Frekvenciaosztó áramkörök

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Frekvenciaosztó áramkörök Bognár György bognar@eet.bme.hu http://www.eet.bme.hu

Tartalom és Bevezetés Case Study Frekvenciaosztó integrált áramkörök tervezése 2000 2002 között valósult meg az ECL típusú, hagyományos architektúrán alapuló 2004 2005 között valósult meg az SCL típusú, új, fázisváltós architektúrán alapuló 0.18μm technológia drága, 0.6μm, 0.35μm technológián valósított meg amit lehetett az ipar Hallgatók TDK és OTDK, diploma keretében prezentálták és számos első helyezést értek el Ipari támogatással készült 2

A mikroelektronikai CAD elemei, digitális tervezés 3

Layout tervezés, analóg tervezés Szimulátor Rendszer szimuláció Reprezentáció Viselkedési leírás Specifikáció VHDL-ben vagy Verilog-ban Absztrakciós szint Viselkedés szintű tervezés Szintézis Kapcsolási rajz / Strukturális leírás Layout generálás Sémaeditor Tranzisztor szintű tervezés Áramkörszimuláció Layout leírás Layout editor eszközparaméterek tervezési szabályok Fizikai eszközszimuláció Technológiai szimuláció Optimalizálás 4

BiCMOS technológia használata Analóg áramkörök tervezésénél nem minimális méretű eszközökkel tervezünk (nem minimális csíkszélesség) Technológiai szórások (alámaródás, aládiffúzió, maszk illesztetségi problémák) Esetlegesen túl nagy paraméterszórások Egyes esetekben nagyáramot igénylő áramköri megoldásokban Nagyfrekvenciás áramkörökben (RF transciever) Memóriákban, busz-meghajtó áramkörökben 5

I. Specifikáció 1GHz-en működő 64-71 között állítható osztásarányú frekvenciaosztó megvalósítása 2.2V 0.6μm BiCMOS technológián Az áramkör fogyasztásának minimalizálása, működésének széles hőmérséklettartományra való kiterjesztése, technológiai szórások figyelembevételével 6

II. Vezetéknélküli digitális kommunikáció Digitális adó/vevő áramkör (FSK/QPSK moduláció) 7

II. Vezetéknélküli digitális kommunikáció 8

II. Frekvenciaosztók Mobilkommunikációt megvalósító eszközök kommunikációs csatornáinak vivőfrekvenciája 1.0 2.5 GHz Vivőfrekvencia előállítása frekvencia szintézer áramkörökkel (PLL) fki= fbe N, ahol N az osztásarány Cél: a kimenő frekvencia gyors és pontos beállítása, változtatása Felhasználási terület: Mobilkommunikáció, BlueTooth, ZigBee 9

II. Frekvenciaosztók helye f be Fázis detektor Hurok szűrő VCO f ki Frekvencia osztó Osztásarány beállító áramkör 10 2

II. Frekvenciaosztó áramkörök típusai Szinkron közös órajel gyorsabb átfutás minden egység a bejövő maximális frekvencián üzemel fogyasztás jelentős Aszinkron az n. fokozatok kimenete szolgáltatja a következő fokozatok órajelét nagyobb késleltetés alacsonyabb fogyasztás 11

II. Frekvenciaosztók felosztása az osztásarány beállíthatóság szerint 1. Állandó osztásarányú frekvenciaosztó (Prescaler) 12

II. Frekvenciaosztók felosztása az osztásarány beállíthatóság szerint 1. Állandó osztásarányú frekvenciaosztó (Prescaler) 2. Két érték között állítható osztásarányú frekvenciaosztó (DMP) V D FF1 C Q D FF2 C Q f ki f be 2 00 01 00 01 3 10 11 10 11 13

