高精度数模转换器电阻网络的修调方法

摘要

本发明涉及一种高精度数模转换器电阻网络的修调方法。它是通过对其中量化权重电阻阻值的修调来保证其微分和积分线性误差不大于±1/2LSB。其步骤包括：在不同控制码状态输出的足够精度测量、记录、计算、判断和控制电阻修调的循环过程，并且从低位到高位逐次、逐位修调。高一位权重电阻的修调必须以低位权重电阻网络及其组合权重电阻网络的修调完成为前提条件和必须的比值基准；高一位权重电阻代表的输出化权重电压或电流与已经修调好的低位电阻网络表示的量化电压或者电流理想设计应有的权重关系之间的误差必须小于转换器最低有效位1LSB的1/(2(n+2k－1))。本发明方法适用于具有n位R－2R电阻网络、k位并联权重电阻网络的n+k位数模和模数转换器，应用于数模、模数转换器的制作。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种电阻网络的修调方法，特别涉及一种高精度数模转换器电阻网络的修调方法，适用于数模(D/A)转换器的制作中。

(二)背景技术

在集成电路制作中，特别是在制作以电阻网络为核心的数模转换器(D/A)时(以下简称D/A转换器)，由于工艺加工的非理想性使得电阻网络中各支路的阻值偏离设计值以及电路寄生效应影响，必须对电阻的阻值从较低位到高位依次进行精确的修调，使电阻网络上的权电流严格按照预设的权重变化，这样才能保证D/A转换器从低位到高位严格按照一个最低有效位的台阶依次变化，从而保证D/A转换器的微分和积分线性精度。

电阻网络修调的一般方法包括精确定位片上激光修调薄膜电阻、集成电路片内齐纳短路修调、集成电路片内熔丝等方法，当对电阻值的温度和绝对值要求不是特别严格时也可采用一次可编程ROM控制的晶体管阵列等来满足电阻网络修调要求。对电阻网络修调的相对较好的方法是激光修调薄膜电阻方法，它具有连续可调整，温度特性优良等特性，它是通过可以定位的微米级束斑高能激光有一定材料选择性地将集成电路中任意一个薄膜电阻加热变性导致其电阻连续增加的方式来调整薄膜电阻的。集成电路中薄膜电阻激光修调方法目前已有商业设备可以买到。齐纳短路、熔丝方法工程上不易做到电阻连续可调整。这些电阻修调的技术是本行业一般技术员都知晓的，不再详说。

一般来说，以电阻网络为核心的12位及12位以下D/A转换器采用R-2R电阻网络结构，如图1。通常从低位到高位(如图1，左为高位，右为低位)依次修调R和2R电阻，确保电流流入电阻网络严格按1/2、1/4、1/8、......、1/2^N等比例变化。图1中，I_out一般接运算放大器的输入端，而图中的开关网络针对2R_H1～2R_Hn的每个支路就有一对由电子器件(如MOS晶体管)形成的电子开关对，使得2R_H1～2R_Hn每个支路不是接到地就是接到运算放大器的输入端，由于运算放大器的虚地作用，使得无论开关网络是接地还是接运算放大器的输入端，与开关网络连接的2R_H1～2R_Hn这端都是地电位。当工艺加工的匹配精度不够需要调整时，一般是从右向左调整R_L1～R_Ln或2R_H1～2R_Hn电阻阻值(图1)，使得R_L1～R_Ln电阻上电流与它左边邻近的2R_H2～2R_Hn+1电阻上电流相等，实际上不可能做到数学意义上的绝对相等，他们之间的误差在±1/2LSB(最低有效位)时就可以接受。采用诸如激光修调等方法调整这些电阻，当它们之间电流误差小于±1/2最低有效位(LSB)就认为达到了要求，可以进行下一对R_L和2R_H之间电流的调整，如此一直修调到所有的R_L和2R_H都修调完，则完成这个D/A的修调，当然如果其中某对R_L和2R_H不用修调其电流误差就满足±1/2LSB的判据，则不用修调。这样的修调方法能够保证D/A转换器的微分误差。

