引言比較器已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于多種模擬和計(jì)算機(jī)電路中,尤其是在模數(shù)變換電路中,比較器就具有十分重要的意義。傳統(tǒng)單限比較器，當(dāng)輸入信號(hào)超過參考頻率時(shí),就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平；當(dāng)輸入信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一個(gè)參考信號(hào),輸出為高電平，但是輸入端容易受到干擾，輸出電壓就會(huì)抖動(dòng)。遲滯比較器是指具有滯環(huán)和傳輸延遲功能的比較器。在反輸入單向閾值電壓比較器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過引入正反饋輸入網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)造了雙閾值反輸入滯環(huán)比較器。在逆輸入單向閾值電壓比較器的設(shè)計(jì)中，通過引入正反饋網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)造了雙閾值逆輸入遲滯比較器[1]。由于反饋的影響，它的抗干擾性能得到了很大改善。本論文主要研究一種具有抗干擾性能好的遲滯比較器，其主要結(jié)構(gòu)為全差分、可再生式和多級(jí)放大的級(jí)聯(lián)形式。在電路原理圖中通過仿真測試實(shí)現(xiàn)抗干擾的功能，通過Cadence等版圖繪制工具完成遲滯比較器的版圖并通過DRC、LVS驗(yàn)證。第1章緒論1.1背景隨著目前我國移動(dòng)通信和網(wǎng)絡(luò)多媒體通信市場的不斷發(fā)展，電源管理系統(tǒng)芯片已經(jīng)更加廣泛的被應(yīng)用在各類便攜式等電子設(shè)備中。開關(guān)電源管理控制芯片主要用途是一種利用目前現(xiàn)代電子工業(yè)的微電子技術(shù),控制兩個(gè)開關(guān)電源晶體管的短路開通及電源關(guān)斷之間的特定時(shí)刻電流比率,以便于達(dá)到穩(wěn)定的輸出電壓進(jìn)行輸入的一類電子芯片。它一般包括功率管(MOSFET)、電感電容、比較器等相關(guān)元件構(gòu)造的基本拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)和相關(guān)反饋控制集成環(huán)路。開關(guān)電源主要可以分成三種：線性穩(wěn)壓器(LDO)、電荷泵以及開關(guān)轉(zhuǎn)換器。三種開關(guān)電源電流管理控制芯片分別有著不同的應(yīng)用領(lǐng)域,其中開關(guān)式電源變換器因其同時(shí)具有區(qū)間轉(zhuǎn)換率和效率高、穩(wěn)壓器和區(qū)間轉(zhuǎn)換范圍寬、功率小和密度比較大、重量輕、靈活的正負(fù)充電極性及同時(shí)提供了高升降壓的轉(zhuǎn)換方式等諸多重要優(yōu)點(diǎn)而在電子工業(yè)中備受人們的高度推崇,廣泛應(yīng)用于各種便攜式電子產(chǎn)品中。比較器作為一個(gè)開關(guān)式轉(zhuǎn)換器的重要組成部分，它在很大程度上決定了到開關(guān)式轉(zhuǎn)換器工作時(shí)所需要考慮的各種性能參數(shù),如運(yùn)行速度、精度、功耗、抵抗干擾等[2]。比較器本身還可以說是一種在電子工具和系統(tǒng)中應(yīng)用極為廣泛的一種單元集成電路，例如:對(duì)于信號(hào)的檢測,波形的產(chǎn)生。比較器已成為模擬集成電路中最重要的元件之一。在集成電路發(fā)展領(lǐng)域，遲滯比較器仍是一個(gè)重要的研究方向。許多國外研究人員已經(jīng)有了大量卓有成效的研究。綜合國際模數(shù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)發(fā)展的實(shí)際應(yīng)用情況分析來看，其技術(shù)趨勢(shì)主要是追求一種低功耗、高精度、快速運(yùn)行效率、低傳輸時(shí)間、低輸入失調(diào)電壓和低踢回的噪聲。國外的遲滯比較器已經(jīng)研究多年，工藝先進(jìn)，設(shè)計(jì)領(lǐng)先。目前，國內(nèi)在比較器技術(shù)領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了一些突破。