基于动态元件匹配的CMOS集成温度传感器设计

利用CMOS工艺下衬底型双极晶体管的温度特性,设计了一种精度较高的温度传感器.动态元件匹配的应用很好地解决了由于集成电路工艺误差引起的不匹配对温度传感器性能的影响.采用CSMC0.5μm混合信号工艺仿真,结果显示,该温度传感器精度是0.15℃,线性度是0.15%.多个芯片实测结果表明:温度传感器精度小于0.6℃,线性度小于0.68%,功耗为587μW,芯片面积为225μm×95μm,输出为模拟电压信号,便于采集,为后端处理和应用提供方便.

基于斩波和动态元件匹配的CMOS集成温度传感器的设计

利用CMOS工艺下衬底型双极晶体管的温度特性,设计了一种精度较高的温度传感器。斩波技术和动态元件匹配技术的应用很好的提高了温度传感器的精度。文章对斩波和动态元件匹配技术进行了详细的分析。并采用HYNIX0.5μm混合信号工艺进行仿真和流片,仿真结果显示,该温度传感器精度为±0.4℃,工作的温度的范围?40℃～+100℃。多个芯片实测结果表明:温度传感器精度为±0.7℃,功耗0.35mW,芯片面积是889μm×620μm。芯片输出为模拟电压信号,便于后续电路进行采集。该温度传感器已经成功用在消费类电子产品中。

基于动态元件匹配技术的改进逐次逼近ADC设计

介绍了一种低功耗、中等速度、中等精度的改进逐次逼近ADC,用于DSP的外围接口中。其中DAC采用分段电容阵列结构,节省了芯片面积,其高三位使用了动态元件匹配技术,改善了ADC的性能。比较器采用四级预放大器和Latch串联构成,并且使用了失调校准技术。数字电路采用全定制设计,辅助模拟电路完成逐次逼近过程,并且能够使ADC进入省电模式。芯片使用UMC0.18μm混合信号CMOS工艺制造,版图面积2.2mm×1.5mm。后仿真结果显示,ADC可以在1.8V电压下达到12bit精度,速度1MS/s,整个芯片的功耗为2.6mW。

使用动态元件匹配技术的带隙基准源的设计

为了改善器件失配引起的误差对带隙基准精度及稳定性的影响,设计了一款基于BICMOS 0.15μm工艺的带隙基准电压源。电路使用传统的带隙基准结构,为了提高增益,采用两级放大器;为了解决器件失配造成的不稳定性,采用了动态元件匹配技术。经过spectre仿真表明:此基准源能够很好地改善器件失配带来的误差,从而保证基准源的精度以及稳定性,5.0V供电、温度在233K(-40℃)~378K(105℃)变化时,相比于没有使用动态元件匹配的电路,该电路最少能够减小68%的误差;典型温度298K(25℃)、电压在4.5~5.5V变化时,相比于没有使用动态元件匹配的电路,该电路最少能够减小70%的误差。仿真结果显示,电路具有高稳定性。

采用新型动态器件匹配算法的高速数模转换器

采用5+7的分段方式,设计了一种12位1GHz电流舵数模转换器(DAC),分析了电流源版图误差对DAC性能的影响。为了抵消DAC版图的梯度失配误差,提出一种新型随机增减动态元件匹配(DEM)算法,并将其加入到高5位温度计码中,以优化DAC的动态性能。基于TSMC0.18μm CMOS工艺,完成了整个DAC的电路设计,并与常规DEM算法进行仿真比较,结果显示,在输入数据频率分别为10MHz和120MHz时,该DAC的无杂散动态范围(SFDR)分别提升7.2dB和3.8dB。

高精度电压电流转换电路中电流镜校准技术

电流镜输出误差主要由3个不同失配源造成:漏源电压(V_(DS)),阈值电压(V_(th)),跨导系数(β)。其中,第一项V_(DS)失配通常是由有限输出阻抗引起的确定性误差,该误差可以通过使用级联结构以及增益提升技术避免,后两项V_(th)和β失配是由工艺引起的随机性误差。为解决电流镜因工艺失配现象导致的电压电流(Voltage to Current)转换电路精度、线性度较差的问题,提出了一种动态元件匹配(Dynamic Element Match,DEM)以及修调技术(TRIM)相结合的电流镜校准方法,该方法使用TRIM技术将待校准输出电流镜支路和基准电流镜支路之间的误差电流,通过电容与MOS管转换成校准电流后反馈流入待校准输出电流镜支路完成校准,并通过DEM技术切换多条待校准输出电流镜支路完成校准的同时使输出误差平均化。本文采用SMIC 0.18μm BCD工艺对所提出的V-I转换电路进行了电路设计,仿真结果表明,V-I转换电路的输出电流的失配误差从0.12%下降到了0.03%,有效位数ENOB达到了11.2 bit,总谐波失真THD为−72.6 dB。

