Entwurf analoger CMOS Schaltungen für extrem niedrige Versorgungsspannungen

ISBN-13: 9783540407034 / Niemiecki / Twarda / 2004 / 140 str.

Jens Sauerbrey

Opis

Die anhaltende Miniaturisierung in der Mikroelektronik f hrt zu extrem niedrigen Versorgungsspannungen, denen die herk mmlichen Methoden des Entwurfs analoger Schaltungen nicht mehr gerecht werden. In diesem Buch werden verschiedene f r sehr niedrige Versorgungsspannungen geeignete L sungsans tze analysiert und miteinander verglichen. Es finden ausschlie lich Standard-Digitaltransistoren Verwendung. Die entwickelten Schaltungen arbeiten mit minimalen Versorgungsspannungen zwischen 0.75V und 0.4V, deren Einf hrung zwischen 2007 und 2016 zu erwarten ist. Das Buch basiert auf der Dissertation des Autors und seiner T tigkeit in einem industriellen Forschungs- und Entwicklungslabor. Es richtet sich an Studierende der Elektrotechnik mit Vorkenntnissen in analoger Schaltungstechnik und an alle, die sich mit analogem Schaltungsdesign besch ftigen und der Herausforderung gegen ber stehen, innovative Schaltungen zu entwickeln, die mit niedrigen Versorgungsspannungen auskommen m ssen.

