（电路与系统专业论文）sigmadelta+adc的低压低功耗设计技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文51 9 叮 旧 电 deltaa d c的 刁 氏 压 低功 耗设计 技术 研究 63幻 图4 2 5两级a b z a b结构二 ， . . 一， ， . . . - . - - - - . 一，. . . 一， - . . . . .一 ，. ” r . . . - -. . . 一 “ . “ 一 ，. 一 图4 2 6 a b类输入级电流与输入信号的关系- - - - .- - 一 “ . 一，. ，. . - - - - 一 . . . - - . . .一” . 图5.1 图5 2 图 5. 3 图5. 4 图5. 5 图 5 石 图 5. 7 图5. 8 图5. 9 6 阶半带滤波器的典型结构-. . . ” -. 一 多采样率结构一 “ .- 一，. . . . - - - - . 一 . . 多项式结构. . - - . . . - - . - . -. - . . - . ” . . . . - 一 ( a) 尽 ( : )助凡( 2 )( c ) 瓦( 2 )( d) e.( 2 ) ，. . ， ， 一 甲 ， ，科 . - 一“.65 ” . . .66 :.，. 二 _ . - . 一 66 。一” .66 :. ，. . ，. 67 . - 一 。 . 一 ， ， .68 :. _ _ _69 :.70泪 系数31的直接实现方式， - . .- -. . .“ :.“ ” . ， 一 “ “ 一 ， ， . ” 一 一 图5 . 10 优化后的多项式实现结构 图 5 通 1 图 5 . 1 2 不同降采样率下各结构的面积和功耗比较 “ . - 一 “ . ” -一 :. “ . ， . . “ “ :. 不同降采样率下的功耗分配及总功耗 ”. - - . . . 一 ，. - . . . - - - - 一 ， . . . 一 夕 :. 3 一 8_ 浙江大学硕士学位论文 a d c的低压低功耗设计技术研究 表目 录 表 4 1 表 4 2 表 4 3 表 4 .4 表 5. 1 表 5 2 三 种 可 行的 阶 数 选 择.，.-. -.-一” 一，. 一 ，. . . . . 一 ” 一 ” 一“ 一 ” . ，二 “ 一 41 415455:7l 三种可行方案比 较结果. . . 一” 一 ” - - . ” -. . . - - - . . . . . 一 - 一 - . ” “ ，. ” ” ” - - - . . “ “ - - 一 51 ， na . delta 调 制 器 系 统 要 求 ， . “ 一 ，- ， . “ 一 . ” 一 各 模 块 主 要 性 能 指 标一 ，. ，- . .” ” 一“ . ” 一 “ . “ “ -一 “ 梳状滤波器四种实现结构的比 较- . 一 “ ” ” . - - - -. - .- . ，. “ ” - . - . - - - - ” ” -. . - .一 抽样滤波器中 面积和功耗分布. “ 一 ，. . .” .- . 一 ， . . . - . . - - - . . - - .，. - 一 . 9。 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导 师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。 据我所知， 除了文中特别加以 标注和致谢的 地方外， 论文中不包含其 他 人 已 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 丝些迷色或 其 他 教 育 机 构的学位或证书而使用过的 材料。 与我一同 工作的同 志对本研究所做的 任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名:签字日期:年月日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解一 鱼 丝大生 - 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 ， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘， 允许论文被查阅和 借 阅 。 本 人 授 权 遗丝人生钾 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文. ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名:导师签名: 签字日期:年月日签字日 期:年月日 学位论文作者毕业后去向: 1作单 位: ren s se l a e r p o ly t e c h n i c l n st itute 通讯 地址:1 10st h s treet ， troy， n e w york ， u s a 电话:1 一 5 1 8 一 2 7 6- 6 2 1 6 邮编:1 2 1 8 0 一 3 5 91) 浙江大学硕士学位论文si g ma- d el ta a d c的 低压 低功 耗设计 技术研究 摘要 随着集成电 路特征线宽的持续缩小，芯片的工作频率、 集成度和复杂性大 幅增加， 功耗也随 之急剧增加. 