电流模模数转换器设计

摘要

出于手持式电子设备和混合信号 SoC应用需求，集成电路系统的电源电压越来越低，可用做信号处理和操作的电压空间也越来越小，使得一直以来以电压为变量的电压模电路设计方法面临极大的困难。为了解决这一问题，研究者将目光重新投向电流模电路，以期为目前的设计困境找到一种解决方法。电流模电路以电流形式表征各种信号，因此对电压的敏感性很低，能够在极低的电源电压下工作，并且具有很高的速度。但同时由于电流模电路的动态范围同偏置电流直接相关，需要保持一定的偏置电流以获得足够的动态范围，电路会消耗较大的静态电流，功耗较高。为了解决目前低电压给集成电路设计带来的困难，并完善电路设计体系，对电流模技术进行深入的研究和探索是很有必要的。
　　本文从电流模的技术优势出发，以模拟电路中的基本功能模块及模数转换器为主要研究内容，对电流模技术进行深入研究。在对国内外电流模技术发展状况进行详细调研的基础上，对电流模下模拟电路设计中的主要功能模块中的采样保持电路和电流比较器进行研究；并在对功能模块进行深入研究的基础上，实现了一种电流模模数转换器。主要包括以下内容：
　　利用电流模技术设计模拟电路通用模块，研究电流模技术在模拟集成电路设计当中的应用范围和适用程度。以采样保持电路、比较器模块为对象，在充分分析 MOS开关引起的电荷注入效应对开关电流存储单元产生影响的基础上，给出一种甲乙类开关电流存储单元电路结构，在保证线性度的同时，具有较小的功耗和较大的信号摆幅，并在理论上能够消除电荷注入效应对存储单元的影响；并根据比较器的不同应用背景，分别给出一种连续时间电流比较器和两种开关电流比较器，在保证比较器具有一定精度的同时，降低了比较器的功耗。采用 CSMC0.6μm CMOS工艺对其中一种高电源效率开关电流比较器进行流片验证，测试结果验证了设计思想的正确性。研究结果说明，电流模技术能够实现模拟电路系统所需的基本通用信号处理功能。
　　以电流模功能单元为基础，设计实现电流模模数转换器。实际设计中采用流水线结构，利用电流模技术实现了一种8位、20M采样率的模数转换器。采用差分结构实现流水操作，并采用分布式偏置电流电路，降低工艺变化等引起的不匹配对电路性能造成的影响。同时提出一种全差分电流比较方式，避免了传统结构在功耗、电流方向等方面的限制，本文提出的比较方式结构简单，电流方向灵活，功耗更低。同时在源极退化电阻线性结构的基础上，设计一种线性增强电压-电流转换器，为电流模电路的测试提供条件。采用 CSMC0.5μm CMOS工艺进行流片，测试结果表明，当电源电压在3.3V~5V范围内、量化范围在±64μA~±256μA范围内变化时，本文设计的电流模流水线模数转换器均能正常工作：在5V电压、256μA偏置电流情况下，消耗电流75mA，DNL及 INL分别为-0.005～0.027 LSB/-0.1～0.2 LSB，信噪比为42.6dB，有效位数约为6.8位；在3.3V电压、64μA偏置电流情况下，消耗电流21mA，DNL及 INL分别为-0.8～+1.6 LSB/-1.8～+1.8LSB，信噪比为42.2dB，有效位数约为6.1位。

目录

电流模模数转换器设计

DESIGN OF CURRENT MODE ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER

摘 要

Abstract

目 录

Contents

绪论

1.1 课题背景

1.2 低压低功耗技术

1.2.1 制造工艺改进

1.2.2 电压模电路结构改进

1.2.3 电流模电路技术

1.3 电流模ADC简介

1.3.1 电流模ADC发展状况

1.3.2 电流模ADC结构

1.4 本文主要研究内容

1.5 论文结构

第2章 电流模流水线ADC结构

2.1 引言

2.2 理想ADC特性

2.3 ADC性能指标简介

2.3.1 静态参数

2.3.2 动态参数

2.3.3 影响电流模ADC性能的主要因素

2.4 电流模ADC结构设计

2.5 本章小结

第3章 电流模采样保持电路

3.1 引言

3.2 电流模采样保持电路的基本形式

3.3 消除电荷注入误差的甲乙类电流记忆单元

3.3.1 沟道电荷注入及时钟馈通的产生机理

3.3.2 一种沟道电荷注入及时钟馈通误差电流的消除方法

3.3.3 仿真结果

3.4 全差分电流模采样保持电路

3.5 本章小结

第4章 低功耗电流比较器

4.1 引言

4.2 连续时间电流比较器

4.2.1 连续时间电流比较器发展历程

4.2.2 低功耗连续时间电流比较器的设计

4.3 高电源效率电流比较器

4.3.1 开关电流比较器的回顾

4.3.2 高电源效率开关电流比较器设计

4.3.3 高电源效率开关电流比较器的测试

4.3.4 功率门控开关电流比较器的设计

4.4 两步式电流比较器设计

4.5 低功耗差分电流比较方式

4.5.1 差分电流比较

4.5.2 差分电压比较器

4.6 本章小结

第5章 8位20MS/s电流模流水线ADC设计

5.1 引言

5.2 线性增强电压-电流转换器

5.2.1 线性增强源极退化电阻结构

5.2.2 线性增强电阻结构仿真结果

5.2.3 全差分线性增强电压-电流转换器实现及测试

5.3 设计中用到的其他模拟电路

5.3.1 偏置电流源

5.3.2 子DAC

5.4 设计中用到的数字电路

5.4.1 时钟电路

5.4.2 延迟阵列

5.4.3 数字误差校正电路

5.5 电流模流水线ADC仿真结果

5.6 电流模ADC实现及测试

5.6.1 测试电路

5.6.2 静态参数测试

5.6.3 动态参数测试

5.7 电流模ADC同电压模电路对比

5.8 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历