（微电子学与固体电子学专业论文）低功耗数模混合集成技术研究与设计实例.pdf

摘要 摘要 本论文的研究方向是低功耗数模混合集成技术。本文不仅对该技术的基础理 论进行了分析和研究，还应用到了三个设计实例中：离散型模数转换器，连 续型调制器，现场可编程混合信号阵列。 集成电路设计发展到今天，低功耗和系统集成成为了两大研发主题。绿色电 子的概念、便携式产品的普及与能源的日益紧缺使得低功耗成为设计的最重要目 标；而将模拟信号处理电路与数字信号处理系统集成起来可以有效减小芯片面 积、增强单片功能、提高芯片速度并降低芯片成本。在这样的背景下，本论文深 入研究了低功耗数模混合设计的各种方法，并进行了翔实的理论分析。 模数转换器( a d c ) 包括模拟调制器与数字滤波器，是一种典型的数模混合 系统。高质量音频与高精度电表等应用需要带宽1 0 0 k h z 左右、分辨率1 6 位上 下的a d c 。本文针对该指标设计了一款离散型血心c ，采用一级两阶结构、单 位量化方式，在第一级放大器中应用了斩波稳零技术以降低闪烁噪声与失配对调 制器的影响，在放大器输入级设计中采用亚阈值设计技术提高了相同功耗下的放 大器增益和带宽。测试结果表明该a d c 模拟部分功耗9 8 m w ，数字部分功耗 5 7 m w ，动态范围9 2 d b ，达到了国际水平。 已经广泛应用的3 g 无线通信系统、具有多模特性的手机收发器与多种通信 标准需要更高的a d c 带宽，传统的离散型调制器已无法满足要求。连续型 调制器在1 m h z 以上带宽应用中比离散型具有更低功耗、更高带宽和更省面积的 三大优点，然而其缺陷同样显著：时钟抖动敏感，工艺偏差影响大和环路延时要 求严格，从而应用受到限制。本论文针对其缺点，提出了一种创新的时钟抖动与 工艺偏差的联合矫正技术，大大提高了连续型调制器抗抖动和工艺偏差的能力。 仿真结果表明，一款三阶连续型调制器的矫正后信噪比提高了3 0 d b 以上，其系 数偏差在工艺误差为士3 0 的情况下调整到了士2 8 以内。 当前数据处理的主流方法是以数字方式处理，其实现方式包括d s p 和 f p g a ，因而在处理模拟信号的时候，需要用a d c 作为输入接口与d a c 作为输 出接口，不仅增加了设计的复杂性，还需要额外的功耗和面积。为了节省功耗同 时不牺牲功能，本论文设计了一款现场可编程混合信号阵列，其中包括可编程模 拟阵列、可编程数字阵列、微控制器、s p i 通信协议与时钟电路。测试结果显示 该芯片功能完整，可以实现多种复杂的模拟、数字和混合信号的处理操作，且功 耗比市场上同类产品略低。 关键词：低功耗，数模混合，模数转换器，离散型，连续型，时钟抖动，工艺偏 i x 复旦大学博士学位论文 差，现场可编程混合信号阵列，现场可编程模拟阵列 中国图书分类号：t n 4 5 3 ，t n 4 3 2 x a b s t r a _ c t a b s t r a c t t h et o p i co ft h i st i l e s i si sl o wp o w e r m i x e d - s i 弘a jd e s i g i lt e c q u e i ti n c i u d e s t h e 锄a l y s i so fb a s i cp r i n c i p l e so ft h i st e c h i l i q u ea n dt 1 1 e s et h e o r i e sa r ea p p l i e dt o 锄船 d e s i g l le x 锄p l e s ：d i s c r e 【e - t i m e a d c ，c o n t i n u o u s t i m e m o d u l 勘d ra i l df p m a ( f i e l dp r o g r a n 蛐a b l em i x e d s i g n a lp l i t a y ) w i t ht 1 1 ed e v e l o p m e n to fi cd e s i g i l ，l o wp o 、v e rd e s i g i la n ds o cd e s i 印b e c o m e t h e 帆om a j nt o p i c s t i l ec o n c e p to fg r e e ne l e c n d m c s ，p o p u l 撕z a t i o no fp o r t a b l