II. Frekvenciaosztók felosztása az osztásarány beállíthatóság szerint 1. Állandó osztásarányú frekvenciaosztó (Prescaler) 2. Két érték között állítható osztásarányú frekvenciaosztó (DMP) 3. Állítható osztásarányú frekvenciaosztó (Presettabe Divider ) 1. Számlálóból felépülő f be clk clr Számláló Q a Q b Q c Q d A 0 A 1 A 2 A 3 Komparátor B 0 B 1 B 2 B 3 N osztásarány f ki 14

II. Frekvenciaosztók felosztása az osztásarány beállíthatóság szerint 1. Állandó osztásarányú frekvenciaosztó (Prescaler) 2. Két érték között állítható osztásarányú frekvenciaosztó (DMP) 3. Állítható osztásarányú frekvenciaosztó (Presettabe Divider ) 1. Számlálóból felépülő frekvenciaosztó 2. Léptető regiszterből felépülő frekvenciaosztó D Q D-FF D Q D-FF D Q D-FF D Q D-FF D Q D-FF D Q D-FF D Q D-FF D Q D-FF f ki f be Párhuzamos betöltés 15

II. Frekvenciaosztók felosztása az osztásarány beállíthatóság szerint 1. Állandó osztásarányú frekvenciaosztó (Prescaler) 2. Két érték között állítható osztásarányú frekvenciaosztó (DMP) 3. Állítható osztásarányú frekvenciaosztó (Presettabe Divider ) 1. Számlálóból felépülő frekvenciaosztó 2. Léptető regiszterből felépülő frekvenciaosztó 3. DMP-ből felépülő frekvenciaosztók N osztásarány 2/3 2/3 2/3 2/3 2/3 DMP 2/3 DMP 2/3 DMP 2/3 DMP f be IN OUT IN OUT IN OUT IN OUT f ki 16

II. Frekvenciaosztók felosztása az osztásarány beállíthatóság szerint 3. Állítható osztásarányú frekvenciaosztó (Presettabe Divider ) 4. Pulzus elnyelő frekvenciaosztók (A választott architektúra) Működésük során egy előre meghatározott számú ütem elérésekor (N) jelenik meg az áramkör kimenetén egy impulzus. Ha ezen ütemek közül F darabot elnyelünk, akkor a kimeneten megjelenő jel F ütemmel késleltetve jelenik meg. Tehát az osztásarány N+F-re változik Az egyes fokozatok osztásaránya csak egy impulzus elnyelésének idejére változik meg 17

III. A kiválasztott architektúra DIV1 DIV2 DIV3 Vezérlő logika 2/3 EN1 2/3 EN2 2/3 EN3 f be 2/3 DMP 2/3 DMP IN OUT IN OUT IN 2/3 DMP 1GHz 500MHz 250MHz OUT D1 C Q1 Q1 D2 C Q2 Q2 D3 C Q3 Q3 f ki Állítható osztásarányú fokozat (VMP) Állandó osztásarányú fokozat DIV1 DIV2 DIV3 Osztásarány 0 0 0 64 0 0 1 65 0 1 0 66 0 1 1 67 1 0 0 68 1 0 1 69 1 1 0 70 1 1 1 71 18

III. A kiválasztott architektúra Az architektúra kiválasztásának szempontjai A cél olyan frekvenciaosztó áramkör megvalósítása volt, amely 1 GHz bejövő frekvenciát 64 N 71 számmal képes osztani, és ez az osztásarány az áramkör működése közben szabadon változtatható. 1 GHz-en működő áramkör megvalósítására Si hordozón 0.6um-es csíkszélességen, csak az ECL technológia kínál elfogadható lehetőséget: kapcsolóüzemben működő bipoláris tranzisztorok aktív állapotban logikai szintek közötti különbség csökkentése zavarérzékenység nagyobb jelterjedés differenciális formában (-300mV 300mV) 19

Alap ECL kapu Bipoláris tranzisztor ellentétes ütemben működik. Amikor a T1 tranzisztor kinyit, a közös áramgenerátor áramának jelentős része ezen a tranzisztoron folyik keresztül V CC R C R C U ki1 U ki2 U be1 T 1 T 2 U be2 I E U = V KI1 = VCC IE RC, UKI2 CC 20

