基于CNFET的高速低功耗三值灵敏放大器设计

通过对碳纳米场效应晶体管(Carbon Nanotube Field Effect Transistor,CNFET)和灵敏放大器原理的研究,提出了一种基于CNFET的高速低功耗三值灵敏放大器设计方案。该方案首先剖析三值反相器电路结构,采用交叉耦合反相器作为三值锁存器;其次结合输入输出信号分离方法,提高放大差分信号速度;然后利用使能信号控制电路状态,降低三值灵敏放大器功耗。采用32nm CNFET标准模型库进行HSPICE仿真,结果表明所设计的电路逻辑功能正确;芯片成品率高达96.48%,具有较强的稳定性,且与利用CMOS设计的二值灵敏放大器相比工作速度提高64%,功耗降低83.4%。     

适用于低功耗SRAM的高速电流模式灵敏放大器

提出一种新型电流模式SRAM灵敏放大器结构。该灵敏放大器采用两级结构, 通过增加一级基于锁存器结构的高速放大电路, 能够快速感应位线的电流变化并放大为全摆幅信号, 不仅能加快求值速度, 而且电流传送器还起到隔离直流通路、减少电路直通功耗的作用。 基于1.0 V/65 nm工艺的HSPICE仿真结果显示, 与WTA灵敏放大器相比, 该灵敏放大器速度提高17%, 功耗减少86%。     

新型高速低功耗CMOS动态比较器的特性分析

为了降低sigma-delta模数转换器功耗,针对应用于sigma-delta模数转换器环境的UMC 0.18 μm工艺,提出1种由参考电压产生电路、预放大器、锁存器以及用作输出采样器的动态锁存器组成的新型高速低功耗的CMOS预放大锁存比较器.该比较器中输出采样器由传输门和2个反相器组成,可在较大程度上减少该比较器的功耗.电路采用标准UMC 0.18 μm工艺进行HSPICE模拟.研究结果表明:该比较器在1.8 V电源电压下,分辨率为8位,在40 MHz的工作频率下,功耗仅为24.4 μW,约为同类比较器功耗的1/3.     

锁相环高性能电荷泵电路的设计

设计了一种新型电荷泵电路,该电路采用了差分反相器,可工作在2 V的低电压下,具有速度快、波形平滑、结构简单、功耗低等特点.HSpice仿真结果显示,电荷泵的工作频率为10 MHz时,功耗仅为0.1 mW,输出信号的电压范围宽(0~2 V).该电路可广泛应用于差分低功耗锁相环电路中.     

一种使用浮动电源线嵌入式超低功耗SRAM的设计

为了解决存储单元的亚阈值泄漏电流问题,分析了在深亚微米下静态随机存储器(SRAM)6-T存储单元静态功耗产生的原因,提出了一种可以有效减小SRAM静态功耗浮动电源线的结构,并分析在此结构下最小与最优的单元数据保持电压;最后设计出SRAM的一款适用于此结构的高速低功耗灵敏放大器电路.仿真测试表明,使用浮动结构的SRAM的静态功耗较正常结构SRAM的静态功耗大大减小.     

基于负微分电阻特性的SET/CMOS反相器

基于单电子晶体管(SET)和PMOS管串联产生的负微分电阻(NDR)特性,提出了一种新型的SET/CMOS反相器.该反相器利用NDR特性与NMOS负载管的电流-电压特性构成两个单稳态点,实现反相功能.应用HSPICE仿真器,采用精准的单电子晶体管的子电路模型及22nm CMOS预测技术模型对该反相器进行仿真,结果表明:该反相器的功能正确,具有比传统CMOS反相器更低的功耗;与其它单电子反相器相比,该反相器可在室温下实现输出电压全摆幅,且具有较低的传输延迟.     

流水线模数转换器中高速低功耗开环余量放大器的设计

为了降低流水线模数转换器(ADC)中余量放大器的功耗并提高其速度,提出了一种新的开环余量放大器结构及其增益控制方法.该放大器采用简单差动对结构,并使用放大器的复制电路和一个差动差值放大器来控制主放大器输入对管的跨导,以稳定开环余量放大器的增益.所提出的放大器结构可以工作在低电源电压下,而且不需要共模反馈电路,与采用共源共栅结构和共模反馈的开环放大器相比,功耗更低,响应速度更快.仿真结果表明,所提开环余量放大器的功耗仅为5.5mW,在满幅度阶跃输入的情况下,输出建立时间小于3ns.将该开环余量放大器应用到采用数字校准的流水线ADC中,实现了采样率为4×107s-1的12位模数转换.     