e p r o d u c t s 锄di n c r e a s i n g l yl a c ko fe n e 唱ym a l ( el o wp o w e rd e s i g nt 1 1 em o s ti m p o n a m 啦e to fm o d 咖 i cd e s i g n t 1 1 es o cd e s i 驴m 劬o di n t e 酬e s 锄a l o gs i g n a l p r o c e s s i n gm o d u l e sa 1 1 dd i g i t 引s i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m st o g e t h e rs oa st om i n i m i z e d i ea r e a ，e x t e n ds i n 百ec h i p 鼬1 c t i o n ，i l l c r e 嬲eo p e r a t i l l g 丑e q u e n c ya n dc u tc h i pc o s t u n d e rm i sb a c k 伊o u i l d ，m i st 1 1 e s i ss 啪撕z e s m 觚yl o wp o w e rm i x e d s i g l l a ld e s i 驴 t e c l l n i q u e s 锄dm a k e s 如r t h e r 锄m y s i s 舡ac o m b i m t i o no f 锄l o gm o d u l a t o r 觚dd i 西t a l f i l t e r a d ci sa 娜i c a l m i x e d - s i 盟a ls y s t e m a p p l i c a t i o n ss u c h 鹤s t e r e oc d ，d v d 加d i o 飘dh i 曲 刚1 0 n i l a i l c ep o w e rm e t e rm e da d c 、析t l lb a i l d 谢d t i lu pt 01 0 0k h z 觚d1 6 - b i t s 陀s o l u t i o n f o rt l l i sa p p l i c a t i o n ，ad i s c r e t e - t i m e a d ci sd e s i g i l e d 、i t i l1 吼o r d e r2 l l d s t a g es t r i i c t u r ea n ds i n 西e b i tq u a n t i z a t i o n ，a n dc h o p p e r - s 切l b i l i z a t i o nm e t l l o di su s e di n t 1 1 ef i r s to p a m pt om i l l i m i z en i c k e rn o i s ea n dm i s m a t c he 船c t ，s u b t l l i e s h 0 1 dd e s i 鲷 t e c h n i q u ei sl l s e di nt l l ei n p u ts t a g eo fo p a m pt 0g e tal a 喀e rg a i l la 1 1 db a n d w i d t l l u i l d e rs p e c i f i cp o w e rc o n s u m p t i o n t e s tr e s u l t ss h o wm a t 肌a l o gm o d u l a t o rc o n s u m e s 9 8 m w 锄dd i g i t a lf i l t e rc o n s 岫e s5 7 m w ，d y n 锄i c 捌：l g er e a c h e s9 2 d bi nt l l e9 6 i 【h zb a i l d w i d t l l t h e 州d e l yu s e dm i r dg e n e r a t i o nc o m m u i l i c a t i o nw i r e l e s ss y s t e m s ，m u l t i m o d e c e i l u l a r 仃刁i i l s c e i v e r h a l l d