而近年来以电 池供电的移动电 话、数码相机、 p d a等便携式电 子产品迅速发展， 消费 者对便携式设备的 续航能力有着持续增 长的需求.因此， 集成电 路的低压低功耗设计己 成为学术界和工程界的研究热 点 和难点。 而 si g m a . d e l t 。 模数转换器由 于采用了 过采样和噪 声整形 技术， 能 以较低成本达到较高的转换精度，在便携式电子产品中获得了广泛的应用。基 于以 上两点原因， 论文主要针对 si gm小 d el ta模数 转换器开展 混合信号集成电 路低压低功耗设计的研究。 鉴于模拟和数字集成电 路设计方法的差异性，论文对模拟电路和数字电路 低压低功 耗设 计的 现有技术分别作了 整理、 归纳 和总 结。 介绍了si gma . e 怡 lta模 数转换器的基本工作原理、采用的主要技术以及发展现状。在此基础上，对 si gma 一 delta模数转换 器中的 模拟电 路和数字电 路分别 进行了 低压低功耗设计。 针对模拟电 路 部分， 即si g m a 一 d elt a 调 制器， 本文 在系统 级 分析了 影响 调 制 器功耗的各种本质的和非理想的因素， 讨论了如何根据系统设计要求确定调制器 的阶数以 获取最低功耗; 在结构级提出了 一种能够实现小电容比 值的开关电容积 分器结构， 从而解决零点优化中 遇到的小系数实现问 题， 与传统积分器结构相比， 大幅度地减小了电 容面积， 降低了功耗; 在电 路级对运放进行了功耗分析， 对运 放的典型结构进行了比 较，并根据调制器的工作特点提出了两级a b /ab结构， 和用交叉祸合对负载消除第一级共模反馈电路的 方法， 进一步降 低调制器正常工 作时的 功耗。 本文 还分 析了s ig m a 一 d elt a 调 制器中 各 种非理 想因 素， 介绍了 如何 根据这些非理想因 素计算得出满足系统要求的各模块的最低性能指标， 亦即满足 系统要求的最低实现功耗。 研究结果经系统仿真验证了正确性。 针对数字电路部分，即抽样滤波器， 本文分析了 其在不同降采样率下的不同 特点， 分别针对低降采样率和高降采样率两种应用环境对抽样滤波器的结构进行 了优化。 在低过采样率应用环境中， 分析与比较了 梳状滤波器的三种不同实现结 构，并提出了一种经过改进的多项式结构。仿真结果表明改进结构可比传统的 cic结构节省 36% 的面积和 50%的功耗，比 近期报道的多项式结构亦减少 14% 的面积和3 %的功耗。 在高过采样率工作环境下， 论证了cic结构的优越性， 并 根据抽样滤波器在该工作条件下的特点， 提出了一种低采样率梳状滤波器带多级 半带滤波器的 优 化结构。 该部 分所 有 工作都在t s m c o . 18 阿 工艺 下设计完成。 关键词:si g m a 一 d el ta调制器、 抽样滤波器、 低压、 低功耗 浙江大学硕士学位论文51 9 比 旧 . deltaa d c的低 压低功 耗设计 技术 研究 ab s t r a ct a s th e fe a to res iz e o f m o d e mi nt e gr a t e d c i rc u it ( i c ) k ee p s re d u c i n g ， itso pera t l on 触q u e n cy， d en s ityan d co m p l ex i tyaswel l asitspow e r d is s i p at ioni s co ni i nu o u s ly i n c 此 a s i n g ， m e anwhi le ， b a ti e ry 一 h a 飞 e d portab 卜e le c l r o n ic d e v i c essu 比asm o b i l e p h o n e ， d i g i ta l c ame 低p d aand soon价 al sod eve lo p i n g y 恻 fa stthe d e m an d o f l ong s ta n d 一 byt im e o f th e c o n su m erp rodu ct s k e e p s i n creas in g . 5 0 ， l ow v o l tage l ow p o w e r d e s igno f i n t e g r a t edc i邝 u it s bec ome s one otth e h otand d i ffic u lt rese ar c h areas i n botha c a d emi a and in d u st iy.on th e otherh 胡d ， m ore a n d m 峨 s i glna 刃呛 lfaa i x:5 眼 app l i c d 协th e port a b 1 e e le c l r o n i c d evi c esre cen t ly，whic h cou id o ffer q u it e a h i gh re sol ut i on atal ow c ost d u eto u t i i iz i n gth eove rsam p 1 玩 gandn o i s esh api n g techno l o gy. f ort b e s . 