（物理电子学专业论文）适用于生化微传感soc的嵌入式cmos+ad转换器的研究.pdf

摘要 摘要 随着v l s i 工艺技术的迅速发展，s o c 设计成为当今集成电路研究领域的 热点。而生化微传感s o c 是生化微传感器、微电子电路相结合的单芯片生化分 析微系统，是s o c 未来发展的一个重要分支。本论文研究的片内嵌入式a d c 系统就是面对这+ 发展趋势而提出的。 针对生化微传感s o c 的应用以及生化微传感器输出信号的特点，综合考虑 转换速度、分辨率、功耗和多通道切换等指标，本论文选定c rs a ra d c 结构 作为研究对象。 首次提出一种用于定量分析c rs a r a d c 系统工艺误差的半解析模型。主 要研究其所能达到的分辨率与电容阵列工艺匹配偏差的对应关系，可直接用于 a d c 器件参数、工艺参数和版图结构之间的选择。并经m o n t ec a r l o 统计、最 坏情况等分析方法验证。 基于c rs a ra d c 各组成单元模块的设计，进行了a d c 的整体结构设计 和整体版图设计。并对所有设计内容进行c a d e n c es p e c t r e 仿真和d r c 、l v s 验证：其中电容阵列主要采用“共质心”和“虚拟”结构技术，减小工艺影响； 比较器采用自置零设计技术，减小失调；基准源采用两级温度补偿，降低温漂。 首次阐述了一种通过信号幅度区间划分，分辨率得以提高的改进设计思想。 并给出了可实现的具体电路结构和工作过程。 芯片成功地在c h a r t e r e d0 3 5 # mc m o s 工艺上流片实现。对c rs a ra d c 的整体电路芯片及多个组成模块芯片进行了实际测试，达到预期设计目标。 关键词：生化微传感s o c ，逐次逼近式模数转换器，电荷重分配，m o n t ec a r l o 分析，工艺误差模型 a b s t r a c t r e s e a r c hi n t oe m b e d d e dc m o s a n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r d e s i g nf o ra p p l i c a t i o n si nb i o s e n s o rs o c z e n g j i nl i n ( p h y s i c a le l e c t r o n i c s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rh a i g a n g y a n g a b s t r a c t t h e i n t e g r a t e d c i r c u i t t e c h n o l o g y i s e n t e r i n g i n t ot h e a g e o fs o c ( s y n e l n - o n c h i p ) w i t ha d v e n to ft h ea d v a n c e dd e v e l o p m e n to fv l s is e m i c o n d u c t o r p r o c e s s t h eb i o s e n s o rs o ci sam i c r o s y s t e mt h a tc o m b i n e st h em i c r ob i o s e n s o r w i t h m i c r o e l e c t r o n i c s ，a n d i ti sa n i m p o r t a n tr e s e a r c hb r a n c hf o r t h ef u t u r e d e v e l o p m e n to fs o c t h er e s e a r c ho l le m b e d d e da n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e ri s i n t e n d e df o ra p p l i c a t i o n si nb i o - m i c r o s e n s o rs o c ， t h ec rs a ra d ci ss e l e c t e da saf o c u so ft h e s t u d yi nt h i sd i s s e r t a t i o n ， b e c a u s eo fi t s s u i t a b i l i t y f o ru s ei nt h eb i o - m i c r o s e n s o rs o ci nt e r m so ft h e c o n v e r s i o ns p e e d ，r e s o l u t i o n ，p o w e rd i s s i p a t i o na n dm u l t i c h a n n e lc a p a b i l i t y a s e m i a n a l y t i c a lm o d e li sf o rt h ef i r s tt i m ed e d u c e d ，t h a tc