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低功耗电荷分享SAR ADC研究与设计

低功耗电荷分享SAR ADC研究与设计

作者：卞腾飞华侨大学

学位级别：硕士

随着CMOS技术的发展,其尺寸不断地缩小,数字电路的集成度、速度得到了很大地提高,其功耗也不断地在降低。数字电路处理信号的能力和速度都远远优于模拟电路。模数转换器(ADC)是将现实世界中模拟连续时间域的信号转换为数字电路能够处理... 详细信息

随着CMOS技术的发展,其尺寸不断地缩小,数字电路的集成度、速度得到了很大地提高,其功耗也不断地在降低。数字电路处理信号的能力和速度都远远优于模拟电路。模数转换器(ADC)是将现实世界中模拟连续时间域的信号转换为数字电路能够处理的数字信号的一种接口电路。其中,逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)具有中等转换精度和速度、低功耗、面积小等优点,广泛应用于便携式医疗器械、传感器网络、微处理器接口等设备中。本文的目标是设计一款10bits、转换速度2MSps的低功耗CS SAR ADC。首先对CS SAR ADC进行了深入的研究,详细分析了ADC的基本原理及性能参数;介绍了一些非线性因素对CS ADC性能的影响;然后根据ADC的功能设计了整体电路的架构,对CS ADC关键模块如采样保持电路、DAC模块、动态比较器模块、时钟自校准控制模块、电压自举模块等进行了分析与设计;再根据ADC的工作原理设计了电路的时序和逻辑控制电路。大多数ADC的线性度受限于所采用的电容和电阻的线性度,所以传统ADC通常采用线性电容和电阻。本文进行了以下改进:(1)在电路设计中提出了新的栅压自举(boost-bootstrap)开关电路结构,使栅压比输入信号始终大2?V,提高了采样保持电路开关导通电阻的线性度并降低了导通电阻的大小,电路的结构简单且易于实现;(2)本文设计的ADC采用了一种非线性电容metal-oxide-semiconductor capacitors(MOSCAPs)作为DAC模块的电容,用以减小比较器失调电压和噪声对ADC性能的影响;(3)为了使ADC有较低的功耗,本文采用0.6V的电源电压供电,以及使用无静态功耗的动态比较器。本文基于55nm CMOS工艺,设计了一种低功耗10bits、2MSPs CS SAR ADC,并利用Cadence对系统进行了仿真。该ADC的工作电压为0.6V,差分输入电压范围1.8Vpp。经测试,当输入信号频率为48.8KHz时,SNDR为56.1727dB,SFDR为61.61dB,有效位为9.038bits,功耗约为9.54uW,FOM值为9.074fJ/con-step。

关键词：模数转换器电荷分享 MOSCAP 栅压自举低功耗

双栅MOSFET沟道侧壁绝缘柱(DP)表面势解析模型

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固体电子学研究与进展 2015年第5期35卷 424-428页

作者：李尚君高珊储晓磊安徽大学电子信息工程学院合肥230601

采用抛物线近似方法求解二维泊松方程,建立了漏端沟道侧壁绝缘柱表面电势解析模型。在该解析模型下,求解了不同漏压下的表面势,并与Atlas仿真结果做对比。比较了在相同条件下,DPDG MOSFET与DG MOSFET的沟道侧壁电势与电场分布。在不同... 详细信息

采用抛物线近似方法求解二维泊松方程,建立了漏端沟道侧壁绝缘柱表面电势解析模型。在该解析模型下,求解了不同漏压下的表面势,并与Atlas仿真结果做对比。比较了在相同条件下,DPDG MOSFET与DG MOSFET的沟道侧壁电势与电场分布。在不同沟道长度下,分析了DPDG MOSFET器件的阈值电压(Vth),亚阈值斜率(SS)以及漏感应势垒降低效应(DIBL),并与DG MOSFET作对比。结果表明,添加绝缘柱DP后,不仅减小了源漏端电荷分享,而且增强了栅对电荷控制,从而改善了器件的DIBL效应,并有效提高了器件的可靠性。

