Frekvenciaosztó áramkörök

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke

Frekvenciaosztó áramkörök Bognár György [email protected] 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

Reprezentáció Viselkedési leírás

Rendszer szimuláció

Specifikáció VHDL-ben vagy Verilog-ban

Absztrakciós szint Viselkedés szintű tervezés

Szintézis Kapcsolási rajz / Strukturális leírás Layout generálás Áramkörszimuláció

Layout leírás

eszközparaméterek

Sémaeditor Tranzisztor szintű tervezés Layout editor

tervezési szabályok

Fizikai eszközszimuláció

Technológiai szimuláció Optimalizálás

4

BiCMOS technológia használata ► Analóg

áramkörök tervezésénél nem minimális méretű eszközökkel tervezünk (nem minimális csíkszélesség) ƒ Technológiai szórások (alámaródás, aládiffúzió, maszk illesztetségi problémák) ƒ 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

fbe

Fázis detektor

Hurok szűrő

VCO

fki

Frekvencia osztó

Osztásarány beállító áramkör

10

2

II. Frekvenciaosztó áramkörök típusai ► Szinkron

ƒ ƒ ƒ ƒ

közös órajel gyorsabb átfutás minden egység a bejövő maximális frekvencián üzemel fogyasztás jelentős

► Aszinkron

ƒ az n. fokozatok kimenete szolgáltatja a következő fokozatok órajelét ƒ nagyobb késleltetés ƒ 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

D

FF2

Q

C

Q

fki

C

fbe 00

2

01

00

01

3 10

11

10

11 13

II. Frekvenciaosztók felosztása az osztásarány beállíthatóság szerint

clr

Qa

A0

Qb Qc

A1

Qd

A3

A2

B0 B1 B2 B3

fki

N osztásarány

clk

Komparátor

fbe

Számláló

1. Állandó osztásarányú frekvenciaosztó (Prescaler) 2. Két érték között állítható osztásarányú frekvenciaosztó (DMP) 3. Állítható osztásarányú frekvenciaosztó (Presettabe Divider ) 1. Számlálóból felépülő

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

D-FF

Q D

D-FF

Q D

D-FF

Q D

D-FF

Q

fki

D-FF

fbe

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

fbe

2/3 DMP IN

OUT

2/3 DMP IN

2/3

2/3

OUT

2/3 DMP IN

OUT

2/3 DMP IN

OUT

fki 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

2/3

fbe

DIV2

EN1

2/3

Vezérlő logika

DIV3

EN2

2/3

EN3

2/3 DMP

2/3 DMP

2/3 DMP

1GHz

500MHz

250MHz

IN

OUT

IN

OUT

OUT

IN

D1 Q1 C

Állítható osztásarányú fokozat (VMP) DIV1 0 0 0 0 1 1 1 1

DIV2 0 0 1 1 0 0 1 1

Q1

D2 Q2 C

Q2

D3 Q3 C

Q3

fki

Állandó osztásarányú fokozat DIV3 0 1 0 1 0 1 0 1

Osztásarány 64 65 66 67 68 69 70 71

18

III. A kiválasztott architektúra ►

Az architektúra kiválasztásának szempontjai ƒ A cél olyan frekvenciaosztó áramkör megvalósítása volt, amely 1 GHz ƒ bejövő frekvenciát 64 ≤ N ≤ 71 számmal képes osztani, és ez ƒ 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: ƒ kapcsolóüzemben működő bipoláris tranzisztorok aktív állapotban ƒ logikai szintek közötti különbség csökkentése ƒ zavarérzékenység nagyobb

ƒ 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

RC

RC

Uki1 Ube1

Uki2 T1

T2

Ube2

IE

U KI1 = VCC − I E ⋅ RC , U KI 2 = VCC

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 = I Ref

( W 2 + δ ) / L2 ⋅ (W1 + δ ) / L1

= I Ref

n ⋅ [(W1 + δ ) / L1 ] ⋅ = I Ref ⋅ n (W1 + δ ) / L1 23

IV. Az áramkör megvalósítása ►

Az áramgenerátor méretezése ƒ A tranzisztor csatornahosszúsága: 2µm ƒ Telítéses tartományban kell működni: UDS ≥ UGS − VT ƒ A tranzisztor csatornaszélessége az UGS feszültséget befolyásolja állandó áram mellett ƒ UDS feszültség kicsi, ezért a UGS feszültség nem lehet nagy ƒ UGS feszültség 0.3V-tal nagyobb, mint a küszöbfeszültség