例如，在高速比較器技術(shù)的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，如中國電力24所、中國電力58所、東南大學(xué)等；在遲滯比較器技術(shù)的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，如天津大學(xué)光學(xué)與微電子研究所等，然而，由于受國內(nèi)基礎(chǔ)學(xué)術(shù)研究、技術(shù)水平、設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力和國際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系的限制，產(chǎn)品無法真正實(shí)現(xiàn)與國際行業(yè)的有效對(duì)接。與國外相比，還有差距。中國使用的高性能比較器主要依靠進(jìn)口。國內(nèi)高精度抗干擾設(shè)計(jì)的遲滯比較器的研究水平與國外相比有著明顯的差距。遲滯比較器的研究在我國起步較晚，技術(shù)水平受限。目前我國在遲滯式比較器的制造和設(shè)計(jì)上仍然存在著巨大的市場競爭空間,而且人才的缺口也相對(duì)較多。因此，本文的研究有著一定的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。1.2幾種比較器介紹常見的比較器分有同相、反相比較器、施密特比較器、兩級(jí)比較器、電壓比較器以及遲滯比較器這幾種。下面來一一舉例介紹。反相比較器的主要特點(diǎn)之一是電路的連接是將參考點(diǎn)的位置連接在同一端，輸入信號(hào)也連接在同一端。例如，當(dāng)輸入電壓遠(yuǎn)小于其他參考電壓時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高電位。主要目的是為了判斷輸入的電壓值是否超過了你要求的較低電壓。同相比較器的主要特點(diǎn)之一就是這個(gè)電路的接法就是將參考信號(hào)的位置接在一個(gè)反相端，輸入信號(hào)的位置接在一個(gè)同相端。例如，當(dāng)輸入電壓超過了參考電壓,則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高電位。主要目的是為了判斷輸入的電壓值是否超過了你所需要限制的更高電壓[3]。施密特比較器的輸入電路連接法就是參考點(diǎn)位源來自本比較器的一個(gè)輸出端和信號(hào)接在相同的一個(gè)端，輸入和信號(hào)連接在相對(duì)端。例如，當(dāng)輸入電壓超過了參考電壓，則輸出為低電位。當(dāng)一個(gè)輸出端被轉(zhuǎn)換為低電位后，參考輸入的電壓也就會(huì)隨之改變而顯著地下降，但是當(dāng)一個(gè)輸入電壓下降時(shí)，只有將其下降至低于這個(gè)更低的參考值點(diǎn)位后,比較器才是輸出，它們才可以轉(zhuǎn)換為高電平的輸出[4]，用來限定某一個(gè)電壓的范圍。就是可以利用空調(diào)對(duì)其降溫的控制，假設(shè)將其溫度從25度控制為28度。所以當(dāng)室內(nèi)的溫度超過25度，就要關(guān)閉中央空調(diào)。如果不用施密特的比較器，溫度保持在25度附近時(shí)，或者稍低于25度的溫度時(shí)，空調(diào)就會(huì)不斷打開、關(guān)閉。我們知道空調(diào)里有壓縮機(jī)，壓縮機(jī)是靠電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流很大造成費(fèi)電。另外，過去用的是氟利昂制冷機(jī)，這種設(shè)備不可以停機(jī)后立刻開機(jī)，立刻開機(jī)會(huì)造成設(shè)備制冷效果變差。如果用施密特比較器，則只有等溫度回升到28度以上，空調(diào)機(jī)才會(huì)打開繼續(xù)降溫。這樣就避免了空調(diào)頻繁開關(guān)。兩級(jí)比較器即雙端輸出差分放大電路中的比較器，兩級(jí)比較器主要由一級(jí)輸出差分比較和一級(jí)逆向差分放大。采用差分式輸入方法便于控制比較器跳變電壓的離散度，使之在操作時(shí)對(duì)工藝及電源輸出的變動(dòng)不敏感，存在差分等級(jí)輸出增益低等問題。電壓比較器被廣泛認(rèn)為它是一種運(yùn)算放大功率倍數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)趨于“無窮大”的小型運(yùn)算功率放大器。