一种开关R-MOSFET-C滤波芯片的设计

论文摘要

滤波结构作为模拟集成电路中基本的模块，被广泛应用于A/D转换器、数字信号处理等电子电路中。随着CMOS工艺技术中晶体管尺寸的不断缩小，集成度越来越高，使用集成的电阻电容代替有源电容电阻设计单片集成滤波芯片成为一种可能。由于普通的开关电容滤波芯片中电容电阻往往占用很大面积，而且在CMOS工艺中制作的电容电阻往往具有25%甚至更大的精度误差，并且随着尺寸的减小，CMOS工艺所能承受的电源电压也不断下降，但是晶体管的阈值电压并不是随着晶体管尺寸成比例下降，这就使得开关电容电路在较低的电源电压下工作线性状态下MOS电阻的调节范围比较小。因此，设计一个较为准确的、调节范围比较大的截止频率成为一种挑战。本文详细地分析并研究了利用开关信号占空比大小对电阻大小进行准确调节的设计原理和具体的电路结构，通过一个反馈环路对电路中主从式滤波电路结构中的主滤波结构的截止频率进行自动调节，并且设计合适的电路结构使从滤波电路结构能够很好地跟随主滤波电路结构的截止频率。论文首先分析滤波结构的基本原理，阐述了内部各个参数具体的设计标准。所设计芯片正常工作的温度范围在-40℃到125℃，正常工作的电压工作范围1.6V到2.0V。设计采用Global Foundries公司的所提供的0.18μm标准工艺库，并且在Linux系统下使用Cadence公司提供的软件进行设计，利用Synopsys的仿真软件Hspice对电路进行性能仿真，所设计的滤波电路的截止频率为100k，仿真得到的指标也符合我们的要求。在完全确定电路中各部分每个器件宽长尺寸后，对电路的版图进行了简要分析，完成了整个电路的版图布局，并进行了后版图仿真。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究进展和遇到的挑战
• 1.2.1 国内外研究进展
• 1.2.2 实际设计中遇到的挑战
• 1.3 研究内容
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 滤波芯片的基本工作原理的分析和设计
• 2.1 带隙基准电路
• 2.1.1 带隙基准的基本原理
• 2.1.2 带隙基准的非理想特性
• 2.1.3 带隙电压基准电路的设计
• 2.1.4 电流基准电路的设计
• 2.2 时钟振荡电路
• 2.2.1 时钟振荡电路原理
• 2.2.2 时钟振荡单元具体实现
• 2.3 Master 电路
• 2.3.1 MOS 开关的具体实现
• 2.3.2 开关电容等效电阻的具体实现
• 2.3.3 全差分共模运算放大器的实现
• 2.3.4 Master 结构的具体设计
• 2.4 占空比调节电路
• 2.4.1 电压电流转换电路
• 2.4.2 高速比较器电路
• 2.5 六阶 Slave 电路
• 2.5.1 六阶滤波结构的理论模型
• 2.5.2 六阶滤波结构的具体实现
• 2.6 本章小结
• 第三章 滤波芯片的仿真
• 3.1 带隙基准电路的仿真
• 3.1.1 带隙基准小信号仿真
• 3.1.2 基准温度特性曲线
• 3.1.3 带隙基准的瞬态特性
• 3.1.4 基准电流的温度特性
• 3.2 时钟振荡电路仿真
• 3.3 Master 电路仿真
• 3.3.1 全差分共模运放的仿真
• 3.3.2 开关电容等效电阻的仿真
• 3.3.3 跟随特性的仿真
• 3.4 占空比调节模块仿真
• 3.4.1 比较器性能仿真
• 3.4.2 占空比整体性能仿真
• 3.5 六阶巴特沃兹低通滤波结构的仿真
• 3.5.1 LC 理想低通模型仿真
• 3.5.2 芯片整体仿真
• 3.6 本章小结
• 第四章 版图设计
• 4.1 电阻电容三极管的版图设计
• 4.1.1 电阻的版图设计
• 4.1.2 电容的版图设计
• 4.1.3 三极管的版图设计
• 4.2 MOS 管的版图设计
• 4.2.1 电流镜的版图设计
• 4.2.2 输入差分对的设计
• 4.3 ESD 防护设计
• 4.4 芯片版图整体结构
• 4.5 本章小结
• 第五章 后版图仿真
• 5.1 带隙基准电路的后版图仿真
• 5.2 时钟振荡电路的后版图仿真
• 5.3 Master 电路的版图后仿真
• 5.4 占空比调节模块的版图后仿真
• 5.5 整体电路的版图后仿真
• 5.6 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附件