嘟son s，a s a g o od e x a!np l e ， th e thes i s f( 沁 u se d th e re s e 畔h o f l o wv o 】 ta g e low power m lx e d 一 s i gna l l c o n s i 脚a 一 deltaa d ( . b ec auseo f d i ffer e n c e s b e 1 w e end e s i gnm 曲eds for a n a logand d i g ita l c ircu i ts ， th ere c e nta p p ro a c h e s 协 low p o wer d e s i助 o f d i g ital an da n a l o gc i代 u i tsw 瞬 d iscu s 即 d ， s u m m a ri z e da n do rg a n iz ed 化 s pectiv e l y.thofo nda m e n ta i p ri n c i p l e s ， ” n ntte c h n o l o g i e s and d eve io p m e n t s on s i脚a 一 d e ltaa i) 一 werel n t r o d u c c d . and th e iow v o ltag e l ow p o w erd e s i gnfo r ana lo g and d i g i ta i c i rcui ts认it was c ond u c te d a s toth e ana l o g p a rt ， s i g n l a 一 del tam o d u l a 1 o r， a l l k i n d s o f e s se n t i a l and n on一 i d e al 几 以 。 rsth atare re l a t edtoth e p 0 w e r con s u m pt iono f m odu 1at 0 岛werea n a ly z e d in t h e sys 沈 ml eve l ， b ased on th e ana l y s i s，i t w asd i scu s se d th ath o wtofix t h e 0 r d e r for m edu 】 a t o rstofo l fi l l t h esy st e mre q u i 瀚 e n t s aswel l asto朗 h i eve th e m i n l n l u m pow e r i n th e s 。 七 c tu 律l e v e l ， a n ew s 仇 刀ctoreo f swite h ed一 c apac i for i ntegr at ors w a s p ro pose d tore a l izea sma l l c oeffi c i ent and so l v e th e p r o b i e mi n zeroopt im izati o n . c o m p ared toth e t 口 d i t io n alo n e ， t h i s n e ws t ru c to rel 鸣e lyredu ce d the area and pow e r con sum ed by c a p a c it ors. i nc i 、 u i t leve l ， th cp o w ercon sum p t i on ino perati ona l amp l i fi ers w a s ana lyze d . a ft era n a l担in g an d c ompari ngs e v e la l c l as s ic als 打 七 c tu re s o f 。 伴rati ona l amp l i fi e 氏 a n e ws t ru c t u reo f c l a s s a b /abw asp ro pose d tore d u ceth e p o w e r c o n s u m pt ion i n 罗n eral o perati o n s . ak i n d o f c ro s s ， c o uple l o adwas u se d to e l i m in ate th e c mf bc i佗 u it i n th e fi rst stagetofo rthe r 阎u cethe pow e r thi s th e s i s a ls o a n a ly zed a l l k in d s o f i m port a n t n o n 一 id eafa ctorsin s i 脚含 d 心 itam 叱u la t o rs ， a n d i n trod u c edm ethods t o c a lc u l a t e t h e m in i m u ms p e c fo r a i l m odu lc s ac c o r d 1 n g t o th e 耸 伪 以 。 