（微电子学与固体电子学专业论文）数模混合电路功耗—噪声协同优化设计方法研究.pdf

摘要摘要随着信息社会对便携产品和嵌入式系统需求的不断增多，集成电路向着超大规模、深亚微米、数模混合方向发展，电路系统不仅功耗越来越大、噪声越来越大，而且二者的相关性越来越强，在设计中须同时考虑低功耗和低噪声的问题，将二者作为相关指标来进行设计，即采用功耗一噪声协同优化设计。对数模混合电路进行功耗一噪声协同优化设计主要包括两个方面，即功耗一噪声的估计和优化。本文归纳总结了前人对数字电路部分的功耗估计和优化技术，重点研究了针对模拟电路进行功耗估计的方法。以模数转换器电路为例，建立了其功耗估计的解析模型。该模型具有结构简单，易于植入设计工具内的优点。实验结果表明，该模型具有较高的功耗估计精度。在噪声估计方面，研究建立了串扰噪声的估算模型和衬底耦合噪声的估算模型，串扰噪声估算模型的精度与采用h s p i c e 模拟的结果相比，相对误差在8 以内。衬底耦合噪声估算模型的估算值与等效电阻一电容网络模型的估算值相比，相对误差在1 5 以内。二者的计算复杂度及耗费的模拟时问都远小于相对应的估算方法。在此基础上，对串扰噪声和衬底耦合噪声提出了具体的的消减方法。研究了电路结构级的功耗一噪声协同优化方法。分析研究了阈值电趣对电路的性能和功耗影响，在保持电路速度性能不变的情况下| ，提出了基于电路模拟的数值求解方法，对电路的工作电压一阈值电压进行优化，从而实现电路的功耗一噪声协同优化设计。以流水线模数转换器电路为例，对其电路结构进行了功耗一噪声的协同优化设计，即采用全差分的分时并行处理结构，在电路实现中运用了o t a 共享技术、动态偏置技术以及采样电容的缩减等技术，对关键的差分输入对管以及开关电容电路等应用了多重隔离保护措施，基于o 2 5 9 r n 的混合信号c m o s 工艺，对整个电路进行了模拟仿真，其工作电压为2 5 v ，采样速率达到4 0 m s ，功率消耗为2 3 3 m w ，芯片面积为1 6 1 0 m m 2 ，使整个a d c 电路在满足高速高分辨率的前提下实现了低功耗低噪声的设计目标。本文的所做的工作，在国内外关于数模混合电路的功耗一噪声协同优化设计的建模与仿真工作中具有一定的创新性。不但所建立的模型可直接用于相关的模拟工作中，而且建模过程和方法可以为其它相关问题的建模提供有益参考。关键词：数模混合电路串扰噪声衬底耦合噪声功耗一噪声协同优化a b s t r a c ta b s t r a c tw i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n do fp o r t a b l ep r o d u c t sa n de m b e d d e ds y s t e m si ni n f o r m a t i o ns o c i e t y , t h ei n t e g r a t e dc i r c u i t si sr u n n i n gt o w a r d su l t r al a r g e s c a l e ，d e e ps u b m i c r oa n dm i x e ds i g n a ld e s i g n s t h ep o w e rc o n s u m p t i o n ，a sw e l la st h en o i s ei nt h ec i r c u i ts y s t e mi sb e c o m i n gg r e a t e ra n dg r e a t e r , a n dt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nn o i s ea n dp o w e rc o n s u m p t i o nh a sb e e ns t r e n g t h e n e d b o t ht h el o wp o w e ra n dl o wn o i s ef e a t u r e sh a v et ob ec o n s i d e r e dd u r i n gi n t e g r a t e dc i r c u i t sd e s i g n ，w h i c hn a m e da sp o w e r - n o i s ec o o p t i m i z a t i o nd e s i g n t h ep o w e r - n o i s ec o o p t i m i z a t i o nd e s i g ni nm i x e ds i g n a lc i r c u i t sc o n s i s t so ft w op a r t s ，w h i c ha r et h ep o w e r n o i s ee s t i m a t i o na n dt h ep o w e r n o i s eo p t i m i z a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e dt h ep r e v i o u sw o r k so nd i