基準(zhǔn)源、噪聲、開(kāi)關(guān)電容設(shè)計(jì)及驗(yàn)證、門(mén)特卡羅仿真

浙大微電子基準(zhǔn)源、噪聲、開(kāi)關(guān)電容

及MonteCarlo仿真浙江大學(xué)微電子與光電子研究所

2013年11月5日2025/1/131/91浙大微電子大綱電壓基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)集成電路噪聲分析及仿真

開(kāi)關(guān)電容電路理論、設(shè)計(jì)舉例及仿真MonteCarlo仿真2025/1/132/91浙大微電子電壓基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)2025/1/133/91浙大微電子常見(jiàn)電壓基準(zhǔn)源帶隙基準(zhǔn)源特點(diǎn)：靜態(tài)電流較小，輸出電壓精度較高，不需要外部電阻舉例：MAX6034

齊納基準(zhǔn)源特點(diǎn)：輸出電壓和功率范圍大，靜態(tài)電流較大，輸出電壓精度較低，需要外部電阻舉例：MAX61382025/1/134/91浙大微電子電壓基準(zhǔn)源對(duì)比齊納帶隙基準(zhǔn)優(yōu)點(diǎn)電壓范圍大；長(zhǎng)期穩(wěn)定；適合大電流工作（1－10mA）；可以提供低電壓；靜態(tài)電流小（uA至1mA左右）；不需要外部電阻；精度在0.05%－0.5％之間；缺點(diǎn)始終有電流，且靜態(tài)電流大；需要外部電阻；低精度（1%以上）；只能吸入電流；電壓范圍??；需要校正；應(yīng)用適合對(duì)功耗要求不嚴(yán)的應(yīng)用適合要求功耗小的應(yīng)用2025/1/135/91浙大微電子帶隙基準(zhǔn)源原理平衡VBE的負(fù)溫度系數(shù)和Vt=kT/q的正溫度系數(shù)2025/1/136/91浙大微電子如何實(shí)現(xiàn)Vt=kT/q？通過(guò)改變PNP發(fā)射區(qū)面積2025/1/137/91浙大微電子帶隙基準(zhǔn)源的兩種經(jīng)典實(shí)現(xiàn)方式

電流鏡方式放大器反饋方式2025/1/138/91浙大微電子輸出驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)能力要求

僅僅是基準(zhǔn)源核心電路沒(méi)有足夠的能力驅(qū)動(dòng)外部大的負(fù)載，需要加buffer；基準(zhǔn)源的驅(qū)動(dòng)能力取決于buffer的驅(qū)動(dòng)能力放大器的頻率補(bǔ)償為了在外部負(fù)載比較大的情況下，保證運(yùn)放穩(wěn)定；設(shè)計(jì)時(shí)，必須做交流仿真，以保證頻率穩(wěn)定。提供基準(zhǔn)電流2025/1/139/91浙大微電子Cascade結(jié)構(gòu)CascadeMOSM1－M8保證Q1、Q2電流完全相同，且M1和M2源端電位近似相等原理實(shí)現(xiàn)2025/1/1310/91浙大微電子基準(zhǔn)源噪聲帶隙基準(zhǔn)源的輸出噪聲會(huì)顯著影響低噪聲電路的性能。例如，基準(zhǔn)噪聲大幅度削減高精度ADC性能；降噪措施：

