CN101246507B - 一种∑δ调制器开关电流集成电路的参数设计优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种∑Δ调制器开关电流集成电路的设计优化方法，包括以下步骤：将∑Δ调制器开关电流集成电路的非理想因素用电流量来表示；建立∑Δ调制器的SIMULINK模型；在Simulink模块中采用S函数来实现参数传递与计算；进行行为仿真，根据仿真结果对电路的结构设计、谐波失真和CMOS器件参数的选择进行分析优化，综合出设计所需的器件参数。本发明方法具有高仿真效率、精度高和速度快等特点。

Description

一种∑Δ调制器开关电流集成电路的参数设计优化方法

技术领域

本发明涉及一种∑Δ调制器开关电流集成电路的参数设计优化方法。

背景技术

基于∑Δ调制器的模数转换器是利用过采样技术获得高效高分辨率、低灵敏度的模数转换器，比传统的具有Nyquist采样技术更适合现代标准CMOS技术。∑Δ调制器主要有基于开关电容技术、开关电流技术的两种，与开关电容电路相比，兼容CMOS数字工艺的开关电流电路具有工作频率高、功耗小，适合模数混合设计，芯片面积小，工作电压低的优点。然而，由不完善MOS晶体管工作引起的开关电流非理想性能如电荷注入误差、输入输出电导比误差、设置误差、噪声误差等影响了开关电流技术在各领域中的广泛应用。因此，在采用开关电流技术进行电路设计时，为了达到应用的性能指标，一系列电路构建模块性能参数必需设定并预先进行仔细的优化。但由于其过采样特性，采用Spice的晶体管级仿真需要极长的CPU时间，达到几天甚至几周。

发明内容

为了解决采用开关电流集成电路的∑Δ调制器的设计优化所存在上述的技术问题，本发明提供一种∑Δ调制器开关电流集成电路的参数设计优化方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：

将∑Δ调制器开关电流集成电路的电荷注入误差、输入输出电导比误差、设置误差、噪声误差产生的误差效应用电流量来表示；

建立∑Δ调制器的SIMULINK模型；

在Simulink模块中采用S函数来实现参数传递与计算；

进行行为仿真，根据仿真结果对电路的结构设计、谐波失真和CMOS器件参数的选择进行分析优化，综合出设计所需的器件参数。

本发明的技术效果在于：本发明通过计算晶体管模型参数与误差的关系，对电路的非理想特性如电荷注入误差、输入输出电导比误差、设置误差、噪声误差等进行了SIMULINK行为建模。并且采用S函数完成开关电流离散系统的参数传递及计算，极大地提高了仿真效率。这种基于Matlab/Simulink的开关电流∑Δ调制器的模型，可以有效地将调制器的设计参数映射入模型，快速地进行调制器的性能误差分析，从而综合出有效的设计模型。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明的开关电流电路中电荷注入示意图。

图2为本发明中开关电流存储单元等效电路。

图3为本发明中SI存储单元设置误差效应小信号等效电路。

图4为本发明中综合各种非理想因素的开关电流∑-Δ调制器模型。

图5为本发明中电荷注入误差模型及S函数程序。

图6为本发明中电荷注入(a)与电导比(b)的输出功率谱误差效应频率。

图7为本发明中半程信噪比与采样频率关系(a)及仿真与测试信噪比(b)。

具体实施方式

下面描述∑Δ调制器开关电流集成电路的设计优化方法的具体步骤：

将∑Δ调制器开关电流集成电路的非理想因素用电流量来表示。

开关电流电路的开关电流存储单元的非理想因素包括设置误差、注入电荷误差，输入输出电导比率误差、噪声误差等，这些非理想因素对开关电流存储单元的行为、积分器以及调制器性能产生不良的影响，导致输出信噪比下降，下面分析这些非理想因素的影响。

电荷注入误差：电荷注入误差也称为时钟馈通误差。参见图1，在采样周期，沟道电容存储了电荷，电荷的数量取决于存储晶体管栅极电位电平的大小。当开关关断时，大部分的电荷注入到栅源电容中，导致一个误差栅极电平并形成输出误差电流。输出电流受电荷注入误差的影响表示为：