g i t a lc i r c u i t sp o w e re s t i m a t i o na n do p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e s ，a n dp a y ss p e c i a la t t e n t i o nt ot h es t u d yo nm i x e d s i g n a lc i r c u i t s p o w e r e s t i m a t i o n a sa ne x a m p l e ，ap o w e re s t i m a t i o na n a l y t i cm o d e lo fa n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r sh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fb r i e fs t r u e l t u r e ，a n de a s i l yi m p l e m e n t e di nd e s i g nt o o l st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t se x h i b i tt h i sm o d e lc a l lo b t a i nh i g hp r e c i s i o ni np o w e re s t i m a t i o n i nn o i s ee s t i m a t i o nm e t h o d s ，t h ee s t i m a t i o nm o d e l so fc r o s s - t a l kn o i s ea n ds u b s t r a t ec o u p l i n gn o i s eh a v eb e e ne s t a b l i s h e d t h er e l m i v ee r r o rb e t w e e nc r o s s t a l kn o i s ee s t i m a t i o nm o d e la n dh s p i c em o d e li sl e s st h a n8 a n dt h er e l a t i v ee r r o rb e t w e e nt h ee s t i m a t e dv a l u eo fs u b s t r a t ec o u p l i n gm o d e la n dt h ee s t i m a t i o nv a l u eo fe q u i v a l e n tr e s i s t a n c e c a p a c i t a n c en e t w o r km o d e li sw i t h i n15 t h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n dt h et i m ef o rs i m u l a t i o no ft h o s et w om o d e l sa r eg r e a tl e s st h a no t h e rt h a to fe s t i m a t i o nm e t h o d s e v e nm o r ed e t a i le l i m i n a t i o nm e t h o d sa r ep r o p o s e dt oo v e r c o m et h ec r o s s - t a l kn o i s ea n ds u b s t r a t ec o u p l i n gn o i s e t h ep o w e r - n o i s ec o o p t i m i z a t i o nm e t h o do fc i r c u i ta r c h i t e c t u r em a dt h er e l a t i o nb e t w e e nd e v i c et h r e s h o l dv o l t a g ea n dc i r c u i tp e r f o r m a n c ea n dp o w e rh a sb e e ns t u d i e d i nt h ec a s eo fs p e e dp e r f o r m a n c en o n d e c r e a s e d ，an u m e r i c a lm e t h o d ，w h i c hb a s e so nc i r c u i ts i m u l a t i o n ，h a sb e e np r e s e n t e dt of i n dt h eo p t i m i z e dv a l u e so ft h eo p e r a t i n gv o l t a g ea n dt h r e s h o l dv o l t a g ei nc i r c