（计算机应用技术专业论文）深亚微米cmos高性能连续时间滤波器设计.pdf

111 独创性声明 1 1 1 1 帆 y 17 8 9 2 15 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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j 匕塞王些太堂或其它教育机构 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了谢意。 龋越嗍型 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 量塞工些态堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：旌型翮签名： 日期： 摘要 摘要 连续时间滤波器是现代数字通信系统( 如l t e ，8 0 2 1 1 n 和v d s l 等) 的重要基 带模块。随着c m o s 工艺技术的飞速发展，这些具有高线性度、宽带要求的通 信系统在技术和产业上迅速提高。因此，深亚微米下高性能连续时间滤波器的研 究和实现成为现代通信系统的必要环节。 a c t i v e r c 滤波器是高线性应用领域的常用结构，传统的实现方法要求滤波 器采用大增益带宽积的运放来保持滤波器的线性度和频率响应精度。尽管深亚微 米c m o s 技术能够提供更高的运放增益带宽积，但是电源电压的降低，使得传 统的低功耗电路结构在先进工艺下不能使用。在深亚微米c m o s 低电压下，同 时获得宽带、低功耗、高线性、高精度、低成本的滤波器设计变得格外具有挑战 性。 本论文针对高性能滤波器的设计方法进行研究，主要工作包括： 1 从滤波器q 值的角度出发，具体分析了运放的非理想性对滤波器频率响应性 能的影响，得出了高精度滤波器对运放的增益带宽积要求。分析结果揭示了 深亚微米c m o s 技术下滤波器传统实现的设计约束。 2 研究了宽带滤波器的低功耗设计方法，提出了积分器频率补偿技术。该技术 能够将滤波器的功耗要求降低十倍以上，具有很高的功耗效率，同时适合于 c m o s 工艺的等比例缩小。该技术对深亚微米低电压下宽带低功耗的滤波器 实现提供了实用价值和参考意义。 3 提出了运放增益带宽积自动跟随技术，以跟随p v t 变化以及器件老化对滤 波器性能的影响。该技术能够满足积分器频率补偿技术的实现条件，保证了 滤波器频率响应的精确度。 4 提出了一种提高滤波器频率响应精度的调节方法，能够保证滤波器带宽调节 过程中的频率响应精度，同时优化了滤波器的线性度。 5 提出了微分电容输入支路消去技术和滤波器相同积分器实现方法。所提出的 设计方法有效地降低了电路的设计复杂度，保证了滤波器高精度的频率响应 性能和低成本实现。同时，该技术扩展了积分器频率补偿技术的应用范围， 为低功耗、低成本、高精度的低通、带通和高通等不同类型滤波器提供了新 的设计方法。 为验证本论文所提出的设计方法，基于0 1 3 9 i n1 2 vc m o s 工艺设计了四阶 a c t i v e r ce l l i p t i c 低通滤波器。当电源电压1 2 v 时，滤波器的实测功耗为5 8 m w ， 芯片有效面积为0 1 m m 2 。滤波器频率响应测试结果表明，滤波器的可调带宽为 北京工业大学工学博士学位论文 1 4 m h z 到2 3 m h z ，带内纹波小于l d b ，带外抑制大于4 5 d b 。在4 0 0 c 到8 0 0 c 的温度变化范围内，滤波器的频率响应性能均满足上述指标。当电源电压从1 1 v 变化到1 3 v 时，频率响应性能保持不变。滤波器的线性度测试结果表明，当“双 声”输入信号频率为6 7 m h z 时，在6 4 0 m v o p - a i f f 的输入幅度下，滤波器的i m 3 达到一8 6 d b 。在1 1 v 到1 3 v 的电源电压变化范围和0 0 c 到5 0 0 c 的温度变化范围 内，相同的输入频率下，当输入幅度大于8 0 0 m v 。p - d i e t 时，i m 3 均能维持在8 0 d b 以下。与近年来国外发表的宽带滤波器研究成果相比较，本论文所实现的滤波器 具有最好的线性度和功耗效率，以及最小的芯片面积。 关键词c m o s ；连续时间滤波器：有源r c ；频率响应：频率补偿 d e v e l o p i n gr a p i d l yi nb o t ht h et e c h n i c a la n dc o m m e r c i a ls i d e s a sar e s u l t ，t h e r ei s a g r e a td e m a n df o rl o wp o w e r , w i d e b a n d ，h i g hl i n e a r i t y , l o wc o s ta n dh i 【g ha c c u r a c y c o n t i n u o u s t i m ef i l t e rt h a tc a nb er e a l i z e di nam a i n s t r e a md e e p - s u b m i c r o nc m o s t e c h n o l o g yu n d e rl o ws u p p l yv o l t a g e s a c t i v e r cf i l t e ri st h em o s tp o p u l a rc h o