s e t 锄dm a n yc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d sd e m a n da d c s 、) r i t l l v e r a lm h zb a n d w i d t i l 锄dl4 - b i to rb e 讹rr e s 0 1 u t i o n ，w h i c hb e y o n d 也e 乜a d i t i o n a j d i s c r e t e - t i m e a d cc a p a b i l i 够d u d n gr e c e n ty e a r s ，c o n t i n u o u s t i m e a d ch 鹤 b e c o m eaf e 撕b l ea i l ds u i t a b l ea d c a p p r o a c hf o rb a n d w i d t ho fh i 曲e rt h a n1m h z d u et ol o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，w i d eb 锄d w i d t ha i l ds m a na r e a 、v i t hr e s p e c tt 0i t s d i s c r e t e t i m ec o u n t e 印a r t h o 、e v e r c o n t i n u o u s t i m e m o d u l a t o rs u 行e r sal o t 行o m c l o c k j i t t e rb e c a u s eo fm e i rh i g h e rs e n s i t i v i t ) ，t h a nd i s c r e t e t i m ec o u n t e 印a n m o r e o v e r c o e 佑c i e n t so fc o n t i n u o u s t i m e m o d u l a t o rs u c h 嬲r ct i m ec o n s t a n ti n a c t i v e r c i n t e g r a t o rh a v eal a r g ev “a t i o nw h i c hc a nr e a c h 士3 0 b e c a u s eo f x l 复旦大学博士学位论文 t e m p e r 纳u r ea i l dp r o c e s sv 撕a t i o i l s an o v e lc l o c kj i t t e re r r o rc o m p e l l s a t i o na n d a u t o - t u i l i n gg 咖c t u r ei sp r o p o s e di nt l l i s 也i e s i st 0i i i l p r 0 v ea d cp e 晌肌a i l c eu i l d e r t l l e s en o n i d e a lc o n d “i o i l s t l l i s 咖m 鹏i si n l p l e m e n t e d ：i nat h i r d o r d e rs i n g l e b i t m o d u l a t o ro p e r a t i n ga ts 锄p l 堍舭q u e n c yo f2 0 0m h z 锄i do s r = 4 8 c o m p 删 w i t i lm o d u l a t o rw i t h o u tc o m p e i l s a t i o n ，t l l es n ri ss i m u l a t e dt ob ei m p r o v e db y3 0d b u n d e rac l o c kj i t t e ro f 士2 5 t h ec o e 伍c i e n t so fm o d u l a t o ra r es i n m l a t e dt 0b e 劬e d t ot l l ev a l u e 诵也也ee r r o ro fl e s st h a n 士2 8 u n d e rt l l ep r o c e s sv a r i a t i o no f 士3 0 t h em a i