比较器毕设(上)

1郑州大学毕业设计（论文）题目：高速低功耗电流比较器的设计指导教师：职称：教授学生姓名：学号：专业：计算机科学与技术院（系）：信息工程学院完成时间：2014年5月25日年月日高速低功耗电流比较器的设计摘要近年来，电流模式电路由于其面积小，速度快，功耗低等优点受到了人们越来越多的重视。而电流比较器就是电流模式电路中的一个重要的基本单元。电流比较器可以通过探测电流的方向来产生高、低电平输出，所以，它广泛应用于A/D变换器、滤波器和神经网络的VLSI实现中。随着科技水平的不断提高，市场对于器件的速度、精度、功耗和成本要求也在不断提高。综上，本文介绍的主要是应用0.18umCMOS工艺使用软件工具CADENCE对低功耗高速电流比较器的设计研究。设计电流比较器，首先要掌握电流比较器的基本原理，然后介绍了电流比较器发展历史，接着介绍了常用的电流比较器电路结构和现状分析，最后结合本设计的具体要求，选择设计的电路结构和各器件参数，随后通过仿真分析及调整其各项参数性能，使之符合指标要求，最后完成版图设计。关键词CMOS；；CADENCE；比较器；高速；低功耗AbstractInrecentyear,thecurrentmodecircuitshasbeenpaidmoreattentionbecauseoftheiradvantages.suchassmallsizes,highspeed,lowpowerconsumption。Andthecurrentcomparatorisanimportantbasicunitinthiskindofcircuit。.Currentcomparatorr,canexportlowvoltageorhighvoltagebydetectingthedirectionofthecurrentflow.SoitiswidelyusedinA/Dconverter,filterandneuralnetworkVLSIimplementation.Withthedevelopmentofthescientificandtechnologicallevel,therequirementsofspeed,accuracy,powerandcostofthedevicesalsoincreasefastly.now.Aboveall,themainresearchofthispaperisbasedontheprocessof0.18umCMOSwiththesoftwaretoolCADENCEtodesignlow-powerhigh-speedcurrentcomparator.Duringtheprocessofthedesignofthecurrentcomparator,wefirstobservethebasicprinciplesofcurrentcomparator,andintroducedthecommoncomparatorcircuitstructureandcurrentstatusofanalysis.Thencombinedwiththespecificrequirementsofthedesignofthecircuitstructuretoselectthedesignparametersofeachdevices,thentakeasimulationandadjusttheparametersofitsperformance,toconformtotheindicator.FinallyfinishthelayoutdesignKeywords:CMOS;currentcomparator;high-speed;lowpowerconsumption;CADENCE目录前言.....................................................................51绪论..................................................................21.1电流模电路...........................................................21.2电流比较器的意义.....................................................62电流比较器...........................................................72.1概述及其基本原理.....................................................72.2CMOS电流比较器的发展史...............................................52.3常见的电流比较器.....................................错误!未定义书签。3MOS管理论............................................错误!未定义书签。3.1MOS管的基本原理......................................错误!未定义书签。3.2MOS管的噪声..........................................错误!未定义书签。3.3基本放大原理.........................................错误!未定义书签。3.4小信号工作原理.......................................错误!未定义书签。4高速低功耗电流比较器设计.............................错误!未定义书签。4.1涉及的指标概念.......................................