rs ， whi chm e ans t h ere q u ire dm i n i m u mpow e r i no rd ertofo l fi l l t h es y st em re q u ire m e nts. the v al i d ityo f re s c a 代 h re s u lt s w a s v e r i fi e d bysy st em s i m u l atio n . a s toth e d i g i ta l p art， d e c i m a t i o nfi l t e r，d i ffere n t c h a ra c t e ri st i c s u n d e r d i fferen t 浙江大学硕士学位论文si g ma-d e ltaa d c 的 低压 低 功 耗 设计 技术 研究 down一 sam pling 口 l e sw e r eanal y ze d .twos l nj cture opt而ization 邪 h emes for d ecimati叨 川 化 传 working in di ffere ni d o 物一 sa mpling拍 l e swerep r 砚 姆 n t ed re s pectiv e ly.a sto th el ow d o wn一 s amp l in gm t ， t h r e ed i ffe嘟ts t nj c to 化 sto i m p lemen t th e s in c 五 l t e r w ere ana ly z e d and com p a r e d ， a m odi fi edpo】 y p h 叹 成 川 ctu化 was p r o pose d . s im u iat i onre su ltssh o w e dth atinc omp arison w itht ra d 1 t iona l c l c s tructure ， th e n ew s tr ” c tu recou ldsav e a b o u t 3 6 %areaand 5 0 %卯w e r th亡 re su l ts w e 代a isob e tt e r th a n t h e l atestre pod e d pol y p h ase s t ru cture : a 比u t l 4 %盯 e . and 3 % p o wer c oul d比saved. a s t oth e h i gh d o w n 一 s amp l in g“ 蛇 e ， th e adv anl a g e o f c i c 5 宜 ru c tu rewas te st i fi e d ， a n d th e opt i m i zatio n for th e d e c i m at i o n st 几 d u rewas b rou ght 几 ，a rdb ased加 th e d i 而but io no f pow erd i s s ip at i o n . a l l wo浅i nth i s p art w a s c omp l et edi n t s m co . 1 8 阿 te c h n o l o gy. k 仃， 0 川5 : s i g l l l a . d e l tam o d u l at or， d c c i . a t i o n fi l t 风l ow v o l ta g e ， l ow p ower 浙江大学硕士学位论文si g n . ， deltaa d c的 刁 氏 压 低功 耗 设计技术 研究 1 绪论 研究背景和发展现状 近年来，集成电路己经渗透到社会的各个角落，获得了飞速发展，若干年 电路设计工程师把注意力主要集中在如何实现复杂的功能，高速的性能和 l前 尽可能小的芯片面积方面，然后是可靠性和测试问题。至于芯片的散热和功耗 问题，很少在电路设计时就得到重视. 自 从20 世纪9 0年代末期以来， 集成电路的发展己经进入了深亚微米阶段。 随着特征线宽的 持续缩小， 芯片的工作频率、 密度和复杂性大幅增加， 集成电 路面临越来越多的挑战， 其中，功耗问题尤为突出。特别是 21 世纪集成电路 的 线宽 进入 1 30、 00 纳 米时 代， 片 上系统 (s oc) 成为发展趋势， 单位面积上的 器件数目 将急剧上升，集成电路的功耗也将急剧增加。仅以 c pu 为例，目 前 多款芯片的功耗达到了十几瓦特甚至几十瓦特! 如此巨大的功耗不仅使各种便 携式设备遇到电源方面的困 难，而且芯片的过热也会导致它们易于工作失效与 正常使用寿命的缩短。因此，功耗已成为继传统的二维要素 ( 速度、面积)之 后的第三维要素。 