一种∑Δ调制器开关电流集成电路的参数设计优化方法

摘要

本发明公开了一种∑Δ调制器开关电流集成电路的设计优化方法，包括以下步骤：将∑Δ调制器开关电流集成电路的非理想因素用电流量来表示；建立∑Δ调制器的SIMULINK模型；在Simulink模块中采用S函数来实现参数传递与计算；进行行为仿真，根据仿真结果对电路的结构设计、谐波失真和CMOS器件参数的选择进行分析优化，综合出设计所需的器件参数。本发明方法具有高仿真效率、精度高和速度快等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种∑Δ调制器开关电流集成电路的参数设计优化方法。

背景技术

基于∑Δ调制器的模数转换器是利用过采样技术获得高效高分辨率、低灵敏度的模数转换器，比传统的具有Nyquist采样技术更适合现代标准CMOS技术。∑Δ调制器主要有基于开关电容技术、开关电流技术的两种，与开关电容电路相比，兼容CMOS数字工艺的开关电流电路具有工作频率高、功耗小，适合模数混合设计，芯片面积小，工作电压低的优点。然而，由不完善MOS晶体管工作引起的开关电流非理想性能如电荷注入误差、输入输出电导比误差、设置误差、噪声误差等影响了开关电流技术在各领域中的广泛应用。因此，在采用开关电流技术进行电路设计时，为了达到应用的性能指标，一系列电路构建模块性能参数必需设定并预先进行仔细的优化。但由于其过采样特性，采用Spice的晶体管级仿真需要极长的CPU时间，达到几天甚至几周。

发明内容

为了解决采用开关电流集成电路的∑Δ调制器的设计优化所存在上述的技术问题，本发明提供一种∑Δ调制器开关电流集成电路的参数设计优化方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：

将∑Δ调制器开关电流集成电路的非理想因素用电流量来表示；

建立∑Δ调制器的SIMULINK模型；

在Simulink模块中采用S函数来实现参数传递与计算；

进行行为仿真，根据仿真结果对电路的结构设计、谐波失真和CMOS器件参数的选择进行分析优化，综合出设计所需的器件参数。

本发明的技术效果在于：本发明通过计算晶体管模型参数与误差的关系，对电路的非理想特性如电荷注入误差、输入输出电导比误差、设置误差、噪声误差等进行了SIMULINK行为建模。并且采用S函数完成开关电流离散系统的参数传递及计算，极大地提高了仿真效率。这种基于Matlab/Simulink的开关电流∑Δ调制器的模型，可以有效地将调制器的设计参数映射入模型，快速地进行调制器的性能误差分析，从而综合出有效的设计模型。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明的开关电流电路中电荷注入示意图。

图2为本发明中开关电流存储单元等效电路。

图3为本发明中SI存储单元设置误差效应小信号等效电路。

图4为本发明中综合各种非理想因素的开关电流∑-Δ调制器模型。

图5为本发明中电荷注入误差模型及S函数程序。

图6为本发明中电荷注入(a)与电导比(b)的输出功率谱误差效应频率。

具体实施方式

下面描述∑Δ调制器开关电流集成电路的设计优化方法的具体步骤：

将∑Δ调制器开关电流集成电路的非理想因素用电流量来表示。

开关电流电路的开关电流存储单元的非理想因素包括设置误差、注入电荷误差，输入输出电导比率误差、噪声误差等，这些非理想因素对开关电流存储单元的行为、积分器以及调制器性能产生不良的影响，导致输出信噪比下降，下面分析这些非理想因素的影响。

电荷注入误差：电荷注入误差也称为时钟馈通误差。参见图1，在采样周期，沟道电容存储了电荷，电荷的数量取决于存储晶体管栅极电位电平的大小。当开关关断时，大部分的电荷注入到栅源电容中，导致一个误差栅极电平并形成输出误差电流。输出电流受电荷注入误差的影响表示为：