关键词：双栅内嵌绝缘柱金属氧化物半导体场效应晶体管沟道侧壁绝缘柱表面势电荷分享漏感应势垒降低效应短

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基于SOI工艺的高可靠有源像素研究

电子器件 2013年第6期36卷 769-773页

作者：田犁苗田乐危峻汪辉中国科学院上海技术物理研究所上海200010 中国科学院上海高等研究院上海201210

基于SOI衬底材料提出了一种新型的CMOS图像传感器有源像素结构,建立了与之相对应的二维器件仿真模型,利用Sentaurus Device仿真工具对该结构的单粒子效应(Single-Event Effects)进行了模拟仿真研究。仿真结果显示在像素周围引入P+重掺... 详细信息

基于SOI衬底材料提出了一种新型的CMOS图像传感器有源像素结构,建立了与之相对应的二维器件仿真模型,利用Sentaurus Device仿真工具对该结构的单粒子效应(Single-Event Effects)进行了模拟仿真研究。仿真结果显示在像素周围引入P+重掺杂保护层能够有效隔离像素使受辐射像素相邻像素收集到的噪声电子数减小,证明此像素结构具有一定的抗单粒子辐照性能。

关键词：微电子学与固体电子学有源像素 P+重掺杂保护层单粒子效应电荷分享

适于低电源电压应用的新型MOS自举采样开关

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微电子学 2011年第6期41卷 794-798页

作者：马效波徐世六王永禄重庆大学重庆400060 模拟集成电路重点实验室重庆400060 中国电子科技集团公司第二十四研究所重庆400060

提出了一种适合低电源电压应用的新型MOS自举采样开关电路。通过"复制"自举电容和采样开关作为电荷损耗检测电路,并将检测出的电压降低值重新加到自举电容上,解决了传统MOS自举采样开关在低电源电压下工作时的电荷分享问题。基于0.18μ... 详细信息

提出了一种适合低电源电压应用的新型MOS自举采样开关电路。通过"复制"自举电容和采样开关作为电荷损耗检测电路,并将检测出的电压降低值重新加到自举电容上,解决了传统MOS自举采样开关在低电源电压下工作时的电荷分享问题。基于0.18μm标准CMOS工艺,对电路进行了仿真。结果显示,在输入频率为60MHz、峰-峰值为1V、采样频率为125MHz时,与传统自举采样电路相比,新型自举采样电路采样开关管具有更低的导通电阻,无杂散动态范围(SFDR)提高了8dB,特别适合在低压高速A/D转换器中使用。

关键词：采样开关自举电路电荷分享无杂散动态范围

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SRAM单粒子效应评估方法研究

SRAM单粒子效应评估方法研究

作者：陈善强中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）

学位级别：硕士

本文基于器件模拟软件TCAD(technology computer aided design)和蒙特卡罗工具包Geant4形成了一套评估SRAM单粒子翻转的方法。本文利用该方法获得0.18um SRAM重离子和质子单粒子翻转截面,分析了电荷分享对单粒子多位翻转的影响,并结合... 详细信息

本文基于器件模拟软件TCAD(technology computer aided design)和蒙特卡罗工具包Geant4形成了一套评估SRAM单粒子翻转的方法。本文利用该方法获得0.18um SRAM重离子和质子单粒子翻转截面,分析了电荷分享对单粒子多位翻转的影响,并结合静态辐射环境模型预测不同型号SRAM在不同屏蔽下的单粒子在轨翻转率。本文的主要工作概况如下: 1.基于TCAD和蒙特卡罗工具包Geant4代替地面模拟实验完成了SRAM的单粒子翻转评估。本文利用TCAD模拟不同LET粒子入射SRAM灵敏节点以及周围区域,获得最小翻转阈值、饱和截面等单粒子效应相关参数,应用Weibull函数拟合得到重离子的σ-LET曲线。采用Geant4模拟质子与硅的核反应,记录次级粒子在灵敏体积内的能量沉积,结合重离子的σ-LET曲线,最终获得质子的单粒子翻转截面。 2.本文针对TSMC 0.18um CMOS工艺分析了高能粒子入射漏区以及周围区域时,NMOS管的电荷分享和电荷收集情况,并定量评估了节点隔离对电荷分享的影响。研究结果表明器件周围的区域比漏区更容易诱发多位翻转,因为高能粒子在器件周围区域产生的电子-空穴对在扩散作用下更容易到达各相邻灵敏单元,进而诱发多位翻转,节点隔离可以抑制电荷在相邻灵敏单元间的扩散,能够有效的降低电荷收集和多位翻转。 3编写了基于Geant4的多层屏蔽分析软件和在轨翻转率预测软件。多层屏蔽分析软件允许用户自定义材料,记录穿透屏蔽材料的粒子能谱。在轨翻转率计算程序通过计算粒子在器件灵敏单元中的能量沉积,结合地面模拟实验或TCAD模拟获得的σ-LET曲线,最终获得器件的单粒子在轨翻转率。