1、通過(guò)減少電路元器件個(gè)數(shù)，和使用阻值較小的電阻，可以減少噪聲；

2、采用1/f噪聲較小的PMOS管；

3、增大MOS面積也可減少1/f噪聲?；鶞?zhǔn)源噪聲仿真2025/1/1311/91浙大微電子基準(zhǔn)源仿真在基準(zhǔn)源中引入誤差放大器，提高輸出電壓精度電路示例2025/1/1312/91浙大微電子基準(zhǔn)源說(shuō)明Q3和Q4的面積為Q1、Q2的n倍，采用層疊三極管能夠使X點(diǎn)電壓提高為2VEB1，降低誤差放大器失調(diào)電壓的影響。X點(diǎn)電壓與Y點(diǎn)電壓相等，Q1、Q2、Q3、Q4的偏置電流相等2025/1/1313/91浙大微電子溫度穩(wěn)定性仿真Temperaturecoefficient定義單位是ppm/℃三極管面積比例n=36，電阻比例R3/R4=2.87（R3=86K，R4=30K）選擇dc－temperature掃描，得到輸出基準(zhǔn)電壓隨溫度變化的曲線2025/1/1314/91浙大微電子電阻取值的優(yōu)化使用“Parametric”分析來(lái)優(yōu)化電阻值

1、設(shè)置變量

2、在“Parametric”分析窗口設(shè)置掃描變量和掃描方式

3、運(yùn)行“Parametric”分析，得到結(jié)果如右圖所示

4、縮小掃描范圍，對(duì)電阻取值進(jìn)一步優(yōu)化2025/1/1315/91浙大微電子利用“Calculator”分析仿真結(jié)果利用“Calculator”工具寫(xiě)入“TC”的表達(dá)式

TC=(ymax(VS(“/VREF”))-ymin(VS(“/VREF”)))/(average(VS(“/VREF”))*125)*10000001、手動(dòng)輸入

2、采用“Calculator”RPN模式輸入2025/1/1316/91浙大微電子利用“Calculator”分析仿真結(jié)果在ADE界面“Outputs->Setup…”中打開(kāi)SettingOutputs窗口，在“Name”欄填入輸出變量名“TC”，點(diǎn)擊“GetExpression”將“Calculator”中的表達(dá)式導(dǎo)入“Expression”欄重新采用“Parametric”分析對(duì)電路進(jìn)行仿真，Candence會(huì)根據(jù)所填入的表達(dá)式計(jì)算基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)，并得到不同電阻值下溫度系數(shù)的變化曲線圖2025/1/1317/91浙大微電子利用“Calculator”分析仿真結(jié)果2025/1/1318/91浙大微電子利用“Optimizer”進(jìn)一步優(yōu)化“Optimizer”是一種通過(guò)自動(dòng)調(diào)整設(shè)計(jì)變量，從而達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的工具。

1、在ADE界面“Tools->Optimization”，打開(kāi)“AnalogCircuitOptimization”窗口；在該窗口的“Goals”下拉菜單選擇“Add…”命令，如下圖所示

Name欄填入“TC”Expression填入計(jì)算“TC”的表達(dá)式

Direction選擇“minimize”Target填入“5”Acceptable填入“15”2025/1/1319/91浙大微電子利用“Optimizer”進(jìn)一步優(yōu)化2、在“AnalogCircuitOptimizer”窗口的“Variables”下拉菜單中選擇“Add/Edit..”命令，如下圖所示

“Name”欄中選擇變量“res”“InitialValue”填入“12k”“MinimumValue”填入“10k”“MaximumValue”填入“15k”

2025/1/1320/91浙大微電子利用“Optimizer”進(jìn)一步優(yōu)化3、在“AnalogCircuitOptimizer”窗口的“Session”下拉菜單中選擇“Options..”命令，如下圖所示在“AlgorithmSelection”

欄選擇“LSQ”優(yōu)化算法4、選擇“Optimizer”下拉菜單中的“Run”命令，開(kāi)始優(yōu)化2025/1/1321/91浙大微電子利用“Optimizer”進(jìn)一步優(yōu)化2025/1/1322/91浙大微電子CornerAnalysis1、在ADE界面“Tools”下拉菜單下選擇“Corner..”,進(jìn)入“AnalogCornersAanalysis”窗口2025/1/1323/91浙大微電子CornerAnalysis2、工藝配置。在菜單中選擇“Setup->AddProcess…”,進(jìn)入AddProcess窗口。

“ProcessName”欄中加入新工藝的名字“ModelStyle”欄中選擇工藝模式“BaseDirectory”和“ModelFile”欄中分別填入Model所在的目錄及其名稱選擇“OK”，

