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探究偏置一种极低功耗模拟IC设计技术与其在高性能音频模数转换器中运用

收藏本文 2024-04-18 点赞:24772 浏览:102928 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:为了满足便携式电子产品的迫切需求以及大型电子系统的节能需要,低压低功耗设计已经成为未来CMOS集成电路进展的主流方向。采取基于C类反相器的设计来代替传统的运算放大器是解决极低功耗低压IC设计难题的一种有效手段,其中反相器输入MOS管在大多数时间内都工作在亚阈值区,大大降低了电源电压和系统功耗。但是,传统C类反相器增益偏低,不适合许多高精度运用场合,例如级联结构ΣA模数转换器(ADC),而且由于其亚阈值工作特点及推挽电路结构,性能指标受工艺偏差和电源电压变化的影响非常严重,容易造成其运用电路性能下降甚至功能丧失,使其不具备工业实用性。本论文针对基于C类反相器的极低功耗IC设计技术进行了较为深入系统的探讨,通过电路革新对传统C类反相器进行改造,推出了新一代C类反相器概念。为证明该新一代C类反相器的实用性,本论文将其运用到级联结构音频ΣΔADC的设计实现中,在功耗与性能方面均获得了令人满意的效果。论文主要工作和革新点包括:1、针对传统C类反相器直流增益偏低的不足,提出了增益自举型C类反相器概念并对其进行了深入的论述探讨及设计实现。通过论述计算和软件仿真详细浅析了增益自举型C类反相器的各项指标,包括直流增益、带宽、功耗、输出摆幅、输入失调、电源抑制比、共模抑制比、噪声、摆率和建立时间等;提出了“类转换”、最大摆率和有效摆率概念、以及计算摆率时“三角形近似”和“多边形近似”算法等。与传统C类反相器相比,增益自举型C类反相器可使直流增益以51.7dB显著提升到75.2dB。2、针对传统C类反相器受制造工艺、电源电压和温度(PVT)影响严重的不足,提出了一种面向成品率增强的片上体偏置技术,用于补偿PVT变化对模拟/数模混合IC(尤其是低功耗亚阈值IC)性能的不利影响。同时,提出了三种体偏置实现电路(简单型、移位型和计数型),并以体电位调节范围、精度、速度、面积和功耗等指标入手,对三种体偏置实现电路的各项指标进行了详细的论述浅析与计算。对其中部分实现电路进行了版图设计和流片。3、基于增益自举技术加片上体偏置技术的新一代C类反相器技术的运用探讨。音频∑△ADC是数模混合IC的典型代表,其模拟电路部分主要是一个ΣA调制器。本论文选择∑△ADC及其∑△调制器作为运用探讨的目标,实现了基于上面陈述的新一代C类反相器技术的高性能低功耗音频ΣΔ ADC,以及极低功耗低压ΣA调制器。4、流片及测试。基于上面陈述的新一代C类反相器技术的音频ΣΔADC芯片在65nm标准CMOS工艺和1.2V电源电压下能够达到97dB的动态范围、95dB的信噪比和92dB的信噪失真比,功耗为1.13mW。与同批次未利用该技术的比较芯片相比,测试所得综合性能指标)以1.87pJ/量化电平优化到0.9J/量化电平。另外,为追求更优的综合指标,本论文实现了极低功耗低压EΔ调制器芯片,该调制器芯片在0.8V电源电压下和音频带宽内能够达到98dB的动态范围、93dB的信噪比和90dB的信噪失真比,功耗为230μW,测试所得FOM指标与国际上高水平期刊最近几年发表的论文水平相当,达到了国际先进水平。关键词:低压、低功耗IC论文C类反相器论文增益自举论文片上体偏置论文∑△模数转换器论文