a nb eu s e df o r q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ns y s t e me l t o r t h em o d e ld e s c r i b e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ec a p a c i t o ra r r a ym i s m a t c he f f e c ta n dt h ea t t a i n a b l er e s o l u t i o no ft h ec rs a r a d c , w h i c ho f f e r sp o s s i b l ed e s i g nt r a d e - o f fa m o n gv a r i o u sf a c t o r si n c l u d i n gt h e a p p r o p r i a t es e l e c t i o no ft h ec a p a c i t o ra r r a ys i z e ，t h ec m o sp r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h e l a y o u ts t r u c t u r e s ，e r e t h em o d e li sv e r i f i e dw i t hb o t hm o n t ec a r l os t a t i s t i ca n a l y s i s a n dt h ew o r s tc a s ea n a l y s i s t h es y s t e m ，c i r c u i ta n dl a y o u td e s i g no ft h ec rs a ra d ca r ec o m p l e t e d t h e c a p a c i t o ra r r a yt a k e sa d v a n t a g e so f “c o m m o nc e n t r o i d ”a n dv i r t u a ls t r u c t u r et o a l l e v i a t et h ei n f l u e n c eo ft h ep r o c e s sv a r i a t i o n s a u t o z e r ot e c h n i q u ei su s e di nt h e i i i a b s t t a c t c o m p a r a t o rd e s i g nt or e d u c et h eo f f s e t t w o - s t a g et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o ni s e m p l o y e dt od e c r e a s et h et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tf o rt h eb i a ss o u r c e a ne n h a n c e dd e s i g ni d e ai sf o rt h ef i r s tt i m ep u tf o r w a r d ，w h i c hu s e si n p u t s i g n a ls c o p ep a r t i t i o nt e c h n i q u e st of u r t h e ri m p r o v et h er e s o l u t i o n a n dt h ed e t a i l e d c i r c u i ti sp r o v i d e dt o g e t h e rw i t hi t so p e r a t i o np r i n c i p l e t h ec rs a ra d cc h i pi sf a b r i c a t e ds u c c e s s f u l l yi nc h a r t e r e d0 3 52 p 4 m p r o c e s s t h et e s tr e s u l t ss h o wt h ec h i ph a sm e t t h er e q u i r e ds p e c i f i c a t i o n s k e yw o r d s ：b i o - m i c r o s e n s o rs o c ，s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o nr e g i s t e ra n a l o g 。