u i t s a c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d ，t h ep o w e r n o i s ec o o p t i m i z a t i o nd e s i g nh a sb e e na c h i e v e d a sa l le x a m p l e ，t h ep o w e r - n o i s ec o - o p t i m i z a t i o nd e s i g no nt h ec i r c u i ts t r u c t u r eo fap i p e l i n ea n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e rh a sb e e nc a r r i e do u t t h ef u l ld i f f e r e n t i a lt i m i n gva b s t r a c ts h a r i n gp a r a l l e la r c h i t e c t u r e ，o t as h a r i n ga n ds a m p l ec a p a c i t a n c es c a l i n gt e c h n i q u e sa r ea d o p t e di nt h ec i r c u i t sd e s i g n e v e nm o r et h em u l t i i n s u l a t e dt e c h n i q u ei si n t r o d u c e di nt h ek e yd i f f e r e n t i a li n p u tp a i rt r a n s i s t o r sa n ds w i t c hc a p a c i t a n c e s b a s e do no 2 5 9 i nm i x e d s i g n a lc m o st e c h n o l o g y t h es i m u l a t i o no f t h ew h o l ed e s i g nc i r c u i t sh a sb e e nd o n e ，t h ep o w e rd i s s i p a t i o ni s2 3 3 m w ，u n d e rt h ec o n d i t i o no f2 5 vo p e r a t i n gv o l t a g ea n d4 0 m ss a m p l i n gr a t e ，t h ed i es i z eo ft h ec h i pi s1 6 x1 0 r a m 2 t h ed e s i g nt a r g e to fl o wp o w e ra n dl o wn o i s ec h a r a c t e r si nt h ea d ci sa c h i e v e d ，w i t hh i g h s p e e da n dh i g h r e s o l u t i o nf e a t u r e s t h ep r o p o s e dw o r k sa r ei n n o v a t i v ei nt h ea r e ao fm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fm i x e d s i g n a lc i r c u i tp o w e r - n o i s ec o - - o p t i m i z a t i o na m o n gp r o p o s e dw o r k sa th o m ea n da b o a r d n o to n l yt h em o d e l se s t a b l i s h e dc a r lb eu s e di nr e l e v a n ts i m u l a t i o nw o r kd i r e c t l y ，a n dt h em o d e l i n gc o u r s ea n dm e t h o dc a nb eo f f e r e df o rm o d e l i n go fo t h e rr e l e v a n tp r o b l e m s k e y w o r d ：m i x e d - - s i g n a lc i r c u i tc r o s s - - t a l kn o i s es u b s t r a t ec o u p l i n gn o i s ep o w e r - n o i s ec o - o p t i m i z a t i o n创新性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：丛f 蛰瞳二日期：皇! 丛生! 