電壓比較器的主要工作功能是通過自動(dòng)比較兩個(gè)固定電壓之間的電流差值大小來精確判斷它們的差值大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個(gè)輸入電壓的大小關(guān)系)。當(dāng)正輸入端的輸出電壓定額超過或定值高于反輸入輸出端時(shí),電壓比較器的進(jìn)入輸出電壓應(yīng)轉(zhuǎn)換成一個(gè)高電平。當(dāng)正進(jìn)出輸入端的輸出電壓額定值超過低于負(fù)或正輸入輸出端時(shí),電壓比較器的進(jìn)入輸出轉(zhuǎn)換是一個(gè)新的低電平[5]。電壓比較器既不僅可以被直接用作各種模擬集成電路與其他數(shù)字化集成電路之間的信號(hào)接口,甚至可以被直接用作各種波形的信號(hào)產(chǎn)生與電壓變換等的電路。使用簡易的交流電壓諧波比較儀就已經(jīng)能夠把正弦波轉(zhuǎn)化成相同諧波頻率的一個(gè)方向正弦波或者說是一個(gè)矩形方向波。由于簡單的電壓比較器結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，但是抗干擾能力差，因此我們就要對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后構(gòu)成遲滯比較器，使抗干擾能力大大增強(qiáng)。遲滯比較器的主要功能就是把電源反饋短路電壓和內(nèi)部電源門限短路電壓之間進(jìn)行數(shù)值比較，控制其它電源模塊的反饋電路電壓是否正常工作運(yùn)行。例如,當(dāng)反饋電壓比內(nèi)部上門限電壓高時(shí),遲滯比較器的這個(gè)輸出就可能會(huì)直接使得其它的模塊不能正常運(yùn)行工作,但是當(dāng)反饋電壓比內(nèi)部下門限電壓高時(shí),遲滯比較器的這個(gè)輸出就可能會(huì)使得其他兩個(gè)模塊正常工作運(yùn)行。1.3論文主要研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排本論文主要研究上述比較器的其中一種抗干擾能力強(qiáng)的遲滯比較器，主要由輸入級(jí)、電流鏡偏置電路、啟動(dòng)電路三部分構(gòu)成。在電路原理圖中通過仿真測試實(shí)現(xiàn)了遲滯比較器抗干擾的功能，接著采用0.18μm的CMOS工藝，通過Cadence等版圖繪制工具根據(jù)電路原理圖完成遲滯比較器的版圖并通過了DRC、LVS驗(yàn)證。根據(jù)上面所要探討的具體內(nèi)容，論文各個(gè)主要章節(jié)的內(nèi)容安排主要概括如下：第一章首先簡單地簡要介紹了這個(gè)研究課題的主要研究成果發(fā)展以及背景，提出了研究設(shè)計(jì)高功率性能遲滯比較器的必要性，并且分別介紹了幾種最為典型的比較器。第二章重點(diǎn)介紹了什么是遲滯比較器，闡述了遲滯式比較器的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。第三章從三個(gè)部分介紹了遲滯比較器的設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)出完整的遲滯式比較器電路原理圖，并對(duì)其進(jìn)行了仿真，然后列舉了仿真結(jié)果。第四章主要給出了遲滯比較器在版圖實(shí)現(xiàn)中的過程及注意事項(xiàng)，簡單地介紹了版圖的設(shè)計(jì)原理和規(guī)則，完成了遲滯比較器在版圖實(shí)現(xiàn)中的設(shè)計(jì)。第五章主要展示了遲滯比較器版圖的DRC與LVS的驗(yàn)證結(jié)果。之后是對(duì)本文工作的總結(jié)，介紹了遲滯比較器的應(yīng)用以及發(fā)展前景，論文的最后依次為參考文獻(xiàn)和致謝。第2章遲滯比較器的電路設(shè)計(jì)2.1遲滯比較器的介紹通常情況下，比較器只能工作在低噪聲的環(huán)境中，并且可以通過閾值來檢測到信號(hào)發(fā)生什么樣的變動(dòng)。如果一個(gè)比較器的速度足夠快(該噪聲的頻率取決于最常見的噪聲)而且噪音的幅值已經(jīng)足夠高，它的輸出終端也必然會(huì)有所噪音。在這樣的情況下，我們有可能會(huì)對(duì)比較器的傳遞特性做出一些修正。在特殊情況下，需要先引入比較器，否則就不能使用。