i c ef o rh i g hl i n e a r l ya p p l i c a t i o n t h e c o n v e n t i o n a l i m p l e m e n t a t i o n o fw i d e b a n da c t i v e r c f i l t e r sd i c t a t e s l a r g e g a i n b a n d w i d t hp r o d u c t ( g b w ) o f t h ec o n s t i t u e n to p e r a t i o n a la m p l i f i e r s ( o p - a m p s ) t o p r e s e r v eh i g hl i n e a r i t ya n df r e q u e n c yr e s p o n s ea c c u r a c y a l t h o u g hs c a l e dc m o s t e c h n o l o g yo f f e r st h ep o t e n t i a lo fw i d e rb a n d w i d t hw i t hl o wp o w e r , t h ec e r t a i n t yo f t h i si m p r o v e m e n ti so b s c u r e db yt h ea c c o m p a n y i n gl o ws u p p l yv o l t a g e sa n dt h e r e s u l t i n gl i m i t e dc h o i c e so fo p a m pt o p o l o g i e st h a t c a l lb ee m p l o y e d t h u s ，t h e r ee x i s t e x t r e m ec h a l l e n g e st oa c h i e v ew i d e b a n d ，h i g hl i n e a r i t y , h i g ha c c u r a c ya n dl o wp o w e r c o n s u m p t i o ns i m u l t a n e o u s l yf o rl o w - v o l t a g ef i l t e rd e s i g ni nd e e p s u b m i c r o nc m o s t e c h n o l o g y t h i st h e s i sf o c u s e so nt h e s ec h a l l e n g e sa n ds p e c i f i cn e wd e s i g nt e c h n i q u e sa r e i n v e s t i g a t e da n dl i s t e da sb e l o w 1t h en o n - i d e a le f f e c t so fo p - a m pa r ea n a l y z e d f r o mt h es t a n d p o i n to ff i l t e r s q u a l i t yf a c t o r , t h er e q u i r e m e n to ng b wf o rf r e q u e n c yr e s p o n s ea c c u r a c yi s d e d u c e d t h e a n a l y s i s r e s u l t s p r o v i d ec l e a ri n s i g h t i n t ot h el i m i t a t i o no f c o n v e n t i o n a li m p l e m e n t a t i o ni nd e e p s u b m i c r o nc m o st e c h n o l o g y 2l o w p o w e rd e s i g ni si n v e s t i g a t e d i n t e g r a t o rf r e q u e n c yc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u ei s p r o p o s e dt ol o w e rt h ep o w e rc o n s u m p t i o n t h et e c h n i q u ec a nr e d u c et h ep o w e r c o n s u m p t i o nb y10t i m e sl e s st h a nc o n v e n t i o n a la p p r o a c h s i m u l t a n e o u s l yi ti s v e r ys u i t a b l ef o rc m o st e c h n o l o g ys c a l i n g t h ep r o p o s e dt e c h n i q u ec o n t r i b u t e s t ot h ei m p l e m e n t a t i o no fw i d e b a n dl o wp o w e rc o n t i n u o u s t i m ef i l t e ru n d e rl