24

IV. Az áramkör megvalósítása

4, 6

4, 4

4, 2

4

3, 8

3, 6

3, 4

3, 2

1,26 1,24 1,22 1,2 1,18 1,16 1,14 1,12 1,1 3

Vezérlő feszültség [V]

UGS vezérlő feszültségek értéke a W csatornaszélesség függvényében

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 Cparazita) Ha a szélessége kicsi, nagy a szórása A szórások legrosszabb alakulásánál is csökken a működési sebesség ƒ A működési sebesség arányos a fokozat egységnyi idő alatti kimeneti feszültségváltozásával

ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

26

IV. Az áramkör megvalósítása Kimeneti feszültség változása az ellenállás szélesség függvényében

465 460 455 450 445

3

2, 8

2, 6

2, 4

2, 2

2

1, 8

1, 6

1, 4

1, 2

1

440 0, 8

Uki változása [mV]]

470

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

m 50µ ≈ 17

• TSSOP-20 tok • 25 mil (0.635 mm) raszter • Bekötő aranyvezeték d=25µm • INN, INP 1GHz ECL bemenetek

• ECL jelszintek: +300mV és -300mV • CMOS jelszintek: 0V és 2.2V (DIV) • Referencia áram: 20µA (VNB) • Tápfeszültség: +2.2V (VEE)

33

V. A tokozás parazitahatásai •Parazita elemek: 1 • bekötővezeték soros induktivitása (∼ 1nH/mm) 2π L⋅ C • bekötővezetékek közötti kapacitív és induktív csatolás • PAD parazita kapacitása (∼ 1pF) • 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

ZIN 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 VDD (1.8V)tápfeszültségen, a másik kimenet pedig VDD-IBIAS·R (1.65V) feszültség értéken lesz 37

VDS = VD - VS = VDD - R·I BIAS = VCMki -

VSWki 2

SCL alapkapcsolás méretezése ► T3,

T4 tranzisztorok elzáródásban ► VDS≥VGS-VTHn (így maximális áram tud átfolyni) ► Szélsőséges esetben: VSWki VDS = VD - VS = VDD - R·I BIAS = VCMki 2 VSWbe VGS = VG - VS = VDD - R ⋅ I BIAS = VCMbe + 2

a VCMbe=VCMki, és a ⏐A⏐az áramkör feszültségerősítése, akkor 2 VSWbe ≤ ⋅ VTHn 1+ A

► ha

38

VDS = VD - VS = VDD - R·I BIAS = VCMki -

VSWki 2

SCL alapkapcsolás méretezése ► Ha

a ki- és bemenet differenciális jelkülönbsége egyforma, akkor ⏐A⏐= 1, és így kapunk egy felsőbecslést kaphatunk:

VSW ≤ VTHn

► VTHn

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 = VCMki -

VSWki 2

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) -t ⎛ ⎞ R ⋅ C ⎟ Vki = VDD - VSWki ⋅ ⎜1 - e ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ CL= 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: ki

►

►

L

t D = Rki ⋅ C L ⋅ ln 2

40

VDS = VD - VS = VDD - R·I BIAS = VCMki -

VSWki 2

SCL alapkapcsolás méretezése ►

Mivel megállapodtunk, hogy ⏐A⏐= 1, így

A=

v ki VSWki = = −g m ⋅ R ki = 1 v be VSWbe

1 gm ≈ R ki

41

VDS = VD - VS = VDD - R·I BIAS = VCMki -

VSWki 2

SCL alapkapcsolás méretezése R ki =

►A

V SWki I BIAS

kimeneti ellenállás értéke: ► Az átfolyó áram megegyezik a T5 áramával I BIAS ► gm

KW = (U GS - VTHn ) 2 2 L

meredekség gm =

► Előzőek

I BIAS dI D W = K (U GS - VTHn ) ≈ dU GS L U GS - VTHn

felhasználásával felírható, hogy

I BIAS 1 gm ≈ = R ki VSWki

így

2 L CL tD = ln2 K W VSWki 42

SCL T master-slave flip-flop kapcsolása

43

Fáziskapcsolós architektúra felépítése

44

Fáziskapcsolós architektúra felépítése

45

Fáziskapcsolós architektúra felépítése

46

Fáziskapcsolós architektúra felépítése

47

Fáziskapcsolós architektúra felépítése

48

Fáziskapcsolós architektúra felépítése

49

Fáziskapcsolós architektúra felépítése

50

Fáziskapcsolós architektúra felépítése

51

Köszönöm a figyelmet !

52