遲滯函數(shù)是比較器的一種特殊性質(zhì)，其中輸入的閾值就是輸入(或者從輸出)到高電平的一個(gè)函數(shù)。尤其是當(dāng)輸入通過閾值后，它的輸出就會(huì)發(fā)生改變，同時(shí)，輸入閾值也會(huì)隨之降低，所以在比較器的輸出又一次改變狀態(tài)之前輸入必須回到上一閾值。遲滯比較器就是一種帶有延時(shí)回環(huán)傳遞特征的遲滯比較器。又可以理解成為一種加正反饋的單限比較器[6]。在帶有反相進(jìn)入輸出的一個(gè)單相雙門限輸入電壓比較器的特定前提下，引入一個(gè)正交的反饋輸出網(wǎng)絡(luò)，就這樣可以使它組成一個(gè)利用帶有雙門檻極限值的逆向式電壓反相進(jìn)入輸出電壓遲滯比較器。遲滯比較器的概述圖如圖2-1所示。圖2-1遲滯比較器概述圖在高強(qiáng)度噪聲條件下,遲滯所帶來的特性優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)清楚地顯現(xiàn)在了圖2-2中。在此圖中,我們就可以看到有一個(gè)包含高頻噪聲的信號(hào)被疊加到了沒有遲滯的比較器輸入端，電路的作用就是為了使比較器的輸出跟上其輸入的低頻噪聲。然而，閾值位置和附近噪聲的發(fā)生變動(dòng),使比較器輸出充斥了噪聲。該比較器的響應(yīng)可以通過增加遲滯電壓來進(jìn)行改善,遲滯電壓必須等于或超過最大噪聲的幅度[7]。上述的比較器響應(yīng)結(jié)果如圖2-3所示。圖2-2比較器對(duì)輸入含有噪聲的響應(yīng)圖2-3遲滯比較器對(duì)輸入含有噪聲的響應(yīng)2.2遲滯比較器的結(jié)構(gòu)圖2-4給出了一個(gè)使用外部正反饋實(shí)現(xiàn)遲滯的同相雙穩(wěn)態(tài)電路。此雙穩(wěn)態(tài)特征是逆時(shí)針方向的。我們假設(shè)比較器的最大和最小輸出電壓分別是VOH和VOL。轉(zhuǎn)折點(diǎn)定義如下，假設(shè)VIN大大低于比較器正輸入端的電壓，在此情況下，輸出電壓將等于VOL。隨著VIN的增加，求上轉(zhuǎn)折點(diǎn)VTRP+可通過令VIN和VOL在比較器正輸入端產(chǎn)生的電壓為零得到。圖2-4使用外部正反饋的同相雙穩(wěn)態(tài)電路采用外部正反饋順時(shí)針方向的雙穩(wěn)態(tài)電路如圖2-5所示。假設(shè)輸入大大低于比較器同相輸入端電壓，我們定義此時(shí)的輸出電壓為VOH。上轉(zhuǎn)折點(diǎn)通過設(shè)置輸入等于加在比較器同相輸入端的電壓來得到。圖2-5中雙穩(wěn)態(tài)電路的傳輸特性中心點(diǎn)通過插入電源VREF來改變其水平位置。圖2-5水平移動(dòng)的使用外部正反饋的同相雙穩(wěn)態(tài)電路上述電路是使用外部正反饋來實(shí)現(xiàn)高增益開環(huán)遲滯比較器的一個(gè)例子，遲滯同樣可以通過使用內(nèi)部的正反饋來實(shí)現(xiàn)。如圖2-6所示比較器的差分輸入級(jí)。在此電路中共有兩條反饋路徑，第一條是通過晶體管M1和M2的共源節(jié)點(diǎn)的串聯(lián)電流反饋，這條反饋通路是負(fù)反饋；第二條是連接M6和M7源-漏極的并聯(lián)電壓反饋，這條反饋通路是正反饋。當(dāng)此正反饋系數(shù)小于負(fù)反饋系數(shù)時(shí)，整個(gè)電路將為負(fù)反饋，同時(shí)失去遲滯效果；當(dāng)正反饋系數(shù)大于負(fù)反饋系數(shù)時(shí)，整個(gè)電路將表現(xiàn)為正反饋，同時(shí)在電壓傳輸曲線中將出現(xiàn)遲滯。圖2-6在高增益開環(huán)比較器的輸入級(jí)使用內(nèi)部正反饋實(shí)現(xiàn)遲滯第3章遲滯比較器的電路設(shè)計(jì)與仿真3.1遲滯比較器的設(shè)計(jì)原理1.遲滯比較器的核心電路設(shè)計(jì)遲滯式比較器的一個(gè)核心控制電路主要由兩個(gè)子部分組成，分別指的是用于實(shí)現(xiàn)遲滯控制功能的內(nèi)部差分控制輸入輸出級(jí)及其它相對(duì)應(yīng)的用于實(shí)現(xiàn)外部差分輸出到單級(jí)函數(shù)轉(zhuǎn)換的差分輸出輸入級(jí)，如圖3-1所示。在核心電路中，M30和M49、M51和M34、M28和M6、M7和M26、M27和M29均嚴(yán)格匹配。定義S為第i個(gè)MOS管的寬長比，即Si=Wi/Li，且所有PMOS管的襯底接高電位，NMOS管的襯底接地。