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本帖最后由 Areky 于 2010-9-14 23:16 编辑
This thesis is about an innovative technique of designing a precision current mirror which
enables us to achieve a very high DC accuracy with ripple free output signal, without
using an external low pass lter to suppress the unwanted ripple. The word 'precision'
here means that the current mirror has an accurately de ned input-to-output relation-
ship in terms of gain, linearity and o set. The idea behind this design is basically a
combination of trimming followed by Dynamic element matching (DEM). Test chips are
fabricated to test the functionality and performance of the new concept. The DC accu-
racy obtained from the mirror is 0.18% and AC ripple is suppressed by 50X compared
to state-of-the-art. The chip area (without padring) is 0.84mm2. The supply voltage
ranges from 11V to 40V. This design was done using a high performance analog process
(50HPA07HV) from Texas Instruments (TI). This is a high voltage BiCMOS process
(40V compatible) having minimum gate length of 0.6um analog devices compatible with
0.3um gate length digital.. . .
Contents
Declaration of Authorship i
Abstract ii
Acknowledgements iii
List of Figures vi
List of Tables viii
1 Introduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Accuracy of Current Mirror . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Mismatch Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.1 VT mismatch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2 Beta mismatch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.3 Vds mismatch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.4 E ect of mismatch sources in current mirror . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Target application - XTR111 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 Goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6 Organization of thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Literature Review 15
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.1 Charge Injection and feedthrough from MOSFETS used as Switch 16
2.2.2 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Sampling Technique: The Current Copier . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.1 Working Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.2 Advantages and Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4 Modulation Technique: Dynamic Element Matching . . . . . . . . . . . . 23
2.4.1 Working Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.2 Advantages and Limitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5 Trimming Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5.1 Working Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5.2 Advantages and Limitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6 Ripple Reduction Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3 Proposed Circuit Concept 30
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 New Trimming Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.1 Working Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.2 Advantages and Limitations of the calibration circuit . . . . . . . . 38
3.3 Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.1 Design values for the calibration circuit . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.2 Design values for the main DEM mirror . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4 System-Level Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4.1 Voltage Domain Partitioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.5 Circuit Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.5.1 Input and trim current generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.5.2 Calibration circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.5.3 Sub-regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5.4 Main mirror circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5.5 Output protection clamp circuitry . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.6 Layout Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.1 Circuit Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4 Simulation and Measurement Results 65
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2.1 Typical performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2.2 Monte-Carlo simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2.3 Simulation over Process/Corners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.4 Step Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2.5 Sinusoidal Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.6 PSRR simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.7 Noise and PSS simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3 Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.1 DC accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3.2 Output DC Error Vs Output voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3.3 Supply current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3.4 AC ripple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3.5 Step response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.3.6 Sinusoidal response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3.7 FFT spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4 Chip Micrograph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5 Summary/Conclusion 85
5.1 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 |
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发表于 2010-9-14 20:22:00
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