当D/A转换器的位数高于12位时，以14位D/A转换器为例，有时不单独采用R-2R电阻网络结构，而是将12位以上的高二位权电流用3个阻值分别为1/2R、R、2R的电阻(如图2虚框B所示)与12位以下的R-2R电阻网络结构(如图2虚框A所示)对地而言并联组合得到，如图2所示。低12位部分仍然按照前述方法进行修调，由于最高位3个电阻是并联的，这样与低12位电阻网络的等效电阻2R构成了4个并联的支路，因此在电阻值修调增加方法时需要以电流最小的一个支路为参考，其他3个电阻分别以最小电流支路的那个电阻为参考通过修调来保证相邻位误差在±1/2LSB内。

上述方法一般只能保证这种高精度D/A转换器的微分误差小于1/2LSB，在积分线性误差上误差却较大，通常都比理想值大几个最低有效位权电流，这极大的影响了高精度D/A转换器修调成品率或者D/A性能。

(三)发明内容

为克服上述问题，针对积分线性误差较大和成品率较低的缺点，本发明提供了一种高精度数模转换器电阻网络的修调方法，针对上述背景技术中积分线性误差较大的问题，提出高位并联支路电阻修调必须考虑误差收敛问题，给出了与高精度数模转换器中权重电子开关数目相关的新修调电阻标准，采用新的能够保证高位支路电阻修调精度的修调电阻标准进行修调，就可保证D/A转换器的积分线性误差小于1/2LSB甚至更低。

本发明解决上述技术问题的技术方案在于，本发明的一种高精度数模转换器电阻网络的修调方法，适用于利用n位R-2R电阻网络及相应的电子开关或者具有k位并联权重电阻网络和n位R-2R电阻网络及相应的电子开关形成量化权重电压或电流的n+k位数模转换器，通过其中量化权重电阻阻值的修调来保证其微分和积分线性误差不大于±1/T LSB的集成电路制作中，其中T为大于等于2的实数。其特征在于包括以下步骤：

步骤1：设置数模转换器输出控制码，使得数模转换器依次序一位一位地从低位向高位增加高一位权重电阻上的电子开关为有效状态，且每设置一次数模转换器输出控制码和相应权重电阻上电子开关有效状态后，都测量并记录一次数模转换器的输出电压或者电流值，简称数模转换器的输出值。当设置数模转换器输出控制码，使得数模转换器只有最低位权重电阻上的电子开关有效时，数模转换器的输出值被记录且当做数模转换器最低有效位，即1LSB。

步骤2：数模转换器电阻网络修调在至少两次测量后的下一次测量之前进行。在至少两次测量后将前一次测量值和后一次测量值进行一个误差比较计算。将后一次测量值减去前一次测量值的两倍后再减去前述1LSB值，数学公式表示为OUT_m-2×OUT_m-1-LSB，其中OUT_m表示后一次测量值，OUT_m-1表示前一次测量值，将得到的误差差值与1/T LSB(n+2^k-1)进行比较，其中T为大于等于2的实数，LSB为前述数模转换器最低有效位，n为数模转换器R-2R电阻网络决定的位数，同时也是R-2R电阻网络中包含的权重电子开关总数，k为数模转换器中直接并联的权重电阻位数，2^k-1表示直接并联权重电阻网络的电子开关的总数。如果前述误差差值比1/T LSB/(n+2^k-1)大，则后一次测量对应的那个权重电子开关相关联的两个权重电阻需要修调，即与电子开关相连的权重电阻及其与更低一位R-2R电阻网络相连的权重电阻，通过诸如激光修调、齐纳熔丝等增加或减小这两个电阻的方法，使得误差数值绝对值小于1/T/(n+2^k-1)倍LSB且大于或等于零，如此完成下一次测量之前的相关电阻网络修调。

步骤3：重复步骤“1”和“2”直到所有数模转换器中R-2R电阻网络电阻都满足步骤“2”中误差判断标准。如果数模转换器中只包含R-2R电阻网络，则数模转换器电阻网络修调就算完成，此时k＝0。如果数模转换器更高位还含有直接并联权重电阻，则还需进行下面的步骤。

步骤4：将完成修调的数模转换器中R-2R电阻网络整体视为一个等效电阻，即R-2R电阻网络中所有权重电子开关同时有效或者同时无效即可视为一个等效电阻。通过设置数模转换器输出控制码使得只有R-2R电阻网络等效电阻有效，测量并记录数模转换器输出值并与其它直接并联的权重电阻分别单独有效时所得到的数模转换器测量记录输出值相应的权重输出值进行比较，得到相应的2^k-1个误差比较值。找出这2^k-1个相减得到误差比较值中符号为“正”且绝对值最大者，通过诸如激光修调等增加电阻的方法对R-2R电阻网络中与直接并联权重电阻相连的第一个电阻进行电阻阻值增加的修调，使得误差比较值中符号为正且绝对值最大者都小于1/T LSB/(n+2^k-1)且大于或等于零。

