基于gm-ID的低功耗電路設(shè)計(jì)研究.pdf

1、與以往射頻收發(fā)芯片常用的雙極工藝、GaAs工藝相比，CMOS工藝不僅具有相對(duì)較低的價(jià)格和功耗，而且便于集成，所以在模擬和數(shù)字電路設(shè)計(jì)時(shí)CMOS工藝的應(yīng)用更加廣泛。但是隨著CMOS工藝的進(jìn)步，MOS晶體管的溝道長(zhǎng)度不斷減小，器件特征頻率不斷提高，會(huì)導(dǎo)致在電路設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)某些對(duì)電路性能產(chǎn)生影響的非理想寄生效應(yīng)，如襯底損耗效應(yīng)、溫度效應(yīng)、泄漏電流、噪聲以及失配，從而影響整個(gè)無(wú)線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。所以在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該著重考慮各種參數(shù)之間的折中與優(yōu)化以便

2、實(shí)現(xiàn)符合要求的電路模塊。隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)手機(jī)、相機(jī)及可穿戴設(shè)備等無(wú)線通信設(shè)備的小型化、低功耗、低成本要求越來(lái)越高，因此研究如何提高射頻模塊和低頻放大器的性能具有十分重要的意義。
　　論文首先簡(jiǎn)要介紹了模擬和數(shù)字電路設(shè)計(jì)常用的方法以及所應(yīng)用的EDA工具。與數(shù)字電路設(shè)計(jì)相比，模擬電路要在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)各種不同的約束條件及表征電路性能的參數(shù)進(jìn)行正確的折中與優(yōu)化。其次介紹了有源以及無(wú)源器件的參數(shù)及尺寸對(duì)電路性能以及版圖造成的影響。所以

3、為了更好地適應(yīng)現(xiàn)代低電壓低功耗射頻模擬電路的設(shè)計(jì)趨勢(shì)，本文提出了利用gm/ID的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)所必要的折中與優(yōu)化。為了更好地分析gm/ID設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)，本文著重分析了MOS晶體管工作在不同反型層的性能特點(diǎn)，同時(shí)提出了一種可以直觀地表示不同性能參數(shù)的MOS晶體管工作面，比較了處于工作面內(nèi)不同區(qū)域的MOS晶體管的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)以及主要應(yīng)用范圍。在此基礎(chǔ)上，論文根據(jù)MOS晶體管中等反型區(qū)的工作特性，結(jié)合gm/ID設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了兩個(gè)低功耗

4、的電路，分別為工作頻率為2.4GHz的LC-VCO以及增益為30dB的跨導(dǎo)運(yùn)算放大器OTA。本論文的主要工作有：
　　（1）設(shè)計(jì)了一個(gè)全差分結(jié)構(gòu)的工作頻率為2.4GHz的低噪聲壓控振蕩器，同時(shí)仿真結(jié)果表明該振蕩器具有良好的輸出頻率范圍和噪聲性能。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)首先分析了TSMC90nm工藝庫(kù)中MOS晶體管的gm/ID曲線分別與反型層、寄生電容、晶體管尺寸以及輸出電阻的函數(shù)圖形，這些參數(shù)均與所設(shè)計(jì)的壓控振蕩器性能有密切的關(guān)系。然后

5、將傳統(tǒng)的表征壓控振蕩器性能參數(shù)比如輸出電壓幅度，相位噪聲表示為gm/ID的函數(shù)關(guān)系，利用所生成的圖形選擇電路結(jié)構(gòu)所有的MOS晶體管尺寸以及諧振網(wǎng)絡(luò)中的電容容值以及電感值。該論文提出的基于gm/ID設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)壓控振蕩器的整個(gè)設(shè)計(jì)流程以及不同性能參數(shù)間的快速優(yōu)化。
　　（2）設(shè)計(jì)了一個(gè)共源共柵OTA電路。利用gm/ID方法設(shè)計(jì)的跨導(dǎo)放大器中所有的信號(hào)通路上的器件的反型系數(shù)、溝道長(zhǎng)度和漏極電流均相等。雖然這樣做可能得不到最優(yōu)的熱噪

6、聲、閃爍噪聲和局部面積失配，但是可以為典型OTA電路結(jié)構(gòu)提供一種簡(jiǎn)單的模擬電路設(shè)計(jì)流程及優(yōu)化方法。
　　整個(gè)設(shè)計(jì)基于臺(tái)積電TSMC90nm工藝，利用Cadence Spectre RF仿真設(shè)計(jì)電路，采用Virtuoso Layout繪制版圖。仿真結(jié)果表明：當(dāng)輸出頻率為2.4GHz時(shí)，壓控振蕩器的相位噪聲為-110.8dBc/Hz@1MHz，電源電壓為1.2V時(shí)的工作電流為147uA，功耗為0.4mW?？缱璺糯笃鞯姆抡娼Y(jié)果為增益為3