重视功耗更重要的原因是集成电路在各种便携式电子产品中的广泛应用。 近年来以电 池供电的 移动电 话、 数码相机、 个人数字处理( p d a ) 等便携式电 子 产品迅速发展，消费者对待机时间有着永无止尽的追求。延长便携式设备中电 池的寿命一直是产业界努力的方向。但是目 前电池技术相对落后，发展缓慢， 已经成为一个瓶颈，设计师们所能做的只能是想方设法降低电路的功耗。因为 电路在正常工作时所需的功耗越少，电池的寿命也就越长久。 芯片散热、封装成本等功耗相关的问题也日 趋严重。功耗会全部转化成热 能过多的热量会产生焦耳热效应，加剧硅的失效，导致器件的可靠性下降。 如果要进行快速散热，就会因 为增加散热片或者改塑料封装为陶瓷封装而导致 封装和制冷成本的提高，甚至在非移动设备中也是如此。温度过高同时会造成 载流子速度饱和，使得芯片速度无法提升。因此，从电路稳定性和速度的角度 出发也需要采用低功耗技术. 从节省能源保护环境方面考虑，降低功耗也成为十分迫切的问题。随着电 子产品普及率的急剧上升， 其总耗电量己 经不容忽视。 功耗降低散热也会减少， 从而减少对环境的影响。 总而言之，低功耗己 经成为了当前集成电路技术一个重要的研究方向，国 际上已经形成了“ 低功耗电子学”的学科， 而且各类与集成电 路有关的刊物及 国际会议中都把低功耗列为一个重要的学术交流主题。1 1 【21 【 31 浙江大学硕士学位论文si g lna- deltaa d c的低 压 低功 耗 设计技术 研究 到目 前为 止， 国内 外的 专家学者对模拟集成电 路 和数字集成电 路的 低功耗设 计方法进行了大量而深入的 研究， 已经取得了 很大的进展， 并逐渐形成了一定的 低功耗设计方法。 由 于模拟集成电路和数字集成电路的设计方法存在着比较大的 差异，因此，针对模拟集成电 路和数字集成电 路的低功耗设计方法也是不同的。 数字集成电路的功耗优化方法可以分为几个层次，自 上而下分别为系统级、 算 法级、 r t l 级、 逻辑 级、电 路级和后 端综 合布 局 布线【 叼 【 51 【 61 。 在系 统级， 主 要是使用各种时钟管理技术动态管理功耗， 当系统或者模块电 路不工作时将其处 于睡眠模式。 并且根据计算需要， 调整系统各部分所需的工作电压和频率。 在算 法级， 功耗优化可以 通过流水线和并行处理、 时序重定、 程序或算法的展开和折 叠等基本方法及其组合来实现。在r t l级，可以 利用流水线结构减少关键路径 延迟， 从而给降低电 源电 压或者选择功耗较低的 计算模块提供可能性。 也可以通 过对有限 状态机的状态进行编码， 减少状态翻转时的 功耗。 在逻辑级， 可以利用 无关项进行低功耗化简、 平衡路径以减少毛刺、 提取公因子等方法对组合逻辑电 路的逻辑表达式进行化简以 减小面积、 延迟、 功耗等。 而时序电路除了组合逻辑 电 路的功耗优化方法外， 还可以用重定时、 门 控时钟以 及与门 控时钟技术相结合 的预先计算等方法优化功耗。 在电路级， 节点的电 平翻转行为己经确定， 只能通 过调整节点电容以及合理安排晶体管次序来改善功耗。 由于功耗与寄生电容的充 放电有很大关系， 可以通过后端综合与布局布线的 优化来减少寄生电容. 针对模拟集成电路低功耗设计的基本限制， 比 较可行的措施是采用轨对轨设 计， 也可以 让m o s 管工作在亚闭值工作区。 在低电压电路或小工艺尺寸电路中， 器件的闭值电压希望得到降低。 基于数模工艺兼容的考虑， 可以采用衬漏正偏技 术、 衬底电流驱动和衬底驱动技术等方法来降低模拟器件的闺值电压。 由 于器件 尺寸变小， 器件的性能与原先大尺寸器件有很大的差异， 可以 用组合晶体管技术 来增加小信号输出阻抗， 从而改善沟道长度调制效应对器件的影响。 也可以采用 c m o s 工艺下兼容的 横向b jt技术， 来改进器件的匹配性和l lf噪声. 5 01技术 可以减小器件电容、 消除衬底漏电流， 从而确保高速低功耗运算， 同时实现电路 的高集成度。 电流模式电 路对工艺无特殊要求、 兼容性好、 在高性能低压低功耗 模拟集成电路的设计与应用中具有极大潜力。 而依靠特殊工艺的独立驱动双栅 m o sfet 和浮栅m o s f et 可以 获得较低的阐值电 压。 在数字电 路中广 泛应用的 门 控时钟技术也能够被应用到模拟电路中。【 刀 【 8 【 9 浙江大学 硕士学 位论文5 论 ma deltaa d c的 低压 低功 耗 设计 技术 研究 1 .2 研究动机和意义 目 前各类基于数字技术的无线通信设备、数字消费 产品层出 不穷， 而且传统 的模拟产品如电视机等也开始加入数字处理功能。 然而， 我们生活在一个连续变 化的模拟世界上， 人类能够感知的声音与图像等信息必须通过模数转换才能转化 为可以 被计算机处理的数字信号。 因此， 模数转换器是现代电子产品中不可或缺 的组成部分。 随 着便携式电 子设备对低功耗高分辨率的 模数 转换器的 需求越来越大【 2 ， 51 脚。 . d e lta模数 转换器以 其能 够以 较低的 成本 取得 极高的 分辨率， 在高保真音 频、 语音处理、 测量和语音频带数据通讯等低频高精度的场合获得了广泛的应用。 