步骤5：重新按照前述步骤“4”计算2^k-1个误差比较值，找出这2^k-1个相减得到误差比较值中符号为“负”且绝对值大于1/TLSB/(n+2^k-1)者，并通过诸如激光修调等增加电阻的方法对符号为“负”且绝对值大于1/T LSB/(n+2^k-1)相对应的直接并联权重电阻进行修调增加其电阻，直到其误差比较值小于1/T LSB/(n+2^k-1)并大于等于零。

步骤6：在步骤“4”和“5”中对电阻的修调也可采用诸如齐纳熔丝等减小电阻的修调方法，不难看出，只需将其中的“正”、“负”，“增加电阻”相应改为“负”、“正”，“减小电阻”就能够适应减小电阻的修调方法。

本方法还适用于包含横向电阻与纵向电阻阻值比不等于1∶2的类似R-2R电阻网络的其它T型电阻网络D/A转换器中。

所修调数模转换器能够达到微分误差绝对值和积分线性误差绝对值都分别小于等于1/TLSB。当T＝2，时是通常数模转换器所要求的±1/2LSB。

适用于包含前述方法特征的其它集成电路中电阻网络修调，如某些模数(A/D)转换器或DDS等集成电路。

本方法不仅适用于只能够将电阻阻值增大的修调方式，如薄膜电阻激光定位照射和熔丝修调方法；也适用于只能减小电阻阻值(如齐纳短路修调)，或者既可增大电阻阻值，又可减小电阻阻值的方式。

有益效果：

以14位D/A转换器为例，采用的结构是高2位直接并联3个权重电阻，低12位是R-2R电阻网络，电路结构参考图3，此时n＝12，k＝2。实验表明，采用本方法比背景技术方法，能够提高40％左右的集成电路芯片成品率。

(四)附图说明

图1是一般D/A转换器常采用的R-2R电阻网络结构的示意图。

图2是具有高k位并联权重电阻、低n位R-2R电阻网络的D/A转换器结构示意图。

图3是本发明实施例的一个具有高2位并联权重电阻、低12位R-2R电阻网络的14位D/A转换器结构示意图。

(五)具体实施方式

本发明的具体实施方式不仅限于以下的描述，可以根据本方法的精神，采用其他类似在发明内容中所限定的方法来达到相同目标。

本方法包含足够精度的能够测试出n+k位数模转换器输出电压或者电流的测量子系统，此子系统可以是能够进行芯片中电阻网络修调的圆片级探针测试系统，也可以是能够进行芯片中电阻网络修调的部分封装或完成封装后的集成电路模块测试系统。还包括测量值的记录子系统，记录系统可以是人工记录也可以是其他起记录作用的记录系统等，如含计算存储单元的电子记录系统。还包括能够进行计算比较判断的子系统单元，此子系统单元可以是人工计算和判断，也可以是其他有此功能的系统，如电子计算机为核心的系统。还包括根据判断结果控制所述转换器芯片中电阻网络修调子系统，可以是人工也可是自动化子系统。这些系统本行业一般技术人员所熟悉的，不再详细介绍。

电阻网络的修调过程包含转换器在不同控制码状态输出的足够精度的测量、记录、计算、判断和控制电阻修调的循环过程。

电阻网络修调步骤是先修调转换器低位电子开关及电阻网络决定的量化权重电压或电流，或者低位权重电压或电流的线性组合。再以已经修调好的低位电阻网络或者低位权重电压或电流的线性组合表示的量化电压或者电流为对比参考量，逐次、逐位修调代表高一位量化权重电压或电流的电阻网络。换言之，高一位权重电阻的修调必须以低位权重电阻网络及其线性组合权重电阻网络的修调完成为前提条件。

本修调方法还包括逐次、逐位修调高一位电阻网络代表的量化权重电压或电流与已经修调好的低位电阻网络表示的量化电压或者电流理论设计应有的权重关系之间的误差必须小于与所有电子开关数目(n+2^k-1)有关的一个误差标准。此误差标准的数值用数学公式表示为1/2LSB/(n+2^k-1)，其中LSB为转换器最小量化电压或电流权重值，或称之为最低有效位。

