電流模模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì).pdf

1、出于手持式電子設(shè)備和混合信號(hào) SoC應(yīng)用需求，集成電路系統(tǒng)的電源電壓越來越低，可用做信號(hào)處理和操作的電壓空間也越來越小，使得一直以來以電壓為變量的電壓模電路設(shè)計(jì)方法面臨極大的困難。為了解決這一問題，研究者將目光重新投向電流模電路，以期為目前的設(shè)計(jì)困境找到一種解決方法。電流模電路以電流形式表征各種信號(hào)，因此對(duì)電壓的敏感性很低，能夠在極低的電源電壓下工作，并且具有很高的速度。但同時(shí)由于電流模電路的動(dòng)態(tài)范圍同偏置電流直接相關(guān)，需要保持一定的偏

2、置電流以獲得足夠的動(dòng)態(tài)范圍，電路會(huì)消耗較大的靜態(tài)電流，功耗較高。為了解決目前低電壓給集成電路設(shè)計(jì)帶來的困難，并完善電路設(shè)計(jì)體系，對(duì)電流模技術(shù)進(jìn)行深入的研究和探索是很有必要的。
　　本文從電流模的技術(shù)優(yōu)勢(shì)出發(fā)，以模擬電路中的基本功能模塊及模數(shù)轉(zhuǎn)換器為主要研究內(nèi)容，對(duì)電流模技術(shù)進(jìn)行深入研究。在對(duì)國內(nèi)外電流模技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)電流模下模擬電路設(shè)計(jì)中的主要功能模塊中的采樣保持電路和電流比較器進(jìn)行研究；并在對(duì)功能模塊進(jìn)行深

3、入研究的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了一種電流模模數(shù)轉(zhuǎn)換器。主要包括以下內(nèi)容：
　　利用電流模技術(shù)設(shè)計(jì)模擬電路通用模塊，研究電流模技術(shù)在模擬集成電路設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用范圍和適用程度。以采樣保持電路、比較器模塊為對(duì)象，在充分分析 MOS開關(guān)引起的電荷注入效應(yīng)對(duì)開關(guān)電流存儲(chǔ)單元產(chǎn)生影響的基礎(chǔ)上，給出一種甲乙類開關(guān)電流存儲(chǔ)單元電路結(jié)構(gòu)，在保證線性度的同時(shí)，具有較小的功耗和較大的信號(hào)擺幅，并在理論上能夠消除電荷注入效應(yīng)對(duì)存儲(chǔ)單元的影響；并根據(jù)比較器的不同應(yīng)用

4、背景，分別給出一種連續(xù)時(shí)間電流比較器和兩種開關(guān)電流比較器，在保證比較器具有一定精度的同時(shí)，降低了比較器的功耗。采用 CSMC0.6μm CMOS工藝對(duì)其中一種高電源效率開關(guān)電流比較器進(jìn)行流片驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思想的正確性。研究結(jié)果說明，電流模技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)模擬電路系統(tǒng)所需的基本通用信號(hào)處理功能。
　　以電流模功能單元為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電流模模數(shù)轉(zhuǎn)換器。實(shí)際設(shè)計(jì)中采用流水線結(jié)構(gòu)，利用電流模技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種8位、20M采樣率的模數(shù)轉(zhuǎn)換

5、器。采用差分結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)流水操作，并采用分布式偏置電流電路，降低工藝變化等引起的不匹配對(duì)電路性能造成的影響。同時(shí)提出一種全差分電流比較方式，避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在功耗、電流方向等方面的限制，本文提出的比較方式結(jié)構(gòu)簡單，電流方向靈活，功耗更低。同時(shí)在源極退化電阻線性結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種線性增強(qiáng)電壓-電流轉(zhuǎn)換器，為電流模電路的測(cè)試提供條件。采用 CSMC0.5μm CMOS工藝進(jìn)行流片，測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)電源電壓在3.3V~5V范圍內(nèi)、量化范圍在±6

6、4μA~±256μA范圍內(nèi)變化時(shí)，本文設(shè)計(jì)的電流模流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器均能正常工作：在5V電壓、256μA偏置電流情況下，消耗電流75mA，DNL及 INL分別為-0.005～0.027 LSB/-0.1～0.2 LSB，信噪比為42.6dB，有效位數(shù)約為6.8位；在3.3V電壓、64μA偏置電流情況下，消耗電流21mA，DNL及 INL分別為-0.8～+1.6 LSB/-1.8～+1.8LSB，信噪比為42.2dB，有效位數(shù)約為6.1位。