ECL D tároló kapcsolási rajza 21

ECL NAND kapu kapcsolási rajza (Cadence) 22

IV. Az áramkör megvalósítása Cél a minél kisebb áramfelvétel Éppen a megfelelő működés határán üzemelő elemek Az áramgenerátorok megvalósítása MOS tranzisztorral Áramegység 10µA Tranzisztor méretének növelése helyett többszörözés: I D ( W 2 + δ ) ( W + δ ) [( W ) ] 1 + δ / L1 ( W + δ )/ L / L2 n = I Ref = I Ref = I Ref / L 1 1 1 1 n 23

IV. Az áramkör megvalósítása Az áramgenerátor méretezése A tranzisztor csatornahosszúsága: 2µm Telítéses tartományban kell működni: U DS U GS V T A tranzisztor csatornaszélessége az U GS feszültséget befolyásolja állandó áram mellett U DS feszültség kicsi, ezért a U GS feszültség nem lehet nagy U GS feszültség 0.3V-tal nagyobb, mint a küszöbfeszültség 24

IV. Az áramkör megvalósítása U GS vezérlő feszültségek értéke a W csatornaszélesség függvényében Vezérlő feszültség [V] 1,26 1,24 1,22 1,2 1,18 1,16 1,14 1,12 1,1 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6 Csatornaszélesség [um] 25

IV. Az áramkör megvalósítása Az ellenállás méretezése A terhelőellenállás értéke az áramtól függ Az érték a hossz/szélességet határozza meg Ha a szélessége nagy, lassítja a működést (Nagy C parazita ) Ha a szélessége kicsi, nagy a szórása A szórások legrosszabb alakulásánál is csökken a működési sebesség A működési sebesség arányos a fokozat egységnyi idő alatti kimeneti feszültségváltozásával 26

IV. Az áramkör megvalósítása Kimeneti feszültség változása az ellenállás szélesség függvényében 470 Uki változása [mv]] 465 460 455 450 445 440 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 Ellenállás szélesség [um] 27

IV. Az áramkör megvalósítása A fokozatok áramának meghatározása A fokozatok különböző értékű áramokat igényelnek az eltérő sebesség miatt A referenciaáram tükrözése megfelelő arányban párhuzamos tranzisztorokkal A tükrözési arány beállítása úgy, hogy a terhelt fokozat regenerálja a jelet (Kimeneti feszültségkülönbség a két aszimmetrikus ág között, legalább akkora mint a bemeneten lévő jelszintkülönbség) 28

IV. Az áramkör megvalósítása Layout elkészítése Az áramkör gyártásához szükséges maszkok A helyfoglalás nem kritikus A fő cél az áramfogyasztás minimalizálása Parazita hatások csökkentése Nagysebességű fokozatok minél közelebb 29

Egy standard cella felépítése Ellenállások Bipoláris tranzisztorok Áramgenerátorok Kondenzátorok 30

A teljes layout terv 392μm 450μm 31

V. Frekvenciaosztó integrált áramkör végső layout terve Frekvenciaosztó áramkör 1175μm 1080μm 32

TSSOP-20 tok 25 mil (0.635 mm) raszter Bekötő aranyvezeték d=25µm INN, INP 1GHz ECL bemenetek 1750 1750µm ECL jelszintek: +300mV és -300mV CMOS jelszintek: 0V és 2.2V (DIV) Referencia áram: 20µA (VNB) Tápfeszültség: +2.2V (VEE) 33

V. A tokozás s parazitahatásai Parazita elemek: bekötővezeték soros induktivitása ( 1nH/mm) bekötővezetékek közötti kapacitív és induktív csatolás PAD parazita kapacitása ( 1pF) 2π 1 L C Integrált áramkör kivezető lábainak parazita kapacitása ( 5pF) IC kivezető lábai kapacitív csatolás A vezeték soros induktivitása, a PAD parazita kapacitása, és az IC bemeneti ellenállása soros RLC rezgőkört alkot A rezgőkör rezonanciafrekvenciája: INP 1.7nH 5pF 1pF Z IN 34