$i_{\mathrm{out},n}=-({\mathrm{\alpha i}}_{\mathrm{in},n-1/2}+{2V}_c\sqrt{\beta (I+i_{\mathrm{in},n-1/2})}+\frac{1}{\alpha }{\mathrm{\beta V}}_c^2)$

式中α是晶体管M1、M2面积比，β为晶体管电流增益。V_c为误差栅极电平，且有：

$V_c=\frac{C_2{V}_{g3}}{C_1+C_2+C_{g2}}+\frac{3}{2}\frac{C_{g2}}{C_{g1}+C_{g2}}·\alpha (V_{g3}-V_T)$

式中C₁和C₂是开关晶体管的栅漏覆盖电容，C_g1、C_g2是存储晶体管栅源电容。$C_g=\frac{2}{3}L·W·C_{\mathrm{ox}},$C_ox为存储晶体管栅氧化区单位面积电容。V_g3是开关晶体管栅极电压，V_T是开关晶体管域值电压。

输出输入电导比误差：在开关电流存储单元的取样相与保持相两种状态间，沟道长度调制效应与漏一栅电容效应使得漏极电压变化引起电流镜误差。参见图2的等效电路，其输出电流泰勒级数展开式为：

$i_{\mathrm{out},n}=-(1-{ϵ}_g{i}_{\mathrm{in},n-1/2}-{ϵ}_{g2}{i}_{\mathrm{in},n-1/2}^2-{ϵ}_{g3}{i}_{\mathrm{in},n-1/2}^3-···)$

式中：

${ϵ}_g=\frac{{\lambda }_n{I}_{\mathrm{bias}}+{\lambda }_p{I}_{\mathrm{bias}}+(C_{\mathrm{dg}}/(C_{\mathrm{dg}}+C_{\mathrm{gs}}))\sqrt{{2\mathrm{\beta I}}_{\mathrm{bias}}}}{\sqrt{{2\mathrm{\beta I}}_{\mathrm{bias}}}}$

${ϵ}_{g2}=\frac{(1-{ϵ}_g)({2\lambda }_n{I}_{\mathrm{bias}}+(C_{\mathrm{dg}}/(C_{\mathrm{dg}}+C_{\mathrm{gs}}))\sqrt{{2\mathrm{\beta I}}_{\mathrm{bias}}}}{\sqrt{{2\mathrm{\beta I}}_{\mathrm{bias}}}·I_{\mathrm{bias}}}$

${ϵ}_{g3}=\frac{(1-{ϵ}_g)({3\lambda }_n{I}_{\mathrm{bias}}++{3\lambda }_p{I}_{\mathrm{bias}}+2(C_{\mathrm{dg}}/(C_{\mathrm{dg}}+C_{\mathrm{gs}}))\sqrt{{2\mathrm{\beta I}}_{\mathrm{bias}}}}{\sqrt{{2\mathrm{\beta I}}_{\mathrm{bias}}}·I_{\mathrm{bias}}^2}$

C_dg、C_gs、g_ds分别为存储晶体管漏栅电容、栅源电容和漏源电导，β为晶体管电流增益，λ_n、λ_p分别为M与MB沟道长度调制系数。相关参数的计算公式如下：

V_t＝V_t0(V_sb＝0)

$C_{\mathrm{gd}}\cong \mathrm{CGDO}·W$

设置误差：参见图3，由于设置误差导致的开关电流存储单元在时域的输出电流为：

i_out(n)＝-(1-ε_s-ε_s2)i_in((n-1)/2)

式中ε_s＝e^-T/(2τ)，$\tau =\frac{C_{\mathrm{gs}}}{g_m}$，即开关电流的建立时间取决于输入节点电容和跨导的比值，不同的时间常数将影响调整精度；${ϵ}_{s2}=\frac{{3T}_s}{2\tau }{ϵ}_s$。将正弦信号参数代入上式并进行傅立叶展开可得到三次谐波分量为：