圖3-1遲滯比較器核心電路首先由擺率指標(biāo)SR和CL算出“尾電流"I的最小值：I>SR×CL確定I，由遲滯范圍指標(biāo)可得：VTRP+跨導(dǎo)gm0可用公式計(jì)算得出：gm0=GB(CL通過跨導(dǎo)，可以得出S49：S49=而S49=S30，可得M30的寬長比S30。同樣也可以確定M26、M7的寬長比S26、S7。S26S7=k下面由輸入共模范圍最小輸入電壓設(shè)計(jì)S31、S33，確定S31、S33。VDS飽和Si=從而得出M31的寬長比S31，M33的寬長比S33。再由電路增益公式和功耗等等指標(biāo)進(jìn)行約束，即可計(jì)算出M27、M29、M34、M51的寬長比為S27、S29、S34、S51。Av=Av1=Av2=其中AV為電路的總增益，AV1為輸入等級(jí)的增益，AV2為輸出等級(jí)的增益。2.遲滯比較器的電流偏置電路設(shè)計(jì)遲滯比較器的電流源偏置電路結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。它的作用是為了提供一個(gè)整體電路穩(wěn)定的基準(zhǔn)電流[8]，如下圖3-2中，M12與M13的柵極接在一起，M12的漏極也接到了M12與M13的柵極上，M12與M13就構(gòu)成了電流鏡電路?？梢酝ㄟ^調(diào)整電流鏡比例的大小來調(diào)整輸出電流的大小。當(dāng)VDD開啟時(shí)，圖3-3中的啟動(dòng)電路提供M13一個(gè)小電流，隨著偏置電流源電路的正常啟動(dòng)，M13的漏極電壓增加，使得流進(jìn)偏置電流源電路的啟動(dòng)小電流減小，直到偏置電流源電路工作于偏置點(diǎn)，流進(jìn)M13的電流全部由M14流出，啟動(dòng)電路M17管看作截止。圖3-2遲滯比較器電流鏡電路3.遲滯比較器的啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)遲滯比較器的啟動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。啟動(dòng)電路是完成一個(gè)完整的遲滯比較器電路中不可缺少的部分。它的作用是當(dāng)比較器電路的直流電壓VDD被打開時(shí)，保證整個(gè)電路系統(tǒng)能夠順利的啟動(dòng)，從而使其正常工作。VDD開啟時(shí)，M17和M18均導(dǎo)通，從而提供給圖3-2中的電流源偏置電路一個(gè)電流[9,10]。當(dāng)電流源偏置電路正常工作后，M17將可以看作截止，流經(jīng)Rl的電流全部流過M18到接地端。圖3-3遲滯比較器啟動(dòng)電路3.2遲滯比較器整體電路設(shè)計(jì)根據(jù)上一小節(jié)電路設(shè)計(jì)，遲滯比較器從三個(gè)部分進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)，它們分別是核心電路、電流鏡偏置電路以及啟動(dòng)電路[11]。遲滯比較器的信號(hào)控制電路由兩個(gè)部分共同組成。一級(jí)就是能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部遲滯控制功能的單級(jí)差分信號(hào)輸入輸出級(jí)，二級(jí)則是能夠?qū)崿F(xiàn)單級(jí)差分輸入到單級(jí)信號(hào)轉(zhuǎn)換的差分輸出輸入級(jí)。電流偏置電路部分的作用是提供給整個(gè)電路穩(wěn)定的基準(zhǔn)電流[12]。關(guān)于遲滯比較器的啟動(dòng)電路，它的功能主要是當(dāng)一個(gè)遲滯比較器電路中的直流電壓VDD被打開時(shí)，保證整個(gè)電路系統(tǒng)都能夠順利啟動(dòng)，從而使其正常運(yùn)行[13,14]。在基本完成了對(duì)比較器差分式輸入等級(jí)、輸出等級(jí)、電流偏置及啟動(dòng)等級(jí)的設(shè)計(jì)之后，遲滯比較器的總體電路圖也基本確定。遲滯比較器的電路圖結(jié)構(gòu)如下圖3-4所示。圖3-4遲滯比較器最終電路圖3.3遲滯比較器輸入輸出仿真對(duì)遲滯比較器電路的輸入輸出進(jìn)行了仿真，結(jié)果如下圖3-5所示。紅色的線為遲滯比較器電路的輸入，藍(lán)色的線為遲滯比較器電路的輸出。由下圖所示，一開始電路中的輸入電壓隨時(shí)間的增長由低到高，到達(dá)正向翻轉(zhuǎn)點(diǎn)，即輸入電壓為195.9mV時(shí)，輸出電壓上升。