温度工艺补偿技术的研究

论文摘要

由于集成电路中的器件参数会随着制造工艺和环境温度变化,这就使得电路的仿真结果同测试结果不可避免的存在一定的偏差。可以在设计初期阶段考虑温度变化、工艺偏差对电路的性能产生的影响,增加相应的补偿机制,使得电路在各种环境下都可以保持稳定的性能。本文首先分析温度和工艺偏差对电路造成的影响,然后在查阅大量温度工艺补偿技术相关文献的基础上,总结各种典型的温度和工艺补偿技术,并将其分为两大类:具有通用性的温度/工艺补偿技术和针对具体应用的具有温度/工艺补偿的功能电路。然后分别对这两类进行研究和分析,在研究的过程中得到了一些实用的新型电路。对第一类,即通用性技术,主要研究了温度传感器和工艺监测器这两个模块,并且分别设计了具有数字输出的对应模块,尤其是设计并分析了一个新颖的工艺监测器,可以得到与工艺相对应的数字输出。对第二类,即具体应用性技术,以基于环路振荡器的窗口式模数转换器和混合式数字脉宽调制器这两个DC-DC电源管理芯片中的关键模拟模块为例,进行了详细的温度和工艺补偿的研究。创新性提出了一种对环振型ADC进行温度补偿的新型技术。该技术采用一种基于固定数的计数算法以及CTAT电流偏置技术来补偿温度对输出的影响,不需要任何额外的校准机制。模拟结果证明,通过采用这种技术,在考虑了0℃到100℃的温度变化的条件下,环振型模数转换器的分辨率可以达到2mV/LSB（输入电压的范围为120mV,采样频率为100KHz）。创新性提出了一种新型的混合式数字脉宽调制器。该脉宽调制器基于混合环路振荡器/计数器的结构。与已有的延迟线/计数器结构相比,由于该数字脉宽调制器采用了温度/工艺补偿技术和一种新型的数字控制器,使其不但可为DC-DC变换器提供一个不随温度/工艺角变化的时钟,而且可以工作在更高的时钟频率,适用于高频应用场合。仿真结果表明该混合式数字脉宽调制器工作的时钟频率可达到157.7MHz,并且在0℃到100℃的温度范围内及所有工艺角下的最大偏移只有±5.7%。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 温度工艺补偿的必要性
• 1.2 温度工艺补偿技术的国内外研究综述
• 1.3 论文的主要工作及创新
• 1.4 论文的组织结构
• 第二章 典型的温度工艺补偿技术
• 2.1 温度和工艺对经典电路的影响
• 2.2 温度工艺补偿技术的典型电路
• 2.2.1 带隙基准源
• 2.2.1.1 产生正温度系数的电路原理
• 2.2.1.2 产生负温度系数的电路原理
• 2.2.1.3 Widlar带隙基准电路
• 2.2.2 针对工艺变化进行补偿的反相器
• 2.2.2.1 具有工艺补偿的反相器的基本原理
• 2.2.2.2 具有工艺补偿的反相器的应用
• 2.2.3 具有温度和工艺补偿的压控环路振荡器
• 2.2.3.1 差分延迟单元
• 2.2.3.2 偏置电压产生电路
• 2.2.3.3 具有温度工艺补偿的控制电压产生电路
• 2.3 温度和工艺补偿技术的总结
• 第三章 温度传感器的分析和设计
• 3.1 带有数字输出的温度传感器的基本原理
• 3.2 具有4-bit数字输出的温度传感器的分析和设计
• 3.2.1 整体结构
• 3.2.2 PTAT电流源和参考电流源的产生
• 3.2.3 4-bit电流型模数转换器
• 3.3 温度传感器的部分测试结果
• 3.4 小结
• 第四章 工艺监测器的分析和设计
• 4.1 工艺监测器的基本原理
• 4.2 具有数字输出的工艺监测器的分析和设计
• 4.2.1 工艺角感知电路
• 4.2.2 工艺监测器的整体结构
• 4.2.3 感知工艺的电流和参考电流源产生电路
• 4.2.4 电流比较器
• 4.3 具有6-位温度计型数字输出的工艺监测器的仿真结果
• 4.4 小结
• 第五章 温度工艺补偿技术的应用
• 5.1 DC-DC电源控制器中进行温度工艺补偿的必要性
• 5.2 具有温度工艺补偿的窗口式模数转化器
• 5.2.1 系统结构
• 5.2.2 固定数值计数的算法
• 5.2.3 对CTAT电流源的要求
• 5.2.4 CTAT电流源的产生
• 5.2.5 仿真结果
• 5.2.6 小结
• 5.3 具有温度工艺补偿的混合式数字脉宽调制器
• 5.3.1 系统结构
• 5.3.2 具有温度和工艺补偿的环路振荡器
• 5.3.2.1 多相环路振荡器
• 5.3.2.2 控制电压产生电路
• 5.3.3 数字控制器
• 5.3.4 模拟结果
• 5.3.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