Brus och Överhörning I Analog-Digitala System

Transkript

1 Brus och Överhörning I Analog-Digitala System Gebhard Melcher, Austria Mikro Systeme Alastair Hopper, Austria Mikro Systeme Bernd Schafferer, Austria Mikro Systeme Översättning och bearbetning Lars Snith, Austria Mikro Systeme Stockholm

2 Brus och Överhörning I Analog-Digitala System 1 INTRODUKTION 3 2 ÖVERSIKT 4 3 KÄLLOR TILL ÖVERHÖRNING 5 4 REDUKTION AV ÖVERHÖRNING PÅ SYSTEMNIVÅ 9 5 REDUKTION AV ÖVERHÖRNING I KAPSELN 13 6 REDUKTION AV ÖVERHÖRNING PÅ CHIP 17 7 REFERENSER 24 2

3 1 Introduktion Den här artikeln är en sammanställning av de nuvarande kunskaperna om överhörning mellan olika delar i analog-digitala system. En översikt av alla förekommande problem presenteras tillsammans med de mest välkända lösningarna och tillämpningarna för de flesta av fallen. Exemplen och deras effekter presenteras i en så logisk följd som möjligt. Avsikten med denna artikel är inte att i detalj beskriva alla effekter och samband, utan att ge klara direktiv, dock med så stor frihetsgrad att konstruktören själv kan utnyttja egna erfarenheter. Eftersom analog-digitala system inte består av enbart integrerade kretsar, så är det nödvändigt att inkludera även några av de grundläggande reglerna för kretskortskonstruktion och de mest kritiska övergångarna: Chip till Kapsel och Kapsel till Kretskort. I artikeln ingår bidrag från IST, Nera ASA och Austria Mikro Systeme. Ett av de största problemen med att blanda analoga och digitala funktioner på samma chip är brusspridningen. Det brus som genereras i de digitala delarna av kretsen sprids in i de analoga via matningarna, genom substratet och andra vägar. Analoga signalledningar som dras parallellt med digitala utsätts också för en kapacitiv koppling mellan de två ledarna. Brus som genereras i en digital krets är särskilt otrevligt i analoga precisionskretsar eftersom det inte är slumpmässigt. Om digitaldelen innehåller räknare eller synkron logik som arbetar med en klocka, så kommer tidsdiskreta spektralkomponenter att genereras av klockfrekvensen och alla dess övertoner, ofta även undertoner. Sådana diskreta spektrallinjer stör ofta mer än slumpartat (vitt) brus. Det här är ett problem som blir mer och mer synligt i takt med att densiteten ökar, klockfrekvenserna ökar och matningsspänningarna minskar. Det finns också förutsägelser om att 50% av alla ASIC kommer att innehålla både digitala och analoga funktioner vid seklets slut. Brus är på väg att bli den begränsande faktorn vid konstruktion av analog-digitala integrerade kretsar. Eftersom dagens konstruktionshjälpmedel och modeller, i den mån de överhuvudtaget existerar, når en otänkbar komplexitet vid analys av en hel krets så krävs att man ägnar dessa problem uppmärksamhet redan på ett tidigt staduim i konstruktionsfasen. 3

4 2 Översikt PACKAGE POWER SUPPLY ANALOG DIGITAL SUBSTRATE 2.1 Analog den bruskänsliga delen 2.2 Digital den brusproducerande delen 4

5 3 Källor till Överhörning 3.1 R L C parasiter vid sammanbindningar med koppling 3.2 Substrat Kapacitiv koppling 5

6 3.2.2 Substratspänning, Body effect Jonisering S G D Substrate Carriers generated by Impact Ionisation 3.3 Strålningsemittering För att minimera strålningsemitteringen, låt: kapselns längd L < λ/20 chiparean A < λ 2 /800 Exempel: för en frekvens på 1 GHz -> L = 15mm, A = 1.125cm Kvantifiering längd Resistans 2) L egen L gemensam C jord C kopplad chipledning 1mm 50 Ω 0.45nH 0.016nH 50fF 50fF bondtråd 3.. 6mm / d=30u 25mΩ 3nH 1nH leadframe 8.5mm..12mm 20mΩ 3nH 1nH 500fF 300fF 1) chipledning l = 1000u, w = 1.4u, 0.5um över substratet. Bondtråd & leadframe för en LCC 44 2) Gäller endast DC. För höga frekvenser dominerar yteffekten ( skin effect ): R = Rdc*(f/1e6) 0.7 Ur ovanstående tabell får man lätt fram den skada som är följden av att låta signalen gå av och på chipet. Kapacitiv koppling stör högimpediva ingångar via laddningsinjektion medan gemensam induktans, transformatorkopplad, också påverkar lågimpediva matningsnät. EXEMPEL : LCC44 kapsel kopplingskapacitans = fF, gemensam inductans = 1nH Signal 0.. 5V tr stig =3ns på en pinne ger en injicerad ström i den närmaste pinnen på: 6