SMIC工藝設(shè)置成功2025/1/1324/91浙大微電子CornerAnalysis3、添加工藝角組。在菜單中選擇“Setup->Add/UpdateModelInfo…”，進(jìn)入U(xiǎn)pdateProcess/ModelInfo窗口的Groups/Variants選項(xiàng)卡。

“GroupsNames”欄中加入工藝角的名稱，例如：RES“Variants”欄加入一組工藝角，例如：res_tt、res_ff等等，中間用空格隔開(kāi)

點(diǎn)擊“Apply”，繼續(xù)添加下一個(gè)工藝角2025/1/1325/91浙大微電子CornerAnalysis4、設(shè)定需要仿真的工藝角。在主界面的“CornerDefinitions”欄中進(jìn)行設(shè)置，其中“AddCorner”添加新的工藝角，“AddVariable”添加新的設(shè)計(jì)變量。2025/1/1326/91浙大微電子CornerAnalysis5、設(shè)置輸出。在主界面的“PerformanceMeasurements”欄中進(jìn)行輸出設(shè)置。

“AddMeasurement”設(shè)置待測(cè)變量名稱“Expression”欄中輸入待測(cè)變量的表達(dá)式，可借助“Calculator”工具；選中“plot”，待測(cè)變量將以圖形形式輸出。2025/1/1327/91浙大微電子CornerAnalysis6、運(yùn)行及輸出。在菜單“Simulation->Run”運(yùn)行分析并輸出仿真結(jié)果。2025/1/1328/91浙大微電子CornerAnalysis7、保存和調(diào)用設(shè)置。在菜單中選擇“File->SaveSetupas”，保存為reference_pvt文件。若需調(diào)用已有設(shè)置，選擇“File->Load..”

將上述文件調(diào)用出來(lái)即可2025/1/1329/91浙大微電子最低工作電壓掃描選擇dc－電源電壓掃描，可找到基準(zhǔn)源的最低工作電壓1.8V最低工作電壓2025/1/1330/91頻率穩(wěn)定性仿真—stb仿真第一步：在電路反饋干路上，添加一個(gè)電壓為0V的電壓源，作為“ProbeInstance”；兩個(gè)環(huán)路，一個(gè)是正反饋環(huán)路，一個(gè)是負(fù)反饋環(huán)路。浙大微電子2025/1/1331/91stb仿真第二步：打開(kāi)Cadence的“AnalogSimulationEnvironment”界面，選擇”stb”仿真，選擇ProbeInstance浙大微電子2025/1/1332/91stb仿真第三步：查看仿真結(jié)果。在跳出的文本界面中，會(huì)直接給出關(guān)鍵環(huán)路的相位裕度Phasemargin=68.4937Degatfrequency=16.4596MHz浙大微電子2025/1/1333/91浙大微電子電源抑制比仿真在電源電壓上加入交流小信號(hào)，仿真基準(zhǔn)源電壓輸出與電源上交流小信號(hào)的比值，即電源抑制比。

電源噪聲頻率范圍一般是50kHz到50MHz，所以掃描頻率也選擇這個(gè)范圍2025/1/1334/91浙大微電子基準(zhǔn)源版圖設(shè)計(jì)采用全定制方法進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)，把串?dāng)_、失配、噪聲等的影響降低到最小。

采用精度較高的多晶硅電阻，在電阻的版圖設(shè)計(jì)中盡可能采用“等比例復(fù)制”方法。在電阻設(shè)計(jì)中盡可能使用完全相同的電阻條，采用并聯(lián)和串聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)阻值。同時(shí)，相鄰兩個(gè)電阻條的連接使用鋁條互連結(jié)構(gòu)，避免使用彎角，避免轉(zhuǎn)角誤差。加入DUMMY電阻。

電阻版圖2025/1/1335/91浙大微電子基準(zhǔn)源版圖設(shè)計(jì)繪制PNP版圖時(shí)，也要采用“等比例復(fù)制”方法。對(duì)于非常寬的晶體管，可采用折疊柵極的方法，節(jié)省面積，并減小工藝誤差。對(duì)于對(duì)管設(shè)計(jì)，可采用交叉互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，提高匹配精度。PNP版圖“交叉互補(bǔ)”對(duì)管設(shè)計(jì)2025/1/1336/91浙大微電子CMOS集成電路