关键词：单粒子效应 TCAD三维模拟电荷分享 Geant4 在轨翻转率

甚低功耗SAR ADC的结构设计与控制技术

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甚低功耗SAR ADC的结构设计与控制技术

作者：唐重林西安电子科技大学

学位级别：硕士

基于片上系统和微控制芯片对其内部A/D转换器的低功耗要求,本文在分析传统逐次逼近型ADC结构原理和功耗特性的基础上,尝试设计了一种新颖的甚低功耗SAR ADC电路结构,该ADC利用电荷分享技术实现数据的采样/保持和逐次逼近转换过程,同时... 详细信息

基于片上系统和微控制芯片对其内部A/D转换器的低功耗要求,本文在分析传统逐次逼近型ADC结构原理和功耗特性的基础上,尝试设计了一种新颖的甚低功耗SAR ADC电路结构,该ADC利用电荷分享技术实现数据的采样/保持和逐次逼近转换过程,同时采用了异步时序控制技术代替传统的同步时序控制方式,对SAR控制逻辑进行优化设计,使其在功耗和速度方面都达到优良的性能。采用该新型甚低功耗SAR ADC的系统结构和控制技术,从低功耗的设计角度出发,基于SMIC 0.18μm CMOS工艺,完成了一个8bit、15Msps SAR ADC的芯片电路设计,其中包括采样/保持电路、充电电容阵列,比较器,时序控制逻辑等模块。在Cadence平台上进行仿真分析,结果表明,该ADC在15Msps的采样率下正常工作,其平均功耗仅为518μW,FOM值为0.18 pJ Conv。与传统的SAR ADC相比,该新型SAR ADC不仅达到了甚低功耗的设计要求,而且其综合性能指标也大大得到了提升。通过对SAR ADC的实际电路设计与仿真,验证了本文甚低功耗SAR ADC结构和控制技术的正确性和可行性。

关键词： A/D转换器低功耗逐次逼近电荷分享异步控制技术

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锁相环型频率综合器中的高速分频器

中国科学院研究生院学报 2008年第4期25卷 549-553页

作者：袁泉杨海钢董方源尹韬中国科学院电子学研究所

对锁相环型频率综合器中的高速分频器进行了较为深入的分析.比较了同步分频器和异步分频器,表明了异步分频器在高频应用中的特点.对相位切换型异步分频器中第1级和第2级2分频电路的实现方案进行了仔细分析和对比,并针对Wang提出的2分频... 详细信息

对锁相环型频率综合器中的高速分频器进行了较为深入的分析.比较了同步分频器和异步分频器,表明了异步分频器在高频应用中的特点.对相位切换型异步分频器中第1级和第2级2分频电路的实现方案进行了仔细分析和对比,并针对Wang提出的2分频电路中存在的电荷分享问题提出了改进方案,仿真显示改进后的电路有效解决了电路中的电荷分享问题.采用Chartered0.35μm2P4MCMOS工艺,对第1级与改进后的第2级2分频电路整体仿真显示,电路的最高工作频率为3.3GHz,电流消耗为1.9mA.

关键词：锁相环异步分频器同步分频器电荷分享

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动态CMOS多米诺逻辑电路的研究

辽宁大学学报（自然科学版） 2005年第3期32卷 260-263页

作者：范军张宏张宏庆沈桂芬辽宁大学物理系辽宁沈阳110036

主要对导致动态CMOS多米诺电路失效的原因进行详细的描述,并讨论了解决电路失效问题的若干方案,从而有效地提高了动态CMOS多米诺逻辑电路在实际应用中的可靠性和稳定性.

关键词：动态电路多米诺逻辑电荷分享串扰