o w s u p p l yv o l t a g e si nd e e p s u b m i c r o nc m o st e c h n o l o g y 3 a na u t o m a t i cg b w t r a c k i n gt e c h n i q u ei sp r e s e n t e d t h et e c h n i q u ec a nt r a c kt h e e f f e c t sd u et ot h ev a r i a t i o no fp v ta n da g i n g ，a n de n s u r ef r e q u e n c yr e s p o n s e a c c u r a c y m e a n w h i l et h et e c h n i q u ec a na u t o m a t i c a l l ym e e tt h ec o n d i t i o nf o r i 北京工业大学工学博士学位论文 e x p l o i t i n gi n t e g r a t o rf r e q u e n c yc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e f o rl o wp o w e rd e s i g n 4a t u n i n gm e t h o di sp r o p o s e dt oa c h i e v ef r e q u e n c yr e s p o n s ea c c u r a c yd u r i n gt h e a d j u s t m e n to ff i l t e r b a n d w i d t h w i t h o u ti n t r o d u c i n ga n yv a r i a b l er e s i s t o r ( a n d a s s o c i a t e ds i g n a ld e p e n d e n to n r e s i s t a n c ea n dp a r a s i t i cc a p a c i t a n c eo ft h e s w i t c h e s ) i ns i g n a lp a t h ，t h i sm e t h o dc a n o b t a i na ni m p r o v e df r e q u e n c yr e s p o n s e a sw e lla st h el a r g e s i g n a ll i n e a r i t y 5 h i g hf r e q u e n c yr e s p o n s ea c c u r a c ya n dl o w c o s td e s i g ni si n v e s t i g a t e df o rt h ef i l t e r w i t hf i n i t et r a n s m i s s i o nz e r o s az e r o c a p a c i t a n c e - s p r e a d a r c h i t e c t u r ew i t h i d e n t i c a li n t e g r a t o r sa n dr i od e r i v a t i v ec a p a c i t o rb r a n c h e si sa d o p t e dt ol o w e rt h e d e s i g nc o m p l e x i t y t h en e w a r c h i t e c t u r ec a ne x t e n dt h ea p p l i c a t i o no fi n t e g r a t o r f r e q u e n c yc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e ；m a k ei tf u l l yf u n c t i o nn o to n l yi na l l p o l e l o w p a s sf i l t e r , b u ta l s oi n l o wp a s sw i t hf i n i t et r a n s m i s s i o nz e r o e s ，e g e l l i p t i c a n dc h e b y s h e v i i ，h i g hp a s sa n db a n dp a s st y p e s t od e m o n s t r a t et h ee f f e c t i v r e n e s so ft h et e c h n i q u e sm e n t i o n e da b o v e ，t h ep r o t o t y p e d e s i g no fa 4 t h o r d e ra c t i v e r ce l l i p t i cl o w p a s sf i l t e ri si m p l e m e n t e di na0 13 i t m c m o sp r o c e s s t h ec h i pp o w e rc o n s u m p t i o ni s5 8 m wa tt h es u p p l yv o l t a g eo f1 2 v t h ec o r ea r e ai so n l y0 im m 2 t h em e a s u r e db a n d w i d t ht u n i n gr a n g ei sf r o m1 4t o 2 3 m h zw h e nt h ec o n t r o lw o r dc h a n g e sf r o m1111t o0 0 0 0 t h ei n b a n dr i p p l ei s 4 5 d bo v e rt h et e m p e r a t u r er a n g ef r o m 一4 0 0 c t o8 0 。