高频连续时间滤波器的数字CMOS工艺

There  is  an  ever  increasing  trend  towards  putting  entire  systemson  a  single  chip.  This  means  that  analog  circuits  will  have  tocoexist  on  the  same  substrate  along  with  massive  digital  systems.Since  technologies  are  optimized  with  these  digital  systems  in  mind,designers  will  have  to  make  do  with  standard  CMOS  processes  in  theyears  to  come.  We  address  analog  filter  design  from  this  perspective.Filters  form  important  blocks  in  applications  ranging  from  computerdisc-drive  chips  to  radio  transceivers.In  this  book,  we  develop  the  theory  and  techniques  necessaryfor  the  implementation  of  high  frequency  (hundreds  of  megahertz)programmable  continuous  time  filters  in  standard  CMOS  processes.Since  high  density  poly-poly  capacitors  are  not  available  in  thesetechnologies,  alternative  capacitor  structures  have  to  be  found.  Metalmetalcapacitors  have  low  specific  capacitance.  An  alternative  is  touse  the  (inherently  nonlinear)  capacitance  formed  by  MOSFET  gates.In  Chapter  2,  we  focus  on  the  use  of  MOS  capacitors  as  integratingelements.  A  physics-based  model  which  predicts  distortion  accuratelyis  presented  for  a  two-terminal  MOS  structure  in  accumulation.Distortion  in  these  capacitors  as  a  function  of  signal  swing  and  biasvoltage  is  computed.Chapter  3  reviews  continuous-time  filter  architectures  in  the  lightof  bias-dependent  integrating  capacitors.  We  also  discuss  the  meritsand  demerits  of  various  CMOS  transconductance  elements.  Theproblems  encountered  in  designing  high  frequency  programmablefilters  are  discussed  in  detail.Chapter  4  considers  time-scaling  in  electrical  networks  and  introducesa  technique  called  constant-capacitance  scaling.  We  show  thatwide-range  programmable  filters  implemented  using  this  techniqueare  optimal  with  respect  to  noise  and  dynamic  range.Chapter  5  documents  the  detailed  design  and  layout  of  a  60  –350  MHz  Butterworth  filter  implemented  in  a  0.25  μm  digital  CMOSprocess.  A  simple  circuit  arrangement  is  proposed  to  keep  thefilter  bandwidth  constant  with  respect  to  temperature  and  processvariations.  Simulation  results  for  the  filter  test  chip  are  shown.For  filters  in  the  frequency  range  of  interest  to  us,  special  care  hasto  be  taken  to  measure  the  filter  response  accurately.  In  Chapter  6,we  present  measurement  techniques  and  the  implementation  resultsof  the  prototype  filter  chip.  This  experimental  data  demonstrates  theeffectiveness  of  the  techniques  proposed  in  Chapter  4.In  Chapter  7,  we  discuss  the  application  of  scaling  techniques  toother  filter  architectures.For  very  high-quality  filters,  the  simple  tuning  technique  proposedin  Chapter  5  may  not  guarantee  sufficient  precision.  In  Chapter  8,  amore  accurate  and  complex  method  based  on  the  behavior  of  a  filtercomparatoroscillator  is  proposed.  This  scheme  converts  a  filter  intoan  oscillator.  The  amplitude  and  frequency  of  oscillation  are  measuresof  the  center  frequency  and  quality  factor  of  a  biquadratic  filtersection.  Analytical  relations  for  the  behavior  of  the  filter–comparatorsystem  are  developed  and  verified  through  a  breadboard  prototype.This  book  is  based  on  a  doctoral  thesis  (submitted  by  one  of  theauthors  [S.P.]  to  Columbia  University).  It  describes  the  results  ofa  research  project  carried  out  to  determine  if  it  is  at  all  possibleto  realize  robust,  production  quality  VHF  filters  in  standard  deepsubmicron  CMOS  technologies.  The  filter  design  discussed  in  thisbook  was  implemented  at  Texas  Instruments  (New  Jersey).ACKNOWLEDGMENTS:  We  are  grateful  to  the  staff  of  TexasInstruments  at  Warren  for  their  support  -  T.R.  Viswanathan  and  K.Nagaraj  have  been  sources  of  great  encouragement  all  along.  Wethank  the  students  of  the  Columbia  Integrated  Systems  Laboratory-  especially  M.  Tarsia,  G.  Palaskas,  N.  Krishnapura  and  A.  Dec  foruseful  discussions.  Finally,  one  of  the  authors  [S.P.]  would  like  tothank  Professors  Anthony  Reddy  and  John  Khoury  -  their  superbclasses  on  filter  theory  and  circuit  design  have  been  profoundlyinfluential  over  the  course  of  creating  this  book.