摘要：科學(xué)上把單一橫截面的電量叫做電流強(qiáng)度，簡稱電流。通常用字母 I表示，它的單位是安培(安德烈·瑪麗·安培)，1775年—1836年，法國物理學(xué)家、化學(xué)家，在電磁作用方面的研究成就卓著，對數(shù)學(xué)和物理也有貢獻(xiàn)。電流的國際單位安培即以其姓氏命名)，簡稱“安”，符號 “A”，也是指電荷在導(dǎo)體中的定向移動。

　　關(guān)鍵詞：高速電流,物理教學(xué),電力論文發(fā)表

　　導(dǎo)體中的自由電荷在電場力的作用下做有規(guī)則的定向運(yùn)動就形成了 電流。電源的電動勢形成了電壓，繼而產(chǎn)生了電場力，在電場力的作用下，處于電場內(nèi)的電荷發(fā)生定向移動，形成了電流。每秒通過1庫侖的電量稱為1「安培」(A)。安培是國際單位制中所有電性的基本單位。 除了A，常用的單位有千安(kA)毫安(mA)、微安(μA)1A=1000mA=1000000μA，電學(xué)上規(guī)定：正電荷定向流動的方向?yàn)殡娏鞣较颉ｋ娏魑⒂^表達(dá)式I=nesv,n為單位體積內(nèi)自由電荷數(shù)，e為電子的電荷量，s為導(dǎo)體橫截面積，v為電荷速度。

　　大自然有很多種承載電荷的載子，例如，導(dǎo)電體內(nèi)可移動的電子、電解液內(nèi)的離子、等離子體內(nèi)的電子和離子、強(qiáng)子內(nèi)的夸克。這些載子的移動，形成了電流。

　　1 電流舵型數(shù)模轉(zhuǎn)換器介紹

　　1.1 整體結(jié)構(gòu)

　　電流舵型數(shù)模轉(zhuǎn)換器主要由電流源陣列，開關(guān)陣列，鎖存器，溫度計(jì)譯碼電路，參考電壓電流源等組成。

　　就是電流舵型數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)經(jīng)過譯碼器后進(jìn)入開關(guān)陣列，選擇打開哪些電流源的開關(guān)，參考電壓源和電流源主要給電流源陣列提供偏置。

　　2 影響電流舵型數(shù)模轉(zhuǎn)換器性能的因素

　　從電流型數(shù)模轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)來看，有以下三個主要因素制約了它的靜態(tài)和動態(tài)性能[5] [6] 。

　　隨機(jī)誤差 ： 主要是由于電流源器件的失配造成。

　　系統(tǒng)誤差 ： 電流源開關(guān)的輸出阻抗為有限值而且隨輸入變化;版圖邊緣效應(yīng);熱梯度;與工藝相關(guān)的誤差、摻雜濃度誤差、氧化層梯度導(dǎo)致的Vt 變化。

　　動態(tài)誤差 ： 主要由電流源開關(guān)的延時，不同步造成。

　　其中隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差都要依賴于良好的版圖設(shè)計(jì)，是本文討論重點(diǎn)，必須進(jìn)行優(yōu)化，從而減小這些誤差。

　　2.1 電流源的匹配

　　電流舵式數(shù)模轉(zhuǎn)換器隨著位數(shù)增加，電流源數(shù)目是呈指數(shù)增長的。所以在布局時會占據(jù)很大一片面積， 眾所周知，由于CMOS 工藝的限制，在晶圓上摻雜不可能十分均勻，呈現(xiàn)一定的濃度梯度，這就造成了CMOS 器件參數(shù)單調(diào)遞增或單調(diào)遞減。

　　下面是一些在匹配方面需要注意的問題：

　　1.需要匹配的器件采用相同的類型和相同的結(jié)構(gòu)。它們必須有相同的形狀、相同的寬度和相同的長度。

　　2.匹配的器件必須有相同的方位，使得流過的電流保持平行和同向。

　　3.匹配的器件外圍部分也必須相同，如具有相同的接觸孔，連線長度，如果必要的話，做一些虛擬器件 (dummy device) 也是必要的。

　　4.匹配的器件最好在相同的溫度下工作，這樣就要求它們必須對稱地放在功耗較大的器件附近;5.匹配的器件必須設(shè)計(jì)的盡可能的大，放置時要中心對稱，并且放的越近越好。

　　所以我們采用雙共質(zhì)心匹配的版圖，用來減小濃度梯度所引起的誤差，這個布局對連線來說是個挑戰(zhàn)，既要器件匹配，而且連線也最好匹配，否則INL，DNL 容易受影響。是布局示意圖[3]。