c t h ef r e q u e n c yr e s p o n s er e m a i n se s s e n t i a l l yi n v a r i a b l ew h e nt h es u p p l y v o l t a g ei sv a r i e df r o m1 i t o1 3 v t h em e a s u r e dl i n e a r i t yp e r f o r m a n c ei n d i c a t e st h e l o w - p a s sf i l t e ra c h i e v e sa 8 6 d bt w o t o n ei m 3a t6 7 m h zw i t ha f u l l s c a l ei n p u to f 6 4 0 m v d p d i 仃t h e i m 3r e m a i n sb e l o w 一8 0 d bw i t hf u l l s c a l ei n p u to fl a r g e rt h a n 8 0 0 m v p p - d i f fw h e ns u p p l yv o l t a g ei s v a r i e df r o m1 1t o1 3 va n dt e m p e r a t u r ef r o m o 。ct o5 0 0 c f r o mt h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nw i t hs o m er e c e n t l yp u b l i s h e d w i d e b a n dw o r k s ( i nj s s ca n de t c ) ，t h i sl o w - p a s sf i l t e rh a sa c h i e v e dt h e b e s t b r o a d b a n dl i n e a r i t ya n dp o w e re f f i c i e n c yw i t ht h es m a l l e s ta r e a k e yw o r d sc m o s ；c o n t i n u o u s - t i m ef i l t e r ；a c t i v e r c ；f r e q u e n c yr e s p o n s e ； f r e q u e n c yc o m p e n s a t i o n 第1 章绪论1 1 1 新一代移动通信系统1 1 2 深亚微米下的模拟电路设计挑战4 1 3 c m o s 连续时间滤波器6 1 3 1 c m o s 连续时间滤波器的发展6 1 3 2c m o s 连续时间滤波器的结构8 1 4c m o s 连续时间滤波器的研究现状1 0 1 4 1 c m o s 连续时间滤波器的研究现状1 0 1 4 2c m o s 连续时间滤波器的研究现状分析1 4 1 5 论文的研究内容与贡献1 4 1 6 论文各部分结构1 6 第2 章宽带滤波器的低功耗设计1 7 2 1 滤波器的频率响应1 7 2 2 运放非理想性对滤波器频率响应的影响1 9 2 2 1品质因子19 2 2 2 品质因子与滤波器频率响应2 l 2 2 3 运放非理想性对积分器传输函数的影响2 3 2 2 4 运放非理想性对滤波器频率响应的影响一2 5 2 3 积分器频率补偿技术一2 8 2 3 1 频率补偿的积分器结构2 8 2 3 2 积分器频率补偿的实现约束。2 9 2 3 3 电阻调节的积分器频率补偿实现3 0 2 3 4 一种新的电容调节积分器频率补偿实现3 5 2 3 5 两种调节方式的性能对比一4 0 2 3 6 电容输入支路下的频率补偿失效4 2 2 4 运放增益带宽积吸收技术4 3 2 4 1 运放增益带宽积吸收技术的实现4 3 2 4 2 运放增益带宽积吸收技术的优缺点分析。4 5 2 5本章小结4 8 第3 章微分电容输入支路消去技术 3 1包含有限频率传输零点的滤波器4 9 v _ 录 一一 目 一 一 耐 二摘舭要1 i l 北京工业大学工学博十学位论文 3 1 1 e l l i p t i c 低通滤波器4 9 3 1 2 高通滤波器与带通滤波器5 1 3 2 高阶滤波器的实现方法5l 3 2 1 级联设计与l c 梯形电路模拟设计一5 l 3 2 2 e l l i p t i c 低通滤波器的传统实现5 2 3 3 微分电容输入支路消去技术5 4 3 3 1 微分电容输入支路消去技术。5 4 3 3 2 相同积分电容变换技术5 9 3 3 3 微分电容输入支路消去技术的优缺点分析6 l 3 4 本章小结6 3 第4 章滤波器原型设计6 5 4 1 设计目标6 5 4 2 传统实现6 5 4 3 电路设计6 6 4 3 1 滤波器结构6 6 4 3 2 运放结构6 8 4 3 3 恒定跨导偏置电路一7 0 4 3 4 滤波器带宽调节方式。