DYL高速視頻12位DAC的研制

王懷榮

（中國電子科技集團公司第47研究所，沈陽 110032）

1 概述

數字技術日趨成熟，數字集成電路在高密度、高速度及低功耗等方面不斷地取得新的發展和突破，數字技術的應用越來越廣泛。

在實際工作中，需要能夠將模擬量信號轉換成簡單數字信號的A/D轉換裝置和將處理后的數字信號回復成為模擬量信號的D/A轉換裝置。因此，系統處理數據的快慢，不僅取決于系統本身，還受限于A/D、D/A轉換器的轉換速度。所以研究如何提高A/D、D/A轉換速度就顯得十分必要和重要。尤其在現代軍事抗衡中，尖端電子技術需要對信號快速準確地實時控制應用，高速視頻A/D、D/A轉換器是國防現代化中至關重要的電子元器件。

轉換速度一直是A/D、D/A轉換器在高速數字集成電路研究中的瓶頸之一。為了提高轉換速度，在線路結構設計和制作工藝上,人們不斷提出新的設計思想和理念，力爭在高速電路的研究中有新的突破和提高。

中國電子科技集團公司第47研究所和中國科學院半導體研究所共同合作，在A/D、D/A的研制中采用我國獨創的多元邏輯電路（DYL）結構，在轉換速度上進行創新，該電路的成功改變了我國高速DAC研制落后的局面，為高速信號處理電路的研制提供了新的途徑和方法。

2 電路原理、邏輯結構圖及說明

DAC是將數字量轉換成模擬量的功能部件。常規高速DAC線路均采用全并行轉換方式，即利用高速電子模擬開關將確定的電壓（或電流）傳送到精密電阻網絡，經電阻網絡加權處理，實現信號轉換，再通過高速緩沖部件完成轉換輸出。其轉換原理圖見圖1。

圖1 轉換原理圖

12位DAC的轉換關系式為：

當Ci全為“1”時，

其中，V1和V2為電壓基準參考值；i＝1，2，……，12；Ci為第i個模擬開關的控制信號，其值為“0”或“1”。

該高速DAC轉換器電路在線路結構上與眾不同，沒有采用電流模擬開關構成的電流轉換方式，而是采用新型高速差動電壓模擬開關，通過抵消電壓模擬開關的通道電阻來提高電壓模擬開關的轉換精度，同時又能直接實現幅值較大的電壓模擬量輸出，克服了電流型DAC輸出幅度小、使用范圍受限的缺點，其邏輯功能框圖見圖2。

圖2 邏輯功能框圖

基準電壓產生差動基準信號V1和V2，在數字輸入信號的控制下新型高速差動電壓模擬開關將差動基準電壓V1和V2高速傳送到R-2R網絡，在這期間輸入邊沿校正電路對輸入信號邊沿進行調整，以合適的輸入邊沿來減少轉換器實現穩定輸出所需要的建立時間；R-2R網絡構成的T型電阻網絡，對被轉換信號進行二進制加權處理，實現信號的轉換；高速緩沖輸出電路降低輸出信號內阻，增加驅動能力；同時實現信號的失調校正，完成轉換輸出。

3 關鍵技術的研究

3.1 多晶硅發射極

多晶硅發射極技術應用于高速集成電路的研制生產中，通過實現全離子注入淺結工藝，可提高NPN管的ft和β值，使12位DAC實現高速工作。該技術的研究主要是以淺結工藝為重點，從而實現該產品的建立時間滿足小于等于20ns的目標，經驗證得出最佳工藝條件如下：

注硼區參數控制在RS＝550±50Ω/□，Xj=0.3μm～0.4μm，LPVCD多晶硅生長d=450±50nm；

多晶硅離子注入磷：能量70keV，劑量3.0×1016，注入砷：能量80 keV，劑量3.5×1015；

按照上述條件進行工藝處理后，在870℃下、N2中退火40min，NPN管的β≥80倍，βVces≥14V。

3.2 高穩定薄膜

從12位DAC邏輯說明可知，R-2R網絡與DAC的線性度和相對精度有關，所以解決高穩定薄膜性能問題是十分重要的。用新引進的Crsi靶材進行Crsi薄膜濺射，經對各種條件對比得到最佳工藝參數為：Crsi的Rs＝500Ω/□～600Ω/□，硅片的Rs均勻性達到1.8%，同一芯片內電阻網絡的電阻均勻性達到0.6%，Crsi的溫漂系數≤50×10-6/℃，經驗證指標滿足12位DAC的設計要求。

