标准数字工艺下16位精度低压低功耗ΣΔ模数调制器设计De

第32卷第2期电子与信息学报Vol.32No.22010年2月JournalofElectronics&InformationTechnologyFeb.2010标准数字工艺下16位精度低压低功耗ΣΔ模数调制器设计殷树娟李翔宇孙义和(清华大学信息科学与技术国家实验室北京100084)摘要：针对输入信号频率在20Hz~24kHz范围的音频应用，该文采用标准数字工艺设计了一个1.2V电源电压16位精度的低压低功耗ΣΔ模数调制器。在6MHz采样频率下，该调制器信噪比为102.2dB，整个电路功耗为2.46mW。该调制器采用一种伪两级交互控制的双输入运算放大器构成各级积分器，在低电源电压情况下实现高摆率高增益要求的同时不会产生更多功耗。另外，采用高线性度、全互补MOS耗尽电容作为采样、积分电容使得整个电路可以采用标准数字工艺实现，从而提高电路的工艺兼容性、降低电路成本。与近期报道的低压低功耗ΣΔ模数调制器相比，该设计具有更高的品质因子FOM。关键词：ΣΔ模数调制器；低压；低功耗；开关电容；耗尽电容中图分类号：TN402文献标识码：A文章编号：1009-5896(2010)02-0464-06DOI:10.3724/SP.J.1146.2009.00116Designof16bitLow-VoltageLow-PowerΣΔModulatorwithStandardDigitalTechnologyYinShu-juanLiXiang-yuSunYi-he(NationalLaboratoryofInformationandTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:Foraudiosignalswithinputfrequencybetween20Hzand24kHz,aswitch-capacitorfeed-forwardΣΔA/Dmodulatorin0.18μmLogictechnologyisproposedinthispaper,whichgains16bitresolutionwith1.2Vsupplyvoltage.Themodulatorcanachieve102.2dBsignal-to-noiseratio(SNR)under6MHzsampleclock,andthetotalpowerdissipationisonly2.46mW.Inthemodulator,apseudo-two-stageClass-ABtransconductanceamplifierisused,whichhashighslewrateandopenloopgainwhilewithoutincreasingpowerdissipation.Whatismore,fullcompensateddepletion-modecapacitorsareusedassamplecapacitorsandintegratingcapacitorstoenablethewholechiptobefabricatedinstandarddigitaltechnology,whichisgoodtoreducechipcostandimprovethemodulators’compatibilityintechnology.Comparedwithotherlow-powerlow-voltageΣΔA/Dmodulatorsreported,thisdesignhasbetterFOM(FigureOfMerit).Keywords:ΣΔA/Dmodulator;Lowvoltage;Lowpower;Switched-capacitor;Depletionmodecapacitor1引言伴随着工艺的不断进步及各种可携式产品的广泛应用，对于低压低功耗电路的需求更加迫切。对于ΣΔ模数调制器来说，一方面其输入信号摆幅随电源电压的降低而不断降低，而另一方面噪声信号并不随电源电压降低而降低，从而使得最终电路的精度不断下降。为了满足精度要求，常常需要采用大电流方法但这同时会增加电路功耗[1]。因此，低压低功耗ΣΔ模数调制器的设计无论是在工业界还是学术界都是一个重要的课题和难题。近年来，各种会议、杂志等给出了很多低压低功耗ΣΔ模数调制器，其中包括采用低阈值器件、电荷泵电路、开关2009-01-21收到，2009-05-14改回国家自然科学基金(60236020)和高等教育博士点专项科研基金(20050003083)资助课题通信作者：殷树娟[e-mail]运算放大器等。采用低阈值器件会增加漏电功耗，引起谐波失真，另外低阈值器件的实现需要专门的低阈值工艺，增加工艺成本。使用电荷泵电路会降低电路的可靠性，增加电路噪声和功耗，额外的电荷泵电路也会增加芯片面积。开关运算放大器结构由于只在一个相位下工作使得其速度及采样频率受限。考虑到ΣΔ模数调制器的主要功耗集中构成各级积分器的运算放大器上，因此本文采用一种新型运算放大器结构，通过交互控制的输入级实现高增益高摆幅的同时满足低功耗要求，并以该运算放大器构建ΣΔ模数调制器的各级积分器。为了降低成本，提高电路的工艺兼容性，本设计的采样/积分电容利用MOS耗尽电容的串并联实现。该电容具有高线性度、高电容密度的优点，且完成采用MOS第2期殷树娟等：标准数字工艺下16位精度低压低功耗ΣΔ模数调制器设计465晶体管实现。仿真结果表明：基于0.18μm数字工艺在1.2V电源电压下，本文实现的开关电容3阶级联前馈ΣΔ模数调制器在15.375kHz差分正弦输入时信噪比SNR为102.2dB，功耗为2.46mW，与近期报道的低压低功耗模数调制器相比，本设计具有更高的FOM(FigureOfMerit)值。下面将分别介绍该电路各部分的具体设计。