7 l 4 3 5 频率补偿失真7 2 4 3 6 运放输出级偏置电路7 4 4 - 3 7 输出缓冲级设计7 5 4 4 版图设计7 7 4 4 1 匹配设计7 7 4 4 2 抗干扰设计7 8 4 5 本章小结7 8 第5 章测试结果7 9 5 1 滤波器版图7 9 5 2 滤波器频率响应测试。：8 l 5 2 1 不同电源电压下的频率响应8 2 5 2 2 不同工作温度下的频率响应8 3 5 3 滤波器线性度测试8 5 5 - 3 1 不同电源电压下的线性度8 7 5 3 2 不同工作温度下的线性度8 8 5 4 测试结果比较9 0 5 4 1 与传统结构仿真结果比较：9 0 目录 5 4 2 与国外研究成果比较9 l 5 5 本章小结9 2 结论9 5 结 仑。9 5 下一步研究计划一9 5 参考文献。 攻读博士学位期间发表的学术论文1 0 5 1 l i 9 1 谢1 0 7 北京工、叱大学工学博士学位论文 v l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 新一代移动通信系统 随着微电子技术的迅猛发展，c m o s 超大规模集成电路( v l s i ) 技术取得极大 的提高，同时也推动了移动通信技术的迅速进步和产业的快速升级。在过去的三 十年内，移动通信技术已经历了从第一代模拟通信到第二代数字通信再到第三代 多媒体通信的三个阶段i l 】。基本上每十年就会有新一代的通信技术诞生，新的系 统具有更强大的技术优势，能够为人们提供更优质的服务。早在上世纪八十年代， 第一代移动通信系统( 1 g ) 就已经开始投入简单的商用，l g 采用模拟技术，利用 f d m a 原理，能够传输低速率的语音数据【2 】。第二代移动通信系统( 2 g ) 从九十年 代起得到广泛应用，2 g 创新地采用数字通信技术，利用t d m a 原理，能够为客 户提供高质量的语音服务和短信服务1 3 , 4 1 。随着技术的发展，2 g 也升级到所谓的 2 5 g 上，g p r s 、e d g e 等不同的技术标准得到广泛应用。在过去二十年内，2 g 取得了巨大的成功。但其技术上的限制己经不能满足将来的发展和人们的需求。 为了满足日益扩大的网络容量，提高数据传输速率，第三代移动通信系统( 3 g ) 于2 0 0 2 年进入人们的视野。3 g 拥有更宽的信号带宽，采用宽带c d m a 技术， 能够提供如视频电话、i p 电话等诸多新的服务【5 ，6 7 】。目前世界上很多国家和地区 包括中国正在大力推广3 g 技术。但是为高速业务和多媒体业务设计的第三代移 动通信系统在通信的容量与质量等方面仍然不能满足快速增长的要求，目前世界 各国己经把研究重点转入下一代移动通信的先期研究，在概念和技术上寻求创新 和突破，从而使无线通信的容量和速率有十倍甚至百倍的提高，这就是第四代移 动通信系统( 4 g ) 【8 9 l 。4 g 是3 g 技术的进一步演进，与前三代移动通信系统相比 较，4 g 有着非常显著的优越性【l0 1 ，主要包括：4 g 下行数据速率超过1 0 0 m b p s ， 是3 g 数据速率的5 0 倍；4 g 具有全球统一的技术标准，因而可以实现更好的互 通( i n t e r o p e r a b i l i t y ) - 与漫游；4 g 具有小的时延( 1 a t e n c y ) ，高的频谱效率；4 g 网络 不需要完全新建，它可以利用现有的3 g 网络，并且不需要额外的频带，因而具 有低成本的特点。表1 1 列出了移动通信系统的发展历史以及每一代技术的主要 特点。 北京工业大学工学博十学位论文 表1 1 移动通信系统的发展和主要特点 t a b l e 1 ls e r i e so f m o b i l ec o m m u n i c a t i o ng e n e r a t i o n sa n dt h e i rm a i nf e a t u r e s 通信系统 l g2 g2 5 g3 g4 g 设计开始 1 9 7 01 9 8 01 9 8 5 1 9 9 0 2 0 0 0 商用时间 1 9 8 41 9 9 l 1 9 9 92 0 0 22 0 1 0l a t e r d i g i t a lh i g h e r h i g h e rc o m p l e t e l y a n a l o gv o i c e ， c a p a c i t y , c a p a c i t y , i pb a s e d ， 提供服务b r o a d b a n d s p e e du p t 0 v o i c es h o r tp a c k e t i z e d d a t au pt oh u n d r e d so f m e s s a g e d a t a 2 m b p s m b s n m t , a m p s ，g s m ，w c d m a ， 技术标准 c d p d ，i d e n ， g p r s ，s i n g l e c d l 嘘0 0 0 e d g ee t cs t a r d a r d t a c sd 噼st d s c d m a e t c 数据速率 n a14 4 k b p s 3 8 4 k b p s2 m b p s 1 0 0 m b p s t d m a ，t d m a ， m u l t i p l e x i n g f d m ac d m ao f d m c d m ac d m a c o r e p s t n ， p a c k e t p s t np s t np a c k e ti n t e m e t n e t w o r kn e t w o r k n e t w o r k 当前国际上主流的4 g 技术主要包括l 1 甩和w i m a x 。