[发明专利]电流舵型数模转换器的高位电流源单元电源走线结构

说明书

技术领域

    本发明涉及高精度电流舵型数模转换器技术领域，其具体为电流舵型数模转换器的高位电流源单元电源走线结构。

背景技术

高速高精度电流舵型数模转换器，由于其在工艺要求、芯片面积、功耗和速度方面的巨大优势，近年来取得了较快的发展。以标准深亚微米CMOS工艺为基础，目前精度覆盖8~14位，速度高达1GHz，以该结构为基础的单一转换器芯片或集成SOC芯片在通信、工业、医疗成像和国防领域都得到广泛的应用。

现有的电流舵型数模转换器系统结构见图1，精度为（N+M）位，其中M为其低位数值，N为其高位数值，其低M位B0~B（M-1）控制二进位电流源单元I0~I（M-1），电流大小分别为I，2I，4I，8I,…, 2^（M-1）I。高N位控制2^N-1个相同的电流源单元IMSB，其电流大小相等，均为2^MI。

随着高速高精度应用的迅速发展，电流舵型数模转换器的速度精度也在不断提高，目前最高已经出现高达14bit精度的转换器。当高精度的应用出现时，电流源单元间的输出电流匹配要求就变得苛刻起来，如12bit,要求0.25%的匹配误差。

现有结构决定数模转换器性能的是高N位控制的2^N-1个相同的电流源单元，这些电流源单元输出电流间的一致性将决定数模转换器的性能。

在MOS工艺中，见图2，一个MOS管有栅（G）、源（S）、漏（D）、衬底（B）四个端口，或称四极，如图2中所示，MOS管在饱和态的电流公式如下：

                            

其中，是工艺参数，由工艺决定，选定工艺后可认为是常数。vth是阈值电压，由工艺决定，选定工艺后可认为是常数。高位的所有电流源单元的宽长比都一样，所以从公式中可知，电流源单元输出电流的大小和电流源单元管子的栅源电压差Vgs成平方关系。电流源单元彼此间的栅源电压差Vgs将直接决定电流源单元输出电流彼此间的误差，而这种误差将带来数模转换器的静态性能：积分非线性误差（INL），微分非线性误差（DNL）的性能下降，以及动态性能无杂散动态范围（SFDR）的下降。在MOS工艺中，电流源单元MOS 管的栅极是没有电流的，因而所有电流源单元MOS 管的栅极电压是相同的。所以电流源单元输出电流彼此间的误差，将由电流源单元MOS管的源极电压误差决定。

现在的电流舵数模转换器中电流源单元MOS 管多为PMOS管，所有电流源单元PMOS管的源极是和芯片电源连接在一起的。在芯片的物理实现中，电源线是用金属线走线，金属走线是有电阻的，沿着金属走线，有电流流过，电源是有压降的。

以N=4为例，此时电位电流源包括了16个相同的电流源单元，其中15个引出通向外接电阻、1个直接接地，其电流源单元结构见图3，标有VDD的黑色方块代表芯片的电源管脚，其外接电源，C1 …C16为16个相同的电流源单元，每个电流源单元流出的电流为I，箭头为电流流向，其中C16不通向外接电阻，用一根导线直接把16段流过电流为I的电源线连接起来，最终为一段电流为16I的电源线，到达芯片的电源管脚。

为了简单说明问题，设流过电流I的16段电源线电阻为R1，任一连接这16段的电源线电阻为R2，电流为16I的电源线电阻为R3。电流源单元C8与芯片的电源管脚电源的压差为：ΔV8=16I*R3+8I*R2+I*R1。电流源单元C7与芯片的电源管脚电源的压差为：ΔV7=16I*R3+8I*R2+7I*R2+I*R1。以此类推，电流源单元C1与芯片的电源管脚电源的压差为：ΔV1=16I*R3+8I*R2+7I*R2+6I*R2+5I*R2+4I*R2+3I*R2+2I*R2+I*R1，由此可知除去ΔV2=ΔV15、ΔV3=ΔV14、ΔV4=ΔV13、ΔV5=ΔV12、ΔV6=ΔV11、ΔV7=ΔV10、ΔV8=ΔV9，电源管脚的电源到电流源单元C1至C8的压降各不相同，C9至C15的压降也各不相同，也就是各电流源单元的源极电压并不完全相同，各电流源单元的栅源电压差不完全相同。

从MOS管在饱和态的电流公式可知这样导致的结果是各电流源单元的电流不完全相同，进而使得电流源单元间的输出电流匹配误差增大，故现有的电流源单元电源走线结构误差较大，不能满足电流舵型数模转换器的高位数精度的性能需求。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了电流舵型数模转换器的高位电流源单元电源走线结构，其电流源单元间的输出电流一致，从而确保了高精度电流舵型数模转换器的性能。