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電力論文范文談高速電流的應用建設模式及措施

發布時間:2015-05-12 14:53所屬分類:電力瀏覽:1加入收藏

摘要:科學上把單一橫截面的電量叫做電流強度,簡稱電流。通常用字母 I表示,它的單位是安培(安德烈瑪麗安培),1775年1836年,法國物理學家、化學家,

  摘要:科學上把單一橫截面的電量叫做電流強度,簡稱電流。通常用字母 I表示,它的單位是安培(安德烈·瑪麗·安培),1775年—1836年,法國物理學家、化學家,在電磁作用方面的研究成就卓著,對數學和物理也有貢獻。電流的國際單位安培即以其姓氏命名),簡稱“安”,符號 “A”,也是指電荷在導體中的定向移動。

  關鍵詞:高速電流,物理教學,電力論文發表

  導體中的自由電荷在電場力的作用下做有規則的定向運動就形成了 電流。電源的電動勢形成了電壓,繼而產生了電場力,在電場力的作用下,處于電場內的電荷發生定向移動,形成了電流。每秒通過1庫侖的電量稱為1「安培」(A)。安培是國際單位制中所有電性的基本單位。 除了A,常用的單位有千安(kA)毫安(mA)、微安(μA)1A=1000mA=1000000μA,電學上規定:正電荷定向流動的方向為電流方向。電流微觀表達式I=nesv,n為單位體積內自由電荷數,e為電子的電荷量,s為導體橫截面積,v為電荷速度。

  大自然有很多種承載電荷的載子,例如,導電體內可移動的電子、電解液內的離子、等離子體內的電子和離子、強子內的夸克。這些載子的移動,形成了電流。

  1 電流舵型數模轉換器介紹

  1.1 整體結構

  電流舵型數模轉換器主要由電流源陣列,開關陣列,鎖存器,溫度計譯碼電路,參考電壓電流源等組成。

  就是電流舵型數模轉換器的主要結構,數據經過譯碼器后進入開關陣列,選擇打開哪些電流源的開關,參考電壓源和電流源主要給電流源陣列提供偏置。

  2 影響電流舵型數模轉換器性能的因素

  從電流型數模轉換器特點來看,有以下三個主要因素制約了它的靜態和動態性能[5] [6] 。

  隨機誤差 : 主要是由于電流源器件的失配造成。

  系統誤差 : 電流源開關的輸出阻抗為有限值而且隨輸入變化;版圖邊緣效應;熱梯度;與工藝相關的誤差、摻雜濃度誤差、氧化層梯度導致的Vt 變化。

  動態誤差 : 主要由電流源開關的延時,不同步造成。

  其中隨機誤差和系統誤差都要依賴于良好的版圖設計,是本文討論重點,必須進行優化,從而減小這些誤差。

  2.1 電流源的匹配

  電流舵式數模轉換器隨著位數增加,電流源數目是呈指數增長的。所以在布局時會占據很大一片面積, 眾所周知,由于CMOS 工藝的限制,在晶圓上摻雜不可能十分均勻,呈現一定的濃度梯度,這就造成了CMOS 器件參數單調遞增或單調遞減。

  下面是一些在匹配方面需要注意的問題:

  1.需要匹配的器件采用相同的類型和相同的結構。它們必須有相同的形狀、相同的寬度和相同的長度。

  2.匹配的器件必須有相同的方位,使得流過的電流保持平行和同向。

  3.匹配的器件外圍部分也必須相同,如具有相同的接觸孔,連線長度,如果必要的話,做一些虛擬器件 (dummy device) 也是必要的。

  4.匹配的器件最好在相同的溫度下工作,這樣就要求它們必須對稱地放在功耗較大的器件附近;5.匹配的器件必須設計的盡可能的大,放置時要中心對稱,并且放的越近越好。

  所以我們采用雙共質心匹配的版圖,用來減小濃度梯度所引起的誤差,這個布局對連線來說是個挑戰,既要器件匹配,而且連線也最好匹配,否則INL,DNL 容易受影響。是布局示意圖[3]。