墨9关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人签名导师签名：篓醐嘴监造丛建第一章绪论第一章绪论1 1 数模混合集成电路设计与模拟验证1 1 1 数模混合i c 的发展随着微电子技术的发展，在单颗芯片上集成的功能单元越来越多，器件的尺寸越来越小，工作速度在不断提高，芯片成本在不断降低，一个芯片就可以是一个完整的电子系统，即片上系统s o c ( s y s t e mo nac h i p ) 。s o c 最大限度地消除了封装、引线和连线等寄生参量影响，省去了后道的组装工序和组装成本，极大的降低了产品价格，同时还具有体积小、成品率高、可靠性高和可以实现更为丰富的功能等优点，所以s o c 代表着集成电路的发展方向，对于它的设计、生产、测试及应用是当前讨论的热点话题。数模混合集成电路( m i x e d s i g n a li c ) 也称为混合信号集成电路，指在同一颗芯片上实现了模拟电路与数字电路的集成。通常s o c 内集成了大量的数字处理电路如：m c u 、d s p 、m e m o w 、控制逻辑等，同时也集成了大量的模拟电路如：数据转换器、锁相环、电压调节器、灵敏放大器、振荡器、滤波器、比较器、缓冲器等，甚至还将射频前端电路也集成在一起，所以在某种程度ls o c 也可以称之为一个特大规模的数模混合集成电路。数模混合集成电路可分为通用型电路和用户定制型电路两大类，通用型电路是为满足某些应用领域的典型要求而开发的，具有市场广、品种多、产量高、价格低的特点，主要包括：( 1 ) 含有模拟电路功能的微处理器，以嵌入式产品居多；( 2 ) 通讯类数模混合集成电路；( 3 ) 多媒体类数模混合集成电路；( 4 ) 磁盘驱动数模混合集成电路；( 5 ) 智能功率驱动数模混合集成电路；用户定制型电路是根据用户提出的功能和性能指标而丌发的，具有市场面窄、品种单一、产量低、价格高的特点，视具体情况而定。根据i t r sfi n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a pf o rs e m i c o n d u c t o r s ) 的预测【l j ，据估计到2 0 0 6 年数模混合电路将占到半导体工业的6 5 ，其中市场需求最大、增长最快的是与数字无线网络及多媒体处理有关的电路产品，数模混合电路作为这些产品的重要组成部分，近年来受到越来越多的重视，得到了长足的发展。2数模混台电路功耗一噪卢协同优化设计方法研究1 1 2 数模混合电路的设计流程及模拟验证数模混合电路中同时包含有数字电路和模拟电路，数字电路设计需要大量的晶体管，借助e d a 工具可自动完成对速度功耗的折中；模拟电路不需要太多的晶体管，但需要对许多因素如：失真、增益、速度、功耗等进行折中考虑，需要更多的经验。所以，数模混合电路的设计流程随着不同的设计目标、设计方法、设计工艺的变化而变化，其基本的简化流程如图1 1 所示，从图中可以看出，数模混合电路设计中几个关键的环节分别为：设计规格的定义、模拟数字功能划分、数模混合信号的仿真验证以及电路的版图设计。圈1 1 数模混合电路的设计流程在传统的数模混合电路设计中，由于针对模拟电路进行结构化的设计还很不成熟，人工设计仍占据着主导地位，在实际设计中存在着以下几个方面的困难和问题：首先，对模拟电路的抽象基本上还处于晶体管级的低的层次，底层的单元电路设计需耗费大量的时间，当考虑所有的设计步骤后，一个放大器的设计可能要用好几个星期 2 , 3 1 ，所以在数模混合电路的设计中，模拟电路与数字电路的设计效率是不同的，尽管在电路中数字部分占到9 0 左右，模拟部分只占1 0 ，但大部分的时间和精力都是花费在模拟电路部分，所以降低模拟电路部分的设计时间对于整个产品的上市时间、产品的设计成本等具有很大的影响。其次，模拟电路的性能指标的优化，一个电路设计规格可能包含有几十种不同的性能指标，设计者须理解各个设计参数的改变对这些设计指标的影响。借助第一章绪论于e d a 工具，分析跟踪某个参数的改变所引起的相关设计指标的变化，特别是当某个参数的改变所引起的两个或更多的设计指标存在有相反的变化趋势时，需通过模拟验证来进行电路的折中优化设计，这在模拟电路设计中是经常遇到的难题之一。再者，要将高速精确的模拟电路与高速数字电路集成在单芯片上时，电路设计工程师，将面临更大的挑战。由数字部分产生或相关的噪声，女n + , - j - 底祸合噪声、电源电压噪声、串扰噪声等，使得模拟电路的设计难度大大增加【4 l 。另外，电路的功耗、面积等性能指标尽管对实际电路的功能影响不大，但针对不同的应用，如在便携式、嵌入式等应用中，其重要性在日益上升。所以，在正式流片之前通过e d a 工具对电路性能的模拟验证就变得尤为重要，尽可能的降低设计时间、设计成本，更大范围的改善电路的性能，从而降低投片风险，增加最终电路的成品率。1 2 数模混合电路的功耗问题及噪声考虑1 2 1 功耗一噪声问题的提出在数模混合电路的设计与丌发当中，一直以来都以芯片面积、性能以及可测性作为设计人员主要的关心的几个方面。但近年来，情况发生了改变，随着设计复杂度的提高，电路规模的增大，工作频率的增加，电路的功耗呈逐年上升的趋势，使得功耗成为数模混合电路设计中需要考虑的一个主要因素 5 , 6 1 。