當(dāng)?shù)竭_(dá)一定時(shí)間后，輸入電壓隨時(shí)間增長開始由高到低，到達(dá)負(fù)向翻轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)，即輸入電壓為168.0mV時(shí)，輸出電壓開始下降。根據(jù)遲滯比較器輸入輸出電路仿真結(jié)果，這說明了遲滯比較器電路的輸入輸出電壓隨時(shí)間可以正常工作。并且如下圖所示，在兩個(gè)翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的電壓并不相同，這證明了遲滯比較器的遲滯功能，設(shè)計(jì)的此電路有抗噪聲效果。圖3-5遲滯比較器輸入輸出仿真結(jié)果3.4遲滯比較器的翻轉(zhuǎn)電平仿真1.上升沿翻轉(zhuǎn)電平在不同電壓（3.0V、3.5V、4.5V）、不同溫度（-40℃~85℃）、不同工藝角和和不同vbg（1.2V~1.3V）下仿真上升沿翻轉(zhuǎn)電平如下圖3-6所示。由下圖3-6以及仿真數(shù)據(jù)可知：（1）典型條件下，上升沿翻轉(zhuǎn)電平為196mV。（2）在vdd=3V，vbg=1.3，溫度為85℃，ss_3V、ff_disres工藝腳下，上升沿翻轉(zhuǎn)電平最大為205mV。（3）在vdd=4.5V，vbg=1.2，溫度為-40℃，ff_3V、ss_disres工藝腳下，上升沿翻轉(zhuǎn)電平最小為185mV。圖3-6上升沿翻轉(zhuǎn)電平2.下降沿翻轉(zhuǎn)電平在不同電壓（3.0V、3.5V、4.5V）、不同溫度（-40℃~85℃）、不同工藝角和和不同vbg（1.2V~1.3V）下仿真下降沿翻轉(zhuǎn)電平如下圖3-7所示。由下圖3-7以及仿真數(shù)據(jù)可知：典型條件下，下降沿翻轉(zhuǎn)電平為168mV。（2）在vdd=3V，vbg=1.3，溫度為-40℃，ff_3V、ff_disres工藝腳下，下降沿翻轉(zhuǎn)電平最大為177mV。（3）在vdd=4.5V，vbg=1.2，溫度為85℃，ff_3V、ss_disres工藝腳下，下降沿翻轉(zhuǎn)電平最小為159mV。圖3-7下降沿翻轉(zhuǎn)電平3.5遲滯比較器的響應(yīng)時(shí)間仿真上升沿響應(yīng)時(shí)間仿真結(jié)果如下，在不同電壓（3.0V、3.5V、4.5V）、不同溫度（-40℃~85℃）、不同工藝角和和不同vbg（1.2V~1.3V）下仿真上升沿響應(yīng)時(shí)間如下圖3-8所示。由上圖以及仿真數(shù)據(jù)可知：典型條件下，上升沿響應(yīng)時(shí)間為49.3ns，上升沿響應(yīng)時(shí)間最小為42ns，上升沿響應(yīng)時(shí)間最大為56.04ns。圖3-8上升沿響應(yīng)時(shí)間下降沿響應(yīng)時(shí)間仿真如下，在不同電壓（3.0V、3.5V、4.5V）、不同溫度（-40℃~85℃）、不同工藝角和和不同vbg（1.2V~1.3V）下仿真下降沿響應(yīng)時(shí)間如下圖3-9所示。由上圖以及仿真數(shù)據(jù)可知：典型條件下，下降沿響應(yīng)時(shí)間為676.6ns，下降沿響應(yīng)時(shí)間最小為518.9ns，下降沿響應(yīng)時(shí)間最大為864.9ns。圖3-9下降沿響應(yīng)時(shí)間3.6遲滯比較器整體功耗在不同電壓（3.0V、3.5V、4.5V）、不同溫度（-40℃~85℃）、不同工藝角和不同vbg（1.23V~1.3V）下仿真電路整體功耗如下圖3-10所示。由下圖3-10及仿真數(shù)據(jù)可知，電路整體功耗典型值為20.49uA，最大功耗為23.2uA。另外，仿真電路關(guān)斷電流，當(dāng)使能信號(hào)無效時(shí)，電路整體電流最大為0.6nA。圖3-10整體功耗第4章遲滯比較器版圖實(shí)現(xiàn)4.1模擬版圖設(shè)計(jì)基本原則1.版圖布局方面在畫版圖之前，首先應(yīng)該做好版圖的布圖規(guī)劃。在一定約束條件下對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行物理劃分，并初步確定芯片面積和形狀、單元區(qū)位置、功能塊的面積形狀和相對(duì)位置、I/O位置，產(chǎn)生布線網(wǎng)格，還可以規(guī)劃電源、地線以及數(shù)據(jù)通道分布[15]。在制定電路版圖過程中的布局設(shè)計(jì)方案時(shí)，首先我們必須要充分考慮如何將強(qiáng)高壓電流短路信號(hào)和弱高壓電流短路信號(hào)進(jìn)行隔離，大高壓電流和小高壓電流如何隔離，高壓和和中低壓電流信號(hào)如何隔離。