一种面积与随机性均衡的DEM设计

针对高速电流舵数模转换器(Digital-to-Analog Conversion,DAC)中电流源阵列不匹配问题,提出了一种基于随机结合的分组译码动态元素匹配(Dynamic-Element Matching,DEM)结构以提升DAC的转换性能。所提结构是一种基于随机旋转(Random Rotation-based Binary-weighted Selection,RRBS)的改进结构。该结构首先将输入数据分成高位数据与低位数据,接着将低位数据经过RRBS结构处理所得的结果逐位与高位数据结合进行第二次处理并得到最终输出。该结构在输入数据为3位与输入数据大于3位这两种情况下存在差异。使用MATLAB对提出结构的无杂散动态范围(Spurious Free Dynamic Range,SFDR)进行了仿真。首先给出该结构在不同分段方式与不同误差情况下的SFDR对比图,接着将不同DEM结构在不同误差下进行对比,最后对该结构在不同输入频率与误差的情况进行仿真对比。同时,给出了该结构在tsmc65工艺下的综合结果。在相同的系统周期下,该结构所占用的面积相比于RRBS结构的更小。通过仿真与综合结果可以看出,提出的DEM结构电路减小了电路面积;相比于未使用DEM的14位DAC,本结构可以使SFDR提高15 dB以上。

一种实现失配误差整形与4倍无源增益的噪声整形SAR ADC

本文提出了一种高分辨率的完全无源的噪声整形逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)。首先,其采用了一种二阶误差反馈式失配误差整形技术(EFMES),并且使用了一种数字预测方法来恢复MES引起的信号范围损失。其次,采用了一种完全无源的噪声整形结构,实现了无源求和与4倍无源增益,对系统内热噪声与量化噪声进行整形。最后。采用了一种差分式的定制电容,大大降低了电容阵列整体面积的同时依然保有良好的线性度。该设计使用SMIC 0.18μm工艺实现,后仿真表明,在1.8V电源电压、25倍过采样率和1MS/s的采样频率下,ADC的SNDR为88.23dB,SFDR为93.67dB。功耗仅为965μW,电路有效面积为1.95mm^(2)。

基于GND采样技术的逐次逼近型模数转换器设计

针对柔性压阻式压力传感器输出信号数字化对功耗和面积的要求,设计了一款低功耗逐次逼近型(SAR)模数转换器(ADC).电路采用了基于GND采样的单调开关切换方案降低DAC开关能耗,并使用了分段电容阵列,在进一步降低切换功耗的同时,还缩减了整体电路的面积开销.此外,电路还设计了两级预放大器来降低动态比较器的噪声和失调,采用动态元件匹配技术(DEM)来提高ADC的线性度.在0.18μm 1P6M CMOS工艺下实现了该ADC的电路设计和版图绘制,芯片内核面积约630μm×575μm,在1.8 V的电源电压下功耗为25.7μW.流片测试结果显示:SAR ADC在250 kHz的采样率下以11 bit输出时,信噪失真比SNDR为65.0 dB,有效位数ENOB为10.51 bit.

一种具有分段式DEM的二阶噪声整形SAR ADC

设计了一种具有分段式动态元件匹配(DEM)的高分辨率、低功耗噪声整形SAR ADC。该电路实现了具有无源增益的二阶噪声整形滤波器,从而增强了噪声整形能力。此外,提出了一种分段式动态元件匹配电路来解决由DAC电容失配引起的谐波失真问题,以进一步提高ADC的信噪失真比(SNDR)。仿真结果表明,在4 MS/s的采样速率和40倍过采样率(OSR)的情况下,所设计的噪声整形SAR ADC的信噪失真比达到91.1 dB。当电源电压为1.8 V时,该ADC的功耗仅为231μW,并实现了174.5 dB Schreier优值(FOM)。

一种采用DEM技术的16-bit 2.5 GHz电流舵数模转换器设计

电流舵数模转换器(DAC)的动态性能受电流源失配的影响。采用6+10的分段方式,分析比较了几种动态元件匹配(DEM)算法,采用了一种分段温度数据权重平均(Segmented Thermo Data-Weighted Average, STDWA)技术,并将其应用于高6位的温度计编码中,消除对输入编码的依赖,弱化电流源失配的影响,以优化动态性能。基于TSMC 55 nm工艺,设计实现了一种16位2.5 GHz的电流舵DAC,测试结果显示,在2.5 GHz采样率和94.15 MHz输入信号频率条件下,无杂散动态范围(SFDR)提升了6 dB。

一种片上集成的温度传感器设计

本设计在FinFET器件结构的标准CMOS工艺下进行,实现一种集成在片上系统内部的温度传感器。为解决寄生PNP管电流增益过小对基射电压的影响,温度传感电路基于寄生垂直NPN三极管进行设计,以动态元件匹配、斩波等技术减少电路失调,模数转换采用相关双采样技术的单环二阶单比特量化的电容型Σ△调制器结构,以提高对系统噪声的抑制能力。该温度传感器集成在片上系统内部,实现对片上系统温度的监控。电路仿真及芯片测试结果表明,该温度传感器在-55℃至+125℃的温度范围内,电路仿真精度为±0.15℃,芯片测试精度为±1.5℃。