n s t r e 锄o fp r e s e md a 诅p r o c e s s i n gm e t l l o di si i l d i g i t a lw a yw i m r e a l i z a t i o n si nd s pa n df p g a a sar e s u h ，a d ci sn e e d e d 嬲i n p u ti n t e r f a c ea n d d a ci sn e e d e d 勰o u t p u ti i l t e r f i a c ew h e np r o c e s s 访ga n a l o gs i 印a l s ，w i l i c hi n c r e a s e s d e s i 弘c o m p l e x 时锄dc o n s u m e se x 舰p o w e r 觚da r e a i i lo r d e rt 0s a v ep o w e rw i l i l e m 菌n t a i np e r f o 加a i l c e ，觚f p m ai sd e s i 印e di i ln l i sn l e s i s ，w 1 1 i c hi n c l u d e sf i e l d p r o g r a m m a b l ea 1 1 a j o ga r r a y ( f p a a ) ，f p g a ，m c u ，s p ii n t e 娟ea i l dc l o c kg e n e r a t o r t e s tr e s u l t ss h o wt 1 1 ef p m a c m pc o u l dr e a l i z em a n yc o m p l e x 锄a l o g ，d i 西_ t a la n d m i x e d - s i g n a lo p e r a t i o n sw i t l ll o w e rp o w e r t l l a ns i m i l a rd e v i c e si nt l l em 缸k e t k e yw o r d s ：1 0 wp o w e r m e ds i 印a l ，锄越o g - d i g i t a lc o n v e r t e r ，a d c ，d i s c r e t i et i m e ， c o m i n u o u st i l l l e ，c l o c kj i t t e r ，p r o c e s sv 撕a t i o n ，f i e l dp r o 铲a i ：n m a b l ei n i x e d s i 孕l a la r r a y f p m a ，f i e l dp r o g r a n l i n a b l ea n m o ga n i y ；f p a a c l cn u m b e r ：t n 4 5 3 ，t n 4 3 2 x i i 图片索弓 图片索引 四十年来集成电路的发展趋势1 集成电路功率密度随尺寸缩减而迅速上升2 集成电路功率发展趋势：指标要求与实际趋势的对比2 c m o s 反相器的电路图和充放电等效电路7 c m o s 反相器的电路图、输入输出关系和电流输入电压关系8 c m o s 漏电流来源9 理想积分器模型与其负载电容上的电压信号波形1 1 m o s 管跨导电流比与工作区的关系1 4 n m o s 管栅电容与栅源电压的关系1 4 简单共源级放大器与其负载电容上的电压信号波形1 5 数字系统与模拟系统最小功耗对比1 7 敏感模拟电路与信号布局剖面图1 8 多绑定线芯片设计与封装1 9 三种模数转换方式的结构和噪声谱2 2 a d c 功能框图2 3 一阶调制器的结构框图与z 域等效模型2 3 阶数与噪声功率谱密度的关系2 4 典型调制器性能参数图2 5 梳状滤波器幅频响应曲线2 8 降采样滤波器架构2 8 开关电容积分器结构2 9 采用简单共源级放大器内核的积分器在积分相的工作模型3 0 三种基本放大器结构3l 基本的带反馈电压积分器结构3 3 电压在采样相反馈的积分器结构3 3 电压在积分相反馈的积分器结构3 4 应用相关双采样技术的积分器结构3 4 应用斩波稳零技术的积分器结构3 5 n 个一阶梳状滤波器级联的实现形式3 6 传递函数分子分母分开实现的结构形式3 6 降采样开关与分子部分交换顺序后的结构形式3 6 由l o 戬( m ) 个降采样率为2 的阶梳状滤波单元级联而成的结构形式3 7 普适一级两阶调制器结构框图4 0 一级两阶调制器原型结构4 0 一级两阶z 调制器m a t l a b 行为级模型4 0 调制器s n r 与输入信号归一化幅度的关系。