数模混合电路功耗—噪声协同优化设计方法研究

论文题目: 数模混合电路功耗—噪声协同优化设计方法研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 微电子学与固体电子学

作者: 代国定

导师: 庄奕琪

关键词: 数模混合电路,串扰噪声,衬底耦合噪声,功耗噪声协同优化

文献来源: 西安电子科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 随着信息社会对便携产品和嵌入式系统需求的不断增多,集成电路向着超大规模、深亚微米、数模混合方向发展,电路系统不仅功耗越来越大、噪声越来越大,而且二者的相关性越来越强,在设计中须同时考虑低功耗和低噪声的问题,将二者作为相关指标来进行设计,即采用功耗—噪声协同优化设计。 对数模混合电路进行功耗—噪声协同优化设计主要包括两个方面,即功耗—噪声的估计和优化。本文归纳总结了前人对数字电路部分的功耗估计和优化技术,重点研究了针对模拟电路进行功耗估计的方法。以模数转换器电路为例,建立了其功耗估计的解析模型。该模型具有结构简单,易于植入设计工具内的优点。实验结果表明,该模型具有较高的功耗估计精度。 在噪声估计方面,研究建立了串扰噪声的估算模型和衬底耦合噪声的估算模型,串扰噪声估算模型的精度与采用Hspice模拟的结果相比,相对误差在8%以内。衬底耦合噪声估算模型的估算值与等效电阻—电容网络模型的估算值相比,相对误差在15%以内。二者的计算复杂度及耗费的模拟时间都远小于相对应的估算方法。在此基础上,对串扰噪声和衬底耦合噪声提出了具体的的消减方法。 研究了电路结构级的功耗—噪声协同优化方法。分析研究了阈值电压对电路的性能和功耗影响,在保持电路速度性能不变的情况下,提出了基于电路模拟的数值求解方法,对电路的工作电压—阈值电压进行优化,从而实现电路的功耗—噪声协同优化设计。 以流水线模数转换器电路为例,对其电路结构进行了功耗—噪声的协同优化设计,即采用全差分的分时并行处理结构,在电路实现中运用了OTA共享技术、动态偏置技术以及采样电容的缩减等技术,对关键的差分输入对管以及开关电容电路等应用了多重隔离保护措施,基于0.25μm的混合信号CMOS工艺,对整个电路进行了模拟仿真,其工作电压为2.5V,采样速率达到40M/s,功率消耗为23.3mW,芯片面积为1.6×1.0mm~2,使整个ADC电路在满足高速高分辨率的前提下实现了低功耗低噪声的设计目标。 本文的所做的工作,在国内外关于数模混合电路的功耗—噪声协同优化设计的建模与仿真工作中具有一定的创新性。不但所建立的模型可直接用于相关的模拟工作中,而且建模过程和方法可以为其它相关问题的建模提供有益参考。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 数模混合集成电路设计与模拟验证

1.1.1 数模混合IC的发展

1.1.2 数模混合电路的设计流程及模拟验证

1.2 数模混合电路的功耗问题及噪声考虑

1.2.1 功耗-噪声问题的提出

1.2.2 功耗-噪声协同设计的发展现状

1.3 模数转换器的功耗-噪声协同优化设计

1.4 本文的主要工作和结构

第二章 数模混合电路的功耗分析

2.1 CMOS电路的功耗组成

2.1.1 开关功耗

2.1.2 短路功耗

2.1.3 漏电功耗

2.2 数字电路的功耗估计

2.2.1 系统行为级

2.2.2 RTL级

2.2.3 逻辑门级

2.3 模拟电路的功耗估计

2.4 本章小结

第三章 数模混合电路的噪声分析

3.1 数模混合电路的噪声组成

3.1.1 热噪声和1/f噪声

3.1.2 串扰噪声

3.1.3 衬底耦合噪声

3.1.4 电源的电压降落及地弹噪声

3.2 串扰噪声估算模型的建立

3.3 串扰噪声估算模型的模拟验证

3.4 衬底耦合噪声估算模型的建立

3.4.1 等效电阻-电容网络模型

3.4.2 噪声电流宏模型

3.5 衬底耦合噪声估算模型的模拟验证

3.6 本章小结

第四章 数模混合电路的功耗-噪声协同优化设计

4.1 CMOS电路的功耗优化

4.1.1 降低工作电压

4.1.2 降低时钟频率

4.1.3 降低节点的等效电容和信号的开关活动性

4.1.4 降低器件的漏电流

4.2 数模混合电路的噪声优化

4.2.1 电流控制逻辑

4.2.2 差分放大器的噪声优化

4.2.3 器件物理级设计

4.3 功耗与噪声的相关性

4.4 工作电压-阈值的数值求解优化方法

4.4.1 工作电压与延时的关系

4.4.2 电路的噪声容限分析

4.4.3 工作电压-阈值的数值求解优化方法

4.5 数字电路结构的功耗-噪声优化

4.6 本章小结

第五章 流水线模数转换器的功耗-噪声协同优化设计

5.1 流水线模数转换器的结构及工作原理

5.1.1 通用流水线ADC的结构及工作原理

5.1.2 ADC的性能评估参数

5.1.3 数字误差校正技术

5.1.4 MDAC的实现

5.2 流水线ADC的低功耗研究

5.2.1 流水级的转换位数

5.2.2 采样电容的等比例缩减

5.2.3 OTA的动态偏置技术

5.2.4 OTA共享技术

5.3 流水线ADC的低噪声研究

5.3.1 输入差分对管的电阻模型

5.3.2 保护环设计

5.3.3 深N阱和埋层结构

5.4 10位流水线ADC功耗-噪声优化设计的实现

5.4.1 并行流水线ADC电路结构及工作原理

5.4.2 带隙基准电压源

5.4.3 套筒式共源共栅结构的OTA

5.4.4 差分锁存型比较器

5.4.5 数字校正逻辑

5.4.6 版图设计

5.4.7 模拟分析验证

5.5 本章小结

第六章 总结

致谢

参考文献

研究成果

附录A 10位流水线ADC电路图

附录B 10位流水线ADC版图

发布时间: 2007-01-10

参考文献

• [1].高数值孔径光刻中偏振效应及图形保真技术研究[D]. 郭学佳.北京理工大学2014

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