另外，数模混合电路的工作环境是一个强噪声环境，特别是进入深亚微米后，电路中的噪声对电路性能的影响变得越来越突出 7 8 j 。对电路系统的低功耗低噪声的要求主要来源于以下几个方面：1 、电路可靠性及封装成本的考虑，功耗的增加会引起芯片发热，降低了电路的可靠性和使用寿命。芯片升温将引发一系列的故障机制一硅片连线故障、封装故障、电学参数漂移、电迁移等。一般，温度每升高l o6 c ，器件的故障率就要提高2 倍。为了控制功耗，需要昂贵的封装以及热沉布置，提高了芯片的成本，对面向商用的产品而言。，降低了产品的市场竞争力；对其它应用而言，过量的功耗也会给系统设计、维护带来许多麻烦，限制了其使用。2 、市场需求的推动，个人移动终端和无线通信系统在近年来出现了极快的增长，这些应用要求高性能和低功耗。目前常规n i c k e l c a d i u m 电池技术仪能提供2 0 w h 磅的能量，n i c k e l m e t a l h y d r i d e 电池技术能提供3 0 3 5 w h 磅的能量，而便携产品受重量限制，不可能携带很多的电池，尽管电池工业本身己在尽可能地第一章绪论于e d a 工具，分析跟踪某个参数的改变所引起的相关设计指标的变化，特别是当某个参数的改变所引起的两个或更多的设计指标存在有相反的变化趋势时，需通过模拟验证来进行电路的折中优化设计，这在模拟电路设计中是经常遇到的难题之一。再者，要将高速精确的模拟电路与高速数字电路集成在单芯片r 时，电路设计工程师，将面临更大的挑战。由数字部分产生或相关的噪声，如衬底耦合噪声、电源电压噪声、串扰噪声等，使得模拟电路的设计难度大大增加【4 。另外，电路的功耗、面积等性能指标尽管对实际电路的功能影响不大，但引对不同的应用，如在便携式、嵌入式等应用中，其重要性在日益上升。所以，在正式流片之前通过e d a 工具剥电路性能的模拟验证就变得尤为重要，尽可能的降低设计时问、设计成本，更大范围的改善电路的性能，从而降低投片风险增加最终电路的成品率。1 2 数模混合电路的功耗问题及噪声考虑1 2 1 功牦噪声问题的提出在数模混台电路的设计与丌发当中，一直以来都以芯片面积、性能以及可测性作为设计人员主要的关心的几个方面。但近年来，情况发生了改变，随着设计复杂度的提高，电路规模的增大，工作频率的增加，电路的功耗呈逐年上升的趋势，使得功耗成为数模混合电路设计中需要考虑的一个主要因素 5 , 6 1 。另外，数模混合电路的工作环境是一个强噪声环境，特别是进入深皿微米后，电路中的噪声对电路性能的影响变得越来越突出i l 。对电路系统的低功耗低噪声的要求主要来源于以下几个方面：1 、电路可靠性及封装成布的考虑，功耗的增加会引起芯片发热，降低了电路的可靠性和使用寿命。芯片升温将引发一系列的故障机制一硅片连线故障、封装故障、电学参数漂移、电迁移等。一般，温度每升高1 06 c ，器件的故障率就要提高2 倍。为r 控制功耗，需要昂贵的封装以及热沉布置，提高了芯片的成本，对面向商用的产品而占，降低了产品的市场竞争力；对其它应用而言，过量的功耗也会给系统设训、维护带来许多麻烦限制了其使用。2 、市场需求的推动，个人移动终端和无线通信系统在近年来出现j ，极快的增长，这些应用要求高性自和低功耗。目前常规n i c k e l c a d i u m 电池技术仪能提供2 0 w b y 磅的能量，n i c k e l m e t a l - h y d r i d e 电池技术能提供3 0 35 w b y 磅的能量，而便携产品受重量限制，不可能携带很多的电池，尽管电池工业本身已在尽可能地便携产品受重量限制，不可能携带很多的电池，尽管电池工业本身己在尽可能地第一章绪论于e d a 工具，分析跟踪某个参数的改变所引起的相关设计指标的变化，特别是当某个参数的改变所引起的两个或更多的设计指标存在有相反的变化趋势时，需通过模拟验证来进行电路的折中优化设计，这在模拟电路设计中是经常遇到的难题之一。再者，要将高速精确的模拟电路与高速数字电路集成在单芯片上时，电路设计工程师，将面临更大的挑战。由数字部分产生或相关的噪声，女n + , - j - 底祸合噪声、电源电压噪声、串扰噪声等，使得模拟电路的设计难度大大增加【4 l 。另外，电路的功耗、面积等性能指标尽管对实际电路的功能影响不大，但针对不同的应用，如在便携式、嵌入式等应用中，其重要性在日益上升。所以，在正式流片之前通过e d a 工具对电路性能的模拟验证就变得尤为重要，尽可能的降低设计时间、设计成本，更大范围的改善电路的性能，从而降低投片风险，增加最终电路的成品率。1 2 数模混合电路的功耗问题及噪声考虑1 2 1 功耗一噪声问题的提出在数模混合电路的设计与丌发当中，一直以来都以芯片面积、性能以及可测性作为设计人员主要的关心的几个方面。但近年来，情况发生了改变，随着设计复杂度的提高，电路规模的增大，工作频率的增加，电路的功耗呈逐年上升的趋势，使得功耗成为数模混合电路设计中需要考虑的一个主要因素 5 , 6 1 。另外，数模混合电路的工作环境是一个强噪声环境，特别是进入深亚微米后，电路中的噪声对电路性能的影响变得越来越突出 7 8 j 。对电路系统的低功耗低噪声的要求主要来源于以下几个方面：1 、电路可靠性及封装成本的考虑，功耗的增加会引起芯片发热，降低了电路的可靠性和使用寿命。