其次要大概確定好VDD、GND的位置及寬度，大體擺放好器件所在位置。特別要注意的是關(guān)于器件的匹配問題，電路圖中的電流鏡以及差分對(duì)都要進(jìn)行匹配。Power線要盡量等寬，如果不能，要遵循從主干到分支越來越小的原則。版圖布局要盡量緊湊，節(jié)省面積。2.對(duì)差分對(duì)的認(rèn)識(shí)及匹配差分信號(hào)系統(tǒng)主要原理是通過電路采用高頻雙絞線傳輸方式直接進(jìn)行差分信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸，雙絞線中的一條差分信號(hào)雙絞線主要向前兩相傳送原來的差分信號(hào)，另一條則主要是與原來的差分信號(hào)進(jìn)行逆轉(zhuǎn)而形成一個(gè)正相。差分模式信號(hào)處理器就是為了有效緩沖和同時(shí)消除在信號(hào)數(shù)據(jù)來源和應(yīng)用負(fù)載之間不同的各種參考信號(hào)，對(duì)它們的位置進(jìn)行連接而采用的一種技術(shù)手段，對(duì)電子產(chǎn)品可能受到的各種干擾損害具有固有性和抑制性的效果。差分發(fā)射信號(hào)的另一個(gè)重要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)之一就是它同樣可以有效減小差分信號(hào)通過導(dǎo)線發(fā)射對(duì)外時(shí)可能產(chǎn)生的外部電磁干擾(EMI)。對(duì)于差分信號(hào)而言，對(duì)其性能影響最大的一個(gè)因素，就是它們的相對(duì)阻抗是否一致。它們之間的分布式電容越多只會(huì)導(dǎo)致衰落信號(hào)的強(qiáng)度,不會(huì)造成噪聲和干擾,也就是說對(duì)信噪比的影響不會(huì)受到太多的影響。在設(shè)計(jì)差分管時(shí)，需要進(jìn)行高精度的信號(hào)匹配，保持它們所周邊的環(huán)境一致，并且還要加上保護(hù)環(huán)，減小了外界對(duì)其的影響和干擾，這樣我們才能夠確保良好的集成器和電路性能。一般的情況下，差分管的最佳輸入和控制信號(hào)最好是不要與其他輸出和控制信號(hào)相互交叉[16]。因?yàn)樵谛盘?hào)傳感器中，系統(tǒng)的輸入信號(hào)很小而有可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的輸出信號(hào)電路產(chǎn)生較大干擾，進(jìn)而可能會(huì)直接性地影響傳感到系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)的傳輸準(zhǔn)確性。差值積分管通常認(rèn)為是函數(shù)采用二位函數(shù)匹配后依次添加DUMMY的一種計(jì)算方式，其中二位函數(shù)匹配的具體計(jì)算方法大致描述如下圖即圖4-1所示，采用的是共質(zhì)心匹配。圖4-1差分信號(hào)匹配方式3.對(duì)電流鏡的認(rèn)識(shí)及匹配電流鏡器件是大型模擬集成電路中常見并且普遍廣泛使用的一種標(biāo)準(zhǔn)器件組成的元部件。在采用基于傳統(tǒng)的運(yùn)算電流放大器的硬件設(shè)計(jì)中,電流鏡設(shè)計(jì)是一種用來直接檢測一個(gè)產(chǎn)生偏置的有源電流并將其作為一個(gè)有源電流負(fù)載。在新型相互電流補(bǔ)充模式下的電路仿真以及集成電路的工程設(shè)計(jì)中,電流鏡除了可以廣泛用來用于控制如何產(chǎn)生偏置的單端電流外,還被廣泛地可以用來用于控制如何實(shí)現(xiàn)電流單端回路電流補(bǔ)充信號(hào)的快速復(fù)制或電流倍乘,單端電流鏡還常常用來實(shí)現(xiàn)對(duì)極性差動(dòng)電流單端回路電流控制信號(hào)的快速轉(zhuǎn)換。電流鏡不僅是用于設(shè)計(jì)一個(gè)電流集成電路的基礎(chǔ)單元控制電路,而且本身也可以是一種非常典型的電流檢測模式控制電路,在一些典型電流控制模式電路系統(tǒng)(比如高頻連續(xù)的長時(shí)間電流濾波器、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))中已經(jīng)開始得到直接的廣泛應(yīng)用。