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PASTEL:电荷再分配 SAR-ADC 中具有广义比率的电容器阵列的寄生匹配驱动布局和布线

颜乐
2023-12-01

摘要 2020

电荷再分配数据转换器拓扑结构由具有特定电容比的并联电容器阵列构成,是逐次逼近寄存器 (SAR) 模数转换器 (ADC) 架构的基本组件。 本文介绍了这种电容器阵列的互补布局和布线算法,目标是在目标 SAR-ADC 架构中实现非线性最小化。 从最先进的静态非线性模型及其随附的放置方法开始,对二进制和非二进制加权电容器比率进行了概括。 考虑到广义非线性模型和电容器布线的复杂性,开发了一种改进的布局方法,增加了由布线长度调整驱动的基于匹配的布线技术。 分析结果将新方法与最先进的方法进行了比较,实现了卓越的分辨率、线性度和面积。

调研

本文针对电容器阵列设计,这是影响 ADC 传输曲线准确性的主要因素。 在 [1] 中,表明 ADC 静态性能指标 [积分和微分非线性(INL 和 DNL)] 取决于形成 DAC 的电容器值的变化,以及这些电容器值的适当匹配, 为了根据方程最小化非线性,这些方程又特定于所使用的 SAR-ADC 架构。 电容器变化的三个主要来源已被识别。 1) 统计建模的局部随机变化 (sta)。 2)系统过程偏差和梯度(sys)。 3)互连寄生电容(par),具有系统影响。
统计和系统的影响(基于位置)可以通过适当的放置来减少; 对于前者,分散,对于后者,对称。 只有与标称电容并联的寄生电容会影响静态线性。 它们的影响可以通过合适的布局和布线方法来减少,以最佳匹配互连寄生效应,这是本文的目标主题。
根据最近的出版物 [6]-[8],典型的电容器单位值在 1 到 10 fF 的范围内,这是由于技术缩小的积极趋势以及对减小面积和功率的需求。 电容器变化的来源不会按与标称单位值相同的因素按比例缩小,因此可变分量可以大到足以支配标称(预期)值。 必须仔细注意以减轻性能下降。
因此,[1]、[4]、[5]、[9]-[13]过去与此相关的大量工作都强调了电容器匹配的必要性,因为它对性能的影响,激发了正在进行的研究和开发。在 [1] 中开发了一个线性模型,以分析确定 INL 和 DNL 作为上述三个电容器变化源的线性函数,以及一个小的非线性误差项。 用于评估这些指标的最终方程被简化为来自这三个来源的变化的线性和的简单矩阵乘积。
所有行向量和矩阵行分别在左侧和右侧显示最高和最低有效位【most and least significant bits】; 对于列向量和矩阵列,最高和最低有效位分别显示在顶部和底部。对于每个阵列电容器,标称布线问题是将其单元电容器的底板与其对应的出口引脚连接起来。 该问题扩展到还考虑路由寄生及其对 ADC 性能指标的影响。

现状

电容器阵列中电容比精度的优化是一个热门的研究课题。 许多论文试图通过相对于指数空间相关模型 [1]、[5]、[13]-[16] 最大化电容之间的整体相关性来实现这一点。 由于电容比精度是一般目标,因此得到的解决方案对于不同的目标函数可能不是最佳的,例如特定 SAR-ADC 架构的线性度。

在 [1] 中,为具有二进制加权电容比的充电器再分配 ADC 推导出了一个简单的分析模型,将 INL 和 DNL 描述为电容变化的线性表达式。 将此与指数空间相关模型相结合,产生了一种最佳放置方法,用于最大限度地减少统计(随机波动)和系统(过程梯度)变化对 ADC 非线性(由 INL 和 DNL 测量)的影响。 由此产生的布局风格,命名为“棋盘”,符合该问题的一般布局指南[17]:重合、对称、分散和紧凑,分散是关键标准。然而,棋盘放置方式的根本缺点是没有考虑布线问题。 顶部(所有阵列电容器共有)和底板(每个阵列电容器各自)之间的互连寄生与标称电容(由图 1 中的红色并联电容器描绘)并联出现,对它们的值做出了附加贡献。 这些寄生效应的失配会导致整体电容的严重失配。 此外,最大分散意味着最大的路由复杂性。
[5] 中概述的工作也考虑了空间相关模型,产生了一种新颖的放置方法。 没有开发自定义路由技术,而是使用了从以前的作品改编的技术。 此外,生成的 INL 和 DNL 仅针对二进制加权架构进行了评估。
在 [2]、[9] 和 [10] 中,可以看到布局和布线风格之间的强耦合; 每一个都是在设计时考虑到对方的。 得出的结论是,使用“全球分布、本地连接”的布局提供了基于布局的不匹配和寄生效应之间的最佳折衷。 【这些的问题在哪里】
[11] 中也考虑了路由,其中​​整个任务被表述为整数线性规划问题。 最后,何等人。 [12] 提出了一种通过控制布线长度来精确保持电容比的布线技术。 基于路由之间的距离,还考虑了路由间耦合。 在 [11] 和 [12] 中,目标仅限于总体上减少变化,而不是针对度量(例如,非线性)改进。
在所有[2]、[5]和[10]-[12]中,都给出了评估INL和DNL的结果; 但是,使用了完整的定义,而不是使用 [1] 中的线性化简单模型。 本文提供了以下贡献。

  1. 提出了一种新的混合放置算法来放置具有广义权重的电容器阵列。 该算法考虑了在[1]中描述的棋盘放置算法中未考虑的电容器分散和可布线性之间的权衡。 2) 介绍了一种新的布线方法来补充所提出的混合布局。 布线长度(以及扩展电容)被迭代调整,以达到最小化 ADC INL 和 DNL 的总体目标。 这种方法受到 Ho 等人的启发。 [12],其中提出了一个复杂的优化问题,以精确匹配电容器比率值。 但是,在本文中,算法有所不同并且更加简化(线长调整)。 此外,优化目标是不同的(以最小化整体 INL 和 DNL),使用不同的路由解决方案实现。 3) 定义了任何具有广义电容比的 SAR-ADC 的 INL 和 DNL 的线性化分析模型。 然后,该模型用于独立评估三个非线性源,以及相互关联:统计、系统和寄生。 该分析模型通过考虑:a) 与布局相关的不匹配(由于布局分散)和 b) 由互连寄生引起的组件(由于路由)。

数据集

实验指标

具体方法

值得跟进

  • [5] 中概述的工作也考虑了空间相关模型,产生了一种新颖的放置方法。 没有开发自定义路由技术,而是使用了从以前的作品改编的技术,坏处在哪里?
  • 在 [2]、[9] 和 [10] 中,使用“全球分布、本地连接”的布局提供了基于布局的不匹配和寄生效应之间的最佳折衷为什么不行?
  • 在 [11] 和 [12] 中,目标仅限于总体上减少变化,而不是针对度量(例如,非线性)改进。这句话是什么意思?
  • [ ]

文章引用

Y. X. Ding, F. Burcea, H. Habal and H. E. Graeb, “PASTEL: Parasitic Matching-Driven Placement and Routing of Capacitor Arrays With Generalized Ratios in Charge-Redistribution SAR-ADCs,” in IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, vol. 39, no. 7, pp. 1372-1385, July 2020, doi: 10.1109/TCAD.2019.2912921.

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