4 l 两级积分器输出分布4 l 系数调韦! 后的调制器结构4 2 一位量化器增益任意性原理4 2 调整后调制器的两级积分器输出分布4 2 调整后调制器性能行为级仿真结果4 3 调整后的调制器输出频谱4 3 由b r 卸d t 提出的四级线性相位滤波器架构4 4 末级滤波器简化的架构4 4 本文提出的低功耗滤波器架构4 4 数模结合的a d c 整体结构图4 5 全差分开关电容积分器结构与其时钟波形4 5 n 】 ，2 3 2 3 4 5 6 7 8 9 m 2 3 4 5 6 7 8 9 m n 心b m b坫仃博侈2 3 4 5 6 7 8 9 m 坨b h b l l l 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 复旦大学博士学位论文 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 l 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 图4 2 8 图4 2 9 图4 3 0 图4 3 1 图4 3 2 图4 3 3 图4 3 4 图4 3 5 图4 3 6 图4 3 7 图4 3 8 图4 3 9 图4 4 0 图4 4 1 图4 4 2 图4 4 3 图4 4 4 图4 4 5 图4 4 6 图4 4 7 图4 4 8 图4 4 9 图4 5 0 图4 5 l 图4 5 2 图4 5 3 图4 5 4 图4 5 5 图4 5 6 图4 5 7 图4 5 8 图4 5 9 图4 6 0 图4 6 1 图4 6 2 图4 6 3 图4 6 4 图4 6 5 图5 1 采样电容共享的全差分开关电容积分器结构4 6 调制器整体拓扑结构4 7 调制器噪声源位置图4 7 调制器非理想特性发生位置图5 0 实际c m o s 开关导通电阻与宽长比的关系。5 l 有限增益下积分器半电路在采样相和积分相的工作模型5 l 调制器信噪比和放大器增益的关系曲线5 2 有限带宽增益下积分器半电路在采样相和积分相的工作模型5 2 调制器信噪比和放大器单位增益带宽的关系曲线5 3 调制器信噪比和量化器迟滞的关系曲线5 4 两级运放电路图5 6 放大器小信号等效半电路5 7 共模反馈电路图5 8 偏置电路结构图5 8 放大器a c 仿真得到的幅频和相频曲线5 9 应用斩波稳零技术的第一级放大器6 0 斩波稳零时钟与调制器时钟的相位关系6 0 斩波稳零技术原理示意图6 l 比较器电路图6 1 比较器所需双相非交叠时钟1 和2 6 2 预置期和再建期第一阶段的比较器小信号模型6 3 比较器仿真结果6 4 时钟电路6 5 时钟电路仿真波形6 6 分三级实现的多相分解梳状滤波器结构6 7 只用一个9 位加法器实现6 项相加的加法策略6 8 只用一个9 位加法器实现6 项相加的加法策略6 8 三级级联的波数字滤波器结构6 9 增益补偿滤波器幅频特性与补偿后降采样滤波器幅频特性6 9 第一级积分器与其核心放大器的版图7 0 整体芯片版图7 0 本设计中调制器与降采样滤波器时钟相位关系7 1 a d c 的两种测试方法：背靠背测试与f f t 测试7 2 p c b 照片7 3 三个频点处的s n r 结果7 3 本次设计的芯片测试性能与国际水平文献对比图7 4 连续型调制器结构框图7 6 时钟抖动下的两种电流波形7 6 连续型调制器中的两类常见积分器7 8 适用于两种常见积分器的补偿电路结构7 9 自动调整结构8 2 自动调整电路时序与积分器输出电压波形8 2 一位鼙化的3 阶连续型调制器框图8 4 调制器电路拓扑结构8 4 第一级积分器的放大器与其偏置电路结构8 6 比较器电路图8 7 补偿电路中放大器电路图8 8 开关电容采样支路时钟相位关系8 8 三种情况下的调制器输出频谱：理想时钟，抖动时钟无补偿有补偿9 0 自动调整结构的瞬态响应9 l f p m a 在汽车以及p c 外设领域的应用举例9 4 图片索弓 浮栅f p a a 功耗与方进定律下的d s p 功耗对比。