与 传 统 的 奈 奎 斯 特 采 样 率 模 数 转 换器 相比 ， si gma 一 d el ta模 数 转 换 器 用到 的 模 拟 器件相对较少， 而且对模拟器件的精度和匹配性的 要求也相对较低， 不需要复杂 的 模 拟抗混 叠滤波 器、 采样保持电 路 和比 较网 络 等 【 】 oj 。 模拟器 件比 例的减 少， 数字器 件比 例的 增加 使 得si gma- delta 模数 转换 器 更 易与 数 字电 路 进行集成， 从 而可以充分利用数字集成电 路的优势， 避免在一个有限的模拟动态范围内 执行复 杂模拟电 路的困 难【 川. 随 着信号处 理理论的日 趋完 善， 信号处理器 (ds p) 芯片 应用的日 益普及， 这种基于通信编码理论与数字信号处理技术的模数转换器将会 成为未 来市场的 主流。 作为 便携式设备中的 重 要组 成 部分， si gma . d e lta 模数转 换器的低功耗设计也是近年来研究领域中的热点。 而 且， si gma- delta模数转换器是 一 个典 型的 混合 信 号集 成电 路， 除了内 部的 调制器是模拟电路之外其余部分是数字电路。 对其进行低功耗设计的 研究， 既包 括了对模拟电路低功耗设计的研究， 又包括了 对数字电路低功耗设计的研究， 还 能够根据两部分在整个模数转换器中协同工作的 特点， 在系统层面上展开对混合 信号电 路功耗优化的研究。 此外， 该研究课题还依托于国家自 然科学基金资助的重点项目“ 5 龙低功耗 电路与系统设计方法” ，以及我校超大规模设计研究所和美国模拟器件公司 ( a na lo g d e v i eeln c. ) 的 合作 项目 “ 测量用高精 度si gma 一elt a a d c 的 低 功耗设计气 浙江大学硕士学位论文51 9 “ 旧 闷 deltaa d c的 刁 氏 压 低功 耗设计 技术 研究 1 3 研究内容和目 标 本次毕业设计的研究内容主要是模拟集成电路和数字集成电 路的低功耗设 计 方 法 ， 并 在 此 理 论 基 础 上 针 对 一 款 实 际 的si gma 一 delta模 数 转 换 器 进 行 低 功 耗 设 计 的 研究， 将理 论 的 方 法 用到 实 际 的 项目 当 中 。 由 于si gma- delta模 数 转 换 器 是一个数模混合信号的系 统， 而针对模拟集成电 路和数字集成电 路的 低功耗设计 方 法又有 所不同， 因 此， 本次 研究 将si gma 一 d el ta模数转换器的 模 拟部 分和 数字 部分划分开来，对调制器和抽样滤波器分别进行低功耗设计。 在si gma 一e lta调 制器 方面， 首 先， 将根据 所需的 设计指 标在系 统 实 现上进 行低功耗研究，确定具体的实现方式， 包括调制器的阶数、 过采样率等:其次， 将在系统结构方面进行低功耗研究， 包括结构中各系数的确定、 单位电容值的选 取等; 再次， 将是各模块电路的低功耗设计及优化， 其中包括积分器、 量化器和 带隙基准等主要模块;最后， 将是布局布线时的考虑，尽量减少寄生电容等。 在抽样滤波器方面，由 于其功耗分配特点在过采样率不同时有所不同， 因此 将低功耗研究根据过 采样率的高低进行划分。 分别针对过高采样率和低过采样率 的 应用环境进行功耗优化。 主要包括抽样滤波器的 整体结构优化、 梳状滤波器的 结构优化、半带滤波器的结构优化、逻辑和代码优化、单元电 路优化等。 本次毕业设计的研究目 标是掌握国内 外在模拟和数字集成电路低功耗设计 方面的先进技术，探寻混合信号集成电路低功耗设计的特点和难点;掌握 si gma 一el ta模数转换器的 工作原理， 将前期积累的 低功 耗设计方 法应用到这 个 混合信号系统中， 对调制器和抽样滤波器进行低功耗设计或者功耗优化， 最终在 0. 35u m标准c m o s 工艺下完成一个可以 用在由电 池供电的 便携式测 量仪器上的 高 精 度si gma . d e lta 模 数 转 换 器， 为 下 一 阶 段 深 亚 微 米数 字 工 艺 实 现 奠 定 基 础。 预 期的 研 究 成 果 有 混 合 信号 集 成电 路 低 功 耗 设 计的 综 述、 si gma . d 呛 厄模 数 转 换器低功耗设计的研究报告、以及 1 .s v ，16 位可用于电池供电手持设备的 si gm含 delta模数 转换器的 系统级 设 计、电 路 级设计 和版图 级设 计。 浙江大学硕士学位论文si g ma， deltaa n (的 低压 低功 耗设计 技术 研究 1 .4 论文架构 本文将在第二章分别详细介绍现阶段模拟集成电路和数字集成电路低功耗 的设计方法。 其中， 在模拟集成电 路方面， 主要对低压低功耗进行了探讨， 介绍 了五种可行性比 较强的低压低功耗设计方法，以及目 前比 较流行的电流模式电 路。 在数字集成电 路方面， 归纳总结了系统级、 算法级、 逻辑级、门级以 及工艺 级每一级的功耗优化技术。 第 三章介绍了si gma- delta模数转 换 器的 基本理 论。 首先 介绍了si gma . d e lta 模数转换器采用的最主要的技术: 过采样技术、 噪声整形技术以及数字滤波技术 等。 