Повышение помехоустойчивости аналого-цифровых систем на кристалле средствами адаптивной коррекции сложных функциональных блоков

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-блоки 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 также 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:

1. 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.

2. Усовершенствованный метод коррекции ошибок в термометрическом коде, вызванных динамическими помехами в АЦП. Метод основан на расчёте максимальной вероятности появления множественных ошибок.

3. 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.

4. Новый способ снижения перекрёстных помех в линиях связи путём переключения потенциального и токового режимов работы формирователя на различных частотах сигналов.

5. 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:

1. Разработан комплекс мер и технических решений, направленных на адаптивную коррекцию ошибок, вызванных помехами и иска, жениями сигналов.

2. Методы коррекции проверены в проектах СнК со встроенными быстродействующими специализированными АЦП, в их числе, 3-канальный аналоговый видеоинтерфейс для отображения видеоинформации и 10-канальный АЦП для совмещённого навигационного приёмника глонасс/орб.

3. Результаты диссертации опубликованы в 7 научных статьях, 9 материалах конференций и отчёте о НИР. Новые технические решения защищены двумя патентами на изобретения.

4. 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).

5. 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.

2. 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.

3. 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 ООО «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-канального АЦП для совмещённого навигационного приёмника глонАСс/арэ.

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 ОУВ-Т» в ООО «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 разработайных 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. Адекватность 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-каналь-ного АЦП для навигационного приёмника и 10-разрядного АЦП для цифрового телевизионного приёмника с частотой преобразования до 120 МГц. Тестовые кристаллы изготовлены по типовому КМОП-тех-нологическому процессу с минимальными топологическими размерами 0,25 мкм и 0,18 мкм. Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

1. XII всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика — 2005», Москва, Апрель 2005;

2. V международной научно-технической конференции «Электроника и информатика — 2005», Москва, Ноябрь 2005;

3. 48-ой научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Москва-Долгопрудный,.

Ноябрь 2005;

4. «научной сессии МИФИ —2006», Москва, Январь 2006;

5. 49-ой научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Москва-Долгопрудный, Ноябрь 2006;

6. всероссийской межвузовской НПК «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике — 2009», Москва, Апрель 2009;

7. 52-ой научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Москва-Долгопрудный, Ноябрь 2009;

8. IV всероссийской научно-технической конференции «Проблемы разработки перспективных микрои наноэлектронных систем — 2010 (МЭС-2010)», Звенигород, Октябрь 2010;

9. 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, списка литературы и приложений, содержащих акты использования результатов работы. Публикации.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработан комплекс мер и технических решений, направленных на адаптивную коррекцию ошибок, вызванных помехами и искажениями сигналов:

— Новый метод компенсации смещения нуля компараторов с цифровым управляющим блоком и схема, реализующая этот метод.

— Усовершенствованный метод коррекции ошибок в термометрическом коде, основанный на расчёте максимальной вероятности появления множественных ошибок.

— Новый способ подавления инжекции неосновных носителей в подложку в схеме адаптивного выходного формирователя сигналов, основанный 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.

2. Методы коррекции проверены в проектах СнК со встроенными быстродействующими специализированными АЦП, в их числе, 3-канальный аналоговый видеоинтерфейс для отображения видеоинформации и 10-канальный АЦП для совмещённого навигационного приёмника глонасс/орб.

3. Результаты диссертации опубликованы в 7 научных статьях и 9 тезисах докладов на научных конференциях. Новые технические решения защищены двумя патентами на изобретения «Способ калибровки напряжения смещения нуля компаратора и устройство для его осуществления» и «Устройство защиты выводов интегральных схем со структурой МДП от электростатических разрядов».

4. 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).

5. Результаты диссертации используются на российских предприятиях электронной промышленности, что подтверждено актами внедрения.

Заключение

.