　　2.2 電流源輸出阻抗

　　典型電路源和差分開關(guān)的電路圖，Msw 是開關(guān)管，Mcs 是電流源。

　　Mcas 是共源共柵管，C0 和C1 是寄生電容，RL 是負(fù)載電阻。電流源正是通過負(fù)載電阻產(chǎn)生我們需要的電壓。

　　我們知道衡量電流源的一個重要參數(shù)就是輸出阻抗。每個電流源都有自己的輸出阻抗，而整個數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC 的輸出阻抗就是所有這些打開的電流源的輸出阻抗并聯(lián)，換句話說，DAC 的輸出阻抗依賴于數(shù)字輸入信號。這就很容易造成諧波失真，從而降低DAC 的動態(tài)性能。

　　根據(jù)文獻(xiàn)[1]，如所示， 縱坐標(biāo)是偽動態(tài)范圍SFDR(數(shù)模轉(zhuǎn)換器重要的動態(tài)性能指標(biāo))，橫坐標(biāo)是電流源輸出阻抗和負(fù)載電阻比值。10，11,12 代表數(shù)模轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。

　　可見要達(dá)到較高的SFDR，電流源必須提供很大的輸出阻抗。我們采用共源共柵結(jié)構(gòu)來提高阻抗。

　　但如果工作在高速情況下，中的C1 在高頻下阻抗會降低，由于整個電流源輸出阻抗是輸出阻抗和電容并聯(lián)，如下式：

　　Rtot= Rout||Zc Zc=1/SC所以要仔細(xì)布局，以減小C，提高容抗。由于在版圖中電流源陣列會占據(jù)很大的面積。

　　如果將共源共柵管和電流源放在一起的話，那么它們連到開關(guān)時會走很長的連線，這樣導(dǎo)致寄生電容C1 變得很大。

　　針對這種情況我們在布局時將電流源和共源共柵管分開，共源共柵管和開關(guān)放在一起，電流源陣列單獨(dú)放。這樣C1 就比較小，C2 對輸出阻抗的影響比C1 小很多。

　　2.3 STI 應(yīng)力效應(yīng)(LOD effect)

　　STI 是Shallow Trench Isolation 的縮寫，STI 壓力效應(yīng)就是淺槽隔離壓力效應(yīng)。為了完成有源器件的隔離，在它周圍必須形成絕緣側(cè)壁，在較為先進(jìn)的CMOS 工藝制成中， 通常用STI 的方法來做隔離。淺槽隔離利用高度各向異性反應(yīng)離子刻蝕在表面切出了一個幾乎垂直的凹槽。該凹槽的側(cè)壁被氧化，然后淀積多晶硅填滿凹槽的剩余部分。在襯底挖出淺槽時會產(chǎn)生壓力的問題。由于擴(kuò)散區(qū)到MOS 管的距離不同，壓力對MOS 管的影響也不同。所以對于相同長寬兩個MOS 管，由于對應(yīng)的擴(kuò)散區(qū)長度的不同而造成器件性能的不同。

　　下是一個測試LOD 效應(yīng)的電路圖，這是一個電流鏡左邊給電流源加個50uA 的偏置電流，看右邊M2，M3 的輸出電流情況。通過仿真將數(shù)據(jù)記在。

　　由上面的仿真結(jié)果來看，如果dummy 器件數(shù)量足夠多的話，器件受LOD效應(yīng)影響就很小了，我們得到Sa 和Sb(LOD 參數(shù)，指的是溝道到有源區(qū)邊緣的距離)大于3um，就可以達(dá)到匹配的要求。

　　2.4 WPE 效應(yīng)

　　WPE 效應(yīng)

　　在離子注入制造工藝時，原子從掩模板的邊沿開始擴(kuò)散，在阱邊附近的地方硅片表面變得密集，如所示。結(jié)果就是，阱表面濃度會隨著距離掩模板的邊沿的遠(yuǎn)近而有所不同，因此整個阱的摻雜濃度是不均勻的，如圖所示。這種不均勻造成MOS 管閾值電壓的不同，還有其它的電性能也有所不同，它會隨著距離阱邊距離的不同而不同，這種現(xiàn)象就是我們常說的阱鄰近效應(yīng)(WPE：Well Proximity Effect)。所示。

　　問題產(chǎn)生的原因顯而易見，就是阱邊到MOS 器件的溝道距離太近，所以解決方案也很簡單，擴(kuò)大整個阱區(qū)，避免離子散射到MOS 管溝道。

　　3 總結(jié)

　　通過以上分析我們可以看出影響電流舵型數(shù)模轉(zhuǎn)換器的因素有很多，如匹配問題，LOD效應(yīng)，WPE 效應(yīng)，電流源輸出阻抗。這些都需要合理的布局布線。

　　本文給出了幾種解決方案。如雙共質(zhì)心對稱版圖，增加dummy 器件數(shù)量，擴(kuò)大阱去邊緣，電流源和共源共柵分離。都是為了降低影響而設(shè)計(jì)的。隨著CMOS 工藝尺寸越來越小，如40nm，32nm。從相關(guān)資料上看，又增加了許多影響器件性能的效應(yīng)。這無疑對電路和版圖設(shè)計(jì)帶了很大的挑戰(zhàn)。