本方法不仅适用于只能够将电阻阻值增大的修调方法，如薄膜电阻激光定位照射和熔丝修调方法；也适用于只能减小电阻阻值(如齐纳短路修调)，或者既可增大电阻阻值，又可减小电阻阻值的方法。

在本方法中将前述误差标准1/2LSB/(n+2^k-1)的1/2LSB减小到任意程度1/T LSB，其中T为大于2的实数，则可以获得转换器积分线性度误差绝对值不超过1/T LSB的效果。

下面以14位D/A转换器修调为例，如图3所示，T要求为2。设低12位用R-2R网络实现，R_L1～R_Ln的电阻值分别等于R₀，R_H1～R_Hn的电阻值都分别等于2R₀；高2位用3个阻值分别为2R₀、R₀、1/2R₀的权重电阻R(1)～R(2^k-1)并联来实现，针对实施例子，n＝12，k＝2，参见附图3。由于电阻网络开关非理想及工艺加工非理想性，一般转换位数大于8位，即n+k＞8时，要获得较高的芯片成品率就需要进行电阻网络的修调。

参见图3，通过转换器电路内部控制逻辑先将代表最低位的R_H1通过电子开关SW₁接到运算放大器OPAM的虚地“-”端(以下称此端为虚地)，其余电子开关都接到地端，也是OPAM的“+”端。在图3所示精度足够的“电压表”上读取并记录一个V_out的电压值V₁，将此值传送到图3所示“可编程计算、控制单元CU”，该值对应D/A最小的权电压，即1LSB。然后将SW₂接入虚地，测量V_out的电压值并记录为V₂，计算(V₂-2V₁-V₁)/V₁的值，记录为b₁。此时，V₂就代表“高一位量化权重电压”，V₁就代表“低位权重电压或电流的线性组合”，只不过此线性组合就是V₁而已。人工或者自动判断，如果b₁＞1/2LSB/(n+2^k-1)＝(1/2/(12+2²-1))＝1/30，则人工或者自动控制激光系统LS照射R_H2，略为增加R_H2的阻值，其增加的步进值可以通过实验来确定，一般与R_H2形状及修调部位有关，从事本工作的技术人员是熟悉这种微调技术的，这里不作进一步阐述。此处，1/2LSB/(n+2^k-1)正是前述误差标准。再次测量V_out的电压值并记录为新的V₂，这里V₂是实际测量到的值，而不是V₂这个符号(后面叙述到类似情况不再说明)，再次计算新的b₁数值，如果满足条件0≤b₁＜(1/2/(n+2^k-1))＝1/30，则可停止此位权重电阻修调，如果不满足，则继续适当增加R_H2的阻值，直到满足这个条件。如果b₂＜-1/30，则人工或者自动控制激光系统LS照射R_L1，略为增加R_L1的阻值，测量V_out的电压值并记录为新的V₂，计算新的b₁数值，如果满足条件-1/30＜b₁≤0，则可停止此位权重电阻修调，如果不满足，则继续适当增加R_L1的阻值，直到满足这个条件。这样就完成SW₂所代表的次低位权重电阻修调。这里最低位权重电压V₁直接作为高一位权重的参考，没有进行修调。

接下来进行SW₃所代表的再次低位权重电阻修调。类似的，保持前面SW₁、SW₂开关状态，将SW₃接入虚地状态，测量V_out的电压值并记录为V₃，计算(V₃-2V₂-V₁)/V₁的值，记录为b₂。此时，V₃就代表“高一位量化权重电压”，“2V₂-V₁”就代表“低位权重电压或电流的一种线性组合”，(V₃-2V₂-V₁)表示理论设计应有的权重关系，其理论值应为“0”。当然也存在其他“低位权重电压或电流的线性组合”形式，这与SW₃之前的低位电子开关组合状态是相对应的，对此，本行业一般技术人员对此是熟知的，不再赘述。此时，人工或者自动判断，如果b₂＞1/30，则人工或者自动控制激光系统LS照射R_H3，略为增加R_H3的阻值。测量V_out的电压值并记录为新的V₃，计算新的b₂数值，如果满足条件0≤b₂＜1/30，则可停止此位权重电阻修调，如果不满足，则继续适当增加R_H3的阻值，直到满足这个条件。如果b₂＜-1/30，则人工或者自动控制激光系统LS照射R_L2，略为增加R_L2的阻值，测量V_out的电压值并记录为新的V₃，计算新的b₂数值，如果满足条件-1/30＜b₂≤0，则可停止此位权重电阻修调，如果不满足，则继续适当增加R_L2的阻值，直到满足这个条件。这样就完成SW₃所代表的次低位权重电阻修调。