新型低压微功耗伪差分跨导放大器设计

本文针对全差分跨导放大器电源电压偏高、功耗较大,以及常规伪差分跨导放大器增益和共模抑制比不高的问题,采用带反相器和共模前馈的伪差分输入级、自偏置电流镜结构的输出级,以及正体偏置技术和TSMC 40nm CMOS工艺,设计一个新型低压微功耗高增益高共模抑制比的伪差分跨导放大器。Cadence Spectre仿真结果表明,在0.5V的电源电压下,该跨导放大器的开环增益为51.8dB,单位增益带宽为18.6 MHz,相位裕度为70°,共模抑制比达到135dB,电源抑制比达到107dB,而功耗仅为3μW,具有较好的综合性能,可作为大多数要求较高的前端微弱信号放大器。     

新型低功耗320×288 IR ROIC 中列读出级的设计

介绍了320×288红外(IR)读出电路(ROIC)中列读出级的低功耗设计。采用新型的主从两级放大的列读出结构和输出总线分割技术相结合。其中主放大器完成电荷到电压的转换,从放大器完成对输出总线的驱动来满足一定的读出速度,总线分割是把320列分组来减少输出总线上的负载电容。通过spice的仿真可以发现,与传统的列读出级相比,这种新型结构的功耗由原来的47mW降到了现在的6.74mW,节省了80%以上的功耗。     

基于非晶氧化物TFTs的反相器设计

针对单极型非晶氧化物薄膜晶体管(TFT)逻辑电路存在较大功耗等问题,提出一个采用动态负载的三级架构反相器.该反相器基于Pseudo-CMOS(伪互补金属氧化物半导体)拓扑结构,采用由输出信号驱动的动态负载替代Pseudo-CMOS反相器中的二极管连接负载,使输入级的输入管与负载管驱动信号互补,实现反相器零静态电流,并弱化了功耗与摆幅的制约关系.基于TFT的电流公式,讨论了反相器中晶体管的宽长比对输出摆幅和功耗的影响,通过优化晶体管的宽长比进一步提高输出摆幅,降低电路功耗.在Silvaco软件中仿真验证结果表明:在相同的工艺条件下,与Pseudo-CMOS反相器相比,采用动态负载的三级架构反相器输出摆幅提高了13.13%,并显著降低了静态电流.     

一种基于比较器共模模式的真随机数发生器设计方案

通过对比较器共模工作模式和热噪声模型的研究,本文提出了一种可自适应匹配的真随机数发生器(TRNG)设计方案.该方案利用CMOS开关将热噪声反相器环形连接,实现输出电压收敛并保持在亚稳态电位.亚稳态下反相器输出节点热噪声与共模模式下比较器热噪声相叠加,由灵敏放大器转化为逻辑1或逻辑0,再经采样生成随机序列.反馈单元根据输出序列的偏向性对灵敏放大器进行自适应调节实现校准功能.所设计的电路采用SMIC 55nm CMOS工艺实现,仿真结果表明TRNG在5个工艺角下(tt,ss,ff,sf,fs)均能正常工作,最大输出速率可达1GHz,能耗为0.426pJ/bit.输出的随机序列通过NIST-SP 800-22测试.     

一种新颖的高速预放大器和采样器

介绍了一个用于高速串行通信中的新颖的高速预放大器和采样器.们负责对接收到的信号进行预放大和采样.其中,预放大器中设计了一个简单新颖的电路,利用前馈均衡来进一步消除信号的码间串扰,提高接收器的灵敏度.接收采样器采用SCFL结构,能够达到很高的工作速度.电路采用0.13μm CMOS工艺制造,工作电压为1 V,接收信号速率最高可达5 Gb/s.测试表明,接收预放大器功耗6 mW,采样器功耗2 mW.接收器输入信号差分峰-峰值150 mV条件下接收误码率小于10-12.     

低踢回噪声锁存比较器的分析与设计

为了减小踢回噪声引起的比较器参考电压的失调,着重对比较器进了分析和优化,设计了一种低踢回噪声锁存比较器,该比较器包含一级前置放大器和动态锁存比较器.锁存比较器采用两个正反馈锁存器和反馈环提高了锁存速度.采用0.6 μm Bipolar工艺的Hspice对电路进行了模拟.结果表明,在5.5V电源电压下,比较器的最高工作频率为200 MHz,分辨率在8位,功耗为55 μW,可以满足200 MS/s高精度Flash结构模数转换器的需求.     

一种高性能数字输出端口电路设计

传统多电源系统数字输出端口存在上拉、下拉竞争和上升沿与下降沿的严重不对称等问题,使得延时功耗积很大;而电压波动和误触发导致系统SSN噪声较大.针对这2个问题,提出一种采用快速低转高电平转换电路结构和抗地弹效应输出电路的新型输出端口电路结构,在smic18mmrf工艺下流片.测试结果表明,电平转换单元功耗延时积较传统结构减小5%~15%,SSN噪声幅度减少30%以上,有效提高了输出端口电路性能.     

