先进数字工艺下模数转换器低功耗设计技术

论文摘要

随着半导体制造工艺和现代数字信号处理理论的发展，数字电路的集成度、速度和功耗享受着工艺演进带来的一切便利条件。模数转换器作为数字信号和模拟信号之间的接口电路，是不可缺少的重要组成部分。集成模数转换器的片上系统出于降低成本和提高速度的考虑，通常偏向于使用深亚微米数字工艺。然而，基于放大器结构的传统模拟电路设计方法，在先进数字工艺下存在诸多限制，性能还会由于电源电压降低而下降。为了解决这一困境，本论文提出了一种工艺演进友好理念：要求模拟电路能完全兼容先进数字工艺，能够工作在低电源电压下，而且具有很高的功耗效率。应用这种理念提出了针对快闪型模数转换器的三种低功耗设计技术，并且完成三种原型设计：1.一次性时间域比较器使用线性脉冲宽度调制，将模拟输入转换后的数字信号在时间域进行比较，由触发器根据上升沿的先后顺序决定输入信号大小关系。原型设计是SMIC65nm CMOS工艺下的5位125MS/s快闪型模数转换器，根据仿真结果，在1.0V电源电压下的功耗是367μW，芯片面积是0.022mm~2，输入电容负载仅为0.02pF。2.数字前台校正电路，通过循环比较反馈调节可变电阻，减小一次性时间域比较器的阈值偏移，消除失配误差引起的阈值不单调。上电只需要工作一次，不会在正常工作时产生额外功耗。原型设计是SMIC65nm CMOS工艺下的6位125MS/s快闪型模数转换器，根据仿真结果，在1.0V电源电压下的功耗是803μW，芯片面积是0.083mm~2，输入电容负载仅为0.03pF。3.电阻平均使用大小相等的单位电阻串联，平衡脉冲宽度调制阵列输出的参考脉冲，达到和数字前台校正同样的功能，结构简单而且静态功耗极小。原型设计是SMIC0.18μm CMOS工艺下的6位40MS/s快闪型模数转换器，根据测试结果，在1.0V电源电压下的功耗是540μW，芯片面积是0.1mm~2。应用这种理念提出了针对逐次逼近型模数转换器的三种低功耗设计技术，并且完成三种原型设计：1.将单端时间域比较器的D触发器换成RS触发器，可以比较差分输入信号，节省了一个参考电压，可以提前工作点从而加快比较速度。原型设计是SMIC65nm CMOS工艺下的8位4.35MS/s逐次逼近型模数转换器，根据测试结果，在0.6V电源电压下的功耗是6.6μW，芯片面积是0.011mm~2。2.分离电容阵列技术将传统单个电容阵列拆分成两个交替切换，并且先比较再切换，提高了电容切换的效率。使用递增比例电阻链调节输入管衬底电压偏置的数字前台校正电路有效减小比较器的阈值偏移。该方法相对传统结构能平均节省57%的功耗。原型设计是SMIC65nm CMOS工艺下的8位50MS/s逐次逼近型模数转换器，根据仿真结果，在1.0V电源电压下的功耗是192.8μW，芯片面积是0.018mm~2。3.改进型通过牺牲低几位的优化，将分离电容切换只应用到高几位，减小了辅助电容阵列中的电容大小，提升了整体效率。该方法将传统设计的切换功耗降低最多达到83%。原型设计是SMIC0.18μm CMOS工艺下的8位12MS/s逐次逼近型模数转换器，根据测试结果，在1.1V电源电压下的功耗是130μW，芯片面积是0.1mm~2。以上原型设计的仿真和测试结果和国外已发表研究成果对比中发现功耗效率和芯片面积都获得了明显的提升。这些芯片不仅能完全兼容数字先进工艺和低电源电压，而且验证了工艺演进友好理念在这两种类型模数转换器中适用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 模数转换器发展趋势
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 传统模拟电路在先进数字工艺下的困境
• 1.4 论文的研究内容和创新点
• 1.5 论文的各部分结构
• 第2章 快闪型模数转换器的理论基础和分析
• 2.1 快闪型模数转换器的结构
• 2.2 非理想因素分析
• 2.2.1 采样时钟不确定性
• 2.2.2 失配误差
• 2.2.3 亚稳态和气泡现象
• 2.3 低功耗设计方法
• 2.3.1 非线性双插值
• 2.3.2 数字动态比较器
• 2.4 本章小结
• 第3章 快闪型模数转换器低功耗设计技术
• 3.1 一次性时间域比较器
• 3.1.1 原理及实现
• 3.1.2 理论分析
• 3.1.3 设计原型
• 3.2 数字前台校正
• 3.2.1 工作原理
• 3.2.2 算法实现
• 3.2.3 设计原型
• 3.3 电阻平均
• 3.3.1 工作原理
• 3.3.2 设计原型
• 3.3.3 仿真结果
• 3.3.4 测试方案
• 3.3.5 静态性能测试
• 3.3.6 动态性能测试
• 3.4 本章小结
• 第4章 逐次逼近型模数转换器的理论基础和分析
• 4.1 逐次逼近型模数转换器的结构
• 4.2 非理想因素分析
• 4.2.1 电容失配误差
• 4.2.2 比较器阈值偏移
• 4.2.3 动态稳定误差
• 4.3 低功耗设计方法
• 4.3.1 单端时间域比较器
• 4.3.2 极小单位电容阵列
• 4.3.3 三步电容切换
• 4.3.4 高效异步逻辑控制
• 4.4 本章小结
• 第5章 逐次逼近型模数转换器低功耗设计技术
• 5.1 差分时间域比较器
• 5.1.1 原理及实现
• 5.1.2 理论分析
• 5.1.3 原型设计
• 5.1.4 测试方案
• 5.1.5 静态性能测试
• 5.1.6 动态性能测试
• 5.2 分离电容阵列切换技术
• 5.2.1 原理及实现
• 5.2.2 理论分析
• 5.2.3 原型设计
• 5.3 分离电容阵列切换技术改进型
• 5.3.1 原理及实现
• 5.3.2 理论分析
• 5.3.3 原型设计
• 5.3.4 测试方案
• 5.3.5 静态性能测试
• 5.3.6 动态性能测试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