Brus och Överhörning I Analog-Digitala System



Relevanta dokument
Avkoppla rätt en kvantitativ undersökning av parasitinduktans hos olika layoutalternativ

TSTE93 Analog konstruktion

Avkoppling. av parasiter hos olika avkopplingslayouter. Gunnar Karlström, BK Services. - BK Services, konsult, tekniskt ansvarig för EMClabbet

En ideal op-förstärkare har oändlig inimedans, noll utimpedans och oändlig förstärkning.

Tentamen i Krets- och mätteknik, fk - ETEF15

Grindar och transistorer

Grundläggande ellära Induktiv och kapacitiv krets. Förberedelseuppgifter. Labuppgifter U 1 U R I 1 I 2 U C U L + + IEA Lab 1:1 - ETG 1

Vad är KiselGermanium?

AVKOPPLA RÄTT. Per Magnusson Gunnar Karlström

Kapacitansmätning av MOS-struktur

D/A- och A/D-omvandlarmodul MOD687-31

Mätteknik för F 2017 Störningar

Mätteknik för F 2018 Störningar

Impedans och impedansmätning

nmosfet och analoga kretsar

2. Reflektion. Z= oo. λ / 4

L/C-meter 2007 Byggbeskrivning v

EDI615 Tekniska gränssnitt Fältteori och EMC föreläsning 3

4 Laboration 4. Brus och termo-emk

2E1112 Elektrisk mätteknik

TENTAMENSUPPGIFTER I ELEKTROTEKNIK

Registrera din produkt och få support på. SDV7220/12. Användarhandbok

4:8 Transistorn och transistorförstärkaren.

Bruksanvisning Multimeter Elma 805 / Elma 807

Modifieringsförslag till Moody Boost

4:7 Dioden och likriktning.

Bruksanvisning i original. Vital 2 och Vital 3. Användarmanual

Bilaga till laborationen i TSKS09 Linjära System

I/O kort för triggsignaler för LogiComm pistoldrivare

Op-förstärkarens grundkopplingar. Del 2, växelspänningsförstärkning.

Utökning av mätområdet på ett mätinstrument med LED

Digital IC konstruktion

Hygro- och hygrotermogivare (kapacitiv) Stavutförande med anslutningshuvud 4 20 ma eller DC 0 10 V Enligt typblad

Fig. 1 Den övre delen av bilden visar utspänningens fyrkantsvåg efter frekvensomformaren. Den nedre visar strömmens sinusformade karakteristik.

T1-modulen Lektionerna Radioamatörkurs OH6AG OH6AG. Bearbetning och översättning: Thomas Anderssén, OH6NT Heikki Lahtivirta, OH2LH

Eftersom det endast är en fristående strömslinga man påverkar då man trycker på knappen säger man att omkopplaren i bild 1 är en enpolig omkopplare.

Elektronik. MOS-transistorn. Översikt. Då och nu. MOS-teknologi. Lite historik nmosfet Arbetsområden pmosfet CMOS-inverterare NOR- och NAND-grindar

insignal H = V ut V in

F5 Introduktion till digitalteknik

Projekt. Mats Gustafsson, Electroscience, Lund University, Sweden

by Lindquist Heating

Digital IC konstruktion

Anders Arvidsson ROBOTBESKRIVNING. Roboten på bilden är extrautrustad

Skapa systemarkitektur

2E1112 Elektrisk mätteknik

Manual för EQE PLC enhet

Strömtänger för AC. DN serien 5.00 (1/2) DN series

EEM076 ELEKTRISKA KRETSAR OCH FÄLT

Lösningar elektrisk mätteknik

Att välja rätt strömtång (tångamperemeter) Börja med att besvara följande frågor för att få rätt strömtång (tångamperemeter) till rätt applikation.

DIGITALTEKNIK. Laboration D173. Grundläggande digital logik

1.1 Mätning av permittiviteten i vakuum med en skivkondensator

Vi börjar med en vanlig ledare av koppar.