其次， 对多 种 不同 的si gjn， delta模数 转换 器进行了 分 类， 分类方式 包 括: 实现方式、实现结构、 量化器位数以及环路滤波器类型四 种。最后，介绍了 si gma 七 七 lta模数转 换器的系统结构。 在第 二章 和第 三 章的 基础上， 第四 章 和第五 章分 别介绍了si g n l a . delta模数 转换器中模拟电路部分和数字电路部分的低功耗设计方法。 第四章主要介绍模拟 部分 s i gma 一 delta 调 制器的 低 功 耗设 计 方法。 从调制器的 功 耗分析开始， 在 系统级介绍了 低压低功耗的实现方式和调制器阶数的选取对于系统功耗的影响: 在结构级介绍了前馈与反馈结构的区别以 及零点优化结构在积分器上的改进; 在 电 路级主要对运算放大器的功耗进行了分析，比 较了 共源共栅结构、两级 川a 结构、两级习八 b结构、两级a b /ab结构之间的性能及功耗. 此外， 还分析了 调制器中的各项非理想因素， 以及如何根据这些非理想因素制定满足系统性能要 求的各模块最低规格。 第五章 主要 介绍了si gma 一 delta模 数转换器中 数 字部 分 抽 样滤 波器的 低 功耗设计方法。 根据不同过采样率的应用环境分为两种不同的结构优化方法. 在 低过采样率的 应用环境中，主要针对抽样滤波器中的梳状滤波器进行了cic结 构、 多采样率结构、 多项式结构之间的比较并提出新的结构优化方案; 在高过采 样率的应用环境中， 同 样进行了以 上三种结构之间的比 较， 并主要针对抽样滤波 器的整体结构进行优化。 第六章对本次毕业设计的研究工作进行了总结，并对后续工作提出了展望。 浙汉大学硕士学位论文51 9 厅 旧 刃 晓 】ta a d c的 刁 氏 压 低 功耗 设计 技术 研究 混合信号集成电路低功耗设计方法 c m o s 集成电 路的功耗组成 刁.且 2 ， 图2. i c mo s电路功耗组成 定性地分析，如图2. 1 所示， c m o s 集成电路的功耗主要由 动态功耗、 短路 功耗和静态功耗三个方面组成。 其中动态功耗是对电路中的电容充放电形成的， 短路功耗是在开关时由电源到地形成的通路形成的， 静态功耗包括数字集成电路 中的漏电流功耗和模拟集成电路中的偏置电流功耗。其中漏电 流功耗指的是由 m o s管的衬底与源、漏扩散区之间形成的寄生二极管的反偏电流和当栅压低于 阂值电 压时形成的亚闲值电流造成的泄漏功耗， 而偏置电流功耗指的是模拟集成 电路正常工作时所需要的直流偏置所造成的功耗。 定量地分析，c m o s 集成电路总功耗可以 表示为: 尸 = 尺 十 乃= 几踢十 人 踢+ r q气 踢f(2.1) 其中只 为 静 态 功 耗 ， 乃 为 动 态 功 耗 ， 临为电 源电 压， 几为 瞬 态 短 路电 流 ， 人 为 反 向 漏电 流 ， r 为 开 关 活 动 率 ， q为 节 点 电 容 ， k 为 逻 辑 摆 幅 ， 厂 为 时 钟 频 率 。 目 前集成电路以 静态c mo s 为主。 在这类电路中， 动态功耗是整个电路功耗 的主要组成部分， 其次是短路功耗， 而静态功耗在大多数情况下可以忽略。 虽然 随着晶体管尺寸的不断缩小，电 源电压和c m o s管阂值电压的不断下降，亚闺 值电 流等漏电 流随 之增大， 从而静态功耗的影响 越来越大， 不能忽略不计， 但是 在当前工艺水平下，电 路的总功耗中起主导作用的还是动态功耗。 从动态功耗的 表达式 看， 降 低动 态功耗主要 途径有:1)降 低 工作电 压; 2) 减少 节点电 容; 3)降 低工作频率; 4)降 低节点 活 动率。 节点电容包括门电 容、 扩散电容和互连电容三个部分。 动态功耗与负载电容 成线性关系。 为了减小电容， 可使用尽量少的门 和调整管子的尺寸来减小有源区 的面积， 并使连线尽量短以减少连线电容。 当然， 电容的减小必须以 保证电 路的 浙江大学 硕士学位论文51 9 叮 口 ， 氏ltaa d c的 刁 氏 压 低功 耗设计 技术 研究 正常工作性能为限. 节点活动率表征了 节点充放电的 频率， 一般 将节点活动率与节点电 容的乘 积 表示为有效电容. 对电 路节点活性的估计十分困 难， 冒险和竞争产生的毛刺也是 节点活性的来源之一 降低节点活动率主要是避免类似于毛刺那样的无用的充放 电行为，从而降低功耗。 节点电容和节点活动率与动态功耗只是成线性关系， 而电 源电 压与动态功耗 却成平方关系。 因此， 降 低工作电 压是降 低功耗最有效的 途径， 也是 保证小尺寸 器件可靠工作的必要条件。 但是降低电源电压也会面临一系列问 题。 首先，降低电源电 压， 如果阐值电 压 几 民 sh ol d volta g 七 ) 不 变， 那么噪声 容限 倒。 isem argin) 减小， 抗干扰能力 减 弱， 信号传送的准确性就会降低。 为保持相当的噪声容限， 闭值电压必须随电 源电压 的降低而降低。 但是闭值电压也不能无限制地降 低，因为随着闽值电压的降低， 漏电流造成的静态功耗呈指数级增长， 使动态功耗的减少失去意义。 其次， 电源 电压降低到接近阐值电 压时，整个电路的 延迟会急剧增加， 导致系统性能下降。 其关系如下式所示: _ _ _c r vj，c ，k_ _ c k t.