t o d i g i t a l c o n v e r t e r , c h a r g er e d i s t r i b u t i o n ，m o n t ec a r l os t a t i s t i c a la n a l y s i s ，p r o c e s sd e v i a t i o n m o d e l 研究成果声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导 下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致 谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得中国科学院电子学研究所或其它教育机构的学位 或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的 任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。 特此申明。 学位论文作者签名：黼7 妻签字日期：圳犀g 月呷日 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中国科学院电子学研究所有关保留、使用学位论 文的规定，其中包括：电子所有权保管、并向有关部门送交学位论 文的原件与复印件；电子所可以采用影印、缩印或其他复制手段复 制并保存学位论文；电子所可允许学位论文被查阅或借阅；电子 所可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；电子所可以公 布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 一虢葡糟全新虢勘l 枷 签字f i l 期：如6 年8 月节f = 1签字闩期：力b 年苫月细闩 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 1 1 1 生化微传感s o c 的提出 第一章绪论 从分立元件到集成电路再到s o c ，这是微电子领域的一场重大革命。微电子 技术作为现代信息技术的重要支柱，经历了若干个发展阶段。 分立元件的发展源自上世纪3 0 年代，l i l i e n f e l d 首次提出了场效应管的概念； b a r d e e n ，b r a t t a i n 等人于1 9 4 7 年在b e l l 实验室发明了第一只双极型晶体管；1 9 6 0 年由l 【a h n g 和趾a l l a 实现了第一只m o s f e 丌的封装。自此以后，分立元件的技术越 来越成熟。 集成电路的发展从5 眸代末的小规模集成电路( s s i ：s m a l ls c a l ci n t e g r a t e d c i r c u i t s ) ，集成度仅1 0 2 个元件；6 0 年代发展的是中规模集成电路( m s l ：m e d i u m s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ) ，集成度为1 0 3 个元件；7 0 年代又发展了大规模集成电路 ( l s i ：l a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ) ，集成度大于1 0 个元件；7 0 年代末进一步 发展了超大规模集成电路( v l s hv e r yl a r g es c a l ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) ，集成规 模达1 0 5 个元件；年代更进一步发展了特大规模集成电路( u l s i ：u l t r al a r g e s c a l ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) ，集成度比v l s i 又提高了一个数量级，达到1 0 个元件 以上。 u l s i 技术的发展在2 1 世纪有两个紧密联系的方向： ( 1 ) 、依靠工艺特征尺寸，即特征线宽的不断缩小，使集成度、速度不断提 高，同时功耗不断减小，以制作功能更强、性能更好、用途更广的i c 芯片。 ( 2 ) 、另一个方向是系统芯片( s o c ：s y s t e mo nc h i p ) 。简单的说，就是今 天的集成电路发展为今后的集成系统( i s ：i n t e g r a t e ds y s t e m ) 。迄今为止，我们 接触到的微电子系统是基于多芯片集成的，系统工程师根据系统的功能描述和性 能要求选用多种i c 芯片产品( 也有定制一些专用集成电路一a s i c 的) ，然后通过 印刷电路( p c b ) 等办法集成为系统。这种多芯片系统，虽然每块芯片本身功耗 适用于生化徽传感s o c 的嵌入式c m o s a d 转换器的研究 小，速度快，但印刷电路板带来的连线延时和噪声却大大降低了系统性能，成为 系统发展的瓶颈。 s o c 的概念从2 0 世纪9 0 年代后期提出后，指明了系统发展的方向，并随 着材料与加工的发展，其技术得以快速发展。s o c 设计将会成为本世纪集成电 路的主流设计方向。 随着半导体工艺技术的飞速发展以及用户对电子系统要求的提高，电子系 统正朝着多功能、高性能、小型化、轻型化、便携化、高速度、低功耗和高可 靠性方向发展，为此，要求用于多功能、便携式电子系统的l c 必须多功能和微 型化，i c 设计者能够将愈来愈复杂的功能集成到单一硅片上，s o c 顺应了这一 发展趋势。