Spis treści

1 Einleitung.- 2 Randbedingungen für das Schaltungsdesign.- 2.1 Prozesstechnische Gesichtspunkte.- 2.2 Auswirkungen auf das Schaltungsdesign.- 2.2.1 Nutzbare Spannungsbereiche.- 2.2.2 Operationsverstärkerdesign.- 2.2.3 Design von Schaltern.- 2.2.4 Rauschen.- 2.2.5 Leistungsverbrauch.- 2.3 Schaltungstechnische Lösungsansätze mit speziellen Prozessoptionen.- 2.3.1 Unterschiedliche Versorgungsspannungen f ür analoge und digitale Schaltungsteile.- 2.3.2 On-Chip Spannungsmultiplizierer.- 2.3.3 On-Chip Taktspannungsmultiplizierer.- 2.3.4 Verwendung von Transistoren mit verringerter Einsatzspannung.- 2.4 Schaltungstechnische Lösungsansätze mit speziellen Prozessoptionen.- 2.4.1 Betrieb im Unterschwellenbereich.- 2.4.2 Schaltungen unter Ausnutzung von Substratbiasing.- 2.4.3 Pseudo-differentielles Design.- 2.4.4 Switched-Current Schaltungen.- 2.4.5 Current-Mode Schaltungen.- 2.4.6 Verwendung von Low-Voltage Stromspiegeln.- 2.4.7 Schaltungen zur Gleichspannungspegelverschiebung.- 2.4.8 Zeitkontinuierliche Schaltungen mit Gleichspannungspegelverschiebung.- 2.4.9 Zeitdiskrete Schaltungen mit Gleichspannungspegelverschiebung.- 2.5 Vergleich der Schaltunge.- 3 Sigma-Delta-Modulatoren in Switched-Opamp Technik.- 3.1 Grundlagen von Sigma-Delta A/D-Wandlern.- 3.1.1 Übersicht.- 3.1.2 Sigma-Delta-Modulator.- 3.1.3 Dezimierungsfilter.- 3.1.4 Wichtige Kenngrößen von Sigma-Delta-Modulatoren.- 3.2 Verwendete Topologien.- 3.2.1 Nichtkaskadierter Modulator 2. Ordnung.- 3.2.2 Nichtkaskadierter Modulator 3. Ordnung.- 3.2.3 Kaskadierter Modulator 3. Ordnung.- 3.2.4 Vergleich der Rauschübertragungsfunktionen.- 3.3 Anpassung der Modulatoren an extrem niedrige Versorgungsspannung.- 3.3.1 Skalierung für extrem niedrige Versorgungsspannung.- 3.3.2 Anpassung der Modulatoren für den Betrieb mit „half delay“-Integratoren.- 3.4 Switched-Capacitor Realisierung.- 3.4.1 Umsetzung auf Switched-Capacitor Schaltung.- 3.4.2 Referenzspannungs- und Gleichspannungspegelanpassung.- 3.4.3 Timinganpassung.- 3.5 Einfluss von nichtidealen Bauelement-Eigenschaften auf das Modulatorverhalten.- 3.5.1 Opertionsverstärker.- 3.5.2 Komparator.- 3.5.3 Schalter.- 3.5.4 Kondensatoren.- 3.6 Schaltungsbeispiel 1: Sigma-Delta-Modulatoren verschiedener Topologien.- 3.6.1 Schaltungsdesign.- 3.6.2 Messergebnisse.- 3.7 Low-Voltage MOSCAP Design.- 3.7.1 Standard-MOSCAP.- 3.7.2 “Depletion-mode”-MOSCAP.- 3.7.3 Nichtlinearitäts-Kompensationstechniken.- 3.7.4 Kapazitäts-/Spannungs-Charakteristik kompensierter „Depletion-Mode“-MOSCAPs.- 3.7.5 Arbeitspunkt bei sehr niedrigen Versorgungsspannungen.- 3.8 Schaltungsbeispiel 2: MOSFET-only Sigma-Delta-Modulator.- 3.8.1 Schaltungsdesign.- 3.8.2 Messergebnisse.- 3.9 Vergleich zu anderen auf dem Sigma-Delta Prinzip basierenden A/D-Wandlern.- 4 Möglichkeiten der Reduktion des Leistungsverbrauches bei Switched-Opamp Schaltungs.- 4.1 Dynamische Anpassung der Stromaufnahme von Baugruppen.- 4.2 Verändertes Taktschema.- 4.3 Schaltungsbeispiel 3: Sigma-Delta-Modulator 2. Ordnung mit verändertem Taktschema.- 4.3.1 Schaltungsdesign.- 4.3.2 Messergebnisse.- 5 Sukzessiver Approximations-Wandler.- 5.1 Wandler-Architektur.- 5.1.1 Grundprinzip von sukzessiven Approximations-Wandlern.- 5.1.2 Sukzessive Approximations-Wandler basierend auf dem Ladungsverteilungsprinzip.- 5.1.3 Modifiziertes Design für niedrigste Versorgungsspannungen.- 5.2 Schaltungsbeispiel 4: Sukzessiver Approximation-Wandler für eine minimale Versorgungsspannung nahe der Transistoreinsatzspannung.- 5.2.1 Schaltungsdesign.- 5.2.2 Messergebnisse.- 5.3 Vergleich zu anderen auf dem sukzessiven Approximationsprinzip basierenden A/D-Wandlern.- 5.4 Vergleich zu anderen Wandlerarchitekturen.- 6 Zusammenfassung.- 119.- 119.- 119.- 117.- 119.- 139.

Blurb

Die anhaltende Miniaturisierung in der Mikroelektronik führt zu extrem niedrigen Versorgungsspannungen, denen die herkömmlichen Methoden des Entwurfs analoger Schaltungen nicht mehr gerecht werden. In diesem Buch werden verschiedene für sehr niedrige Versorgungsspannungen geeignete Lösungsansätze analysiert und miteinander verglichen. Es finden ausschließlich Standard-Digitaltransistoren Verwendung. Die entwickelten Schaltungen arbeiten mit minimalen Versorgungsspannungen zwischen 0.75V und 0.4V, deren Einführung zwischen 2007 und 2016 zu erwarten ist. Das Buch basiert auf der Dissertation des Autors und seiner Tätigkeit in einem industriellen Forschungs- und Entwicklungslabor. Es richtet sich an Studierende der Elektrotechnik mit Vorkenntnissen in analoger Schaltungstechnik und an alle, die sich mit analogem Schaltungsdesign beschäftigen und der Herausforderung gegenüber stehen, innovative Schaltungen zu entwickeln, die mit niedrigen Versorgungsspannungen auskommen müssen.