${\mathrm{HD}}_3\cong \frac{{3ϵ}_s{T}_s(1+(T_s/2\tau ))}{52(1-{ϵ}_s)}·{\left(\frac{I_i}{{2I}_{\mathrm{bias}}}\right)}^2\sin \left(\pi \frac{f_i}{f_s}\right)$

噪声误差：在宽带应用中开关电流热噪声具有白噪声的特征，热噪声对输出电流信号影响如下式所示：

$i_{\mathrm{out}}=-[i_{\mathrm{in}}+\sqrt{\frac{\mathrm{kT}}{C}\{\frac{2}{3}{g}_{m1}^2·[1+\frac{g_{m2}}{g_{m1}}\left]\right\}}n\left(t\right)]b$

式中，k为玻尔茨曼常数，T为绝对温标，C为栅源等效电容，g_m为晶体管跨导，n(t)表示单位标准差的高斯随机过程，b为调制器中的积分器增益。

综合考虑上述非理想因素，建立调制器的SIMULINK模型：综合考虑上述各种非理想因素而建立的2阶调制器的模型如图4所示，非理想因素的模块可以单独地加到积分器或调制器上，能够单独分析某一个因素对电路性能的影响，也可以综合考虑全部非理想因素的效应。

在Simulink模块中采用S函数来实现参数传递与计算：本发明中开关电流电路的描述方程涉及比较多的参数和代数关系，在SIMULINK模型中采用S函数进行参数传递和计算，S-函数使动态系统具有交互功能，以连续、离散或连续离散混合方式最大程度地使自身与系统相适应，表征系统动态特性，从而极大地提高仿真进度与速度。

进行行为仿真，根据仿真结果对电路的结构设计、谐波失真和CMOS器件参数的选择进行分析优化，综合出设计所需的器件参数。

本发明的具体应用实施例：

输出功率与信号噪声SNDR的计算：以0.35μmTSMC MOS管为例，其参数如表2所示，利用Matlab软件对提取的相关参数进行计算，求出各模块相关系数，系统加上1KHz正弦信号以及2.048MHz采样频率。

单独引入电荷注入误差进行调制器的频谱分析(参见图5(a))表明，电荷注入对于噪声频谱的影响较为明显，特别是ε_q小于0.5％范围内低频噪声频谱变化明显，大于0.5％后对输出频谱的影响程度降低。这种误差产生的谐波失真并不明显。与之对应的是引入电导比误差效应后，除噪声频谱升高外，3次谐波也明显提高，如图5(b)所示。将输出结果导出到Matlab进行65536点的FFT以及SNR计算。相关参数和计算结果如图7所示。为区分非理想因素的影响，对不同时钟频率进行了半程(-6dB输入信号电平)信噪比计算，参见图6(a)，时钟频率低于1.8MHz时，SNR随频率线性增大，因此主要影响调制器性能的是量化噪声。时钟频率超过1.8MHz后SNR上升缓慢，噪声误差效应比较明显。当时钟信号继续增大，受f_s影响的设置误差对调制器的性能影响较大。考虑各种非理想因素作用，优化得到开关电流调制器的主要参数(见表2)，此时开关电流调制器的输出最高信噪比约为52dB(见图6(b))。

表2 CMOS模型及调制器参数

    参数名称    参数值  主要COMS模型参数    调制器主要参数  Level＝49W/L＝10/0.4；t_ox＝7.7E-9；  V_th0＝0.5068216；V_off＝-0.1240329；CDSC＝1.527511E-3；   CDSCD＝0+CDSCB＝0+DELTA＝0.01+CAMPMOD＝2；  CGDO＝3.00E-10+CGSO＝3.00E-10；  CGBO＝0；WKETA＝-3.146977E-3+LKETA＝-2.710986E-3  电源电压3.3V 功耗18mW 时钟频率2.048MHz   信号带宽8kHz 过采样率128 分辨率10bits