类似地，保持前面SW₁～SW_n-1开关状态，将SW_n接入虚地状态，测量V_out的电压值并记录为V_n，计算(V_n-2V_n-1-V₁)/V₁的值，记录为b_n-1。人工或者自动判断，如果b_n-1＞1/30，则人工或者自动控制激光系统LS照射R_Hn，略为增加R_Hn的阻值。测量V_out的电压值并记录为新的V_n，计算新的b_n-1数值，如果满足条件0≤b_n-1＜1/30，则可停止此位权重电阻修调，如果不满足，则继续适当增加R_Hn的阻值，直到满足这个条件。如果b_n-1＜-1/30，则人工或者自动控制激光系统LS照射RL_n-1，略为增加R_Ln-1的阻值，测量V_out的电压值并记录为新的V_n，计算新的b_n-1数值，如果满足条件-1/30＜b_n-1≤0，则可停止此位权重电阻修调，如果不满足，则继续适当增加R_L2的阻值，直到满足这个条件。这样就完成SW_n所代表的某位权重电阻修调。当n＝12时，就完成了低12位R-2R网络电阻修调。

接下来进行高2位并联权重电阻网络的修调。此时的修调与前述R-2R网络修调略为不同，不同处在于使用“低位权重电压的线性组合”方式的不同，以方便高2位并联权重电阻网络的修调。修调将用到前面测量到的V_n(对于本例子即为V₁₂)和V₁。首先决定是否要修调与R-2R网络相关联的电阻R_L12。这可以这样来决定，首先是将所有电子开关复位(包括前面R-2R电阻网络开关)，即都接到地，再分别将开关SW(1)、SW(2)、SW(3)一个一个地单独接入虚地(即接入虚地测量完V_out后复位接到地)，测量V_out的电压值并分别记录为V(1)、V(2)、V(3)，再分别计算(V(1)-2⁰V_n)/V₁、(V(2)-2¹V_n)/V₁、(V(3)-2²V_n)/V₁的值(即与“低位权重电压的线性组合”或发明内容“4”中“分别单独有效时所得到的数模转换器测量记录输出值相应的权重输出值”进行比较)，这些值分别记录为b(1)、b(2)、b(3)，判断这些b(1)、b(2)、b(3)是否存在小于前述误差标准决定的“-(1/(2(n+2^k-1)))＝-1/30”，如果存在，就需要进行电阻R_L12的修调，此时找出其中极小者，如果不存在，则不需要对电阻R_L12进行修调。如果需要对电阻R_L12的修调，假设b(1)＜b(2)＜-(1/(2(n+2^k-1)))＝-1/30，则b(1)就相当于前面提到的极小者。此时通过人工或者自动控制激光系统LS照射R_L12，略为增加R_L12的阻值，利用前面测量V₁、V₁₂对应的开关状态重新测量V₁和V₁₂的数值，再用测量b(1)关联的V(1)开关状态重新测量V(1)的数值，并形成新的b(1)值，直到-1/30＜b(1)≤0，此时b(2)由于数学的夹逼特性而自然满足不修调条件，即自然满足-1/30＜b(1)≤0。

当不存在修调电阻R_L12的条件或者存在但是已经修调并满足b(1)、b(2)不修调条件，此时剩下的都是b(k)大于或等于“0”的情况，对于本例，只剩下b(3)相关的修调，假设此时在与电阻R_L12修调或相关(需要修调R_L12)或不相关(不需要修调R_L12)的V₁₂情况下b(3)≥1/30，则表明b(3)关联的电阻R(3)偏小，需要人工或者自动控制激光系统LS照射R(3)，略为增加R(3)的阻值，再以测量b(3)关联的V(3)开关状态重新测量V(3)的数值，并形成新的b(3)值，直到0≤b(1)＜1/30。

至此就完成了所有D/A转换器内部电阻网络中电阻的修调工作。