一步地，為了使電流源單元之間的匹配度更高，需要使投影坐標(biāo)完全相同的能夠?qū)崿F(xiàn)完全匹配的電流源單元更多，因此本發(fā)明進(jìn)一步要對陣列版圖結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，使得對于一個溫度計型電流源單元來說，其子電流源在X方向的投影位置不重合(即進(jìn)行距離量化歸一后在X軸方向的投影坐標(biāo)不重合)，且在Y方向的投影位置不重合(即進(jìn)行距離量化歸一后在Y軸方向的投影坐標(biāo)不重合)，由此能夠增加具有相同投影坐標(biāo)的電流源單元。請參考圖4，在圖4所示的距離歸一量化后的版圖布局中，每個溫度計型電流單元的4個子電流源在X軸對應(yīng)的4個坐標(biāo)是不同的，同樣在Y軸對應(yīng)的4個坐標(biāo)也不同，如此一來，可以實現(xiàn)4個溫度計型電流單元在X軸投影后坐標(biāo)相同且在Y軸投影后坐標(biāo)相同，在本實施例中，電流源單元I₁，I₇，I₁₀和I₁₆每一個的4個子電流源投影在X軸4個坐標(biāo)均是1,4,6和7，投影在Y軸的4個坐標(biāo)均為8,5,3和2；電流源單元I₂，I₈，I₉和I₁₅每一個的4個子電流源投影在X軸的4個坐標(biāo)為2,3,5和8，投影在Y軸上的4個坐標(biāo)均為7,6,4和1；電流源單元I₃，I₅，I₁₂和I₁₄每一個的4個子電流源投影在X軸4個坐標(biāo)均1,4,6和7，投影在Y軸上的4個坐標(biāo)均為7,6,4和1；電流源單元I₄，I₆，I₁₁和I₁₃每一個的4個子電流源投影在X軸的4個坐標(biāo)為2,3,5和8，投影在Y軸的4個坐標(biāo)均為8,5,3和2。設(shè)f1、f2、f3、f4為實數(shù)，得到如下式：

f(I1)＝f(I7)＝f(I10)＝f(I16)＝f(1,8)+f(4,5)+f(6,3)+f(7,2)＝f1

f(I2)＝f(I8)＝f(I9)＝f(I15)＝f(2,7)+f(3,6)+f(5,4)+f(8,1)＝f2

f(I3)＝f(I5)＝f(I12)＝f(I14)＝f(1,7)+f(4,6)+f(6,4)+f(7,1)＝f3

f(I4)＝f(I6)＝f(I11)＝f(I13)＝f(2,8)+f(3,5)+f(5,3)+f(8,2)＝f4

電流源單元I₁，I₇，I₁₀和I₁₆的電流源失配為0，即在相同輸入下，該四個電流源的輸出絕對值相等，達(dá)到完全匹配。另外還有三組電流源(分別為I₂，I₈，I₉和I₁₅、I₃，I₅，I₁₂和I₁₄以及I₄，I₆，I₁₁和I₁₃)同組之間的失配也為0。

再進(jìn)一步的，為了減小在不同組電流源單元之間的二階失配，本實施例中，每一溫度計型電流源單元的4個子電流源在X方向上的投影以X-0-0-X-0-X-X-0或0-X-X-0-X-0-0-X的方式排列，在Y方向上的投影Y-0-0-Y-0-Y-Y-0或0-Y-Y-0-Y-0-0-Y的方式排列(X、Y表示子電流源，0表示空)以達(dá)到電流源單元的形心位于版圖結(jié)構(gòu)幾何中心，以及4組溫度計型電流源單元中同組的電流源單元之間完全匹配、不同組的電流源單元的二階和三階失配減小的最佳效果。具體來說，當(dāng)每一溫度計型電流源單元的4個子電流源以上述方式排列，屬于不同組的溫度計電流源單元的子電流源在X(Y)軸上的投影的坐標(biāo)平方之和也都相同。

根據(jù)工藝及溫度梯度場函數(shù)為：f(x,y)＝a+bx+cx²+dx³+…+ey+gy²+hy³+…+ixy+…(其中a,b,c,d,e,g,h,i不全為0)，觀察陣列后，設(shè)f1、f2為實數(shù)，得到如下式：

f(I1)＝f(I7)＝f(I10)＝f(I16)＝f(1,8)+f(4,5)+f(6,3)+f(7,2)＝f1

f(I2)＝f(I8)＝f(I9)＝f(I15)＝f(2,7)+f(3,6)+f(5,4)+f(8,1)＝f2

f(I3)＝f(I5)＝f(I12)＝f(I14)＝f(1,7)+f(4,6)+f(6,4)+f(7,1)＝f3

f(I4)＝f(I6)＝f(I11)＝f(I13)＝f(2,8)+f(3,5)+f(5,3)+f(8,2)＝f4

代入工藝及溫度梯度函數(shù)f(x,y)計算后，得到：

f1＝a+18b+102c+624d+…+18e+102g+672h+…+85i+…

f2＝a+18b+102c+672d+…+18e+102g+624h+…+85i+…

f3＝a+18b+102c+624d+…+18e+102g+624h+…+77i+…

f4＝a+18b+102c+672d+…+18e+102g+672h+…+77i+…

f1、f2、f3、f4為各單元的絕對值，則不同組的各電流源之間的不匹配為：

Δ12＝f1-f2＝-48d+…+48h+…

Δ13＝f1-f3＝…+48h+…+8i+…

Δ14＝f1-f4＝-48d+…+8i+…

Δ23＝f2-f3＝+48d+…+8i+…

Δ24＝f2-f4＝…-48h+…+8i+…

Δ34＝f3-f4＝-48d+…-48h+…

由于不同組的溫度計電流源單元的子電流源在X(Y)軸上的投影的坐標(biāo)平方之和也都相同，因此不僅一階失配都為0，且二階失配項中只剩下xy項，二階和三階失配項系數(shù)較小。另外不同組電流源單元之間的二階、三階失配項數(shù)字相等，在極性相反的情況下可以約去，進(jìn)一步減小了偏差，提高了電流源之間的匹配。

綜上所述，本發(fā)明提出了一種電流舵數(shù)模轉(zhuǎn)換器的電流源陣列的版圖結(jié)構(gòu)，通過將線性的溫度計型電流源單元構(gòu)成的電流源陣列劃分為多個由子電流源構(gòu)成的區(qū)域，并將各子電流源按一定的規(guī)律排列，使每一溫度計型電流源單元的形心位于電流源陣列的幾何中心同時將屬于同一溫度計型電流源單元的多個子電流源設(shè)置于同一區(qū)域中，可以減小由工藝偏差及溫度梯度引起的不同電流源單元之間的失配，降低信號間的寄生參數(shù)，從而提高數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度及芯片的整體性能。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭示如上，然所述諸多實施例僅為了便于說明而舉例而已，并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發(fā)明所主張的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所述為準(zhǔn)。