s o c 的出现，从狭义角度讲，它是信息系统的芯片集成，是将系统 集成在一块芯片上；从广义角度讲，s o ( 2 就是一个完整的微小型系统。 s o c 就是在单个芯片上集成一个完整的系统，在一个芯片上集成数字电路、 模拟电路、r f 、存储器和接口电路等多种电路，以实现数据采集、图像处理、 语音处理、通讯功能和数据处理等多种功能。它通常是客户定制的( c s i c ) ， 或是面向特定用途的标准产品( a s s p ) 。 s o c 单二- 完整芯片的各个组成单元模块，一般是满足系统和应用场合需求 的嵌入式全定制电路。因此，s o c 具有很多优点：能最大限度地降低系统功耗； 极大减少系统的体积和面积；因片内连线缩短，增加系统运行的速度和可靠性； c p u 和有限状态机( f s m ) 等数字逻辑模块的片内嵌入，系统的智能程度增加。 目前，s o c 一般是采用多种工艺实现的电路系统集成。但随着半导体加工 工艺和集成设计技术的发展，s o c 将会发展为基于同一种工艺，实现更为复杂 的微系统的片上集成，是集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制、通讯 接口电路、能源等于一体的能完成特定功能的微系统。 其中生化微传感s o c 是微电子电路和m e m s 微器件结合，采用标准c m o s 工艺，将生化微传感器( b i o - m i c r o s c n s o r ) 、模拟信号调理电路、数字信号处理 电路集成为一体的片上系统，将成为s o c 未来发展的一个重要分支，它涵盖了 多种学科领域，如：电子工程、机械工程、材料工程、信息工程、物理学、化 学、光学以及生物医学等学科领域，其低功耗、低成本、测量精确、体积极小 等特点表明其有广阔的应用前景。 2 第一章绪论 1 1 2 生化微传感s o c 的应用前景 生化微传感s o c 芯片可用于多种生化参量的检测和标定，如：生化液体的 p h 值、蛋白质、酶等大分子的多种生化参数指标。这种s o c 单芯片检测模式， 待测液体的取样量极小，基本上微升( m ) 量级就足以完成一次检测，并且可 实时、准确地给出极微量待测液体某类参数的精确测量值。更进一步，如果在 s o c 片内做成生化微传感器检测阵列，可同时实现对某液体的多个生化参数指 标实时测量，也可对不同液体的不同参数实时检测，通过上述多种生化参量性 能指标的信息融合、综合判断，达到此类液体整体性能的准确评估；也可用于 疾病诊疗的专家综合评估系统，预防和诊断各种病症。 生化微传感s o c 单芯片的研制和实现，使得生化溶液指标的测试系统可以 做到很小，集成在单一芯片上，可便携使用，并可方便地进入家庭和社区，实 现各种疾病的诊断、治疗等 随着新型生化微传感机理的研究和s o c 设计技术的成熟，生化微传感s o c 将在生命科学研究、生物医学工程、医疗保健、食品加工、环境检测等诸多领 域中大显身手，必将产生巨大的社会和经济效益， 1 1 3 生化微传感s o c 的组成 生化微传感s o c 芯片就是将生化微传感器、前置微弱信号读出电路、a d 转换器、c p u 、存储器和数字信号处理电路等关键功能模块单芯片集成，是生 化分析领域的复杂的微系统，采用标准c m o s 工艺流片加工实现。图1 - 1 为生 化微传感s o c 的整体框架。 琏露既 一p r m u u p u m r ii 歌多莎 m u x制 n ：1 ：m i c r o e l e c t r e d西s ? 气痧伊 图1 - 1 生化s o c 的系统框图 图1 - 1 中，生化微传感s o c 系统在单一芯片上集成了模拟电路和数字电路 3 适用于生化徽传痘s o c 的嵌入式c m o $ a d 转换器的研究 两部分，属于混合信号集成电路。在设计实现中，其中微传感器的选择主要分 为两种：电位型场效应管( i s f e t ) 、电流型微电极( m i c r o - e l e c t r o d e ) ，用来感 知自然界中生化类物理量、化学量的相关参数和指标，分别输出对应的微弱的 电压( a v m v 量级) 、电流信号( p a t n a 量级) ，如此微弱的传感器输出信 号首先由前置弱信号放大与读出电路处理，但其信号本质上仍是模拟信号范畴， 而后续的数字信号处理一般属数字信号领域，为保证s o c 片内信号流的有效传 递和合理衔接，必须进行模拟信号和数字信号之间的数据转换。 1 1 4 本课题的选题意义 1 1 4 1 项目背景 本课题研究基于：国家自然科学基金“半导体集成化芯片系统基础研究” 重大研究计划重点支持的重点项目：生物微传感集成化芯片系统基础研究( 项 目号：9 0 3 0 7 0 1 4 ) ，是s o c 研究在生化分析领域的重要应用。整个微系统将生 化m e m s 微传感器、后续信号调理电路等集成在单一硅片上，项目的研究内容 涵盖：生化微传感器、微弱信号放大读出电路、a d 转换器、数字信号处理电 路和r f 收发模块等方面的研究，并采用标准c m o s 工艺将上述功能模块集成 在单一硅基底上，实现生化微传感s o c 的整体框架。而本文所涉及的片内嵌入 式a d c 的设计是其中一部分关键研究内容。 