  2.2 電流源輸出阻抗

  典型電路源和差分開關的電路圖,Msw 是開關管,Mcs 是電流源。

  Mcas 是共源共柵管,C0 和C1 是寄生電容,RL 是負載電阻。電流源正是通過負載電阻產生我們需要的電壓。

  我們知道衡量電流源的一個重要參數就是輸出阻抗。每個電流源都有自己的輸出阻抗,而整個數模轉換器DAC 的輸出阻抗就是所有這些打開的電流源的輸出阻抗并聯,換句話說,DAC 的輸出阻抗依賴于數字輸入信號。這就很容易造成諧波失真,從而降低DAC 的動態性能。

  根據文獻[1],如所示, 縱坐標是偽動態范圍SFDR(數模轉換器重要的動態性能指標),橫坐標是電流源輸出阻抗和負載電阻比值。10,11,12 代表數模轉換器的位數。

  可見要達到較高的SFDR,電流源必須提供很大的輸出阻抗。我們采用共源共柵結構來提高阻抗。

  但如果工作在高速情況下,中的C1 在高頻下阻抗會降低,由于整個電流源輸出阻抗是輸出阻抗和電容并聯,如下式:

  Rtot= Rout||Zc Zc=1/SC所以要仔細布局,以減小C,提高容抗。由于在版圖中電流源陣列會占據很大的面積。

  如果將共源共柵管和電流源放在一起的話,那么它們連到開關時會走很長的連線,這樣導致寄生電容C1 變得很大。

  針對這種情況我們在布局時將電流源和共源共柵管分開,共源共柵管和開關放在一起,電流源陣列單獨放。這樣C1 就比較小,C2 對輸出阻抗的影響比C1 小很多。

  2.3 STI 應力效應(LOD effect)

  STI 是Shallow Trench Isolation 的縮寫,STI 壓力效應就是淺槽隔離壓力效應。為了完成有源器件的隔離,在它周圍必須形成絕緣側壁,在較為先進的CMOS 工藝制成中, 通常用STI 的方法來做隔離。淺槽隔離利用高度各向異性反應離子刻蝕在表面切出了一個幾乎垂直的凹槽。該凹槽的側壁被氧化,然后淀積多晶硅填滿凹槽的剩余部分。在襯底挖出淺槽時會產生壓力的問題。由于擴散區到MOS 管的距離不同,壓力對MOS 管的影響也不同。所以對于相同長寬兩個MOS 管,由于對應的擴散區長度的不同而造成器件性能的不同。

  下是一個測試LOD 效應的電路圖,這是一個電流鏡左邊給電流源加個50uA 的偏置電流,看右邊M2,M3 的輸出電流情況。通過仿真將數據記在。

  由上面的仿真結果來看,如果dummy 器件數量足夠多的話,器件受LOD效應影響就很小了,我們得到Sa 和Sb(LOD 參數,指的是溝道到有源區邊緣的距離)大于3um,就可以達到匹配的要求。

  2.4 WPE 效應

  WPE 效應

  在離子注入制造工藝時,原子從掩模板的邊沿開始擴散,在阱邊附近的地方硅片表面變得密集,如所示。結果就是,阱表面濃度會隨著距離掩模板的邊沿的遠近而有所不同,因此整個阱的摻雜濃度是不均勻的,如圖所示。這種不均勻造成MOS 管閾值電壓的不同,還有其它的電性能也有所不同,它會隨著距離阱邊距離的不同而不同,這種現象就是我們常說的阱鄰近效應(WPE:Well Proximity Effect)。所示。

  問題產生的原因顯而易見,就是阱邊到MOS 器件的溝道距離太近,所以解決方案也很簡單,擴大整個阱區,避免離子散射到MOS 管溝道。

  3 總結

  通過以上分析我們可以看出影響電流舵型數模轉換器的因素有很多,如匹配問題,LOD效應,WPE 效應,電流源輸出阻抗。這些都需要合理的布局布線。

  本文給出了幾種解決方案。如雙共質心對稱版圖,增加dummy 器件數量,擴大阱去邊緣,電流源和共源共柵分離。都是為了降低影響而設計的。隨著CMOS 工藝尺寸越來越小,如40nm,32nm。從相關資料上看,又增加了許多影響器件性能的效應。這無疑對電路和版圖設計帶了很大的挑戰。


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