NMOS管交叉耦合的能量回收电路设计

对NMOS(N-metal oxide semiconductor)管交叉耦合逻辑(NMOS-transistor cross coupling logic,NCCL)的能量回收电路进行了研究,PMOS(P-metal oxide semiconductor)管作为输入管来降低纳米CMOS工艺中栅氧化层上的漏电流以减小功耗;在此基础上实现了绝热JK触发器电路.在90nm CMOS BSIM3工艺模型下,用HSPICE对NCCL反相器及其JK触发器进行了模拟分析,结果表明NCCL反相器的工作频率可达到1GHz;与ECRL(efficient charge recovery logic)反相器相比,当负载电容、时钟频率和电源电压中某一参数变化时,NCCL的功耗都出现不同程度的降低;在相同的工作条件下NCCL JK触发器的功耗约为ECRL的50%.     

新型低功耗320×288 IR ROIC中列读出级的设计

介绍了320×288红外（IR）读出电路（ROIC）中列读出级的低功耗设计。采用新型的主从两级放大的列读出结构和输出总线分割技术相结合。其中主放大器完成电荷到电压的转换,从放大器完成对输出总线的驱动来满足一定的读出速度,总线分割是把320列分组来减少输出总线上的负载电容。通过spice的仿真可以发现,与传统的列读出级相比,这种新型结构的功耗由原来的47mW降到了现在的6.74mW,节省了80％以上的功耗。     

一种新型电流镜运算跨导放大器的设计

针对传统低压微功耗电流镜运算跨导放大器存在低增益和小摆率的缺陷,设计了一款新型电流镜运算跨导放大器。在不影响电路的静态功耗和稳定性的基础上,该运算跨导放大器采用增益提高(gain-boosting, GB)结构,增大了电路的小信号增益;引入开关型摆率增强(switched slew-rate enhancement, SSRE)结构,提高了电路的大信号摆率。基于UMC 0.11μm标准CMOS工艺进行电路设计和仿真。仿真结果表明：在1.2 V电源电压和10 pF负载电容下,与传统电流镜运算跨导放大器相比,设计的新型电流镜运算跨导放大器的增益提高了47 dB,正摆率提高了11.2倍,负摆率提高了12.4倍。     

一种超低功耗的低压差线性稳压器环路补偿方法

针对低压差线性稳压器(LDO)电路设计中为改善环路补偿的稳定性增加电流缓冲电路而带来额外功耗的问题,提出一种嵌入式LDO环路补偿方法。该方法在原LDO的误差放大器模块中,嵌入一个由晶体管和电容组成的电流缓冲电路,该结构与误差放大器的共源共栅输出级共用晶体管,由于整体电路中不增加新元器件,因此消除了引入缓冲电路所带来的额外功耗。仿真实验验证了加入电流缓冲电路后系统环路稳定性能得到了改善。采用联华电子公司0.5μm 5 V的CMOS工艺线在LDO中进行了投片验证,实测芯片静态功耗电流仅为50μA,当输入电压从3V跳变到5V时,输出电压的上冲与下冲都小于15mV,负载电阻从18kΩ跳变到9Ω时,输出电压的最大变化小于20mV。投片测试结果表明,该补偿方法可在提高系统环路稳定性的同时消除额外功耗。     

具有预启动、防闩锁功能的1.33倍新型电荷泵设计

设计了一种基于外接泵电容的1.33倍新型电荷泵电路.电路采用了预启动和衬底电位选择结构,并利用三相时钟信号方式控制电荷泵的工作状态.采用0.5μmCMOS工艺模型利用Cadence的Specter工具进行了仿真.结果表明：所设计的电路提高了芯片的启动速度,有效防止了闩锁现象的产生;在典型的3.3 V输入电压下,电荷泵效率为93.25%.与传统电荷泵相比优势在于输出电压低,有效地降低了无用功耗.1.33倍电荷泵必将具有广泛地应用前景.     

基于多级放大结构的高速低功耗时间数字转换器设计

提出一种多级放大时间数字转换器新型结构。该结构由粗测和细测组成, 粗测部分利用延时链得到小于一个延时单元的关键余量, 并设计了面积小、功耗低的关键余量选择逻辑。细测部分, 利用两倍时间放大器和过半判断器从高位到低位依次产生4位二进制码。在SMIC 65 nm工艺下仿真, 新型结构的分辨率为1.44 ps, 量程为736 ps, 转换速度可达470 MS/s, 在100 MHz频率下, 平均功耗仅为1.3 mW。对两倍时间放大器设计了校准电路, 提高了抵抗PVT的能力, 得到良好的积分非线性。