Введение к работе
Актуальность исследования
Современные системы на кристалле (СнК) используют всё более сложные алгоритмы обработки сигналов и более высокие частоты. Изготавливаются СнК по типовым КМОП-технологическим процессам.
Методология проектирования СнК основана на использовании разработанных ранее сложно-функциональных блоков (СФ-блоков). СФ-бло-ки могут иметь разные формы описаний: фиксированные (имеющие описание топологии), программные (имеющие описание на языке HDL, пригодное для автоматического синтеза) и конфигурируемые (набор простых функциональных блоков в форме фиксированных и программных описаний, используемых для последующего синтеза конечного варианта СФ-блока). Методология проектирования СнК применяется и при проектировании конфигурируемых СФ-блоков на основе ограниченного набора простых функциональных блоков (ПФ-блоков) с использованием их поведенческих моделей.
С уменьшением размеров элементов КМОП БИС повышаются их быстродействие, уровень перекрёстных помех и технологический разброс параметров. Напряжение питания при этом снижается. Для снижения влияния помех и искажений сигналов в СнК необходимо корректировать сигналы на всех этапах обработки сигнала в СФ-блоках. Кроме того, коррекции параметров не могут быть выполнены однократно. Режимы и условия работы меняются, и коррекции необходимо проводить периодически. Известно много технических решений для коррекции сигналов в СФ-блоках, основанных на применении аналоговых функциональных узлов. Однако, универсальные решения, не зависящие от конкретного технологического процесса, условий применения и состава СнК, можно реализовывать только с использованием цифровых методов. Цели и задачи диссертационной работы
Основной целью диссертации является разработка универсальных адаптивных методов коррекции помех и искажений сигналов в СФ-блоках для систем на кристалле. Научная новизна
Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:
-
Новый метод компенсации смещения нуля компараторов с цифровым управляющим блоком и схема, реализующая этот метод, обеспечивающие повышение быстродействия компаратора за счёт использования КМОП-транзисторов с минимальными размерами и высоким быстродействием.
-
Усовершенствованный метод коррекции ошибок в термометрическом коде, вызванных динамическими помехами в АЦП. Метод основан на расчёте максимальной вероятности появления множественных ошибок.
-
Новый способ подавления инжекции неосновных носителей в подложку в схеме адаптивного выходного формирователя сигналов. Способ основан на раздельном управлении скоростью изменения и максимальной величиной выходного тока формирователя сигналов.
-
Новый способ снижения перекрёстных помех в линиях связи путём переключения потенциального и токового режимов работы формирователя на различных частотах сигналов.
-
Новая схема снижения гистерезиса компараторов, вызванного электротермической связью в быстродействующих биполярных микросхемах. Снижение гистерезиса достигается при подключении к нагрузке одного закрытого и одного открытого транзисторов в любом логическом состоянии.
Практическая значимость результатов работы
Практическая значимость результатов работы состоит в следующем:
-
Разработан комплекс мер и технических решений, направленных на адаптивную коррекцию ошибок, вызванных помехами и искажениями сигналов.
-
Методы коррекции проверены в проектах СнК со встроенными быстродействующими специализированными АЦП, в их числе 3-каналь-ный аналоговый видеоинтерфейс для отображения видеоинформации и 10-канальный АЦП для совмещённого навигационного приёмника глонасс/gps.
-
Результаты диссертации опубликованы в 7 научных статьях, 9 материалах конференций и отчёте о НИР. Новые технические решения защищены двумя патентами на изобретения.
-
Результаты диссертации используются в учебных программах по курсам «Основы микросхемотехники» и «Проектирование цифровых интегральных схем» на факультете Физической и квантовой электроники на кафедре «Микроэлектроника» в Московском физико-техническом институте (государственном университете).
-
Результаты диссертации используются на российских предприятиях электронной промышленности, что подтверждено актами использования.
Положения выносимые на защиту:
На защиту выносятся следующие основные положения: 1. Средства адаптивной коррекции позволяют:
снизить влияние технологического разброса параметров элементов на выходные характеристики аналоговых блоков;
уменьшить влияние динамических помех;
исключить инжекцию неосновных носителей в подложку;
снизить влияние электротермической связи в аналоговых блоках;
повысить быстродействие аналоговых блоков без потери показателей точности.
