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模拟数字转换器中衬底耦合噪声的分析

作　者: 李方
导　师: 王永生
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 模拟数字转换器轻掺杂衬底三维混合衬底噪声耦合模型噪声隔离
分类号: TN792
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

半导体技术的不断进步，数模混合集成系统应用更加广泛，与此同时，衬底耦合噪声也成为了混合信号集成电路中不可忽略的问题。在模拟数字转换器(ADC)系统中，模拟模块附近有大量的数字电路，数字电路产生的噪声电流通过多种机制注入到衬底，并通过衬底传播到模拟模块，对电路性能产生影响，甚至会导致整个系统的失败。目前使用的主流仿真器均不提供完整且有效的衬底模型，因此，需要对衬底建立一个完整且有效的模型，在电路设计中对衬底噪声预先分析，以确保电路流片之后的准确性。论文详细分析了衬底噪声的注入、传播和影响机制，并针对这三个方面介绍了减小噪声的方法。针对ADC所在的轻掺杂P型衬底，在复杂度和精度之间进行折衷，建立将3D RC网格模型和宏电阻模型结合起来的一个电路级3D混合衬底噪声耦合模型，并利用TCAD软件验证其准确性。同时，还分析了来自电源线/地线上的耦合噪声，并对耦合路径建立了模型。将这些模型应用到Delta-Sigma调制器电路并进行SPECTRE仿真，仿真环境与理想情况下的调制器相同时，加入衬底噪声后的调制器的信噪比比理想情况下降低了25dB。本论文针对SMIC18工艺，对两种抑制衬底噪声的结构进行了建模和仿真。一是保护环隔离，当保护环宽度不变，保护环与模拟电路的距离为13.33um时，隔离效果最好；当保护环与模拟电路的距离固定，为20um时，保护环对噪声的隔离效果随着保护环宽度的增加而增强。将不同情况下的保护环应用到Delta-Sigma调制器的第一级开关电路中进行定性分析。将宽度为20um，距离模拟电路13.33um的保护环应用到Delta-Sigma调制器电路中，调制器信噪比没有保护环时提高了20dB；二是深N阱隔离，分析了深N阱制作在衬底的不同位置时对衬底噪声的隔离效果。同样把每种情况应用到第一级开关电容积分器中进行定性分析。将深N阱制作在Delta-Sigma调制器第一级开关电容积分器所在衬底中，调制器的信噪比比没有深N阱结构时提高了9.3dB。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-14
  1.1 研究背景和意义  8-10
  1.2 国内外研究现状  10-13
    1.2.1 基于网格的衬底模型  10
    1.2.2 基于边界的建模方法  10-12
    1.2.3 基于电磁的建模方法  12
    1.2.4 宏电阻建模方法  12
    1.2.5 建模方法总结  12-13
  1.3 论文主要研究内容及结构安排  13-14
第2章衬底噪声的耦合与抑制  14-25
  2.1 衬底噪声的耦合机制  14-20
    2.1.1 衬底噪声的注入机制  14-17
    2.1.2 衬底噪声的传播机制  17-18
    2.1.3 衬底噪声的影响  18-20
  2.2 衬底耦合噪声的抑制  20-24
    2.2.1 削弱噪声源  20-23
    2.2.2 改变衬底耦合噪声传播路径  23
    2.2.3 提高噪声敏感电路的免疫能力  23-24
  2.3 本章小结  24-25
第3章 3D 混合衬底噪声耦合建模及 ADC 衬底耦合噪声分析  25-43
  3.1 3D 混合衬底耦合噪声模型的建立  25-36
    3.1.1 3D RC 网格衬底噪声耦合模型  25-29
    3.1.2 宏电阻衬底模型  29-32
    3.1.3 3D 混合衬底噪声耦合模型  32-34
    3.1.4 3D 混合衬底耦合噪声模型的验证  34-36
  3.2 N 阱建模  36-37
  3.3 电源线/地线耦合路径建模  37-39
  3.4 ADC 衬底耦合噪声分析  39-42
  3.5 本章小结  42-43
第4章衬底耦合噪声的隔离结构  43-54
  4.1 物理位置隔离  43-44
  4.2 保护环隔离  44-49
    4.2.1 保护环结构建模  45-46
    4.2.2 保护环隔离噪声效果分析  46-49
  4.3 深 N 阱隔离  49-53
  4.4 本章小结  53-54
结论  54-55
参考文献  55-60
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  60-62
致谢  62

模拟数字转换器中衬底耦合噪声的分析

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