虽然国际标准还没有 统一，但是对于4 g 中使用的核心技术，业界有着一致的看法。主要包括： 1 ) 正交频分复用( o f d m ) o f d m 是一种无线环境下的高速传输技术，其主要思想就是在频域内将给 定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载 波并行传输。尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道是 相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽。 o f d m 技术的优点是可以消除或减小信号波形间的干扰，对多径衰落和多普勒 频移不敏感，提高了频谱利用率，可实现低成本的单波段接收机【u , 1 2 1 。 2 ) 智能天线 智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，是未 第1 章绪论 来移动通信的关键技术。智能天线应用数字信号处理技术，产生空间定向波束， 使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到 充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。这种技术既能改善信号质 量又能增加传输容量。 3 ) 多输入多输出( m i m o ) m i m o 技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术，它采用的是 分立式多天线，能够有效地将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提 高容量。信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时， m i m o 系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量。在 功率带宽受限的无线信道中，m i m o 技术是实现高数据速率、提高系统容量、提 高传输质量的空间分集技术1 1 3 j 。 4 ) 软件无线电( s d r ) 软件无线电的基本概念是把硬件作为无线通信的基本平台，把尽可能多的无 线及个人通信功能通过可编程软件来实现，使其成为一种多工作频段、多工作模 式、多信号传输与处理的无线电系统。图1 1 显示了一个可灵活配置的s d r 零 中频接收机的简单示意图4 】。 图l - i 可配置的s d r 零中频接收机不恿图 f i g i 1b l o c kd i a g r a mo f af l e x i b l er e c o n f i g u r a b l es d rz e r o - i fr e c e i v e r 4 g 技术能够提供优越的服务，但在设计上却存在巨大的挑战。近年来，主 流的c m o sv l s i 技术已经进入深亚微米乃至纳米时代，在单位面积芯片上，晶 体管的集成度越来越高，速度越来越快，功耗越来越小，成本越来越低。深亚微 米c m o sv l s i 的这些优点使得数字信号处理( d s p ) 功能强大而廉价，为复杂的 4 g 系统低成本高性能的实现提供可能。但同时也为4 g 系统核心的模拟前端 ( a n a l o gf r o n t e n d ：a f e ) 设计带来严峻挑战。模拟前端电路需要支持大的信号带宽 北京工业大学工学博士学位论文 ( 2 0 m h z ) 和高的数据传输速率，支持从q p s k 到2 5 6 q a mo f d m 等多种调制方 式。4 g 采用m i m o 技术，需要支持从7 0 0 m h z 到6 g h z 多种载频下的工作模式， 内部的多条收发链路能够并行工作，接收链路模块需要低的噪声系数和高的线性 度。所有的这些性能要求使得模拟前端低功耗低成本的实现成为巨大的设计难题。 在深亚微米c m o s 技术下，在电路设计上必须采用新的设计技术和实现手段， 才能保证4 g 系统高性能模拟前端的成功实现。 1 2 深亚微米下的模拟电路设计挑战 在过去的半个世纪里，集成电路成为世界上发展最快的技术和产业之一。 1 9 7 5 年摩尔定律的提出，准确地预言了c m o s 集成电路的发展趋势：每1 8 个月 芯片的集成度翻一翻引。随着集成电路技术的不断进步，晶体管的特征尺寸不 断减小，截止频率不断提高，芯片的功能也不断增强。i s s c c2 0 1 0 会议上i n t e l 已经发表了3 2 n m 的处理器，2 0 1 0 年台湾积体电路制股份有限公司( t s m c ) 已经 拥有2 8 n m 的集成电路生产工艺线。图1 2 为国际半导体技术组织( i t g s ) 于2 0 0 7 年发布的c m o s 集成电路技术节点的发展趋势图，从图中可以看出，随着c m o s v l s i 技术的发展，单芯片上实现的功能在持续增加。 