基于混合型ADC的高精度温度传感器研制

介绍了一种基于0.18μm CMOS工艺的高精度数字式温度传感器电路。在感温前端模块,通过利用动态匹配技术与斩波技术,并采用混合型一阶sigma-delta/SAR型ADC,在降低功耗的同时实现更高的分辨率,提高温度传感器的采样精度。经过仿真及测试验证,提出的基于混合型ADC的高精度数字式温度传感器电路,提供16 bit温度结果,应用时无需校准即可在-25~55℃的温度范围内达到±0.1℃精度。通过使能控制,极大程度地减少自发热对测温精度的影响,在1.7~5.5 V的电压范围内,电流最大值仅为5μA。在达到高精度的同时,降低了成本与功耗。

一种采用DEM译码的16 bit高性能数模转换器的设计

分析了目前分段电流舵数模转换器（DAC）在动态性能提升和芯片面积缩小等方面的局限性。提出了动态元件匹配（DEM）译码技术。设计了16 bit DAC中的DEM译码电路结构,分析了DEM译码技术的原理。对该16 bit DAC的动态性能等进行了详细仿真,并完成了整体版图设计。该DAC核心部分芯片面积仅为2. 2 mm^2。采用0. 18μm CMOS工艺完成了该DAC的加工和性能参数测试。在1 GHz采样率和100 MHz输入信号频率条件下,该DAC的无杂散动态范围约为67 dB,三阶互调失真约为76 dB,整体性能优于目前同类研究成果。

一种高速高精度Σ-Δ调制器的设计

采用多位D/A转换器是Σ-Δ调制器实现高速高精度的主要手段,然而,多位D/A转换器引入非线性却是影响Σ-Δ调制器信噪比的主要因素。讨论了一种具有单位信号传递函数、动态元件匹配实现多位D/A转换器并对其引入的非线性噪声压缩整形(NSDEM)的Σ-Δ调制器结构;在此结构上进行了Σ-Δ调制器的设计方法研究。行为仿真结果验证了该结构和设计方法的可行性。

一种应用于高精度数模转换器的DEM译码器的设计

高精度数模转换器目前一般采用分段式电流舵架构,这种结构可有效节约版图面积,但也存在输出信号中出现与输入信号强相关的误差。本文设计了一种新型的DEM译码器来替代传统数模转换器中的温度计码译码器,在译码过程中实现对DAC内部电流源的随机调用,从而可有效降低输出信号中与输入信号强相关的误差。

一种新的∑Δ内部DAC实现方案

提出了一种基于电流模技术的动态元件匹配方案 ,用以实现∑ ΔADC中内部多位数 -模转换器 ( DAC) .为减少由于 CMOS工艺中的非理想因素引起的电路失配 ,基本 DAC单元设计采用精密电流拷贝电路 ,采用动态元件匹配的设计思想 ,选择一阶动态平均权重 ( DWA)算法进行选通电路的设计 ,对各基本 DAC单元进行动态选通 ,将元件之间的失配误差转换为高频噪声分量 .这些高频分量在∑ ΔADC的数字重建滤波器中被滤除 .模拟显示 ,与不采用 DWA的实现方案相比 。

一种面向无源RFID的新型高精度温度传感器

针对目前超低功耗温度传感器误差大的问题,运用由精确比例电流源偏置的寄生衬底PNP晶体管,采用0.18μm混合信号工艺设计了一种可集成于无源RFID标签的新型高精度温度传感器。传感器核心电路产生与绝对温度成正比的电压信号,通过新型开关电容积分器进行放大,并由改进的12位超低功耗逐次逼近模数转换器完成数字量化。仿真结果表明,单次温度转换时间为4.25ms;在1.8V工作电压下,平均电流为17.5μA;在-37℃~91℃范围内,温度误差为-0.1℃~0.43℃。

窄带射频接收系统中带通Σ-Δ调制器的设计

设计了一种适用于无线窄带射频接收系统的带通Σ-Δ调制器,并将其成功集成于一个无线射频收发芯片之中。该调制器采用0.35μm CMOS工艺实现,采用斩波-稳零,动态元件匹配,以及正交采样等技术,提高系统的信噪比,并解决通道间失配的问题。模拟结果表明,该电路在30 kHz带宽内,信噪比为83.4 dB,而两个通道消耗的总电流仅为1 mA。

一种带有DAC失配整形的高精度Sigma-Delta调制器

为减小生理信号采集应用中仪表放大器的设计难度,需在低功耗、小信号带宽的前提下大幅度提高模数转换单元的精度和动态范围以作补偿。为此,面向生理信号采集应用,实现了一种带前馈结构的高精度三阶五比特Sigma-Delta调制器,其不需要复杂的OTA结构和过高的过采样率,且功耗较低,并将二阶噪声整形动态元件匹配方案应用于DAC中,以避免多比特量化造成的非线性谐波失真。该Sigma-Delta调制器采用SMIC 0.18μm CMOS标准工艺,在1 MHz的采样率,1 kHz的信号带宽内,峰值SNDR达到111 dB,动态范围达到120 dB,有效位数达到18 bit,工作电源电压为1.8 V,整体功耗为0.87 mW。