3.3 雙層金屬布線

為了縮小集成電路的芯片面積，減少布線長度，提高工作速度，該電路采用雙層金屬布線，關鍵技術是解決雙層金屬平坦化和通孔接觸電阻問題。對我們來說，雙層金屬的通孔接觸是關鍵問題。采用PLCVD SiO2+PECVC Si3N4結構的絕緣介質層，并合理控制等離子干法腐蝕和濺射臺的反濺射條件，使通孔接觸電阻滿足了電路要求。

3.4 激光修正

對于高精度的DAC，由于加工工藝和其他方面對精度和參數的影響，采用激光修正技術手段是提高精度和成品率的重要途徑。為了達到12位DAC的高精度指標，不論是激光機的光點設置還是實現自動修正的硬件和軟件的研究工作，都是十分重要的。為了實現激光修正的高精度，對激光機的性能和指標進行了許多改進和調整，調整后的激光點直徑達到4μm ～8μm，完善修正軟件，實現全自動激光修正，對精度達不到指標的電路進行激光修正，使產品的相對精度達到設計要求。

4 新技術的應用

開展高速差動電壓模擬開關在DAC中的應用研究，在工藝上以縱向PNP晶體管替代β NPN晶體管，提高了傳輸精度。該新結構已申請了國家發明專利，專利號為981003485.7。經研究表明：新結構的輸入阻抗大于1010Ω，具有極小的輸入損耗，開關延遲小于1ns。當輸入負載為200Ω、動態范圍為2時，其傳輸誤差小于5μV，可實現極高的傳輸精度。

采用高速互補型輸出緩沖電路新技術，解決了傳統高速D/A轉換輸出阻抗較高、應用受限的問題。這種互補型輸出緩沖電路不僅能驅動常規線性電路200Ω的負載，而且能驅動50Ω的負載，較大拓展了D/A轉換器的應用范圍，又由于采用了多級互補型共集電極電路，頻帶極寬，使輸出延遲時間小于1ns，實現了極高的速度。

D/A轉換器的速度即轉換時間，是指模擬量在確定精度下達到穩定輸出所需的時間。因此，輸出高速帶有過沖的邊沿不等于D/A高速完成了轉換，真實的建立時間是待過沖振幅降低到確定精度內的時間。封裝后的電路，由于引線電感的存在，原先并不過沖的邊沿也會出現過沖，在高速電路中更為突出。因此，輸入邊沿的調整對轉換器的速度影響十分重要。在12位高速視頻D/A轉換器的預研制中，提出了一種通過控制偏置電流的方法來實現輸入邊沿調整功能。經驗證，其可控范圍較寬，達到了穩定的目標。

5 研制和測試結果

該電路研制成功后，在測試系統上進行了全參數測試，測試結果表明該電路各項參數指標達到設計要求，該電路通過技術鑒定，完全可以替代國外同類產品，滿足用戶要求，已成功應用于整機系統中。測試結果如圖3和表1。

圖3 轉換特性測試結果

表1 電性能測試結果

6 技術創新

12位高速DAC的研制在多項技術理論上均有所創新。設計上，對多元邏輯理論及結構有了新的改進，而且該電路所采用的新型高速差動電壓模擬開關結構已申請了國家發明專利；工藝上，在多晶硅發射極技術研究中，將摻雜工藝由原來的擴散方法改進為全離子注入，實現了淺結工藝，從而提高了電路的相對精度。另一創新點是在高穩定薄膜電阻方面開展了研究工作，使得網絡電阻的精度和溫漂系數大幅度提高。采用雙層金屬布線工藝縮小了芯片面積，提高了精度和轉換速度。

7 結束語

DYL多元邏輯12位高速視頻DAC轉換器的研制成功，表明我國在高速視頻領域的電子元器件有了新的發展，同時也為我國高速集成電路探索出了一條新的途徑，研制和測試結果經專家驗證，其轉換速度和性能在國內處于領先水平。在研制過程中，中國科學院半導體所石寅、朱榮華研究員多次親臨指導，為此我們表示衷心感謝。

[1]石寅，王守覺.電子學報，1988，16（9）：48-54.

[2]王守覺，等.ACTA Electronice Sinica[J].電子學報，1978，6（2）：43-51.

[3]吳偉.激光修正技術在提高DAC轉換器精度應用的研究[J].微處理機，1985 ，3 (2) ：10-13.