芯片升温将引发一系列的故障机制一硅片连线故障、封装故障、电学参数漂移、电迁移等。一般，温度每升高l o6 c ，器件的故障率就要提高2 倍。为了控制功耗，需要昂贵的封装以及热沉布置，提高了芯片的成本，对面向商用的产品而言。，降低了产品的市场竞争力；对其它应用而言，过量的功耗也会给系统设计、维护带来许多麻烦，限制了其使用。2 、市场需求的推动，个人移动终端和无线通信系统在近年来出现了极快的增长，这些应用要求高性能和低功耗。目前常规n i c k e l c a d i u m 电池技术仪能提供2 0 w h 磅的能量，n i c k e l m e t a l h y d r i d e 电池技术能提供3 0 3 5 w h 磅的能量，而便携产品受重量限制，不可能携带很多的电池，尽管电池工业本身己在尽可能地数模混合电路功耗一噪声协同优化设计方法研究寻找新的电池材料、延长电池寿命、发展高容量和可重复充电的电池，但这一发展前景比较有限。在过去的3 0 年中，电池的容量仅增加了2 至4 倍，而在采用新的电池技术下，预计可以达到的电池寿命增长也只有3 0 4 0 。而目自h 便携产品的持续工作时间与人们的期望相差很远，影响了用户对产品的满意程度，所以迫切需要电子器件低功耗技术。在低功耗技术上的优势意味着在这个快速成长的市场上将占有更大的份额，获得更高的利润。3 、在大规模高性能的数模混合电路中，即使能量供给不成问题，但如何将功耗引起的热量散发掉却是困扰系统设计人员的一个问题。功耗的急剧增加会引起一系列的芯片封装问题、冷却问题和风扇等附属设备的需求，这一方面需要发展相应的封装与冷却技术，另一方面使高端产品必须为增加封装、冷却的设备而增加开支。降低芯片的功耗，提高单位能量消耗的处理能力可以减缓这个问题。4 、数模混合电路的工作环境是个强噪声环境，信号之间的串扰，衬底耦合噪声，地弹噪声，电源的电压降落以及电荷分配效应等均对电路的性能产生较大的影响，特别在深亚微米情况下，随着工作电压的降低这些效应更为明显，所以迫切需要对电路进行低噪声设计。5 、在高速高性能数模混合电路中，特别是数字处理部分，为了获得高的工作速度，采用了大量的动态逻辑电路，而动态逻辑电路较易受到电路内噪声的影响，在对其采取低噪声设计时，需同时考虑由此带来电路功耗的增加。另外，从环保的角度来看，发展低功耗低噪声技术，生产大量的绿色电子产品，由此带来的能源节省对人类的生念环境是很有裨益的。综上所述，随着集成电路向着超大规模、深亚微米、数模混合方向发展，功耗和噪声问题已成为电路设计者所必须面对的挑战，不仅电路的功耗越来越大、噪声越来越大，而且二者的相关性越来越强。一方面在进行低功耗设计时必须同时考虑低噪声的问题，在进行低噪声设计时也要同时考虑电路功耗的优化；另一方面噪声的大小成为功耗大小的一个敏感表征参数。因此，在设计中必须同时考虑低功耗和低噪声的问题，二者不能作为独立指标来设计，而是要作为相关指标来殴计，所以提出功耗一噪声协同优化设计的问题。这一问题在数模混合电路中表现的尤其突出。相应地，功耗一噪声协同优化设计技术和方法逐渐成为当前数模混合电路设计重点研究的新领域。1 2 2 功耗一噪声协同设计的发展现状从集成电路诞生起，人们就已开始了对电路所需要的功率消耗和存在的噪声进行研究。随着工艺的进步。对高性能大规模集成电路需求的增长，特别当量大面广的消费类电子产品如电子钟表、计算器等上市后，为了在有限的供电量内尽第一章绪论可能的延长产品的工作时间，电路的低功耗问题就凸现出来。不过低功耗设计研究的升温是直到9 0 年代初才开始的1 5 1 6 】，此时对电路的性能和面积的优化已有较深的研究，而功耗问题已开始成为制约u l s i 设计的一个瓶颈问题，在e d a 工具的支持下，人们对c m o s 电路主要是数字电路的低功耗设计在各个层次上展丌了研究，获得了很大的发展。近几年来，随着器件的特征尺寸进入深亚微米后，c m o s电路特别是数模混合电路中的噪声对电路性能的影响越来越显著【9 、1 ，噪声问题己开始上升为制约u l s i 设计的另一个瓶颈问题，所以，对数模混合电路中功耗和噪声的优化或削减问题再次成为电路设计的研究热点。从电路设计流程的角度来看，进行功耗优化和噪声削减是分开柬进行的，目前低功耗低噪声设计技术的研究主要集中在对功耗和噪声的建模、分析以及综合与优化 5 , 6 , 9 , 1 0 , 1 1 , 15 , 1 6 】。功耗和噪声建模在芯片设计时的主要工作是为各种器件和单元库分别建立功耗模型和噪声模型，使得工艺库中的器件不但具有面积、延迟等参数，同时还具有功耗参数、噪声参数，以便使用e d a 分析工具进行功耗和噪声的估算。一般的工艺厂商都有自己的建模工具，提供的低功耗单元库中的单元都具有功耗参数，也有商用的工艺库建模工具，可以对现有的工艺库进行分析，计算出功耗参数后反标到工艺库中。而能提供器件和单元库噪声模型的厂。商则不多，相应的噪声分析需在特定的条件下进行。同样在全定制设计的数模混合芯片设计时，复杂单元的功耗模型的建立也是困难的工作，需要涉及的器件和单元电路布图的综合考虑。功耗分析是根据电路的功耗模型来估算电路的实际功耗，进行功耗估计的目的是使电路系统的设计者能够在设计的不同层次的初期实现对不同设计方案的功耗情况做出评估，为设计方案的选择提供依据。