Σχεδιασμός ολοκληρωμένου αισθητήρα θορύβου υποστρώματος για εφαρμογές κινητών επικοινωνιών
Creators: name: Μουστάκας, Κωνσταντίνος Γρηγορίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2016
Subjects: Θόρυβος Υποστρώματος
Μεγάλο Εύρος Ζώνης
Αισθητήρας
Substrate Noise
Wideband
Sensor

description: Η αγορά των ηλεκτρονικών συσκευών οδηγείται από την ελαχιστοποίηση του κόστους σε εφαρμογές κινητών και ασύρματων επικοινωνιών, το internet και φορητές συσκευές. Η ολοκλήρωση των κυκλωμάτων γίνεται ολοένα και πιο πυκνή και η τεχνολογία των τρανζίστορ πυριτίου έχει φτάσει σε μήκη καναλιού της τάξης των νανομέτρων. Η αυξανόμενες λειτουργίες που επιτελούνται πρέπει να υλοποιηθούν σε μικρότερη επιφάνεια πυριτίου. Ολόκληρα συστήματα που περιλαμβάνουν το ψηφιακό και το αναλογικό/υψίσυχνο κομμάτι υλοποιούνται πάνω στο ίδιο chip. Οι επιδόσεις αυξάνονται σημαντικά και το κόστος μειώνεται δραματικά, αλλά υπάρχουν μειονεκτήματα σε αυτή την προσέγγιση. Η σύζευξη μεταξύ των κυκλωμάτων ελαττώνει τις επιδόσεις και κάποιες φορές οδηγεί σε απρόσμενα αποτελέσματα. Το κύριο πρόβλημα είναι η σύζευξη του ψηφιακού θορύβου διακοπτών σε ευαίσθητα αναλογικά/υψίσυχνα κυκλώματα. Για να ελαττωθεί αυτό το φαινόμενο, γνώση των μηχανισμών της δημιουργίας, διάδοσης και λήψης του θορύβου είναι απαραίτητη. Μοντέλα έχουν κατασκευαστεί για να προβλέψουν το φαινόμενο κατά την διαδικασία του σχεδιασμού. Αλλά για να επιβεβαιωθεί η ακρίβεια αυτών των μοντέλων και για να αναγνωρίσουμε τα κρίσιμα μονοπάτια της διάδοσης του θορύβου, ο θόρυβος πρέπει να μετρηθεί. Ένας αισθητήρας θορύβου υποστρώματος πρέπει να είναι μικρός, να ενσωματώνει υψηλό εύρος ζώνης και να μπορεί να πολυπλέξει διάφορα σημεία μέτρησης πάνω στο chip. Επιπλέον δεν θα πρέπει να επηρεάζει την διάδοση του θορύβου ή να προκαλεί επιπλέον θόρυβο και να μην επηρεάζεται από την διαφωνία μεταξύ των διασυνδέσεων και το φαινόμενο της διακύμανσης της τάσης της γείωσης. Διάφοροι αισθητήρες έχουν προταθεί και περιλαμβάνουν NMOS τρανζίστορ οδηγούμενα από το υπόστρωμα, SF+Gm αισθητήρες, αισθητήρες βασισμένους σε DC-συζευγμένα PMOS και αισθητήρες βασισμένους σε διαφορικούς ενισχυτές. Μετατροπείς σε αναλογικού σε ψηφιακό πάνω στο chip έχουν επίσης υλοποιηθεί για να παρέχουν το σήμα σε ψηφιακή μορφή. Κανείς από αυτούς τους αισθητήρες δεν έχει αρκετό εύρος ζώνης για να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά σε σύγχρονες εφαρμογές επικοινωνιών υψηλών συχνοτήτων, καθώς μεταβαίνουμε στην εποχή του 5G και των χιλιοστομετρικών ασύρματων επικοινωνιών. Δύο νέοι αισθητήρες που μπορούν να επεκτείνουν το εύρος ζώνης πολύ περισσότερο από τους υπάρχοντες αισθητήρες προτείνονται. Για να επιτευχθούν αυτές οι επιδόσεις, οι παράμετροι που υπεισέρχονται στον αναλογικό σχεδιασμό και οι μεταξύ τους συσχετισμοί μελετήθηκαν. Ενισχυτές υψηλού γινομένου κέρδους-εύρους ζώνης υλοποιήθηκαν με CMOS αντιστροφείς ως αναλογικοί ενισχυτές. Ανάδραση μέσω αντίστασης χρησιμοποιείται για να επεκταθεί το εύρος ζώνης σε βάρος του κέρδους και μια αλυσίδα βαθμίδων κέρδους σε τοπολογία cherry-hooper μετακινεί τους πόλους σε πολύ υψηλή συχνότητα. Με την χρήση μιας τροποποιημένης cherry-hooper τοπολογίας με ένα buffer στο μονοπάτι της ανάδρασης και χωρητικό peaking, το εύρος ζώνης επεκτείνεται ως τα 20GHz, τιμή 2,5 φορές μεγαλύτερη από τον καλύτερο υπάρχοντα αισθητήρα θορύβου υποστρώματος. Συνεπώς οι αισθητήρες που προτείνονται είναι κατάλληλοι για να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές ολοκληρωμένων συστημάτων υψίσυχνων κινητών επικοινωνιών.
description: The consumer electronics market is driven by cost reduction in mobile and wireless communication applications, the internet and portable devices. Circuit integration is becoming more and denser and technology processes have reached the nm region. The increasing functionality has to be implemented in less area. Complete systems that include the digital and analog/RF part are built onto a single die. Performance is significantly increased and the cost dramatically drops but there are shortcomings to this approach. Coupling interaction occurs between the blocks, reduces performance and sometimes leads to unexpected results. The main problem is the coupling of digital switching noise to the sensitive analog/RF circuits. The noise is propagated though the substrate and received by the sensitive devices. To be able to reduce this effect, knowledge of the mechanisms of generation, propagation and reception of the noise is essential. Models have been constructed to predict the phenomenon in the design phase. But to validate these models and gain insight into the critical paths of noise propagation, the noise signal has to be measured. A substrate noise sensor must be compact, incorporate high bandwidth and be able to multiplex various probe points across the chip. Furthermore it must not affect noise propagation or inject additional noise and be immune to signal contamination from interconnect crosstalk and ground bounce. Various designs have been proposed including bulk-driven NMOS transistors, SF+Gm sensors, DC-Coupled PMOS sensors, and differential amplifier based sensors. On-chip digitizers can be also implemented to provide digital output. None of these sensors has enough bandwidth to be used effectively in modern high frequency communication applications as we move into 5G and mmwave era. Two novel designs are proposed that are able to extend the bandwidth far beyond any of the existing designs can. To achieve this performance, the analog design figures of merit and tradeoffs had to be studied. High BGW amplifiers are used implemented by CMOS inverters as analog amplifiers. Resistive feedback is used to favor bandwidth in the expense of gain and cascaded gain stages are used in cherry-hooper topology to shift the poles very high in frequency. By using a modified cherry-hooper topology with a buffer in the feedback path and capacitive peaking, the bandwidth is extended to 20GHz, which is about 2,5 times higher than the best existing substrate noise sensor. Therefore the sensors that are proposed and more than adequate to be used in high frequency mobile communication SoC applications.