噪聲分析及仿真集成電路噪聲分析及仿真2025/1/1337/91浙大微電子噪聲噪聲是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，它限制了一個(gè)電路能夠處理的最小信號(hào)電平；噪聲的表示方法:噪聲譜也叫能譜密度PSD（powerspectrumdensity）噪聲單位是或，表示單位Hz的噪聲功率噪聲分類：

相關(guān)噪聲，幅度相加。非相關(guān)噪聲，平均功率相加。2025/1/1338/91浙大微電子電阻熱噪聲產(chǎn)生機(jī)理：導(dǎo)體中的電子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)盡管平均電流為零，但是它會(huì)引起導(dǎo)體兩端電壓的波動(dòng)。熱噪聲是白噪聲，與頻率無(wú)關(guān)熱噪聲譜與絕對(duì)溫度成正比;2025/1/1339/91浙大微電子MOS噪聲MOS熱噪聲MOS閃爍噪聲（1/f噪聲）MOS噪聲簡(jiǎn)化模型2025/1/1340/91浙大微電子MOS熱噪聲MOS管的熱噪聲源主要由溝道貢獻(xiàn)的長(zhǎng)溝道MOS器件的熱噪聲可等效為一個(gè)跨接在源漏兩端的電流源一般等于2/32025/1/1341/91浙大微電子MOS閃爍噪聲產(chǎn)生機(jī)理：在柵氧和溝道界面上存在懸掛鍵，當(dāng)電子通過(guò)這個(gè)界面時(shí)，會(huì)被隨機(jī)地吸附和釋放，從而影響溝道電流，產(chǎn)生閃爍噪聲。表示方法：等效為與柵極串聯(lián)的電壓源閃爍噪聲又稱為1/f噪聲2025/1/1342/91浙大微電子MOS閃爍噪聲閃爍噪聲是低頻噪聲，在高頻時(shí)沒(méi)有影響。音頻芯片設(shè)計(jì)中，需要特別考慮閃爍噪聲的影響。要減少閃爍噪聲，就必須增加器件面積。低噪聲應(yīng)用，面積為幾千平方微米的器件是不足為奇的。PMOS閃爍噪聲較低，所以低噪聲運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)中，常采用PMOS輸入差分對(duì)。2025/1/1343/91浙大微電子MOS噪聲簡(jiǎn)化模型把MOS熱噪聲和閃爍噪聲都等價(jià)到MOS的柵極。在計(jì)算等效輸出噪聲或等效輸入噪聲時(shí)，只需把噪聲作為柵上輸入小信號(hào)來(lái)處理即可。

MOS噪聲集總模型（在低頻和中頻有效）

MOS管噪聲功率譜模型2025/1/1344/91浙大微電子電容的噪聲特性電容本身不產(chǎn)生噪聲，但是會(huì)從其它噪聲源上累積噪聲。

電容上的噪聲功率只與電容大小有關(guān)。在低噪聲設(shè)計(jì)中，為了達(dá)到低噪聲，必須采用較大的電容，大大耗費(fèi)版圖面積。低通濾波器2025/1/1345/91浙大微電子差分對(duì)噪聲分析差分放大器

2025/1/1346/91浙大微電子差分對(duì)噪聲分析2025/1/1347/91浙大微電子信噪比和噪聲系數(shù)(NoiseFigure)信噪比：信號(hào)與噪聲的功率之比，評(píng)估信號(hào)處理電路中噪聲對(duì)信號(hào)的影響?；蛟肼曄禂?shù)：輸入信噪比和輸出信噪比的比值，評(píng)估信噪比在處理電路中的損失，即該電路抗噪聲能力的大小。或2025/1/1348/91浙大微電子Cadence下噪聲仿真Cadence提供的噪聲分析工具：