$i_{\mathrm{out},n}=-({\mathrm{\αi}}_{\mathrm{in},n-1/2}+2V_c\sqrt{\mathrm{\β}(I+i_{\mathrm{in},n-1/2})}+\frac{1}{\mathrm{\α}}{\mathrm{\βV}}_c^2)$

式中α是晶体管M1、M2面积比，β为晶体管电流增益。V_c为误差栅极电平，且有：

$V_c=\frac{C_2{V}_{g3}}{C_1+C_2+C_{g2}}+\frac{3}{2}\frac{C_{g2}}{C_{g1}+C_{g2}}\·\mathrm{\α}(V_{g3}-V_T)$

式中C₁和C₂是开关晶体管的栅漏覆盖电容，C_g1、C_g2是存储晶体管栅源电容。

C_ox为存储晶体管栅氧化区单位面积电容。V_g3是开关晶体管栅极电压，V_T是开关晶体管域值电压。

输出输入电导比误差：在开关电流存储单元的取样相与保持相两种状态间，沟道长度调制效应与漏-栅电容效应使得漏极电压变化引起电流镜误差。参见图2的等效电路，其输出误差电流泰勒级数展开式为：

$i_{\mathrm{out},n}=-(1-{\mathrm{\ϵ}}_g{i}_{\mathrm{in},n-1/2}-{\mathrm{\ϵ}}_{g2}{i}_{\mathrm{in},n-1/2}^2-{\mathrm{\ϵ}}_{g3}{i}_{\mathrm{in},n-1/2}^3-\·\·\·)$

式中：

${\mathrm{\ϵ}}_g=\frac{{\mathrm{\λ}}_n{I}_{\mathrm{bias}}+{\mathrm{\λ}}_p{I}_{\mathrm{bias}}+(C_{\mathrm{dg}}/(C_{\mathrm{dg}}+C_{\mathrm{gs}}))\sqrt{2{\mathrm{\βI}}_{\mathrm{bias}}}}{\sqrt{2{\mathrm{\βI}}_{\mathrm{bias}}}}$

${\mathrm{\ϵ}}_{g2}=\frac{(1-{\mathrm{\ϵ}}_g)(2{\mathrm{\λ}}_n{I}_{\mathrm{bias}}+(C_{\mathrm{dg}}/(C_{\mathrm{dg}}+C_{\mathrm{gs}}))\sqrt{2{\mathrm{\βI}}_{\mathrm{bias}}}}{\sqrt{2{\mathrm{\βI}}_{\mathrm{bias}}}\·I_{\mathrm{bias}}}$

${\mathrm{\ϵ}}_{g3}=\frac{(1-{\mathrm{\ϵ}}_g)(3{\mathrm{\λ}}_n{I}_{\mathrm{bias}}++3{\mathrm{\λ}}_p{I}_{\mathrm{bias}}+2(C_{\mathrm{dg}}/(C_{\mathrm{dg}}+C_{\mathrm{gs}}))\sqrt{2{\mathrm{\βI}}_{\mathrm{bias}}}}{\sqrt{2{\mathrm{\βI}}_{\mathrm{bias}}}\·I_{\mathrm{bias}}^2}$

C_dg、C_gs、g_ds分别为存储晶体管漏栅电容、栅源电容和漏源电导，β为晶体管电流增益，λ_n、λ_p分别为M与MB沟道长度调制系数。相关参数的计算公式如下：

V_t＝V_t0(V_sb＝0)

$C_{\mathrm{gd}}\≅\mathrm{CGDO}\·W$

$C_{\mathrm{gs}}=\frac{2}{3}L\·W\·C_{\mathrm{ox}}=\frac{2}{3}L\·W\·\frac{3.9{\mathrm{\ϵ}}_0}{t_{\mathrm{ox}}}$

$\mathrm{\β}=\mathrm{\μ}\frac{3.9{\mathrm{\ϵ}}_0}{t_{\mathrm{ox}}}\·\frac{W}{L}$

设置误差：参见图3，由于设置误差导致的开关电流存储单元在时域的输出误差电流为：

i_out(n)＝-(1-ε_s-ε_s2)i_in((n-1)/2)