而对于不同的设计方案，其功耗优化的途径、设计验证的策略和综合实现的方法等是不同的。所以低功耗的设计方法应是分层次的，每层的输入是与功耗相关的信息，包括必要的库信息，其输出将被送到相应的功耗分析工具中。具体的估算方法有三种：统计估算、概率估算和基于仿真结果的估算。无论那种算法都是基于电路的功耗模型进行工作的，不同算法计算的准确程度不同。功耗模型对统计结果的影响有时远大于算法，在不同的抽象层次提取出来的功耗模型差距非常大，抽象层次越高，功耗模型越不准确，但功耗分析花费的时间越少，r t l 级功耗分析花费的时f 白j 是电路级仿真的几万或几十万分之一，但它目前的误差往往大于5 0 【1 7 q 9 1 ，因此这种级别的功耗分析通常只具有相对意义。基于s p i c e 的仿真可得到电路的晶体管级的功耗模型，但由于电流电压的非线性，模拟仿真时间很长，通常只对较小规模的电路采用，但可作为较大规模电路的验证工具。所以，对较高层次的电路或功能单元建立其相应的功耗模型，成为数模混合电路的低功耗设计主要解决的问题之一。功耗优化主要的工作是在不改变电路逻辑功能、不影响性能的前提下，对电数模混合电路功耗一噪声协同优化设计方法研究路的算法、体系结构、单元结构、器件和互连进行面向低功耗目标的综合，达到降低电路功耗的目的。根据低功耗措施介入的设计阶段的不同，低功耗设计技术可以划分为多个抽象层次：器件级、电路级、寄存器与门逻辑级、体系结构级、系统( 和软件) 级，每个级别可以达到的低功耗设计效果也各不相同。数模混合电路低噪声问题的研究涉及到三个部分1 16 ，”j ，噪声源、耦合媒介及接收部分( 对噪声敏感的电路等) 。所以降低噪声的途径就是要设法去除、减少或转换上述三项中的任何一项或更多项，噪声源是由器件的固有噪声及干扰噪声组成，c m o s 器件的固有噪声主要包括热噪声和1 f 噪声，而电路中的干扰噪声来源较多，信号的串扰噪声、衬底耦合噪声、电源的电压降落、地弹噪声、以及电荷分配效应即电荷共享噪声等均会影响数模混合电路的性能。在深亚微米情况下，干扰噪声对高速、高性能数模混合电路的影响较为显著。耦合媒介包括有源和无源器件、衬底、导线等，对噪声敏感的电路在数模混合电路中主要指模拟电路部分。在深亚微米情况下，数模混合电路内的串扰噪声已成为影响高速、高性能数字电路的主要噪声，对于深亚微米器件中串扰噪声的分析与建模是近年来的研究热点【2 1 ”j ，比较精确的是采用同时考虑电容和电感耦合效应的互连串扰噪声的估算方法，即采用分布式的r l c 互连模型 “o ”，在实际的电路分析中尽管r l c 互连模型的精度较高，但其计算复杂度及耗费的模拟时间也很大，特别随着电路规模的不断增加，在电路设计和验证过程中迫切需要快速准确的串扰噪声的估算模型，这也是目前进行深亚微米设计的一个熟点问题。数字电路部分的干扰噪声，通过衬底的耦合，已成为影响模拟电路性能的主要噪声。而噪声在衬底内的传播是一个非常复杂的过程，对衬底噪声传播行为的建模以及衬底耦合噪声的削减方法是近年来进行数模混合电路设计的研究热点 2 6 - 2 9 1 。在模拟衬底耦合的噪声时，通常把村底划分成许多区域，计算这些区域的集总参数r 、c ( 电阻、电容) 值，把各区域的r 、c 相连，并连接到原电路中去，然后进行模拟。对这些区域的划分及建模的方法主要有：有限元方法( f e m ) 1 2 6 1 、边界元方法( b e m ) 1 2 7 1 、等效电阻网络方法【2 剐及v o r o n o i 图方法【2 9 等。其中，f e m和b e m 方法是将衬底分为多层后进行离散化，加入边界条件后求解计算各层的静电格林方程，由此得到噪声电流的精确值，这两种方法的缺点是计算复杂度很高。v o r o n o i 图方法是采用工程数学中的v o r o n o i 图来划分版图，计算各区域的r 、c 值，在将衬底的r c 网络映射到原电路网表之后，对新网表进行s p i c e 模拟，以此来分析数模混合集成电路中的衬底噪声，由于它只计算相邻的v o r o n o i 点之间的电阻或电容，所以其模拟精度不够。在实际的电路分析中须折中考虑模型的精度、计算复杂度及耗费的模拟时间，根据g h a r p u r e y 等人的研究m 28 1 ，当工作频率低于5 g h z 时，衬底主要表现出电阻性行为可谢把衬底等效为电阻网络来分第一章绪论析其传播模式，在更高的频率时，衬底的传输模式太过复杂，难以使用电阻网络建立准确的模型。考虑到阱区与衬底的结电容，在等效电阻网络基础上形成衬底的等效电阻一电容网络模型，该模型较为直观，与电路分析结合紧密，计算复杂度相对较小，同时其精确度在低频下相对较高。目前，面向数模混合电路进行功耗一噪声相关优化设计的主要障碍是缺乏一套有效的功耗一噪声的定义、估计和优化的方法学。尽管数字电路已发展的十分成熟，但进入深亚微米后，随着静态功耗所占比重的上升，电路内串扰噪声的增加，独立于工艺的高层次综合技术将不完全适用，前端逻辑设计和后端的物理设计需密切结合。在进行功耗估计和功耗优化时，需考虑的因素大大增加，相互叫的制约关系更为复杂。