1 1 4 2 选题意义 在自然界中，信息一般是以模拟信号方式存在的，例如：颜色，声音，温 度，压力等，对这些模拟量信号处理进而控制的前提是必需对它们进行数字化， 通常的做法是采用单一芯片的模数转换器，再把量化后的数字量送入数据处理 芯片，这种方式从整个系统成本和占有的体积方面来考虑是不经济的 现代电子系统中，a d c 已经成为一个相当重要的电路单元，越来越多的芯 片都尽量在片内集成a d c 。因此，片内嵌入应用的a d c 的设计对于实现单芯 片系统时是很有价值的。 当今，随着s o c 技术的快速发展和s o c 应用场合的不同，将a d 转换器 作为片内嵌入式模块集成在s o c 芯片中成为新的设计思路。针对特定应用场合 的s o c 的功能需求，设计并实现满足不同功能和性能要求的片内嵌入式a d 4 第一章绪论 转换器是当前研究热点。 片内嵌入式d 转换器作为芯片内部模拟和数字部分的桥梁，把连续的模 拟信号与离散的数字信号实现有机地接口，可以说，片内嵌入d 转换器的性 能很大程度上会直接影响整个s o c 系统的指标，因此，要想实现高性能指标的 生化微传感s o c 单芯片集成系统，需要研究与设计针对生化微传感器信号特性 的片内嵌入式专用a d 转换器。 1 2a d 转换器简介 1 2 1a d 转换器的发展历史 a f d 转换器的发展和电子器件的发展一样，经历了从电子管型、晶体管型到 集成电路的转变。 最早的模数转换器是由电子管组装的，完全由分立元件、器件组装的方法实 现；直到五十年代中期出现了晶体管型集成电路，a d 转换器也尝试使用集成电 路单元附加分立元件组装构成，称为组建型a d 转换器。与此同时，出现z 混合 集成电路型转换器，与其它许多混合型模拟集成电路一样，混合型集成转换器是 把分立的晶体管粘贴在绝缘衬底上，再经过薄膜或厚膜技术，在同一绝缘衬底上 ? 制作电阻、电容和金属互连线，从而构成具有完整功能的转换器。 随着集成工艺的日臻成熟和转换器结构设计的不断发展，转换器的集成电路 中也引入了如单片式集成运算放大器等集成电路，1 9 7 1 年诞生了第一块单片式高 位集成化d a 转换器，从此，单片式a d 、科a 转换器成为转换器设计的发展主 流。 在单片式集成a d 转换器内部，既含有模拟集成电路，又含有数字集成电 路，属混合信号系统，必须使模拟和数字集成电路彼此融合，协调工作。其中， 模拟集成电路部分的设计，主要追求电路性能指标的准确实现，一般需要较高 的电源电压( 如：1 2 v ，5 v 等) 来增大其输出信号的有效摆幅；为了更好地提 高其性能指标，设计中经常使用无源器件( 如：电阻、电容、电感等) ；一般使 用较大的器件尺寸实现抗噪声、减小输入阻抗、保证输入管的对称等效果；而 数字集成电路部分的设计正好相反，更注重的是电路本身功能的完整性、复杂 程度，一般不需要无源器件，对各个单元电路的性能要求并不十分严格，关心 5 适用于生化微传癌$ o c 的嵌入式c m o s a d 转换器的研究 的是逻辑功能正确与否、时钟时序的延迟、关键路径上信号的传输性能等指标。 其设计能跟踪上工艺特征线宽逐步减小的步伐，通常需要较低的电源电压和较 小的器件尺寸即可实现。由以上可知，模拟集成电路、数字集成电路之间的设 计各有特点，这种设计差别带来了a d 转换器芯片内部混合电路设计的难度。 尤其随着加工工艺的发展，特征线宽迸一步减小，使得数字i c 可集成的功能更 复杂；但半导体工艺硅氧化层厚度的减薄，会使氧化层本身的最高耐压能力降 低，器件性能变差，会带来模拟集成电路设计的极大困难，从这个意义上说， 很难同时兼顾处理好这两种不同类型的集成电路设计之闯的矛盾。 但从应用角度考虑，a i ) 转换器是信息处理领域和系统中不可缺少的部分， 它广泛用于军事雷达，射频电路，数据采集，医疗成像，精密仪器仪表等领域， 因此研究d 转换器的设计很有必要而且非常有意义。 1 2 2a d 转换器的发展趋势 当前a d 转换器正朝着：低电源、低功耗、高速和高精度等方向发展 不同的应用领域和场合，对a d 转换器的设计提出了不同的性能要求。例如： 视频应用领域对a d 转换器的精度要求较高，目前国外一般可达到2 4 位精度，而 其采样速率在l m s 西以下；在通信领域，要求模拟电路提供宽频带和较大的动态 范围，因此，对d 转换器而言，要求具有更高的转换速率和更低的系统噪声， 现有用于通信的d 转换器的采样频率己经达到t 3 0 0 m s p s 4 0 0 m s p s ；现在越 来越多的移动设备需要低功耗的设计，因此低功耗设计也成为a 他转换器设计的 一个热点。2 0 0 4 年2 月在美国召开的固态电子学会议，报道了一种超低功耗的 s i g m a - d c l l a a d 转换器，接近1 v 工作，基于9 0 r i m 或1 3 0 r i mc m o s 工艺。 设计a d 转换器的主要性能指标有：转换速度、分辨率、功耗、面积和可 靠性等，而且上述指标之间是相互关联的，如：转换速度和分辨率是相互矛盾 的，面积和功耗成正比，等等，因此，在设计a d 转换器时，必须综合考虑上 述各个指标，针对不同的应用领域和功能需求特点选择合适的a d 转换器类型， 并进行全定制设计。 