式中ε_s＝e^-T/(2τ)，

即开关电流的建立时间取决于输入节点电容和跨导的比值，不同的时间常数将影响调整精度；

将正弦信号参数代入上式并进行傅立叶展开可得到三次谐波分量为：

${\mathrm{HD}}_3\≅\frac{3{\mathrm{\ϵ}}_s{T}_s(1+(T_s/2\mathrm{\τ})}{52(1-{\mathrm{\ϵ}}_s)}\·{\left(\frac{I_i}{2I_{\mathrm{bias}}}\right)}^2\sin \left(\mathrm{\π}\frac{f_i}{f_s}\right)$

噪声误差：在宽带应用中开关电流热噪声具有白噪声的特征，热噪声对输出电流信号影响转化为误差电流如下式所示：

$i_{\mathrm{out}}=-[i_{\mathrm{in}}+\sqrt{\frac{\mathrm{kT}}{C}\{\frac{2}{3}{g}_{m1}^2\·[1+\frac{g_{m2}}{g_{m1}}\left]\right\}}n\left(t\right)]b$

式中，k为玻尔茨曼常数，T为绝对温标，C为栅源等效电容，g_m为晶体管跨导，n(t)表示单位标准差的高斯随机过程，b为调制器中的积分器增益。

综合考虑上述非理想因素，建立调制器的SIMULINK模型：综合考虑上述各种非理想因素而建立的2阶调制器的模型如图4所示，非理想因素的模块可以单独地加到积分器或调制器上，能够单独分析某一个因素对电路性能的影响，也可以综合考虑全部非理想因素的效应。

在Simulink模块中采用S函数来实现参数传递与计算：本发明中开关电流电路的描述方程涉及比较多的参数和代数关系，在SIMULINK模型中采用S函数进行参数传递和计算，S-函数使动态系统具有交互功能，以连续、离散或连续离散混合方式最大程度地使自身与系统相适应，表征系统动态特性，从而极大地提高仿真进度与速度。

进行行为仿真，根据仿真结果对电路的结构设计、谐波失真和CMOS器件参数的选择进行分析优化，综合出设计所需的器件参数。

本发明的具体应用实施例：

输出功率与信号噪声SNDR的计算：以0.35μmTSMC MOS管为例，其参数如表2所示，利用Matlab软件对提取的相关参数进行计算，求出各模块相关系数，系统加上1KHz正弦信号以及2.048MHz采样频率。

单独引入电荷注入误差进行调制器的频谱分析(参见图5(a))表明，电荷注入对于噪声频谱的影响较为明显，特别是ε_q小于0.5％范围内低频噪声频谱变化明显，大于0.5％后对输出频谱的影响程度降低。这种误差产生的谐波失真并不明显。与之对应的是引入电导比误差效应后，除噪声频谱升高外，3次谐波也明显提高，如图5(b)所示。将输出结果导出到Matlab进行65536点的FFT以及SNR计算。相关参数和计算结果如图7所示。为区分非理想因素的影响，对不同时钟频率进行了半程(-6dB输入信号电平)信噪比计算，参见图6(a)，时钟频率低于1.8MHz时，SNR随频率线性增大，因此主要影响调制器性能的是量化噪声。时钟频率超过1.8MHz后SNR上升缓慢，噪声误差效应比较明显。当时钟信号继续增大，受f_s影响的设置误差对调制器的性能影响较大。考虑各种非理想因素作用，优化得到开关电流调制器的主要参数(见表2)，此时开关电流调制器的输出最高信噪比约为52dB(见图6(b))。

表2CMOS模型及调制器参数

Claims (1)

1.一种∑Δ调制器开关电流集成电路的设计优化方法，包括以下步骤：

将∑Δ调制器开关电流集成电路的电荷注入误差、输入输出电导比误差、设置误差、噪声误差产生的误差效应用电流量来表示；

建立∑Δ调制器的Simulink模型；

在Simulink模块中采用S函数来实现参数传递与计算；

进行行为仿真，根据仿真结果对电路的结构设计、谐波失真和CMOS器件参数的选择进行分析优化，综合出设计所需的器件参数。

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