错误!未定义书签。4.2比较器的设计步骤.....................................错误!未定义书签。4.3比较器结构的选取.....................................错误!未定义书签。4.4本文提出的比较器结构及工作原理.......................错误!未定义书签。4.5本文提出比较器结构的模块分析.........................错误!未定义书签。5本文设计比较器仿真及结果分析.........................错误!未定义书签。7.小结................................................................28谢辞..................................................................29前言科技的高速发展使得模拟电路和数字电路曾经分立的子系统如今被集成在同一芯片上，组成一完整系统。具有能够提供高密度器件，同时在数字端又节省功率的优点使CMOS工艺已成为实现混合信号系统的主要手段。另外，CMOS电路还被证明具有比较低的制造成本。微电子工业的发展是以半导体工业的发展为基础的，现在人们已经有足够的能力使电子运动更快，晶体管更小，以及使更多的晶体管集成在同一芯片中。随着这些技术的发展，我们迎来了超大规模集成电路(ULSI)时代，同时深亚微米工艺要求新的设计设计结构，新的设计软件(EDA)的出现可实现处理复杂的设计以及连接不同设计阶段。随着深亚微米工艺的发展，低功耗和高速的电路已越来越多的被应用。此篇论文中的电路就是用0.18um的深亚微米工艺来设计的。数字计算和信号处理的飞速发展以及在电子系统中的普遍应用，一切都标示着数字化时代的来临，难怪人们称“世界每天都在朝着数字化的方向发展”。与它的兄弟模拟电路相比，数字电路显示出更低的噪声，更高的灵敏度以及在工艺变化上更大的灵活性，它为设计者提供了更广阔的设计空间和自动化测试。但是，使得数字电路和处理器在我们生活方方面面的普遍应用的最主要的方面是它们性能的提升，同时性能的提升也标示着集成电路工艺的进步。特别是VLSI处理器的缩放比例特性允许每一代新数字电路获得更高的速度，每个芯片上更广泛的性能，更低的功耗，或者更低的成本。随着电路结构的创新，分析的提高和计算机辅助设计(CAD)工具的综合使用，这种趋势发展愈来愈强烈。以上数字电路优点的概述强有力的推动了世界的数字化时代发展。但是现实环境中的以下两方面影响了这种数字全球化：（1）自然发生的信号都是模拟信号（2）人类感知和存储信息都是模拟信号的形式所以，模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)在信号处理过程中是必要的。比较器广泛的应用在模拟到数字数字信号的转换过程中。在模拟到数字信号的转换过程中，对输入进行采样是必要的。所采样品信号将与比较器结合，决定着与模拟信号相匹配的数字信号。在这种最简单的形式中，比较器可被视为一位模拟数字转换器。ADC的高速性能很大程度上取决于比较器的性能。1绪论1.1电流模电路电流模模拟电路有两种类型:(1)连续时间的模拟信号处理电路;(2)离散时间采样的模拟信号处理电路.而追溯到40年之前，电流模信号处理方法和电流模电路设计原理已经被提出。并且电流传送器原理也由K.C.smith和A.S.Sedra在1968年被提出；B.Gibert也在1975年提出跨导线性原理。随着集成工艺技术的进步，电流模电路才得到集成实现和迅速发展。在电流模模拟电路中，电流模连续时间模拟电路主要包括静态电流镜、跨导线性电路、电流传送器、电流反馈运算放大器、跨释放大器等。电流模离散时间模拟电路主要有动态电流镜和开关电流电路。目前，电流模式电路在以下两个方面对传统电路发出的挑战引起了人们的广泛关注。第一，根据传统观念的理解：闭环增益提高必定导致带宽缩小。事实上，应用用电流模式电路实现的电压放大器，其带宽几乎与闭环增益无关。所以，在电流模式领域，可以突破增益带宽积为常数的限制，而且使增益带宽积随闭环增益成线性增大。第二，在电流模式领域，多采用匹配技术，在电路结构上尽量对称，其结果将出现非线性失真，线性失真及温漂等绝大部分相互对消，使输出信号与输入信号非常逼近。用匹配技术所取得的保真度比用反馈还要高，这是迄今为止对反馈技术的最大挑战。随着集成电路密度的提高，降低电源电压将是一种趋势。对于电压模式电路，除了设计上的难题，降低电源电压将还会直接降低其信号电压的最大动态范围，而电流模式电路则不会这样，它的最大信号电流和最大动态范围仅受晶体管最大允许电流的限制。因此，只要将管子能输出大电流，其动态范围可以很宽，从而具有很大的优势。目前，主要的集成工艺技术发展有：互补双极型的发展；成熟的CMOS工艺；先进的BiCMOS工艺结合起CMOS工艺。集成工艺技术的进步大大促进了电流模电路的发展。1.2电流比较器的意义随着科技的进步，集成电路的发展越来越趋向于高速、低功耗，而电流模电路由于以下几方面的优势，被认为在不久的未来将会代替电压模电路。（1）高速；（2）较小的芯片面积；（3)低的电源电压和功耗；（4)与数字集成电路工艺兼容。而作为电流模信号处理电路的基本单元，使得电流比较器在集成电路的设计中拥有重要的意义。2电流比较器2.1概述及其基本原理比较输入信号的大小，并输出比较结果就是比较器的基本功能。在数据转换、信号采集、谐振等系统中，其精度、信噪比和功耗等与比较器的性能息息相关，因此比较器的设计在各种系统实现过程中占据着较为重要的位置。对于电流模电路而言，电流比较的过程就是将输入(单路或双路)电流注入到比较器中，继而分辨出输入电流(或两路电流之差)是正还是负，比较器输出节点的电压表示比较的结果。比较器的工作过程非常简单，但是进行设计实现的时候，则需要考虑很多问题，比如比较器应该具有足够高的精度。另外