低功耗CMOS集成电路设计方法的研究

论文摘要

近年来,随着亚微米、深亚微米技术的发展和系统芯片技术的日益成熟,集成电路在集成度和性能方面不断获得提高;与此同时,系统复杂程度的提高以及各种移动设备的广泛使用,也使得电路功耗开始成为集成电路设计发展的重要瓶颈之一。集成电路的功耗问题已被提到与面积和速度同等重要的地位,低功耗设计已经成为衡量电子产品性能的重要指标。目前,作为主流的CMOS集成电路设计工艺,已被广泛应用在集成电路的低功耗设计中。高性能、低功耗CMOS集成电路的设计方法已成为集成电路设计的一个焦点。本文首先按照动态功耗和静态功耗两大类别,详细阐述了CMOS电路的功耗产生的机理,对各种功耗进行了建模并讨论了功耗优化方法。其次设计一种带隙基准电压源电路,采用二次分压技术,降低了输出电压;同时采用了亚阈值技术,降低了电路的电源电压,进而降低了电路功耗,满足低压低功耗的设计要求,而且电路结构简单,容易实现。本文对降低阈值电压的低功耗设计方法进行深入研究,给出一种衬底偏置技术与准浮栅技术设计相结合的方法,进一步降低电路对电源电压的要求。并以两级运算放大电路为例,对提出的设计方案进行仿真验证。仿真结果表明,运放的最大开环增益约为72.5dB,单位增益带宽为1.5MHz,相位裕量为53°,静态功耗为148μW,基本达到运放的设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 低功耗技术的研究意义
• 1.3 低功耗技术研究现状
• 1.4 低功耗技术的应用
• 1.5 本文的研究内容、结构和创新之处
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 论文结构
• 1.5.3 创新之处
• 第二章 低功耗技术综述
• 2.1 功耗估计
• 2.2 功耗优化
• 2.2.1 动态功耗优化技术
• 2.2.2 静态功耗优化技术
• 2.3 低功耗技术交叉研究
• 第三章 CMOS电路功耗设计的基本方法
• 3.1 动态功耗
• 3.1.1 功能跳变功耗
• 3.1.2 短路电流功耗
• 3.1.3 竞争冒险功耗
• 3.2 动态功耗优化方法
• 3.2.1 降低电源电压
• 3.2.2 降低负载电容
• 3.2.3 降低开关活动性（跳变率）
• 3.3 静态功耗
• 3.4 静态功耗优化方法
• 3.4.1 阈值电压对漏电流的影响
• 3.4.2 阈值电压的调节方法
• 3.5 其他低功耗问题
• 3.6 低功耗途径
• 第四章 CMOS器件模型与工作特性
• 4.1 MOS场效应管的结构和符号
• 4.1.1 MOS管的结构
• 4.1.2 MOS管的符号
• 4.2 MOS管的伏安特性
• 4.3 二阶效应
• 4.3.1 体效应
• 4.3.2 沟道长度调制效应
• 4.3.3 亚阈值特性
• 4.4 MOS管低频大信号等效电路
• 4.5 MOS管低频小信号等效电路
• 第五章 具体电路设计及仿真
• 5.1 低压低功耗模拟集成电路设计技术
• 5.1.1 衬底驱动电路
• 5.1.2 浮栅MOS晶体管技术
• 5.1.3 准浮栅MOS晶体管技术
• 5.1.4 亚阈值特性设计技术
• 5.2 基于衬底偏置的MOS管的特性分析
• 5.3 基于衬底偏置技术的低压运算放大器设计
• 5.3.1 集成运放的组成
• 5.3.2 电路类型
• 5.3.3 CMOS差分放大器主要性能
• 5.3.4 运算放大器的设计
• 5.4 工作在亚阈值区的带隙基准电压源设计
• 5.4.1 典型的带隙基准电压源电路
• 5.4.2 低压低功耗的带隙基准电压源电路
• 5.4.3 模拟结果
• 5.5 利用准浮栅技术和衬底偏置技术的运算放大器设计
• 第六章 结论与展望
• 6.1 论文主要成果
• 6.2 对今后工作的展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文