Noise仿真，用于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)，以低噪聲運(yùn)算放大器的噪聲分析為例。

PNoise（PeriodicNoise）仿真，用于離散時(shí)間系統(tǒng)，以2階Sigma-Delta調(diào)制器的噪聲分析為例。

2025/1/1349/91浙大微電子連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)噪聲仿真低噪聲運(yùn)算放大器噪聲仿真圖

1、差分結(jié)構(gòu)

2、閉環(huán)結(jié)構(gòu)

3、單位電阻負(fù)反饋2025/1/1350/91浙大微電子連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)噪聲仿真低噪聲運(yùn)算放大器電路結(jié)構(gòu)圖2025/1/1351/91浙大微電子

連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的噪聲仿真步驟

步驟一，打開(kāi)AnalogDesignEnvironment(ADE)窗口步驟二，選擇Analyses菜單，設(shè)置成Noise仿真。

OutputProbeInstance要選擇輸出端的雙端口器件，比如：電阻、電容、電流源、不能選擇MOS器件；

InputNoise選擇Voltage或Current；

InputVoltageSource選擇電流源或者電壓源作為等效噪聲輸入源。噪聲仿真設(shè)置2025/1/1352/91浙大微電子連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的噪聲仿真步驟步驟三，開(kāi)始仿真。噪聲仿真無(wú)需設(shè)置Outputs圖形顯示，所以設(shè)置好Analyses后可以直接仿真。步驟四，顯示仿真結(jié)果。選擇

Results->DirectPlot菜單，分別有選項(xiàng)如下：

EquivalentOutputNoise，

EquivalentInputNoise，

SquaredOutputNoise，

SquaredInputNoise，

NoiseFigure。仿真結(jié)果選擇

2025/1/1353/91浙大微電子選項(xiàng)說(shuō)明EquivalentOutputNoiseOutputnoisevoltageorcurrentsignalsselectedintheanalysisform;thecurveplotsautomaticallyanddoesnotrequireselectionEquivalentInputNoiseInputnoisewaveform,whichistheequivalentoutputnoisedividedbythegainofthecircuitSquaredOutputNoiseSquaredoutputnoisevoltageorcurrentsignalsselectedintheanalysisform;thecurveplotsautomaticallyanddoesnotrequireselectionSquaredInputNoiseInputnoisewaveform,whichistheequivalentoutputnoisedividedbythegainofthecircuitsquaredNoiseFigureNoisefigureofselectedsignalsaccordingtotheinput,output,andsourceresistance2025/1/1354/91浙大微電子仿真結(jié)果等效輸入噪聲和等效輸出噪聲2025/1/1355/91浙大微電子開(kāi)關(guān)電容電路理論、設(shè)計(jì)舉例及仿真2025/1/1356/91浙大微電子開(kāi)關(guān)電容電路背景知識(shí)

20世紀(jì)70年代早期，模擬采樣數(shù)據(jù)技術(shù)被用以代替電阻，得到的電路只包含MOSFET開(kāi)關(guān)、電容和運(yùn)放。這些電路稱為開(kāi)關(guān)電容電路。

開(kāi)關(guān)電容電路信號(hào)處理的精確性取決于電容比率的精確性（參考SMIC0.18umCMOS工藝中MIM電容的失配特性，0.2pFMIM電容的失配標(biāo)準(zhǔn)差低于0.32%）。開(kāi)關(guān)電容電路信號(hào)處理精度遠(yuǎn)高于由電阻，電容和運(yùn)算放大器組成的連續(xù)時(shí)間電路。

2025/1/1357/91浙大微電子開(kāi)關(guān)電容電路背景知識(shí)開(kāi)關(guān)電容電路的主要優(yōu)點(diǎn)包括

(1)與CMOS工藝的兼容性

(2)時(shí)間常數(shù)的高精確性

(3)電壓的高線性

(4)良好的溫度特性主要缺點(diǎn)包括

(1)時(shí)鐘饋通（時(shí)鐘饋通，指MOS管的柵控時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)Cgs,Cgd影響源漏電壓的現(xiàn)象）