9 6 可编程数字阵列结构框图9 6 f p m a 管脚分布和功能模块布局9 7 f p m a 整体架构9 8 可编程模拟阵列结构框图9 9 a s i d 与a s m d 的结构图1 0 0 比较器与极大、极小功能结构图1 0 0 模拟加法、减法电路结构1 0 1 模拟积分、微分电路结构1 0 1 模拟乘法、除法电路结构1 0 2 可编程增益放大器与其电容阵列结构1 0 3 可编科数字阵列结构框图。1 0 4 可编程逻辑单元阵列结构图1 0 5 c l b 结构图。1 0 6 传统结构与本设计改进的互联模块结构的对比1 0 6 c l b 周围互联结构和两种开关模块的对比1 0 7 可编程逻辑单元阵列局部互联结构1 0 7 s r a m 结构1 0 8 f p m a 系统时钟分配1 0 9 f p m a 芯片版图1 1 0 f p m a 测试方案1 l o p c b 照片1 11 f p m a 测试环境1 11 f p m a 各功能模块测试结果一1 13 p i d 测试方案1 1 3 数模混合测试方案( m c u + 数字阵列+ d a c ) 1 1 3 p j d 与数模混合测试结果。113 v 2 3 4 5 6 7 8 9 m 他b m搭体侈加甜趁筋孔笱拍筋 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表格索弓 表格索引 模数转换技术发展里程碑2 l 六类主流a d c 应用范围2 l 六类主流a d c 性能对比2 1 调制器中电容取值4 9 建立精度与建立时间的关系5 0 调制器各模块性能指标5 4 放大器性能参数6 0 比较器性能参数6 4 时钟电路仿真结果6 6 梳状滤波器第一级系数6 7 a d c 性能测试结果。7 3 本次设计的芯片测试性能与国际水平文献对比表7 4 连续型与离散型性能比较7 5 调制器元件参数8 4 三种情况下的调制器输出信噪比9 0 调制器各模块功耗9 0 p s o c 各系列性能特点。9 4 可编程模拟阵列组成模块的个数与功能描述9 8 f p m a 测试性能总结表l14 v u 0 i 2 3 l 2 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l l l l l 2 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 表表表表表表表表表表表表表表表表表表表 第1 章引言 第1 章引言 1 1 研究背景 进入2 1 世纪后的十年来，世界特别是中国的经济得到了迅猛的发展，它们 对能源的需求也越来越大。同时，人口增长、经济扩张和城市化进程大幅度提升 了对便携式电子设备、家电、仪器等电子产品的需求。美国能源部的一份数据表 明，美国3 3 的主要能源消耗来自建筑物的空调系统，这些设备一年四季的加热 和制冷消耗了等同于2 1 亿桶石油的能量。而世界上的能源是有限的，并且煤炭、 石油、天然气等主要资源是不可再生的，而这些能源在转换成人们需要的电能的 过程中还对环境造成了严重的污染。 能源价格的日益上涨和人们对环境重视程度的提升，使得一度呈爆炸式发展 的集成电路产业对自身发展道路和方向进行了反思。特别是自2 0 0 8 年以来，全 球性金融危机已经席卷了各行各业，作为i c 产业上游的芯片设计行业，需求萎 缩带来的影响至为深远。以这次危机为契机，芯片设计的两大颠扑不破的发展方 向更加明朗：系统集成与低功耗。 首先回顾一下2 0 世纪7 0 年代至今集成电路的发展历程，如图1 1 所示【l 】。 从上世纪8 0 年代以来，由于大规模集成电路的出现，主要技术已经从模拟转向 了数字，音频、图像、视频、有线无线通信等所有信号都实现了数字化传输与 处理，数字电路的销售比重也占到i c 市场的8 0 以上。但是，模拟i c 却绝不会 在这场数字化的浪潮中销声匿迹，相反，2 0 0 4 年2 0 0 8 年的市场数据表明，模 拟i c 的市场年增长率达4 5 ，在整个半导体市场所占的比重始终在1 7 左右， 且有继续保持的趋势。这主要是由两个原因决定的：首先，模拟电路是现实的模 拟世界和数字处理技术的必需接口；其次，模拟电路为芯片提供了必不可少的时 钟信号和电源供给【2 】。 集成电路的发展簪孤 大规模集成电路( 门阵列，基于标准单元的集成电路)凌 功能专一的集成电路( 数字电路、模拟电路) 1 9 7 0 年 19 8 0 年1 9 9 0 年2 0 0 0 年 2 0 1 0 年 图l - l四十年来集成电路的发展趋势 在制造工艺的微细化和设计技术的进步( 主要是计算机性能的提升、e d a 设计工具智能化水平的提高与硬件描述语言的发展) 两大火车头的带动下，越来 复旦人学博十学位论文 越复杂的芯片被设计出来，最终形成了s o c ( s y s t e mo nc h i p ，片上系统) 的设计技 术。