2 0 0 7i t r sp r o d u c tt e c h n o l o g yt r e n d s f u n c t i o n sp e rc h i p x 失娥 x - x l x 率x x - ；cxxx 剌 ( - x - xxx ：( ，厶夕 ：xxa a 2名：三 xxxjl ( 正n 鲐 q 乡- 。r l i m m 腓珀 ：i ( ji 厶 户i 口口口 x 么i 吵乇口 v 人、f、- - 一 j 口口 冶而 审| ! 轩 ， 9 5猢枷s 2 0 1 02 0 1 5如 姻w 耐p r o d u c t i o n 2 0 0 7 2 0 2 2f i r sr a n g e 图i 2c m o s 技术工艺节点发展趋势 f i g 1 2c m o st e c h n o l o g yt r e n d 以一f l a s hb i t s c h i p ( g b l t s ) m u l t i - l e v e l c e l lf 4 b i t m l c ) xf l a s hb i t s c h i p ( g b i t s ) m u l t i - l e v e l c e l l ( 2 b i t m l c ) f l a s hb i t s c h i p ( g b i t s ) s i n g l e - l e v e l - c e l l ( s l c ) od r a mb i t s c h i p ( g b i t s ) m p ug t r a n s i s t o r s c h t p - h i g h - p e r f o r m a n c e ( h p ) 日_ m p ug t r a n s i s t o r s c h i p c o s t - p e r f o r m a n c ( c p ) 絮黯船 2 xf u n c t i o n s c h i pp e r 2y e a r n ai二u，-co；uc：k芑j，e 第1 章绪论 c m o sv l s i 技术的飞速发展为数字技术的实现带来了巨大的优势，d s p 功 能变得强大而便宜。为了提高系统的集成度，增加可靠性，降低成本，现代数字 通信系统越来越多地将模拟电路和数字电路集成在同一块芯片上，甚至将整个系 统都集成在一起形成“片上系统”( s y s t e mo nc h i p ：s o c ) 。然而，当先进的c m o s v l s i 技术进入深亚微米阶段时，却给模拟集成电路的设计和实现带来了诸多约 束和挑战。深亚微米c m o s 工艺下，高性能的模拟集成电路设计变得更加复杂 和困难6 l 。 深亚微米技术给模拟集成电路设计带来的第一个困难就是低的电源电压。当 晶体管特征尺寸为0 3 5 9 m 时，电源电压为3 3 v ；当特征尺寸为0 1 3 9 m 时，电 源电压降低到1 2 v ；当特征尺寸为3 2 n m 时电源电压仅为0 8 5 v 。电源电压的降 低使得传统的高性能电路结构在深亚微米工艺下不能适用，增大了低电压下电路 设计的难度和复杂度。同时，低的电源电压使得模拟电路能够处理的信号摆幅大 大减小，损失了信号的有效能量，降低了电路的动态范围( d y n a m i cr a n g e ) 。低电 压设计是深亚微米c m o s 技术下的难题。 深亚微米技术带来的第二个困难是更大的噪声。工作在饱和区的m o s 晶体 管，沟道热噪声可以等效为晶体管源极和漏极之间的噪声电流源，电流源的噪声 i2 谱密度表示为告- - 4 k t ? g , ，其中y 为噪声系数。对于传统工艺下的长沟道器件， 吗 噪声系数为2 3 。但在深亚微米工艺中，各种短沟道效应使得器件的噪声系数要 大得多，通常为3 5 。同时，深亚微米器件尺寸的减小也会带来更大的闪烁噪声 ( 1 fn o i s e ) 。有用信号的能量在低电压下会降低，同时噪声的能量会抬高，使得 深亚微米下电路的信噪l k ( s n r ) 会极大的下降。为了提高s n r ，需要降低电路的 噪声，在电路设计上需要付出昂贵的代价：电路需要消耗更多的功耗，占用更大 的芯片面积。低功耗设计是深亚微米技术下的一个重大挑战。 第三个困难是更低的电路本征增益( i n t r i n s i cg a i n ) 。在模拟电路设计中，反馈 结构是提高电路精度常用的重要手段。电路精度的提高和增益密切相关，高精度 需要高的增益来保证。随着深亚微米工艺下晶体管特征尺寸的减小，晶体管的小 信号输出电阻会减小，电路的增益会降低。更低的本征增益会降低电路的精度。 高精度设计是低电压下的设计难点l l7 1 。 第四个困难是更大的漏电流( 1 e a k a g ec u r r e n t ) 。当集成电路进入深亚微米和纳 米工艺时，晶体管的隧道效应影响会变得明显，漏电流会显著增加【埔j 。各种机 制的漏电流限制了电路的精度，增大了电路的功耗。 随着集成电路技术的进一步发展，深亚微米和纳米工艺下的模拟电路设计变 北京工业大学工学博士学位论文 得更加复杂。低电压下的高性能模拟电路设计是各种参数之间的折衷考虑与优化， 很难在每个指标上都能同时得到完美的结果。例如，如果电路使用最小沟道长度 的晶体管，会获得更大的带宽，电路会有更快的工作速度，功耗也会更小。但是 缺点也会同时存在，晶体管的匹配变差，电路的噪声变大，增益会降低，精度也 会变差。因此，在设计过程中，需要仔细选取电路的结构，优化晶体管的尺寸， 优先满足最紧要的设计指标。同时，在结构设计和电路设计上采用新的设计技术。 来提