电流舵数模转换器制造技术

公开数模转换器架构，其使得能够将晶体管大小的二进制缩放由基本相同大小的晶体管代替。这显着减小了晶片上数模转换器的尺寸。由于来自转换器较小位的电流确实可能很小，因此某些晶体管在以下状态下工作：其中施加到晶体管的栅极‑源极电压低于器件的阈值电压，阈值电压通常被认为是通过场效应晶体管开始显着导通的标志。

Current steering DAC

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电流舵数模转换器
本公开涉及电流舵数模转换器DAC。
技术介绍
存在几种DAC架构，常见的设计是基于晶体管的基于比例缩放电流发生器的电流舵DAC。由于需要在多个电流源之间保持恒定的比例因子(例如比例因子为2)，因此这些设计会占用芯片上的大量面积。
技术实现思路
根据本公开，提供一种数模转换器，包括多个充当电流发生器并布置成阵列的场效应晶体管。晶体管在亚阈值(subthreshold)栅源电压下工作。有利地，晶体管的尺寸都相似。在本文中，这意味着整个阵列上晶体管尺寸的变化可与相邻电流源之间的电流比相媲美。因此可以提供物理上较小的DAC。在实施方案中，用作第N个电流源的第N个晶体管具有由第一部分和第二部分组成的退化电阻，所述第一部分仅在通向第N个晶体管的电流路径中并具有值2R，所述第二部分在具有第N个晶体管和吸收的电流等于第N个晶体管流过的电流的另一负载的电流路径中，并且具有值R+(XN-2)R，其中XN＝(Nln(2))/gmR))。在一些实施方案中替代地或附加地，数模转换器包括电压修改装置，电压修改装置由FET以级联方式布置，使得每个电压修改装置向其相应的电流发生器和后续的修改装置供应电流，并且晶体管在电压修改装置的晶体管和电流源晶体管之间的纵横比x上发生变化，纵横比x的变化是级之间的分流比D和表示亚阈值斜率因子的过程参数m的函数，并且由x＝1/(1-exp(-m*ln(D)))表示。附图说明将仅通过非限制性示例的方式，参考附图来描述本公开的实施例，其中：图1是电流舵数模转换器的示意图；图2是说明图1中的电流源如何实现的电路图；图3a和3b比较了退化FET和非退化FET的性能；图4是根据本公开的教导的DAC的一种拓扑的示意图；图5是根据本公开的教导的DAC的另一拓扑的示意图；图6是根据本专利技术的教导的使用退化电阻的DAC的电路图；图7更详细地示出了构成本公开的实施例的基于电阻器的DAC；图8是W-2WDAC的示意图；图9示出了构成本公开的实施例的电流舵DAC；图10示出了构成本公开的实施例的另一电流舵DAC；图11显示了一个DAC，其中包括三个子DAC，它们协同工作以形成高分辨率DAC；以及图12示出了根据本公开的教导的DAC的另一实施例。具体实施方式图1示意性地示出了一般用10表示的电流舵DAC。多个电流发生器20.1、20.2、20.3、20.4等等，直到20.N与相应电流舵开关30.1、30.2、30.3至30.N串联，因此，可以将来自电流发生器的电流引导至第一节点40或第二节点42，在该第一节点40或第二节点42处，可以通过未示出的其他部件吸收电流。节点40和42可以连接到使用运算放大器形成的虚拟地，以便将节点40和42保持在相同的电压，而与用于设置晶体管开关30.1至30.N的位置的数字控制字的值无关。电流发生器可以各自产生相同的电流以提供温度计编码方案。在替代的布置中，可以对电流发生器进行加权，例如对二进制加权(也可以采用基数＜2的其他加权方案)，或者可以在同一设备内使用两种方法。例如，二进制加权可以使第一电流发生器20.1通过单位电流I。第二电流发生器20.2将通过2I，第三电流发生器20.2将通过4I，第四电流发生器将通过8I的电流，依此类推。图2示出了由P型场效应晶体管形成的电流发生器20.1至20.4的可能表示。晶体管可以是JFET(如此处所示)、MOSFET或任何其他FET变体。FET是跨导器件的示例，其中器件的栅极和源极之间的电压Vgs转换为在器件的漏极和源极端子之间流动的沟道电流。使输入电压Vgs与器件电流Ids相关的参数被称为晶体管的跨导gm。Ids＝Vgs*gm等式1众所周知，跨导会随着漏极电流，栅极-源极电压以及器件参数(例如阈值电压)而变化。对于在强反转状态下(Vgs-Vth＜＜Vds)工作的晶体管，测量得出Id＝K(Vgs-Vth)2等式2其中K是比例因子。因此，gm＝δId/δVin与Id具有平方根关系。在图2所示的布置中，Vds可能很大。通过将电流发生器形成为电流镜的一部分，可以避免增益变化的问题。晶体管50.0以二极管连接的配置放置，并且与限定负载的电流(例如电阻器52)串联。晶体管50.0的栅极电压被驱动到合适的值以使流过晶体管50.0的电流通过。该晶体管可以看作是电流镜的“主”。然后，栅极电压传递到晶体管50.1、50.2、50.3等。如果所有的晶体管尺寸相同，它们将通过相同的电流。可通过改变宽度与长度之比以使晶体管通过在主晶体管50.0中流动的电流的缩放版本来利用此功能。假设主晶体管通过电流I。如果所有晶体管形成的长度相同，并且晶体管50.1的宽度W与晶体管50.0的宽度相同，则晶体管50.1通过I。如果晶体管50.2的宽度形成2W(即尺寸为2W*L)，则它通过一个2I的电流，但同时也占据了芯片面积的两倍。如果晶体管50.3形成为具有4W的宽度(即4W*L的尺寸)，则其通过4I并且占据晶体管50.1的面积的四倍。还可以看出，如果所有晶体管都以单位尺寸形成，则并联两个晶体管等效于形成一个双倍宽度的晶体管。类似地，并联连接四个晶体管等效于形成宽度为4W的晶体管，依此类推。因此，如果需要的话，DAC可以由相同的晶体管形成，并且通过将晶体管并行分组以模拟更大的晶体管的方式来实现缩放。为了避免缩放误差，需要使晶体管50.0和50.1足够大，以使得蚀刻和其他制造误差不会不利地影响晶体管的尺寸。然而，这意味着其他晶体管也相应地更大。对于8位DAC，与最高有效位(MSB)关联的晶体管将是与最低有效位(LSB)关联的晶体管的大小的128倍。这是巨大的尺寸和成本损失。对于诸如18位DAC之类的高分辨率数模转换器，通过最高有效位电流的晶体管将是与最低有效位相关的晶体管宽度的217＝131072倍。就晶体管消耗的面积和所需的匹配程度而言，这是不切实际的。为了实现MSB和LSB晶体管之间的单个LSB误差，需要将晶体管尺寸匹配至0.0007％。本专利技术人认识到在电流舵DAC中不需要发生这种尺寸损失。专利技术人意识到，如果采取步骤来修改DAC中的FET的跨导，则晶体管之间的尺寸缩放不必遵循DAC电流比。专利技术人认识到，存在以可靠的方式修改场效应晶体管的跨导的方法。在电流舵DAC中，大多数晶体管都以强烈倒置的状态Vgs>Vt工作。如上所述，这导致gm是Ids平方根的函数。但是，专利技术人意识到，如果FET在弱反型或亚阈值区域内工作，则跨导可以表示为：其中：Vt＝kT/q(K＝玻尔兹曼常数，T为开氏温度，q为电子电荷)；IDO当前为VGS＝VTHn是由n＝1+CD/Cox近似的斜率，其中CD是耗尽层的电容，而Cox是氧化物层的电容。因此，跨导与Id具有线性关系。还已知可以通过包括退化电阻来降低本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.数模转换器，包括多个充当电流发生器并排列成阵列的场效应晶体管，其中所述晶体管在亚阈值栅源电压下工作。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171107 GB 1718403.7;20180213 US 15/895,6611.数模转换器，包括多个充当电流发生器并排列成阵列的场效应晶体管，其中所述晶体管在亚阈值栅源电压下工作。