s o c 是a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i 6 ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 设计方法学中的新技术， 是指以嵌入式系统为核心，以i p 复用技术为基础，集软、硬件于一体，并追求 产品系统最大包容的集成芯片。s o c 在一个芯片上实现了信号采集、转换、存储、 处理和i o 等功能，其销售额也从从2 0 0 2 年的1 3 6 亿美元，增长到2 0 0 7 年的 3 4 7 亿美元，年增长率超过2 0 。 对于s o c 设汁米 兑，其最关键的指丰，j ：就是功耗，特别是l 艺的进步让人们 在一块芯片i ：集成更多的晶体管后，其功率密度得到了迅速的上升。图1 2 所示 的是i n t e l 公司的f r e dp o l l a c k 在1 9 9 9 年作出的1 个功率密度预测，虽然其后i n t e l 、 a m d 等处理器公司采用多核技术推迟了这一功率密度壁垒的到来，然而还是无 法满足市场的需要，当前s o c 功耗的指标要求与实际值的对应如图1 3 所示【3 】， 从图中r 叮以看到实际实现的功耗与指标相去毖远，并且这一鸿沟在未来的十年里 还会日渐拉大。 8 0 0 0 7 0 0 0 6 0 0 0 一5 0 0 0 ； e 4 0 0 0 计 式3 0 0 0 2 o d 0 1 0 0 0 o 1 9 7 0 年1 9 8 0 年 1 9 9 0 年 2 0 0 0 年 2 0 1 0 年 图1 2集成电路功率密度随尺jj + 缩减而迅速上升 酒实际趋纷：存储器静态功耗 一实际趋势：逻辑静态功耗 实际趋势：存储器动态功耗嚣实际趋势：逻辑动态功耗 懑高二k ：仃储器与逻辑的动态_ o 静态功丰 图仞 实际功率趋势、 功率需求 2 d 0 6 2 0 0 6 2 0 0 72 82 0 0 9 2 0 02 0 1 12 0 1 22 0 1 32 0 1 4 2 0 1 s 2 0 1 6 2 0 1 7 2 0 1 82 0 1 92 0 2 0 图1 3集成电路功率发展趋势：指标要求与实际趋势的对比 咖 瞄 ， o 1 neo、_)型韶瓣督 第l 章引言 基于如此严峻的现实，业界提出了绿色电子的概念，并旗帜鲜明地投入巨大 的人力物力进行研究和开发。所谓绿色电子的研发就是针对电池供电应用生产低 功耗产品，针对传感器应用生产低噪声器件，针对电源生产高效的转换器件，其 所有努力的核心都是降低电池或墙上插座供电应用的能耗，或者限制电路产生的 热量。这一概念对个人消费者、公共机构、大小型企业及政府机关都有着莫大的 吸引力：更低的功耗和更高的效率可以降低电费开支、有利于环保并延长便携式 电子设备的电池使用时间，另外高性能v l s i 产品功耗渐渐达到技术极限也使得 低功耗成为当务之急。 最有效的降低数字电路功耗的方法无疑是降低电源电压，此时c m o s 数字 电路的平均功耗会以平方关系迅速下降。另外一个方面，降低电源电压还能够将 尺寸日渐微细化的电子元器件的电场维持在可接受的范围内。该方法虽然会带来 器件性能的降低，但是可以用更先进的算法或调整工艺以适合低电压工作来克服 【4 】【5 】。 然而，对于模拟电路而言，降低电源电压对低功耗的贡献并不有效，严密的 理论推导也表明模拟电路功耗不随电源电压而变化。这主要是因为温度一定的情 况下，模拟电路功耗主要由其信噪比指标和工作频率( 或者说需要的带宽) 决定。 因而对于低功耗模式设计，需要寻找其它的有效手段。 1 2 低功耗数模混合集成技术的作用 低功耗数模混合集成技术作为s o c 设计的关键因素，不仅强化了芯片功能， 还可以在多方面提升芯片性能，具体表现在： ( 1 ) 丰富功能。随着集成电路的集成度与工艺水平的不断提高，单片的晶体管数 目越来越多，而新涌现的设计方法与设计工具可以将功能各异的模块或i p 核 集成到一块芯片上，在一个芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和i o 等 操作，使芯片功能得到大大丰富。 ( 2 ) 降低功耗。