-
Показано, что в КМОП системах на кристалле методы цифровой адаптивной коррекции сигналов в СФ-блоках позволяют получить универсальные технические решения, не зависящие от конкретного технологического процесса и реализуемые автоматическими средствами проектирования.
-
Универсальность технических решений продемонстрирована на примерах реализации СнК для КМОП-технологий с проектными нормами 0,25 мкм и 0,18 мкм.
Внедрение результатов работы
Основные результаты диссертации в полном объёме использованы в 000 «Юник Ай Сиз», г. Москва, при выполнении ОКР по разработке двух новых изделий электронной техники: микросхемы аналогового видеоинтерфейса с трёхканальным 8-разрядным АЦП с частотой преобразования до 150 МГц и 10-каналыюго АЦП для совмещённого навигационного приёмника глонасс/gps.
Результаты диссертационной работы использованы при разработке интегральной микросхемы АЦП с разрешением 10 разрядов и частотой преобразования до 120 МГц, выполненной в рамках проекта «Цифровой телевизионный приёмник спецификации DVB-T» в 000 «НПП «Цифровые решения».
Основные материалы диссертации, касающиеся проблем проектирования аналого-цифровых СФ-блоков для СнК и методов цифровой коррекции, включены в учебный план по курсам «Основы микросхемотехники» и «Проектирование цифровых интегральных схем» на кафедре «Микроэлектроника» в МФТИ (ГУ).
Результаты диссертации также использованы в НИР «Исследование и разработка методов проектирования и схемотехнических решений для повышения быстродействия КМОП аналого-цифровых преобразователей» по программе целевых расходов президиума РАН «Поддержка молодых учёных» на 2009 г. Методы исследования
Разработанные в диссертации методы проектирования основаны на теории электрических цепей, теории систем управления с обратной связью и принципах системного подхода. Для решения поставленных задач использованы методы компьютерного моделирования, макетирования схем в составе тестовых кристаллов и их экспериментального исследования. Разработанные методы проектирования требуют использования распространённых программ моделирования и персональных компьютеров. Достоверность результатов
Достоверность полученных теоретических результатов и разработанных моделей обусловлена их согласием с известными положениями физики полупроводниковых приборов и теории электрических цепей, а также подтверждается экспериментальными исследованиями. Достоверность новых схемотехнических решений подтверждена при проведении моделирования блоков и экспериментальных исследований тестовых кристаллов. Адекват-
ность использованных моделей элементов подтверждена их применением на предприятиях электронной промышленности при разработке новых изделий.
Методики, наработки, результаты теоретических исследований и моделирования, полученные в ходе работы над диссертацией, проверены в изготовленных тестовых кристаллах для реализации микросхем 8-разрядного АЦП для аналогового видеоинтерфейса, 10-канального АЦП для навигационного приёмника и 10-разрядного АЦП для цифрового телевизионного приёмника с частотой преобразования до 120 МГц. Тестовые кристаллы изготовлены по типовому КМОП-технологическому процессу с минимальными топологическими размерами 0,25 мкм и 0,18мкм. Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:
-
XII всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика — 2005», Москва, Апрель 2005;
-
V международной научно-технической конференции «Электроника и информатика — 2005», Москва, Ноябрь 2005;
-
48-ой научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Москва-Долгопрудный, Ноябрь 2005;
-
«научной сессии МИФИ — 2006», Москва, Январь 2006;
-
49-ой научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Москва-Долгопрудный, Ноябрь 2006;
-
всероссийской межвузовской НПК «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике — 2009», Москва, Апрель 2009;
-
52-ой научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Москва-Долгопрудный, Ноябрь 2009;
-
IV всероссийской научно-технической конференции «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем —2010 (МЭС-2010)», Звенигород, Октябрь 2010;
-
международной научно-технической конференции «Проектирование систем на кристалле: тенденции развития и проблемы», Москва, Октябрь 2010.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложений, содержащих акты использования результатов работы и списка литературы. Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 7 научных ста-
тьях, 9 тезисах докладов на научных конференциях и отчёте по НИР. Новые технические решения защищены двумя патентами на изобретения.