(2)需要無(wú)交疊時(shí)鐘信號(hào)

(3)要求信號(hào)帶寬比時(shí)鐘頻率小。2025/1/1358/91浙大微電子并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容電路(a)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容等效電路

(b)阻值為R的連續(xù)時(shí)間電阻比較得出結(jié)論：并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容模擬電阻是一個(gè)三端網(wǎng)絡(luò)，它模擬的是兩個(gè)非接地端口間的電阻

2025/1/1359/91浙大微電子開(kāi)關(guān)電容電路的精度

一個(gè)模擬信號(hào)處理電路的頻率或時(shí)間精度是由電路時(shí)間常數(shù)決定的。對(duì)于連續(xù)時(shí)間電路（以一階低通濾波器電路濾波器為例）一階低通濾波器電路在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中，的精度在5%到20%間變動(dòng)選擇并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容模擬R1，（是時(shí)鐘頻率）

由C1和C2的相對(duì)精度以及時(shí)鐘頻率的精度決定2025/1/1360/91浙大微電子開(kāi)關(guān)電容電路的Cadence仿真方法

PSS分析(PeriodicSteadyStateAnalysis)。

PSS分析能直接計(jì)算出電路周期性穩(wěn)定狀態(tài)響應(yīng)的大信號(hào)分析，特別適用于包含多個(gè)激勵(lì)源，且輸出與其中部分激勵(lì)源間呈強(qiáng)烈非線性關(guān)系的復(fù)雜電路。PSS分析步驟

1、將電路的小信號(hào)激勵(lì)源忽略，計(jì)算出電路的穩(wěn)定工作點(diǎn)

2、將電路響應(yīng)在該工作點(diǎn)附近線性化，再考慮小信號(hào)激勵(lì)源的影響，從而算出電路總的響應(yīng)。2025/1/1361/91浙大微電子開(kāi)關(guān)電容電路的Cadence仿真方法PSS分析一般同其它小信號(hào)分析方法（PeriodicSmall-signalAnalysis）結(jié)合使用，例如PXF(PeriodicTransferFunction)、PAC(PeriodicAC)、PNoise(PeriodicNoise)Spectre各種分析工具2025/1/1362/91浙大微電子開(kāi)關(guān)電容電路的噪聲仿真

在Delta-Sigma調(diào)制器中，器件熱噪聲和閃爍噪聲通常是主要的限制因素，但是這兩種噪聲很難通過(guò)瞬態(tài)仿真來(lái)準(zhǔn)確獲得Delta-Sigma調(diào)制器中許多組成模塊的工作點(diǎn)是周期性變化的，我們可以結(jié)合Cadence中的PSS和PNoise來(lái)仿真這些模塊的噪聲，進(jìn)而估計(jì)整個(gè)調(diào)制器的噪聲大小及分布以2階Delta-Sigma調(diào)制器為例來(lái)介紹開(kāi)關(guān)電容電路的噪聲仿真

2025/1/1363/91浙大微電子理論分析

關(guān)于Delta-Sigma調(diào)制器的器件噪聲的幾個(gè)結(jié)論：

1、2階Delta-Sigma調(diào)制器中的器件噪聲主要由兩個(gè)級(jí)聯(lián)的開(kāi)關(guān)電容積分器決定。

2階Delta-Sigma調(diào)制器2025/1/1364/91浙大微電子理論分析2、在開(kāi)關(guān)電容積分器中，器件噪聲獨(dú)立于輸入信號(hào)。因此仿真其器件噪聲時(shí)積分器輸入端可以僅加入直流信號(hào)，此時(shí)積分器的工作點(diǎn)是周期性變化，可以采用PSS和Pnoise進(jìn)行聯(lián)合仿真。