通过把信号的传输从片外转移到片内，缩短了信号传输路径并减 轻了负载，并采用了丰富的低功耗设计技术，从而大幅降低芯片功耗。 ( 3 ) 减小体积。由于将数颗功能专一的模拟、数字、m c u 、存储器等芯片整合为 一颗s o c ，通过紧凑的设计与数模隔离技术缩小了芯片面积，并通过管脚复 用减少了芯片的总管脚数目，体现在封装后的芯片上就是重量轻、体积小的 特点，也就可以缩小开发板与应用板的面积，从而有利于设计更为迷你的电 子产品。 ( 4 ) 提高速度。信号的传输从片外转移到片内，降低了系统板上因信号在多个芯 片间传输带来的延迟，带来了传输效率的提升，从而提高了芯片的速度与可 复旦大学博士学位论文 靠性。 ( 5 ) 节省成本。总芯片面积的减少可以节省制造成本，芯片个数的减少也可以节 约封装成本，另外，i p 模块的出现可以缩短研发时间并减小风险，从而减少 研发成本。 1 3 问题与挑战 虽然低功耗数模混合集成设计技术的优点突出并得到了业界的青睐，但是作 为一项快速发展并且不断完善的技术，也遇到了来自四个方面的强劲挑战： ( 1 ) i p 的种类和复杂度越来越大以及通用接口的缺乏均使得i p 的集成变得越来 越困难。由于口模块标准化进程的缓慢，很多芯片公司、i p 厂商和e d a 企 业都以自己公司内部的规范作为设计标准，接口复杂又缺乏统一。对设计者 而言，要集成口模块，就要在琳琅满目的i p 中选择最适合的，并对其功能、 接口和电气特性完全理解，会在一定程度上延长设计周期。而系统复杂性的 提高使得各i p 模块间、i p 模块与自己的设计之间在时序的完全吻合上困难重 重。 ( 2 ) 当工艺制程从o 1 8 微米、0 1 3 微米、9 0 纳米一路精细化到6 5 纳米甚至4 5 纳 米，工艺的非理想特性与二级效应越来越明显，传统的低功耗设计方法在某 种程度上失效，采用更先进的工艺也许反而会引起性能的下降与功耗的上升。 在存储器与数字电路的设计享受着工艺进步的成果时，数模混合设计技术的 演进困难重重，至今成熟产品仍停留在o 1 8 微米、o 2 5 微米甚至更早的工艺 上。另外，采用更先进的9 0 l m 以下工艺技术时，功率收敛和时序收敛的问 题也会变得突出，不可避免地导致更长的设计验证时间。 ( 3 ) 模拟、混合信号和数字电路的设计在协调与契合度上有待提高。在时间上， 模拟电路的开发与验证十分耗时，经常导致芯片的整体开发周期较长。在 e d a 工具上，需要能够有更快速度并且满足模拟模块精度要求的仿真工具， 并可以在计算机上同时分析模拟电路、数字电路的工作情况以进行协调，减 少设计工程师之间的依赖，提高工作效率。在对设计人员的要求上，需要项 目负责人对模拟、数字、存储器、i p 等各方面都有充分的了解，否则模块的 繁多、时序的复杂很容易导致项目的失控。 ( 4 ) 由于芯片结构的复杂性增强，而针对混合信号的可测性设计技术仍不完善， 有可能导致测试成本增加及生产成品率下降。 1 4 论文主要工作与创新点 本论文首先对低功耗数字设计、低功耗模拟设计和低功耗数模混合设计技术 进行了研究，然后先后应用到了三个典型的数模混合系统上，分别是：设计了 4 第1 章引言 一个1 6 位精度、9 6 k h z 带宽的离散型模数转换器，包括模拟方式实现的调制 器与数字降采样滤波器，并进行了流片测试；针对连续型调制器的易受时 钟抖动和工艺偏差影响的缺点，设计了一款可以很好地抑制这两个因素对调制器 性能影响的低功耗矫正电路；设计了一款现场可编程混合信号阵列，集成了可 重构模拟阵列、可重构数字阵列、8 位m c u 、s p i 协议端口与存储器、以及时钟 电路等，并进行了系统架构与各阵列架构的优化设计、流片与测试。 本论文的主要创新点有： ( 1 ) 在离散型调制器设计中，应用了斩波稳零技术以抑制放大器直流失调与闪 烁噪声对系统的影响，应用了亚阈值设计技术以提高放大器增益和带宽以抑 制调制器z 域传递函数的非理想特性，这两种方法在功耗基本不增加的前提 下都提高了调制器的动态性能，从而提升了其f o m 值。 ( 2 ) 在离散型模数转换器的降采样滤波器设计中，采用了改进的4 级结构，并 将过采样开关前置以降低后级功耗，在梳状滤波器中采用了改进的加法策略 以节省加法器个数。这些方法都有效降低了数字滤波器的功耗和面积。 吾。 ( 3 ) 在连续型调制器设计中，提出了一种时钟抖动与工艺偏差的联合矫正技 术。该技术利用具有离散采样支路与连续采样支路的积分器，得到每个时钟 周期的抖动值，并在下一个周期对该抖动引入的