6 第一章绪论 1 3 国内外相关研究和本文的主要创新点 1 3 1 本文的主要研究内容 主要研究并实现了适用于生化微传感s o c 应用的片内嵌入式c m o sc r ( c h a r g e r e d i s t r i b u t i o n ) s a r ( s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o nr e g i s t e r ) a d c 模 块，包括a d c 各个组成单元电路( 二进制权重电容阵列、模拟开关阵列、 a u t o z e r o 比较器、逐次逼近逻辑、两相不交叠时钟产生电路、基准源等) 的原 理图设计和版图设计，以及流片后a d c 芯片性能测试。 1 3 2 国外的相关研究和应用特例 c r s a r a d c 3 4 1 的电路结构自1 9 7 5 年首先由p r g r a y 等人提出，其结构 与性能经后人不断完善和发展，至今仍是a d 转换器的一种重要形式。近些年， 许多应用场合或对数据变换速度或对数据变换精度的要求很高，很多高速和高 分辨率的a d c 类型相继出现，如：f o l d i n g 型、d e l t a - s i g m a 型等，研究和开发 重心偏向高速或高分辨率型a d c 。 但随着加工工艺的飞速发展和s o c 实现的可能，c rs a ra d c 的结构简 单、低功耗、面积小以及用数字电路灵活实现逐次逼近算法的优势得以显现， 尤其对于很多类传感器的应用场合，因传感器输出信号的频率不高，对后续的 a d c 的采样率的指标要求不是很严格，这正符合c rs a ra d c 的中等速率的 特点，同时，c rs a ra d c 本身的转换速度在许多情形下可满足多通道传感器 信号采集的需要，使之再次成为学者们探索的目标。对于特定应用场合的数据 转换，很多情况下c r s a r a d c 再次成为首选( 具体的选型原则在第二章中详 细阐述) ，关于c rs a ra d c 电路结构的研究又成为热点。 以下为c rs a ra d c 实现的单芯片转换器的代表性方案： ( 1 ) 1 9 8 6 年k a n t ib a c r a n i a 7 9 1 在传统的c rs a ra d c 的电路结构上首次 使用了数字误差校正技术，此校正算法的实现只是增加了1 3 的电路面积，在 未牺牲转换速度的同时，精度得以提高，达到1 2 位分辨率； ( 2 ) k h e n - s a n gt a n i 硐等人将“二次电压系数( q u a d r a t i cv o l t a g e c o e f f i c i e n t ) ”半校正算法用于c rs a ra d c 的设计中，提高了共模抑制比， 7 适用于生化徽传感s o c 的嵌入式c m o s a d 转换器的研究 减小了对电容的电压依赖性和比较器阈值电压的高精度要求，所给出的设计采 用5 v 电源电压，1 , mc m o s 工艺实现，其分辨率达到1 6 位，采样速率为 2 0 0 k s p s ： ( 3 ) 美国a d ( a n a l o gd e v i c e ) 公司推出的单芯片a d 转换器：a d 6 7 6 ， 采用c rs a r 架构，1 6 位分辨率，采样率为1 0 0 k s p s ，片内数字自动校正网络 完成a d c 整体非线性校正和优化。a d 6 7 6 内部实际分为两个单独的芯片，其 中数字控制部分由a n a l o gd e v i c e sd s pc m o s 工艺流片，模拟a d c 芯片部分 在b i m o si i 工艺流片，最后采用单一材料封装成单一芯片。 下面主要介绍几种嵌入式c rs a ra d c 模块的芯片集成，最近几年在与本 课题相关或相近领域中的片内c rs a r a d c 的几个典型应用实例： ( 1 ) m d s c o t t l 2 4 1 等利用c rs a ra d c 的低功耗优势将其应用在分布式传 感器网络中，因为各个传感节点集传感、计算、通信于一身，每个节点的功耗 十分低，所以节点中的a d c 的功耗要求十分严格，而其分辨率却并不是第一考 虑的因素；为了达到节能的目的，节点在较低的工作周期下工作，此时要求a d c 的转换速度也不用太高。基于上述原因，选择c rs a r 原理的传统型电路结构 实现a d c 模块。但整个传感器节点的小系统未实现全c m o s 集成，其中a d c 模块的主要参数指标为；l v 电源电压，8 位，1 0 0 k s p s ，功耗3 1 9 w 。 ( 2 ) z h i m i nz h o u l 2 5 j 等人首次将c rs a ra 1 3 c 用于c a m e r a - o n - c h i p 象素成 像传感器的输出灰度等级信号的数字化转换，获得了较满意的图像。所实现的 a d c 的主要指标为：8 位分辨率，功耗w ，1 2 p m n 阱工艺，1 p 2 m ( 1 层多 晶硅2 层金属) ，面积0 0 5 r a m 2 。 ( 3 ) 德国l n f i n c o n l 4 4 蚓公司2 0 0 2 年的单芯片c m o s 微控制器c 1 6 6 商用 系列，不仅嵌入了c p u 、p l l 、存储器等模块，片内还嵌入了1 0 位，2 4 位的c r s a ra d c 模块，一次完整的转换过程包括：采样、重分配、误差校正、回写等 阶段。