7 i = C du = 300 ff * 5V / 3ns = 0. 5mA dt EXEMPEL : En digital CMOS utgång som driver en 3pF last introducerar, på grund av den gemensamma induktansen, en e.m.f i intilliggande ledning. Om detta skulle vara en analog jordledning så påverkas alla signaler som refererar till denna av följande felspänning: u = L * di = 1nH * 30mA / 1ns = 30mV dt 3.5 Resulterande Problem Jordrefererade spänningssignaler 7

8 3.5.2 Strömsignaler 8

9 4 Reduktion av Överhörning på Systemnivå 4.1 Välj lågbrusig logik konstant strömförbrukning lågt spänningssving strömstyrning differentiella in- och utsignaler Exempel: ECL,ESCL 4.2 Digital cell med separata substratkontakter CMOS Inverterare med 3 matningsbussar 4.3 Använd differentiella signaler, inte enkla brusmottagare : brus = common-mode signal bruskälla : effektiv brusemission = differentiell missmatchning 9

10 4.4 Använd minsta storlek på drivare för att få måttliga stig- och falltider 4.5 Buffra signaler som går från digitala till analoga matningssystem Exempel : Styrning av en analog switch via ett 2 matningars bussystem 4.6 Stäng av alla switchande funktioner som inte används använd synkron logik bara där så är nödvändigt använd grindade klocksystem 4.7 Konstruera för hög CMRR & PSRR lägg ingångstransistorer i skilda well använd symmetri i konstruktion och layout kaskod-tekniker ( för ökad PSRR ) 4.8 Använd minsta möjliga bandbredd bredbandsbrus förstärks också 10

11 4.9 Separera kritiska analoga funktioner från switchande funktioner i tidsdomänen Exempel : timing av en A/D-omvandlare 4.10 Håll känsliga noder inuti chipet chip parasiter är små jämfört med de i kapsel och kretskort 4.11 Begränsa signalöverföring från chip till kretskort varhelst möjligt Klockregenerering på chipet med PLL från en lågfrekvent ingångsklocka 4.12 Använd ström snarare än spänning för att distribuera referenssignaler 4.13 Kelvinanslutningar separata sense och force ledningar 11

12 4.14 Använd separata matningssystem för analogt och digitalt 1) om två helt isolerade matningar är tillgängliga -> eliminera jordslingor 2) stjärnkoppling vid matningarna Konstruktionsregler: tillhandahåll en separat returväg för varje digital signals digitala jord (liksom för analog) sammankoppla analog och digital jord i endast en punkt referera allt till denna punkt 4.15 Använd integrerande system medelvärdesbilda bort periodiskt brus 12

13 5 Reduktion av Överhörning i Kapseln 5.1 Ytmonterade kapslar mindre parasiter 5.2 Välj pinnar med minsta R,L,C parasiter för kritiska ledningar parasiterna är olika för hörn- och centerpinnar 5.3 Använd leadframe med korta bondtrådar (minsta kavitet) 5.4 Lug pinnar har lägre serieresistans och induktans, vilket är mycket viktigt för jordsignaler 13

14 5.5 Avkopplingskondensatorer 5.6 Separera analoga och digitala pinnar så mycket som möjligt 5.7 Lägg till skärmpinnar 5.8 Se upp för gemensam induktans Jord- och matningsledningar som drivs av lågimpediva källor störs lätt av närgående strömmar (se 2.5.1) 14

15 5.9 Placering av Matningsspänningspinnar Parasitiska R, L i leadframe är mindre Effekten av gemensamma induktansen Vn = Lvdd * didd/dt - M * Ignd/dt (se 2.4.1) 5.10 Dubbla bondtrådar Varning : den effektiva induktansen i bondtrådarna är Leff = (Lself +Lmutual)/ Down bonds Det finns alltid signaler som kommunicerar mellan två matningssystem. Returvägen på chipet har i regel högre resistans än motsvarande utanför kapseln. Detta ökar looparean och det brusutstrålningen. -> länka de två separata jordarna till chipplattan + returströmmar går på insidan av kapseln + looparean är mindre och man får mindre brus 15

16 5.12 Kapslar med flytande (orefererad) metall Kapsellock, märkningsyta, ökar utsänd strålning ökar kapacitiva effekter -> återkoppling -> oscillation 5.13 Simulera även kapseln För många kapslar så är simuleringsmodeller tillgängliga (täcker alla parasiter och kopplingsparasiter för intilliggande och icke intilliggande leadframes). ( Austria Mikro Systeme har utvecklat modeller för SOIC, SSOP, TQFP. Övriga kapslar är inte klara) 5.14 Försiktighet med att använda socklar de parasitiska induktanserna ökar eftersom avståndet till kretskortets jord ökar sockeln bidrar med parasiter 16