實(shí)際的集成電路中往往會(huì)有許多的電流源,通常是應(yīng)用于器件的基準(zhǔn)電流匹配方法,僅用一個(gè)“基準(zhǔn)電流源”作為輸入,給多個(gè)恒定電流源同時(shí)提供一個(gè)偏置的電壓,或者說直接給一個(gè)恒定的電流。這些由匹配元件組合而成的結(jié)構(gòu),稱之為電流鏡[17]。它的被控電流和輸入的參考電流之間相等,也就是輸入和被控電流之間的傳輸比要大約等于1。特征就是輸出電流就是對(duì)一個(gè)輸入電流進(jìn)行按一定的比例“復(fù)制”。電流鏡匹配方式為“叉值匹配”，兩邊也要加DUMMY，如下圖4-2所示。4-2電流鏡的匹配方式4．匹配精度等級(jí)實(shí)際上，版圖中的各個(gè)元器件想要做到完全相互匹配還是不容易的。一般而言，把各個(gè)元器件之間進(jìn)行匹配的準(zhǔn)確度分成三個(gè)層次，即最低匹配、中度匹配和精密匹配[18]。最低匹配元器件適合于一般情況下的使用，例如在偏置電路中采用了正負(fù)反饋式電流顯示器。中度匹配元器件特別是適合能隙基準(zhǔn)電壓來源、運(yùn)算放大器、比較儀和多數(shù)仿真電路等領(lǐng)域。精密相互匹配時(shí)的元器件特別適宜在A/D、D/A轉(zhuǎn)換器及其他需要精密匹配的應(yīng)用場合。通常，電容比電阻更容易獲得這種精密匹配的精度。在進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)時(shí)，除了必須要充分體現(xiàn)各個(gè)電路的邏輯或其他功能來確保版圖驗(yàn)證正確外，還要考慮添加一些其他與電路相互匹配完全無關(guān)的圖形，以便于減小中間操作過程中的誤差，我們通常把這些圖形簡單地稱之為DUMMY。有些DUMMY是為了避免在防止刻蝕時(shí)候會(huì)因?yàn)榭涛g量不夠或者是刻蝕量太大而進(jìn)行額外的增加。另外一些則主要是為了充分考慮照度對(duì)于光的反射和衍生，為了能夠保證在關(guān)鍵圖形情況下大體上是相當(dāng)，避免由于曝光而直接影響照度到關(guān)鍵圖形的大小和尺寸而額外增加了DUMMY器件。4.2遲滯比較器版圖實(shí)現(xiàn)當(dāng)一個(gè)給定的電路原理圖要讓我們?cè)谠O(shè)計(jì)它的版圖時(shí)，必須按照所用工藝和設(shè)計(jì)的規(guī)則，時(shí)刻要注意與版圖在不同階段之間的圖形尺寸及其相對(duì)地點(diǎn)位置的關(guān)系。版圖實(shí)現(xiàn)最重要的就是它的布局與布線。版圖布局是指把組成集成電路中的各個(gè)部件合理布置到芯片上。布線是按照電路框圖中給出來的連接關(guān)系，在版圖上對(duì)元器件之間、各個(gè)組成部分之間進(jìn)行的連接。由于這些連接點(diǎn)也需要具備一定的芯片范圍，因此在進(jìn)行版圖布局時(shí)就需要為其留下必須的布線渠道。確定好布局后,對(duì)遲滯比較器版圖進(jìn)行布線。按照電路指定的連接電路區(qū)域連接它就完成了一個(gè)電路指定的連接區(qū)域(其中包括它的面積、形態(tài)、層次)。布線要均勻，保障了連線布通道的效率。布線時(shí)，電源線和地線都應(yīng)該盡量避免直接使用電流擴(kuò)散接線區(qū)和其他多晶硅電源來進(jìn)行走線，特別是還要注意選擇通過較大電源輸出產(chǎn)生電流的部分，如電源線和地線[19,20]。完成遲滯比較器的布局與布線后，最終版圖如下圖4-3所示。4-3遲滯比較器最終版圖第5章遲滯比較器版圖驗(yàn)證5.1遲滯比較器版圖DRC驗(yàn)證(1)點(diǎn)擊遲滯比較比較器的版圖打開，在Calibre的開始菜單下點(diǎn)RUNDRC鍵。(2)在彈出的窗口里，RUNDRC鍵是必須自己來設(shè)置。然后點(diǎn)擊Rules鍵,在CalibreDRCRulesFile下選中DRC驗(yàn)證所需要的文件，DRC所需要的文件里內(nèi)容是對(duì)于一些層次的定義及工藝間距規(guī)則。(3)點(diǎn)擊Inputs鍵，在Layout行導(dǎo)入所需驗(yàn)證版圖的GDS文件，也可以設(shè)置成自動(dòng)生成GDS文件進(jìn)行驗(yàn)證。(4)設(shè)置完成后，就可點(diǎn)擊RunDRC鍵運(yùn)行DRC。運(yùn)行完DRC后會(huì)彈出來一個(gè)窗口，對(duì)照窗口里出來的錯(cuò)誤進(jìn)行版圖的間距修改，改完后DRC所有類型的錯(cuò)誤都是綠色的對(duì)勾。遲滯比較器版圖的DRC驗(yàn)