2ΣΔ模数调制器结构设计2.1拓扑结构针对低压应用特点，由于前馈级联结构将所有输入信号相加后输入到比较器，使得在环形滤波器中实际传输的信号为量化误差，降低了对运算放大器信号摆幅的要求，有益于低压设计。因此，本文所采用3阶级联单环前馈拓扑结构的1bit量化ΣΔ模数调制器，如图1(a)所示。其中/iSiIiaCC=为各级积分器系数，ib为输入到比较器的各积分器输入信号比值。在15.375kHz差分正弦输入时通过Matlab行为级仿真可以得到此调制器的理想输出频谱，如图1(b)所示。2.2运算放大器设计2.2.1非理想运放对信噪比的影响电路实际实现时，运算放大器的有限增益(Av)，摆率(SR)等非理想因素都会影响最终调制器的有效精度。为了更好说明各参数对调制器性能的影响，图2(a)给出了包括有限增益、摆率在内的基于Matlab环境的非理想运算放大器模型。其中(Av1)/Avα=−体现了由于运放有限增益引入的漏电功耗，摆率由Matlab的摆率函数实现。通过该模型可以很容易得到调制器信噪比与运放摆率及增益间关系曲线，如图2(b)，2(c)所示。从图中可以看到：ΣΔ模数调制器动态范围随着运放摆率的降低而降低，同样当运放有限增益降低时也会影响调制器有效动态范围。因此高精度ΣΔ模数调制器要求各级运放具有高增益高摆率特性。深亚微米工艺中，单级运算放大器的增益一般在30~100，因此为了在低压情况下实现高增益目标往往采用多级运放级联结构。而对于多级级联结构，级数的增加使得运算放大器的极点增加，为了满足相位裕度要求输出级的电流通常很大，使得输出极点远离运放主极点。这对于同时实现高摆率目标是有益的，但却极大地增加了电路功耗，不利于低功耗设计。2.2.2伪两级Class-AB运算放大器为了实现高增益高摆率目标，同时满足低功耗要求[2]，本文采用一种伪两级双输入交互控制Class-AB运算放大器结构，如图3所示。其中A，B，C，D分别为各支路晶体管宽长比的比值，C值远大于B，D。一方面，该运算放大器可以看成是一个复杂的电流镜运算放大器，stageI是交互控制的双输入级，stageII是Class-AB输出级；另一方面，该运算放大器可以看成是两个具有同一尾电流源的2阶运算放大器并联，图3中用虚线标志。因此，该运算放大器称为伪两级结构。对于全差分伪两级Class-AB运算放大器来说，在小信号输入时，由于M9，M10分流使得由M3，M4镜像输出电流很小，提高输出电阻实现高增益目标同时功耗增加很少。在大信号输入时，由于M11-M144个晶体管的交互控制使得M9，M10分支关闭，大部分尾电流全部通过M3或M4分支镜像输出，提高输出摆率。而另一方面，由于除输出节点外，其他节点都是低阻节点，因此增加的极点对相位裕度影响很小。表1给出了电源电压为1.0V时本设计的运放与近期几种低压低功耗运放的性能比较。其中，Villegas[3]，Carrillo[4]为双端输入单端输出结构；Yao[1]，本文结果为全差分输入输出结构。从表中可以看出，该运放具有更高的增益和摆率，同时具有低功耗的优点。图1单环3阶前馈级联ΣΔ模数调制器及对应理想输出频谱466电子与信息学报第32卷图2运算放大器Matlab模型及相应仿真结果图3伪两级交互控制Class-ABOTA表1几种低压低功耗OTA性能比较论文DC增益(dB)输出摆幅(V)相位裕度(D)增益带宽积(MHz)负载(pF)正摆率(V/μs)负摆率(V/μs)功耗(μW)Yao[1]500.857576--80Villegas[3]60-834.13150.86-0.895Carrillo[4]76.21.0608.1172.74-5.02358本文63.50.8374.9519.23416.29-16.2982.2Yao[1]，Villegas[3]，本文为仿真结果，Carrillo[4]为测试结果。2.3全互补MOS耗尽区电容2.3.1电容非线性对信噪比的影响在开关电容ΣΔ模数调制器中，电容线性度的好坏对最终信噪比影响很大。电容非线性使得输出调制信号中高阶谐波分量增加，导致调制器的信号与噪声失真比SNDR下降，降低了调制器的有效精度。在二阶非线性近似下，对于理想输入信号Va，实际被采样的电荷为2230(1)d23aVaaarhQCrVhVvCVVV⎛⎞⎟⎜=++=++⎟⎜⎟⎜⎝⎠∫(1)在全差分结构中，偶次谐波会被削除，因此电容非线性可以由数学函数3()(/3)Huuhu=+表示，u为输入信号，h表示电容的非线性。图4给出了输入为15.375kHz正弦信号时模数调制器3阶谐波分量与电容非线性因子h间的关系曲线。从中可以看出，图4电容非线性与调制器信噪比关系曲线第2期殷树娟等：标准数字工艺下16位精度低压低功耗ΣΔ模数调制器设计467电容非线性的增加使得3阶谐波分量增加，这又会降低调制器的信号与噪声失真比，影响电路有效精度。因此，开关电容ΣΔ模数调制器拓扑对于电容的线性度要求非常高。2.3.2全互补MOS耗尽区电容如前所述，开关电容ΣΔ模数调制器对电容线性度要求高，因此在传统的开关电容ΣΔ模数调制器中通常采用MIM电容实现采样和积分电容。为了提高调制器工艺兼容性、降低成本，本设计采用全互补MOS耗尽区电容结构[5]，如图5(a)所示：A,B两端为电容输入输出端，C为偏置控制信号。该电容大小由M1-M44个晶体管的栅衬电容串并联构成，通过调节晶体管的栅衬电压增加实际电容的线性度。M5，M6为两个小尺寸晶体管，用作高阻值MOS电阻防止栅或衬底的电荷积累。从参考文献[5]中可以看出，全互补MOS耗尽区电容比现有的两种互补MOS耗尽区电容具有更好的电压相关性和温度相关性，线性度更好。图5(b)给出了全互补MOS耗尽区电容实现的3阶前馈级联ΣΔ模数调制器输入为15.375kHz正弦信号时的输出频谱，与理想情况下输出频谱(图1(b))对照可以看到电容非线性对调制器信噪失真比的影响很小。另外，由于非线性引入的谐波分量会影响调制器电路的稳定性，图5(c)给出了15.375kHz正弦输入时本设计中