Új architektúrájú frekvenciaosztó Az elgondolás alapjai 2004-ben publikálva, ezek alapján új architektúra kigondolása és ez alapján új frekvenciaosztó tervezése Specifikáció: 3 GHz bemeneti frekvencia 64..71 beállítható osztásarány 0,35μm-es CMOS technológia alacsony tápfeszültség: 1,8V SCL logika, jó spektrális tisztaság 35

SCL alapkapcsolás Ekkora frekvencián csak és ilyen technológián csak az SCL kapcsolás kínál megvalósítási lehetőséget 36

SCL alapkapcsolás Terhelő ellenállások gyakran poliszilíciumból De túl nagy helyfoglalás és szórási problémák így lineáris tartományban működő pmos Tranzisztorok szinte végig az elzáródásos tartományban vannak (így maximális az áram) T5 tranzisztor az áramgenerátor tranzisztora végig elzáródásos tartományban (nagy kimeneti R), kis tápfeszültség miatt nem lehet javított áramtükör Az egyik kimenet V DD (1.8V)tápfeszültségen, a másik kimenet pedig V DD -I BIAS R (1.65V) feszültség értéken lesz 37

VDS = VD - VS = VDD - R I BIAS = V CMki V - 2 SWki SCL alapkapcsolás méretezése T3, T4 tranzisztorok elzáródásban V DS V GS -V THn (így maximális áram tud átfolyni) Szélsőséges esetben: V V - V V - R I DS = D S = DD BIAS = 2 V ha a V CMbe =V CMki, és a A az áramkör feszültségerősítése, akkor 2 V 1+ A V CMki VGS = VG - VS = VDD - R IBIAS = VCMbe + - V SWki SWbe 2 SWbe V THn 38

VDS = VD - VS = VDD - R I BIAS = V CMki V - 2 SWki SCL alapkapcsolás méretezése Ha a ki- és bemenet differenciális jelkülönbsége egyforma, akkor A = 1, és így kapunk egy felsőbecslést kaphatunk: V V SW THn V THn a technológiától és a hőmérséklettől függ, ezért technológiai szórás és hőmérséklet szimulációk!!! A minimális érték a zajoktól függ 39

VDS = VD - VS = VDD - R I BIAS = V CMki V - 2 SWki SCL alapkapcsolás méretezése A kapu késleltetésének becslése Induljunk ki a kimenet feszültségének időtartománybeli lefutásának egyenletéből (a T4 tranzisztor éppen kinyit és az áram elkezd folyni a terhelő ellenálláson keresztül) 1- e C L = Source Gate, Drain Source átlapolódás, diódák kapacitásai, szubsztrát kapacitás, kimeneti vezeték kapacitása, következő fokozat bemeneti kapacitásainak az összege A késleltetésre az alábbi összefüggés írható fel: V ki = V t DD D - V SWki = Rki CL -t R ki CL ln 2 40

VDS = VD - VS = VDD - R I BIAS = V CMki V - 2 SWki SCL alapkapcsolás méretezése Mivel megállapodtunk, hogy A = 1, így A = vki VSWki = = gm R ki = 1 v V be SWbe g m 1 R ki 41

VDS = VD - VS = VDD - R I BIAS = V CMki V - 2 SWki SCL alapkapcsolás méretezése SWki A kimeneti ellenállás értéke: R ki = I BIAS Az átfolyó áram megegyezik a T5 áramával I = K 2 g m meredekség W L 2 BIAS (U GS - VTHn ) ( U - V ) Előzőek felhasználásával felírható, hogy g m g m 1 R di = du ki = D GS I V = BIAS SWki K W L így GS THn t U D = I GS 2 K V BIAS - V THn L W C V L SWki ln2 42

SCL T master-slave flip-flop kapcsolása 43

Fáziskapcsolós architektúra felépítése 44

Köszönöm a figyelmet! 52