電流模模數(shù)轉換器設計.pdf

1、出于手持式電子設備和混合信號 SoC應用需求，集成電路系統(tǒng)的電源電壓越來越低，可用做信號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計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，以期為目前的設計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，因此對電壓的敏感性很低，能夠在極低的電源電壓下工作，并且具有很高的速度。但同時由于電流模電路的動態(tài)范圍同偏置電流直接相關，需要保持一定的偏

2、置電流以獲得足夠的動態(tài)范圍，電路會消耗較大的靜態(tài)電流，功耗較高。為了解決目前低電壓給集成電路設計帶來的困難，并完善電路設計體系，對電流模技術進行深入的研究和探索是很有必要的。
　　本文從電流模的技術優(yōu)勢出發(fā)，以模擬電路中的基本功能模塊及模數(shù)轉換器為主要研究內容，對電流模技術進行深入研究。在對國內外電流模技術發(fā)展狀況進行詳細調研的基礎上，對電流模下模擬電路設計中的主要功能模塊中的采樣保持電路和電流比較器進行研究；并在對功能模塊進行深

3、入研究的基礎上，實現(xiàn)了一種電流模模數(shù)轉換器。主要包括以下內容：
　　利用電流模技術設計模擬電路通用模塊，研究電流模技術在模擬集成電路設計當中的應用范圍和適用程度。以采樣保持電路、比較器模塊為對象，在充分分析 MOS開關引起的電荷注入效應對開關電流存儲單元產(chǎn)生影響的基礎上，給出一種甲乙類開關電流存儲單元電路結構，在保證線性度的同時，具有較小的功耗和較大的信號擺幅，并在理論上能夠消除電荷注入效應對存儲單元的影響；并根據(jù)比較器的不同應用

4、背景，分別給出一種連續(xù)時間電流比較器和兩種開關電流比較器，在保證比較器具有一定精度的同時，降低了比較器的功耗。采用 CSMC0.6μm CMOS工藝對其中一種高電源效率開關電流比較器進行流片驗證，測試結果驗證了設計思想的正確性。研究結果說明，電流模技術能夠實現(xiàn)模擬電路系統(tǒng)所需的基本通用信號處理功能。
　　以電流模功能單元為基礎，設計實現(xiàn)電流模模數(shù)轉換器。實際設計中采用流水線結構，利用電流模技術實現(xiàn)了一種8位、20M采樣率的模數(shù)轉換

5、器。采用差分結構實現(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電路性能造成的影響。同時提出一種全差分電流比較方式，避免了傳統(tǒng)結構在功耗、電流方向等方面的限制，本文提出的比較方式結構簡單，電流方向靈活，功耗更低。同時在源極退化電阻線性結構的基礎上，設計一種線性增強電壓-電流轉換器，為電流模電路的測試提供條件。采用 CSMC0.5μm CMOS工藝進行流片，測試結果表明，當電源電壓在3.3V~5V范圍內、量化范圍在±6

6、4μA~±256μA范圍內變化時，本文設計的電流模流水線模數(shù)轉換器均能正常工作：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。