2.权利要求1所述的数模转换器，其中该阵列具有多个电流输出，并且其中每个输出由相应场效应晶体管形成的相应电流发生器供应，并且其中至少一个晶体管与源极电压修改组件或电路串联。


3.权利要求2所述的数模转换器，其中所述电压修改组件或电路串联布置，其中第一电压修改组件或电路向第二电压修改组件或电路供应修改的电压。


4.权利要求3所述的数模转换器，其中，所述电压修改组件是连接到相应场效应晶体管源极的电阻器，所述电阻器以类似R-2R梯形的梯形配置排列，但电阻比不同于R-2R配置。


5.权利要求4所述的数模转换器，其中修改梯形配置中的电阻值，以考虑到相应场效应晶体管的跨导。


6.权利要求4或5所述的数模转换器，其中阵列中的所有晶体管都具有相同的纵横比。


7.权利要求5或6所述的数模转换器，其中用作第一电流源的第一晶体管具有值为2R的退化电阻(其中R为任意值)，并且用作第二电流源的第二晶体管输出的电流为第一晶体管的一半，并且源极电阻由第一部分和第二部分组成，所述第一部分仅在通向第二晶体管的电流路径中并具有值2R，所述第二部分在具有第二晶体管和吸收的电流等于第二晶体管流过的电流的另一负载的电流路径中，并且具有值R+(X1-2)R，其中X1被选择为使得所述第二晶体管承载所述第一晶体管的电流的一半。


8.权利要求8所述的数模转换器，其中X1＝(ln(2))/gmR))。


9.权利要求7或8所述的数模转换器，还包括用作第三电流源的第三晶体管，输出的电流为第二晶体管的一半，并且源极电阻由第一部分和第二部分组成，所述第一部分仅在通向第三晶体管的电流路径中并具有值2R，所述第二部分在具有第三晶体管和吸收的电流等于第三晶体管流过的电流的另一负载的电流路径中，并且具有值R+(X2-2)R。


10....

【专利技术属性】
技术研发人员：F·唐尼，
申请(专利权)人：亚德诺半导体无限责任公司，
类型：发明
国别省市：百慕大;BM