其次，现有的针对数模混合电路的功耗估计和优化技术大多作为单独的孤立的过程来进行研究和实现，特别是对于模拟电路的有关功耗估计和优化技术所进行的研究相对少得多，同时功耗优化技术只有在和其他的a s i c设计技术结合起来，才是有效的。这种情况阻碍了对数模混合电路进行功耗估计和优化技术的充分理解及其进一步发展。同样，对数模混合电路进行低噪声设计所要解决的主要问题是对噪声进行估算和噪声削减。在电路设计初期进行电路的噪声分析还很难进行，主要是受限于电路的噪声模型较少，主要的工作是基于对电路级仿真结果的估算或对底层版图的分析与优化。电路内噪声的削减渠道很多，但在具体实现中受限的因素也较多，如：电路的速度、面积和功耗，所以在设计中须同时考虑折中考虑这些因素。数模混合电路的典型代表是数据转换器电路，在数据转换器电路中同时包含了敏感的模拟电路和高速的数字开关电路，以它为例所进行的低功耗低噪声设计研究对整个数模混合电路的低功耗低噪声设计都具有实际的指导作用。1 3 模数转换器的功耗一噪声协同优化设计近年来，随着通信和多媒体市场的快速增长，数字信号处理技术也得到了迅猛发展，并广泛地应用于各个领域。采用数字信号处理能够方便地实现各种先进的自适应算法，完成模拟电路无法实现的功能，因此，越来越多的模拟信号处理正在被数字技术所取代。随着滤波、变频、调n 解调等其它一些处理任务进入数字领域，模拟单元的任务变得越来越单一了，但是，对于作为模拟系统和数字系统之间桥梁的模数转换器a d c ( a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r ) 和数模转换器d a c( d i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e r ) 的需求在日益增加，同时对其性能的要求也越来越高，特别是在嵌入式应用中，除了考虑其转换精度、处理速度及信号处理频宽外，它的功耗和噪声成为了重要的性能参数。例如，传统的模拟无线电系统中，射频、中频及基带处理全部采用模拟方式，数模混合电路功耗一噪声协同优化设计方法研究经过优化处理后的模拟信号只需要一个低性能的a d c ( 8 位、1 0 0 k s p s ) 数字化后即可送往d s p 或微处理器。而在随后发展起来的数字无线系统和软件无线系统中，从中频甚至射频就开始进行数字化处理，a d 转换被移到中频并尽可能地靠近天线。a d c 越靠近天线或传感器意味着将有越多的嗓声和干扰信号与有用信号一起进入其输入端，a d c 不仅必须有效地捕捉有用信号，而且还要阻止这些干扰信号在数字化过程中污染有用信号，这就要求a d c 具有比原来高得多的取样速度。除此之外，a d c 还要具有足够大的动态范围，以便能够接纳强干扰信号：量化噪声要足够小，以便处理微弱的目标信号；还要具有优良的线性，避免强干扰信号的谐波和互调分量掩盖掉微弱的目标信号等等一个典型的数字无线系统需要十几到数十m s p s 取样速率1 0 位以上的高精度a d c 。a d c 的电路结构主要可以分为以下五种类型pu i ：闪速型、积分型、逐次逼近型、流水线型和一型a d c ，它们各具有不同优缺点，在实际应用中需根据不同的设计要求加以选择。其中，积分型和一型a d c 适合应用于要求a d c 的分辨率较高而转换速率不高的场合。在高速应用场合a d c 的首选结构是闪速结构的a d c ，它是所有结构中速度最快的，整体电路以同步并行处理工作，所以延迟也是最小的。它最大的缺点是分辨率每增加1 位，其比较器数量就增加l 倍，同时每个比较器的精度也必须增加l 倍，当转换器超过8 位时，其面积和功耗将变得很大，因此，采用闪速结构的a d c 通常不超过8 位。逐次逼近型a d c 由于所使用的模拟器件较少，通常采用个高速高精度比较器将模拟输入和前次得到的模数转换结果经d a c 后的输出进行比较，而中间结果保存在数字寄存器中，所以它可以实现低功耗，在嵌入式的应用中占有一席之地，但逐次逼近的串行工作方式从本质上限制了它的工作速度，最高约为几个m s p s 左右，难以满足高速应用的需求，对更高的分辨率速度就更低。流水线结构的a d c 在高分辨率高速低功耗的应用场合是较好的选择【3 卜3 5 i 。与逐次逼近型a d c 相比，它是并行结构，各流水级同时以逐次方式得到1 位或几位，可以实现高分辨率和高速的要求，虽然逐次逼近型a d c 中只需一个比较器，但是这个比较器必须高速工作( 速率约为总位数采样速率) ，其精度必须与a d c 本身一样高，相反，流水线a d c 内的比较器则不需要这一速度和精度的限制。与闪速结构的a d c 相比，尽管流水线a d c 是并行机制，但它还需要d a c的精密转换和级间增益放大，因此存在有建立时问问题，所以其速度比不上闪速结构的a d c 。但在相同的采样速率下，流水线a d c 比闪速a d c 消耗功率要少的多，其次，它的电路结构的复杂性随分辨率线性增加，而不是呈指数增加，因此，它可以实现高分辨率低功耗的要求。经过多年的发展，a d c 的电路结构已日渐成熟，但进入深亚微米工艺后，随着电路规模的扩大，工作电压的降低，来自数字电路的噪声以及电路本身固有的第一章绪论9噪声对a d c 性能的影响越来越大。同时，在嵌入式应用中，a d c 的功耗控制变得更为重要，功耗指标己成为衡量a d c 的一个重要指标，