一叭j : tj=二 二 二 竺二- 一 - 二 注 塑 - 一 一 一=kse - 二 三 一 望 二 - 2 一乃 一“ 了 风( 叹)( 一 叼 ( 一 叼 根 据 测 试 结 果， 当峪二 3 珠时 ， 能 量 延 迟 积 接 近 最 小 值。 因 此 用降 低电 压的 方法来降低功耗， 必须通过其他方法来补偿相应的延迟损失， 以 保证系统的 性能. 浙扛大学硕士学位论文51 9 比 曰 deltaa n c的 低压 低功 耗 设计 技术 研究 2. 2 c mo s 模拟集成电路的低功耗设计技术 模拟集成电 路今天的 设计策略是为了取得更高的 速度和更大的 动态范围。 而 其中影响这些参数的因素之一就是电路中的功耗分配。 如前所述， 降低模拟电路 功耗的方法主要有减少负载电容和降低电 源电压。 模拟电路中的电容一部分来自 于m o s f et 本身固有的电容，一部分来自 于 交越寄生电 容. 在深亚微米技术中， 交越电容占 主导地位。 这是由 于器件缩放较 之于交越缩放更显著。 伴随着硅片尺寸的增大， 相应变长的连线长度进一步恶化 了 分布rc 延迟， 以 及对于衬底噪 声祸合的敏感度， 串 扰(c ro sstal k ) 和 其他现象。 因此为了最小化功耗最明显的方式还是使电 路工作在低电 压状态下。 而且电 压的降低保证了器件的可靠性，因为m o sfe t氧化层中较低的电 场对薄氧化层 的威胁也较小。 在实际的应用场合， 也确实存在电压和电流规模都要求很小的情 况。比如生物医药工程或者移动通信中的低压电路。 在低电压情况下， 面对的主要限 制是器件噪声以 及闽值电压. 阐值电 压的减 小依赖于器件技术。 高闽值电 压带来高的噪声免疫， 低闽值电压减小了噪声容限 以至造成低信噪比。因此，对于今天的c m o s技术来说，闽值电 压的降低被最 低噪声水平所限制， 低于此限 制会引 入足够的噪声量从而造成非常复杂的电路。 进一步降低阑值电 压的限制引导我们走向 更简单， 巧妙而有效率的电 路。 很多低 电 压模拟电 路设计技术被证明 是可行的， 比 如， 工作在亚闭 值区域的m o sfet、 衬底驱动晶体管、 共源共栅型结构、 浮动栅极技术以 及电平移位技术等。 而在低 电压模拟电路中应用电 流模式电 路的设计方法是另一个很有希望的途径。 2 2 . 1 亚阁 值电 织s u b 一re sh o l d c i rc u i t ) 在 基 本的m o sfe t大 信 号 模 型中 ， 通常 假 设当 栅 源电 压编大 于闽 值电 压 珠时 ， m o s f e t 开 启 进 入 线 性 区 或 者 饱 和 区 ， 漏 极电 流瓜由 下 式 决 定 : k 平 (、 一 !、 )一 粤 、 卜 !、 ， ， ，一 ， ， (2.3 ) 等(lta 一 圈 ) ，】 编卜 曦一 肠 - 编 狱l ， k分 别 代 表 沟 道 宽 ， 沟 道 长 以 及 转 移电 导 率。 而 当 栅 源 电 压嗡小 于 闽 值电 压味时， 漏 极电 流瓜为 零 但 实际 上， 在 物 理 器件中 这 种 突 变 并 不 可 能 发生。 编只 是 在编 称较 小 而已 ， 这 主 要归 因 于 器 件区 域的 扩 散。 在 亚阐 值区 域， 编由 下 式决定: 浙江大学硕士学位论文 a d c的低压低功耗设计技术研究 如图2. 3 b 。 这种复合结构具有较大的有效沟道长度和较低的有效输出电导。 下方 的晶体管ml 等效于一个阻值受输入控制的电阻。 在优化情况下， mz 晶体管的 宽 长比 要比m i 大 得多。 对于 这个复 合的晶 体管 来说， 有 效的 跨导 是瓜2 /m， 也 等 于 m l 的 跨 导 乳 ， . 通 过 m l 和 m z 的 漏 极 电 流 几 一 寿( 气 一 户2，其 中 寿= 月 八 / ( 月 + 几 ) 。 当m 很 大 时 ， 几 也 很 大 ， 则 寿近 似 为 八 。 在m l 的 漏源极 之间电 压很小， 并且复 合管 与 简单管的 过驱 动电 压k 肠 之间 没有太大的 差 异时， 就 可以 将自 级 联结 构应 用 于 低压 操作了。 k 肠 泞 = k 肠 口 十 k 白 矛 一个普通共源共栅m o s 结构的操作电 压要远大于一个自 级联结构。自 级联结构 的优点就在于它在提供与普通共源共栅结构相似的高输出电 阻的同时， 只要求与 普通晶体管的输出电压要求。 2 .2 4 浮姗m o s r e t 结构任l o at i n g g a tem o s f e t ) i 办 。引编 不 二 犷 。 图2 .4 浮栅mo s f e t结构 浮栅m o sfe t由 于被广泛应用在数字电 路中， 已 经成为标准的c m o s 技术。 现在浮栅器件被模拟电 路设计者用于更广泛的电路设计中， 不仅可以 作为模拟记 忆体单元， 容性电路的一部分， 也可以作为可调节的电路元件来使用。 通过使用 浮栅mo sfe t 可以调节阐值电压， 继而使低电 压模拟电 路设计具有可能性。 浮栅 mo sfe t的栅极通常是浮动的， 并带有电 荷积聚。由 于二氧化硅优良 的 绝缘性能，这些电荷释放得非