開(kāi)關(guān)電容積分器2025/1/1365/91浙大微電子理論分析3、開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的等效輸入噪聲與其對(duì)應(yīng)的閉環(huán)系統(tǒng)的等效輸入噪聲相等（假設(shè)反饋支路本身并不引入額外噪聲）。在采用PSS仿真開(kāi)環(huán)系統(tǒng)時(shí)，很容易產(chǎn)生不收斂的問(wèn)題，而閉環(huán)系統(tǒng)的收斂性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，仿真時(shí)間也能大大縮短，所以我們可以通過(guò)仿真閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)求解開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的等效輸入噪聲。

關(guān)于Delta-Sigma調(diào)制器器件噪聲詳細(xì)的理論分析參見(jiàn)ManolisTerrovitisandKenKundert.DeviseNoiseSimulationofDelta-SigmaModulators.InAnalysis.

2025/1/1366/91浙大微電子如何建立閉環(huán)系統(tǒng)

直接對(duì)兩個(gè)級(jí)聯(lián)的開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)積分器進(jìn)行PSS仿真，一般難以收斂，因此我們需要建立一個(gè)用于噪聲仿真的閉環(huán)系統(tǒng)。開(kāi)關(guān)電容電路是一個(gè)離散時(shí)間系統(tǒng)，反饋到輸入的必須是上一個(gè)周期的輸出值。因此，在建立閉環(huán)系統(tǒng)是，我們需要在反饋支路中加入理想的采樣/保持電路，用來(lái)儲(chǔ)存上一周期的輸出，同時(shí)并不引入額外的噪聲。

用于開(kāi)關(guān)電容積分器噪聲仿真的閉環(huán)結(jié)構(gòu)

2025/1/1367/91浙大微電子差分結(jié)構(gòu)積分器的噪聲仿真

用于差分結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)電容積分器噪聲仿真的閉環(huán)結(jié)構(gòu)

2025/1/1368/91浙大微電子2階Delta-Sigma調(diào)制器的噪聲仿真

用于2階Delta-Sigma轉(zhuǎn)換器噪聲仿真的閉環(huán)結(jié)構(gòu)

由于2階Delta-Sigma調(diào)制器的器件噪聲主要由兩個(gè)級(jí)聯(lián)的開(kāi)關(guān)電容積分器決定2025/1/1369/91浙大微電子

PSS仿真參數(shù)設(shè)置

在FundamentalTones框中，Cadence會(huì)找到電路中的大信號(hào)激勵(lì)源，并計(jì)算出BeatFrequency和BeatPeriod。在本例中，它將找到的是控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)的時(shí)鐘信號(hào)。在OutputHarmonics框中，需要填入諧波個(gè)數(shù)。所謂諧波，是相對(duì)于BeatFrequency而言的。若填入0，則不考慮諧波的影響。

2025/1/1370/91浙大微電子PSS仿真設(shè)置

在OutputHarmonics框中設(shè)置需要觀察的諧波個(gè)數(shù)，在本例中，我們考慮信號(hào)附近前20個(gè)諧波對(duì)電路噪聲的影響。AccuracyDefaults（errpreset）設(shè)置為moderate，而AdditionalTimeforStabilization（tstab）設(shè)置為2.11us（一般取時(shí)鐘周期的十倍以上）。

PSS仿真參數(shù)設(shè)置2025/1/1371/91浙大微電子PNoise仿真設(shè)置

1、Maximumsideband設(shè)置噪聲分析時(shí)需要考慮的（信號(hào)頻率附近）最大邊頻帶范圍。激勵(lì)信號(hào)的所有諧波分量均對(duì)電路噪聲有影響，而Pnoise仿真只能分析有限個(gè)諧波分量對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)，所以我們采用Maximumsideband來(lái)定義哪些諧波分量對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)是需要考慮的。理論上，Maximumsideband值越大，仿真結(jié)果越精確，但過(guò)大會(huì)導(dǎo)致仿真時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。PNoise仿真參數(shù)設(shè)置

2025/1/1372/91浙大微電子PNoise仿真設(shè)置

2、Output可選擇probe或voltage，本例中Output選擇voltage，其中PositiveOutputNode和NegativeOutputNode欄分別選擇的是積分器或Sigma-Delta轉(zhuǎn)換器的正負(fù)輸出端。