17 6 Reduktion av Överhörning på Chip 6.1 Floorplanning Separera analoga och digitala signaler med avstånd Håll strömslinge-arean liten (särskilt för matningsledningar) 17

18 6.2 Matningsspänningsbussar Dela upp för digital : digital kärna digital periferi digital effektdrivare analog : lågbrusiga förstärkare switchande funktioner effektförstärkare Busstyper Grid + buss för generell användning, automatisk layoutgenerering + lågimpedivt nätverk - interferens mellan analogt och digitalt Stjärnpunkt + minimal interferens mellan analogt och digitalt - manuell layout 18

19 6.2.3 Använd matningsledningarna som avkopplingskondensatorer placerar avkopplingskondensatorerna så nära lasten som möjligt parasitiska L och C bildar en resonator -> undvik resonansfrekvenser nära operationsfrekvenserna använd olika storlekar på avkopplingskondensatorerna för att undvika höga Q-värden på LC-resonatorn 1) Standardmetoden 2) Högre kapacitans 3) PMOS kapacitans, håll tilledningsresistansen till polygate och kanalen så låg som möjligt Använd stora linjebredder minskar resistiviteten ökar kapacitansen 6.3 Substrat som ansluter till flera matningssystem ingen koppling mellan matningssystemens bussar (jordslingor) ingen source - bulk spänning på analoga transistorer för att undvika substratspänning -> substratkontakter vid transistorerna (source) lösningen till problemet är olika för P+ EPI, P- substrat 19

20 6.3.1 EPI P+ Substrat 1) resistiv koppling (kräver 4 kapselpinnar) 2) extra noll-ströms substratkontakt (kräver 5 kapselpinnar) 3) substratkontakter bara till analog jord (kräver 4 kapselpinnar) 4) bakplans substratkontakt (kräver 4 kapselpinnar), problem om analog jord skiljer sig från substrat -> substratspänning på alla transistorer! 5) lågimpediv backplans substratkontakt & extra substratkontakter (kräver 5 kapselpinnar) 1) dålig... 5) bra 20

21 6.3.2 P- Substrat mycket av strömmen går i fältimplantatet nära ytan det är nödvändigt att ansluta till substratet nära transistorn större area på grund av separat substratbuss och önskan att hålla source- och bulkanslutningarna nära varandra se även ) öppna fältimplantatet med N -Well (öka Z1 -> se ) 2) samla upp substratströmmar ( minska Z2, Z3 -> se ) -> använd en kombination av 1) och 2) 6.4 Skärmning VARNING SKÄRMAR ÄR YPPERLIGA BRUSSPRIDARE Skärmning av anslutningar lägg brusiga ledningar i de lägre metallnivåerna ( öka C1gnd C2gnd minska C12) om du har ett bra substrat minimera längden på ledningen minska drivarimpedansen Rdrive2 öka avståndet mellan Line1 och Line2 om du inte kan tillhandahålla en bra skärm placera ut jordskärmar (horisontellt, vertikalt) (är mer areaeffektivt) 21

22 Anslutningar kan uppföra sig som transmissionsledningar. Om inte skärmledningarna terminerats korrekt så kommer de att brusa Skärmningskondensatorer, motstånd Motstånd och kondensatorer kan bli mycket stora -> kan ta upp mycket brus via substratet glöm inte kanteffekterna Skärmning av komponenter i substratet Två metoder att hålla A tyst 1) hög impedans = trench, N+ diffusions guard (Z1) 2) låg impedans till jord = P+ guard ( Z2 Z3 ) ju närmare guardringen är till komponenten, desto bättre skärmning ju bredare guardring desto bättre 22

23 P - Substrat större delen av substratströmmarna går lateralt i fältimplantatet trench och guardringar är nästan lika effektiva som en well där hela botten är skärmad beror också av avståndet till bruskällan EPI större delen av strömmen går vertikalt genom det lågimpediva p+ substratet trench och guardringar är ineffektiva vad gäller skärmning av brus från substratet men fortfarande effektiva för att skärma laterala strömmar från närliggande bruskällor ökning av avståndet mellan brusande och känsliga block har liten effekt på grund av p+ substratet tillhandahåller ypperlig bakplansjordning BICMOS skapar ett pseudo P well 23

24 bättre dike (strömmen måste gå djupare ned i substratet -> ökar Z1 ) Vi hoppas att vi med denna sammanställning har förmedlat några insikter, och att de kan hjälpa er att undvika konstruktionsproblem. Gebhard Melcher, Austria Mikro Systeme Alastair Hopper, Austria Mikro Systeme Bernd Schafferer, Austria Mikro Systeme Översättning och bearbetning Lars Snith, Austria Mikro Systeme Stockholm 7 Referenser [1] Simulation techniques and solutions for mixed signal coupling in integrated circuits Timothy Schmerbeck [2] Linear design seminar Analog Devices, Inc [3] Noise Seminar Prof. A. Rubio University of Catalunya