主要性能参数：5 v 电源电压，转换时间t c 一7 7 6 t ，采样时阃t s 一1 2 8 0 n s ( 当c t u 时钟频率，a | 【，一2 5 m h z ) ，输入电容c o c 3 3 p f ，t u e ( t o t a lu n j u s t e d e r r o r ) 不超过2 l s b 。 由于c rs a ra d c 本身独有的优势，由c m o s 工艺实现的片内嵌入的应 s 第一章绪论 用前景十分广阔 1 j 3 论文的主要创新点 总体上，基于国际上相关工作的深入分析和研究，分别从a d c 系统级和功 能实现级的角度，系统地研究了适用于生化微传感s o c 片内嵌入式c m o s a d 转换器，并对于实际研究中遇到的问题，提出了一些新的思路和解决方法，主 要创新点： 1 、针对生化微传感s o c 的应用以及生化微传感器输出信号的特点，首先， 注意到标准c m o s 工艺( 用于s 0 c 流片加工) 中关键器件的不对称效应对s o c 的整体影响；然后，在转换速度、分辨率、功耗、面积和多通道切换等a d 转 换器性能指标上的综合考虑；最后，从多种工作原理的a d c 的不同结构中，选 定c rs a r a d c 作为生化微传感s o c 片内嵌入式c m o s d 转换器类型。纂 2 、首次提出了一种适用于定量分析c rs a ra d c 系统工艺误差的半解析 模型。主要研究了a d c 所能达到的分辨率与其电容阵列c m o s 工艺匹配偏差 的对应关系，可直接用于a d c 器件参数、代工厂家( f o u n d r y ) c m o s 工艺参 数和版图结构之间的选择：若给定电容工艺偏差，可估算出a d c 所能达到的位 数，判定分辨率是否能满足设计要求；反之，若给定a d c 的位数或分辨率，密也 可估算出电容所要求的c m o s 工艺偏差，从而选择合适的代工厂家工艺和合理 的器件版图结构。并使用m o n t ec a r l o 统计、最坏情况( w o r s tc a s e ) 等分析方 法验证了本数学模型的正确性。 3 、首次提出了c rs a ra d c 分辨率提高的改进设计思想，并申请发明专 利( 专利申请号：n o 2 0 0 5 1 0 0 1 1 9 8 6 3 ) 。基于2 中所建立的数学模型，通过对 输入模拟电压信号幅度区间的划分，在原有c rs a r a d c 硬件构成电路基本不 变的前提下，由数字化编程灵活调节分辨率，改善a d c 的转换性能的改进设计 方案；同时设计了符合该设计思路的可实现的具体电路结构，并给出了完整的 工作过程。 4 、c rs a r a d c 整体芯片结构及其各组成单元模块的原理图、版图设计。 其中电容阵列主要基于电容c m o s 工艺匹配偏差、阵列总面积、转换速度的综 合考虑，从而确定单位电容的取值。版图布局时，所有的单位电容采用“共质 9 适用于生亿徽传感s o c 的嵌入式c m o s a d 转换器的研究 心( c o m m o nc e n t r o i d ) ”捧列，边缘“虚拟”( v m e a l ) 结构，分别同时减小基 底上因硅氧化层梯度的变化和阵列边缘对电容偏差的影响：比较器采用自置零 ( a u t o - z e r o ) 设计技术，失调电压( o f f s e t ) 极大的降低，增加比较器的比较翻 转精度。后续增加l a t c h 模块，得到轨到轨( r a i l - t o - r a i l ) 的输出电平；基准源 采用独有的两级温度补偿技术，降低温漂的影响，得到极低的实测温度系数为 3 5 6 3 p p m * c ：s a r 逻辑控制设计是在d 触发器、基本逻辑门的基础上，按照 时序逻辑数字电路的常规设计方法，“自底向上”搭建而成，输出时序信号满足 系统需要，实现a d c 所有控制信号的核心地位。 基于上述研究和设计，实现了适用于生化微传感s o c 的片内嵌入式a d c 的系统设计，并完成整体版图生成，流片；芯片整体性能测试，溯试分析a d c 芯片满足s o c 嵌入应用要求。 1 4 论文结构 本文第二章介绍了模数转换器( a d c ) 的多种电路结构，并根据生化微传 感s o c 的特点，选择c r s a r a d c 作为其片内嵌入式a d c 类型； 针对所选定的c rs a r a d c 的架构，其中二进制权重电容阵列是影响其转 换精度的重要模块，第三章中首次建立了电容阵列工艺偏差与此类a d c 所能达 到的精度之间精确的数学模型，给出了二者之间的解析式，可直接应用于实际 f o u n d r y 工艺、版图结构和a d c 分辨率的选择； 第四章在介绍c rs a ra d c 各组成单元模块设计的基础上，给出了a d c 系统的整体结构设计和整体版图设计。对所有设计的电路原理图c a d e n c e s p e c t r e 的仿真结果进行了分析和总结，部分模块电路芯片的显微照片一并给出； 第五章提出一种信号幅度区间划分的c rs a ra d c 电路结构，阐述分辨率 得以提高的改进设计方案； 第六章主要是对c rs a ra d c 的性能测试与分析，其中还包括：2 0 a 电 流基准源的温度特性、p s r r 测试；s a r 控制逻辑模块的时序控制波形的测试。 