    致谢5-7

    摘要7-9

    Abstract9-11

    缩略词表11-13

    目录13-18

    1 绪论18-26

    1.1 课题背景及作用18-20

    1.2 国内外进展情况20-22

    1.3 本论文的主要工作22-23

    1.4 论文的组织结构23-26

    2 一种低压极低功耗设计技术——C类反相器技术26-62

    2.1 低压低功耗设计技术26-40

    2.1.1 亚阈值技术26-28

    2.1.2 体偏置技术和体驱动技术28-30

    2.1.3 自共源共栅(Self-Cascode)技术30

    2.1.4 电平移位技术30-31

    2.1.5 浮栅(Floating Gate)技术与准浮栅技术31-32

    2.1.6 电流方式电路32

    2.1.7 SOI技术32-33

    2.1.8 动态源极跟随器(Dynamic Source Follower)技术33-35

    2.1.9 基于比较器的设计策略35-37

    2.1.10 基于时间的设计策略37-38

    2.1.11 C类反相器技术38-40

    2.2 C类反相器性能指标浅析40-60

    2.2.1 直流增益和增益带宽积40-42

    2.2.2 电源电压和功耗42-43

    2.2.3 输出摆幅43-44

    2.2.4 输入失调44-45

    2.2.5 电源抑制比45-46

    2.2.6 共模抑制比46-47

    2.2.7 噪声47-52

    2.2.8 建立(settpng)特性52-60

    2.3 本章小结60-62

    3 一种面向成品率增强的片上体偏置技术62-86

    3.1 PVT变化原因浅析62-63

    3.2 考虑PVT变化影响的MOS管阈值电压的准确预测策略63-68

    3.2.1 大尺寸MOS管阈值电压模型64

    3.2.2 纳米工艺下MOS管阈值电压模型64-67

    3.2.3 MOS管阈值电压建模总结67-68

    3.3 片上体偏置技术的论述探讨68-71

    3.3.1 MOS管体偏置电压范围68-71

    3.3.2 片上体偏置技术原理71

    3.4 片上体偏置技术的实现电路71-79

    3.4.1 简单型体偏置电路71-74

    3.4.2 计数型体偏置电路74-78

    3.4.3 移位型体偏置电路78-79

    3.4.4 不同体偏置电路指标比较79

    3.5 基于片上体偏置技术的C类反相器探讨79-85

    3.6 本章小结85-86

    4 ∑Δ调制器非理想因素浅析及系统仿真86-120

    4.1 ∑ΔADC介绍86-98

    4.1.1 主要性能指标86-87

    4.1.2 静态特性87-89

    4.1.3 动态特性89-91

    4.1.4 ∑△ADC原理91

    4.1.5 过采样技术91-92

    4.1.6 噪声整形技术92-94

    4.1.7 ∑△调制器结构94-98

    4.2 EΔ调制器结构选择98-101

    4.2.1 连续时间方式和离散时间方式98-99

    4.2.2 ∑△调制器具体实现结构99-101

    4.3 ΣΔ调制器的非理想因素浅析101-114

    4.3.1 C类反相器有限直流增益102-105

    4.3.2 C类反相器有限增益带宽积和摆率105-108

    4.3.3 C类反相器有限输出摆幅108

    4.3.4 开关热噪声108-110

    4.3.5 C类反相器噪声110-111

    4.3.6 时钟抖动111-112

    4.3.7 电容失配112-113

    4.3.8 非线性113-114

    4.4 ∑△调制器的系统仿真114-118

    4.5 本章小结118-120

    5 ΣΔ调制器电路设计及版图设计120-156

    5.1 基于1.2V电源电压的设计122-142

    5.1.1 开关设计122-127

    5.1.2 增益自举型C类反相器设计127-133

    5.1.3 基于C类反相器的伪差分结构开关电容积分器设计133-137

    5.1.4 基准电压源的设计137-139

    5.1.5 比较器与时钟电路的设计139-141

    5.1.6 ΣA调制器仿真验证141-142

    5.2 基于0.8V电源电压的设计142-149

    5.2.1 基于简单型体偏置电路的版本142-146

    5.2.2 基于移位型体偏置电路的版本146-149

    5.3 版图设计149-155

    5.3.1 三阱工艺的作用150

    5.3.2 保护环的设计150-151

    5.3.3 其它隔离与屏蔽措施151

    5.3.4 匹配考虑151-152

    5.3.5 阱邻近效应和和浅沟槽隔离应力效应152-154

    5.3.6 版图总体布局154-155

    5.4 本章小结155-156

    6 数字抽取滤波器设计156-168

    6.1 抽取滤波器总体结构156-157

    6.2 梳状滤波器的设计157-159

    6.3 补偿滤波器的设计159-160

    6.4 半带滤波器的设计160-166

    6.5 数字抽取滤波器仿真验证166-167

    6.6 本章小结167-168

    7 芯片测试168-182

    7.1 基于0.8V电源电压的∑△调制器测试168-174

    7.1.1 测试案例169-171

    7.1.2 测试结果171-174

    7.2 基于1.2V电源电压的ΣΔADC测试174-180

    7.2.1 测试案例174-177

    7.2.2 测试结果177-180

    7.3 本章小结180-182

    8 总结与展望182-186

    8.1 总结182-184

    8.2 展望184-186

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