模拟数字转换器中衬底耦合噪声的分析

摘要

半导体技术的不断进步,数模混合集成系统应用更加广泛,与此同时,衬底耦合噪声也成为了混合信号集成电路中不可忽略的问题。在模拟数字转换器(ADC)系统中,模拟模块附近有大量的数字电路,数字电路产生的噪声电流通过多种机制注入到衬底,并通过衬底传播到模拟模块,对电路性能产生影响,甚至会导致整个系统的失败。
　　目前使用的主流仿真器均不提供完整且有效的衬底模型,因此,需要对衬底建立一个完整且有效的模型,在电路设计中对衬底噪声预先分析,以确保电路流片之后的准确性。
　　论文详细分析了衬底噪声的注入、传播和影响机制,并针对这三个方面介绍了减小噪声的方法。针对ADC所在的轻掺杂P型衬底,在复杂度和精度之间进行折衷,建立将3DRC网格模型和宏电阻模型结合起来的一个电路级3D混合衬底噪声耦合模型,并利用TCAD软件验证其准确性。同时,还分析了来自电源线/地线上的耦合噪声,并对耦合路径建立了模型。将这些模型应用到Delta-Sigma调制器电路并进行SPECTRE仿真,仿真环境与理想情况下的调制器相同时,加入衬底噪声后的调制器的信噪比比理想情况下降低了25dB。
　　本论文针对SMIC18工艺,对两种抑制衬底噪声的结构进行了建模和仿真。一是保护环隔离,当保护环宽度不变,保护环与模拟电路的距离为13.33um时,隔离效果最好;当保护环与模拟电路的距离固定,为20um时,保护环对噪声的隔离效果随着保护环宽度的增加而增强。将不同情况下的保护环应用到Delta-Sigma调制器的第一级开关电路中进行定性分析。将宽度为20um,距离模拟电路13.33um的保护环应用到Delta-Sigma调制器电路中,调制器信噪比没有保护环时提高了20dB;二是深N阱隔离,分析了深N阱制作在衬底的不同位置时对衬底噪声的隔离效果。同样把每种情况应用到第一级开关电容积分器中进行定性分析。将深N阱制作在Delta-Sigma调制器第一级开关电容积分器所在衬底中,调制器的信噪比比没有深N阱结构时提高了9.3dB。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容及结构安排

第2章 衬底噪声的耦合与抑制

2.1 衬底噪声的耦合机制

2.2 衬底耦合噪声的抑制

2.3 本章小结

第3章 3D混合衬底噪声耦合建模及ADC衬底耦合噪声分析

3.1 3D混合衬底耦合噪声模型的建立

3.2 N阱建模

3.3 电源线/地线耦合路径建模

3.4 ADC衬底耦合噪声分析

3.5 本章小结

第4章 衬底耦合噪声的隔离结构

4.1 物理位置隔离

4.2 保护环隔离

4.3 深N阱隔离

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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