3、InputSource可選擇probe，voltage，current或none。本例中InputSource選擇probe，InputProbeInstance欄填入積分器或Sigma-Delta轉(zhuǎn)換器的輸入電壓源。

PNoise仿真參數(shù)設(shè)置2025/1/1373/91浙大微電子PNoise仿真設(shè)置

4、Referenceside-band(refsideband)反映的是輸入信號(hào)頻率和輸出信號(hào)頻率之間的變換關(guān)系。若refsideband=0，表示電路的輸入和輸出沒(méi)有發(fā)生頻率變換。PNoise仿真參數(shù)設(shè)置2025/1/1374/91浙大微電子PNoise仿真結(jié)果點(diǎn)擊Results->DirectPlot->MainForm，出現(xiàn)DirectPlotForm窗口。在Function欄中，我們可以選擇查看輸出噪聲、輸入噪聲和噪聲系數(shù)等；在SignalLevel欄中，我們可以選擇噪聲的單位；在Modifier欄中，我們可以選擇噪聲是以Magnitude形式輸出還是以dB20形式輸出。

PNoise仿真輸出方式設(shè)置

2025/1/1375/91浙大微電子PNoise仿真結(jié)果

開(kāi)關(guān)電容積分器的輸出噪聲2025/1/1376/91浙大微電子PNoise仿真結(jié)果開(kāi)關(guān)電容積分器的等效輸入噪聲

在信號(hào)帶內(nèi)，低頻端閃爍噪聲較為明顯，中頻端器件熱噪聲占主要地位，噪底很平。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的等效輸入噪聲的曲線與其對(duì)應(yīng)的閉環(huán)系統(tǒng)的等效輸入噪聲的曲線基本重合

2025/1/1377/91浙大微電子PNoise仿真結(jié)果在信號(hào)帶內(nèi)，Delta-Sigma調(diào)制器的等效輸入噪聲主要由第一級(jí)積分器決定

到了較高頻處，Delta-Sigma調(diào)制器和第一級(jí)積分器的等效輸入噪聲均有所增加，這是因?yàn)榉e分器中運(yùn)算放大器在高頻段增益較低所致。

2階Delta-Sigma轉(zhuǎn)換器的等效輸入噪聲

2025/1/1378/91浙大微電子噪聲分布通過(guò)PNoise仿真可以得到調(diào)制器的噪聲分布。點(diǎn)擊Results->Print->NoiseSummary，出現(xiàn)NoiseSummary窗口

1、Type分為spotnoise和intergratednoise兩種，spotnoise指某一頻率點(diǎn)上的噪聲，而intergratednoise指某一頻段內(nèi)的噪聲。

噪聲報(bào)告設(shè)置

2025/1/1379/91浙大微電子噪聲分布2、FILTER選擇需要列入噪聲報(bào)告的器件。本例中選擇IncludeAllTypes，即噪聲報(bào)告包括列表中的所有器件。

3、Truncate&sort，truncate限制噪聲報(bào)告中列出的器件個(gè)數(shù)，僅列出噪聲較大的器件；sort根據(jù)器件噪聲貢獻(xiàn)的大小或器件名稱等，將噪聲報(bào)告中列出的器件進(jìn)行排序，噪聲報(bào)告設(shè)置2025/1/1380/91浙大微電子噪聲分布NoiseSummary窗口設(shè)置確認(rèn)后，Cadence將給出ResultsDisplayWindow，即噪聲報(bào)告。Param欄中的噪聲類型一般包括：

fn（MOS管閃爍噪聲）

id（MOS管熱噪聲）

rd（電阻熱噪聲）

ib（雙極型晶體管基級(jí)電流散粒噪聲）

ic（雙極型晶體管集電級(jí)電流散粒噪聲）噪聲報(bào)告文本輸出結(jié)果2025/1/1381/91浙大微電子MonteCarlo仿真2025/1/1382/91Monte

Carlo分析簡(jiǎn)介MonteCarlo分析是一種器件