此外，在每一章最后的小结中，除了对相应工作进行总结外，还给出了现 有研究工作的不足，和下一步的努力方向。 1 0 第二章片内嵌入式a d c 的选型 第二章片内嵌入式a d c 的选型 2 1a d 转换器的种类 a d 转换器种类繁多，从分辨率和转换速度的不同上，主要归为三大类： 低分辨率高速型、高分辨率低速型和中等分辨率中等速度型；从工作原理上分， 一般可分为1 0 类，其电路结构和特点简述如下： 2 1 1 闪烁型a d c 闪烁型( f 1 a s h ) a d o s o , 8 1 , s 2 1 是速度最快的模数转换器电路。它适合于宽带 应用领域，如：卫星通讯、雷达信号、取样示波器和高密度磁盘驱动。 工作原理：以n 位a d c 为例，其系统需要2 ”个比较器，并由2 ”个电阻 构成分压器提供各个比较器的参考电压。输入模拟信号同时比较实现转换，电 阻链决定比较器的阈值电平，每个比较器的输入偏移要小于一个最低有效位 ( l s b ) 。当输入的模拟电压高于参考电压时，比较器的输出端就产生“1 ”，否 则，输出结果为“0 ”。这就产生一组所谓的“数字式温度计码”( d i s t a l n 锄o m c t e fc o d c ) ，再经过解码器( d e d c r ) 模块，就得到和模拟信号相对 应的数字输出。 特点：转换时间较短( 1 0 啮) ，且转换时问t c 与位数n 无关；分辨率有限 ( 随位数n 的增加，芯片的面积加大) ，功耗较大，器件单元数m = 2 n i ，输入 电容很高( 对输入模拟信号的速度要求有限) 。 适用场合：基于c m o s 工艺，达到的性能指标为：位数n 8 位；采样率 量级：g s p s 。 提高闪烁型a d c 速度所面临的最大难题是要折衷考虑功耗和尺寸。若分辨 率提高1 位，其中比较器的单元数将成倍增长，同时还要保证比较器的精度是 系统要求精度的两倍。而在s a r a d c 中，提高分辨率虽也需要更精确的元件， 但复杂度并非按指数率增长，功耗和面积可做得较小，当然，s a r a d c 也无法 达到闪烁a d c 的速度 1 1 适用于生化徽传感s o c 的嵌入式c m o s a d 转换器的研究 2 1 2 逐次逼近a d c s a r 删l t2 3 , 4 1 是最早的和最成功的a d 转换技术之一，属中速( 采样频 率低于5 m s p s ) 中等分辨率的常用结构。如：手提移动设备、笔式数字转换器、 工业控制器和数字( 信号) 采集器。 工作原理：模拟信号经过采样，保持电路( t r a c k h o l d ) 后，和一个n 位 的寄存器产生个中间值( 即1 0 0 0 - - - 0 ，1 对应为最高有效位m s b ) ，经d a c 1 产生的一个去的电压吃。相比较。若圪，吃。则比较器输出“1 ”，s a r 逻 二 辑控制器向后移动一位，强制其为“1 ”，p 乙再和圪做一次比较a 这样循环直 至s a l ta d c 的对应最低有效位l s b ，此时寄存器存储了与输入的模拟信号相 对应的n 位的数字信号。 优点：转换速度( 鹏量级) ；高分辨率；可单片或混合集成；其器件内部 单元数目m 随转换位数n 线性增长，m = 2 n 1 。其中各组成单元，如d a c 和比 较器，需要达到与整体系统相当的精度。 缺点：整个转换需经n 次比较而实现，转换时间t c - - k x n ，其中k 为每次 比较所耗时间。 s a ra d c 增加精度时，只要增加相关器件的精度而不需要增加a d c 本身 的复杂性就可以得到；其结构、算法决定，s a r a d c 属于转换速率和分辨率兼 顾的最佳方案 2 1 3 算法型a d c 黜 ( a l g o r i t h m i c 、q c k c ) 的工作原理【1 8 , 8 3 屿s a ra d c 类似，只是保持 残差电压不变，均分基准电压；而s a ra d c 保持基准电压不变，加倍残差电 压。其它特点同于s a r a d c 。但乘2 增益放大器的设计具有一定的挑战性。 2 i 4 内插a d c 内插( i n t e r p o l a t i n g ) a d c n 7 3 l 利用前置放大器在其临界电压附近的线性特 性，在两相邻前置放大器的输出之间内插成线性比例的结果，故可降低所使用 第二章片内嵌入式a d c 的选型 前置放大器的数目，进而减小输入电容。 一般可分为：电阻链插入( 如图2 - 1 所示) 、电流镜插入和电容网络插入等 结构形式。 和闪烁结构相比，其特点有： 优点：减少了输入差分对的数目，从而减小输入电容，降低功耗，减少前 置放大器的数目。 一 图2 - 1 内插式a d c 原理框图 缺点：因内插模块的加入带来了系统的整体非线性。 2 1 5 两步结构a d c 图2 - 2 两步结构a d c 原理框图 为了提高分辨率，并能保持较高的转换频率，引入两步结构( t w o - s t e p ) a d c 2 0 l ，见图2 - 2 两步结构a d c 包括：采样保持电路、粗量化器、d a c 、减法器和细量化 适用于生化徽传感s o c 的嵌入式c m o s a d 转换嚣的研究 器等模块。 整个交换过程分为粗变换、细变换两步，其中：粗变换由粗量化器实现