TSTE93 Analog konstruktion

Digital- och datorteknik

Overvakningsutrustningar

BRUKSANVISNING VE ISO

Lab. E3 Mätteknisk rapport

A/D D/A omvandling. Lars Wallman. Lunds Universitet / LTH / Institutionen för Mätteknik och Industriell Elektroteknik

Föreläsning 2 Mer om skyddsjord.

Best.nr. / Line Tracer Kabel och ledningssökare

Laboration 6. A/D- och D/A-omvandling. Lunds universitet / Fakultet / Institution / Enhet / Dokument / Datum

FÖRELÄSNING 8. Översikt på mikrochipsteknologi. I/O-kretsar. Mikrochipstillverkning. Föreläsning 8

Som byggsats finns denna i tre utförande: 1. Komponenter och etsat samt färdigborrat kretskort. 2. Låda och kontakter. 3. Färdigbyggd.

ELEKTRICITET. Vad använder vi elektricitet till? Hur man använder elektricitet?

Systemkonstruktion Z2

AX1 Luftisolerat mellanspänningsställverk

6. Likströmskretsar. 6.1 Elektrisk ström, I

Tentamen i TTIT07 Diskreta Strukturer

Fö Inspelningsrummet. [Everest kapitel 20 och 22-24]

Överspänningsskydd SNABBGUIDE. med ett urval av de vanligaste produkterna

Filtrering av matningsspänningar för. känsliga analoga tillämpningar

4:4 Mätinstrument. Inledning

Installation av digitala enheter

Elektronik 2017 EITA35

Digital IC konstruktion

LABORATIONSINSTRUKTION. Mätning på dioder och transistorer

Uppgift 12: Konstruera en elektronisk tärning. Resultatet av ett tärningskast ska visas på en 7- segmentindikator.

QFM31.. Kanalgivare. Symaro. för relativ fuktighet (hög noggrannhet) och temperatur

Fysiska lagret. Kanal. Problem är att kanalen har vissa begränsningar: Kanalen är analog Kanalen är bandbreddsbegränsad och är oftast störd (av brus)

Institutionen för elektrisk mätteknik

Laboration 2 Instrumentförstärkare och töjningsgivare

Tentamen i Elektronik för E (del 2), ESS010, 5 april 2013

Digital IC konstruktion

3.4 RLC kretsen Impedans, Z

IE1205 Digital Design: F3 : CMOS-kretsen, Implementeringsteknologier. Fredrik Jonsson KTH/ICT/ES

Trådlöst brandlarm. Systembeskrivning. Innehållet i detta dokument kan komma att ändras utan föregående varning. Honeywell Life Safety Sweden

Laboration 2 Elektriska kretsar Online fjärrstyrd laborationsplats Blekinge Tekniska Högskola (BTH)

Laboration D151. Kombinatoriska kretsar, HCMOS. Namn: Datum: Epostadr: Kurs:

Innehållsförteckning

Elektro och Informationsteknik LTH Laboration 4 Tidsplan, frekvensplan och impedanser

Växelström ~ Växelström. Belastad växelströmskrets. Belastad växelströmskrets. Belastad växelströmskrets. Belastad växelströmskrets

Digital- och datorteknik

Reglerteknik M3, 5p. Tentamen

FÖRELÄSNING 3. Förstärkaren. Arbetspunkten. Olika lastresistanser. Småsignalsschemat. Föreläsning 3

Ledningsskyddssystem för stamnätet

Innovation. En ny generation Konstgräs. CoverLawn

William Sandqvist

DEMONSTRATIONSVÄSKA Elektriska installationer

Transkript:

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

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

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

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

3 Källor till Överhörning 3.1 R L C parasiter vid sammanbindningar med koppling 3.2 Substrat 3.2.1 Kapacitiv koppling 5

3.2.2 Substratspänning, Body effect 3.2.3 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 2 3.4 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 = 100.. 300fF, gemensam inductans = 1nH Signal 0.. 5V tr stig =3ns på en pinne ger en injicerad ström i den närmaste pinnen på: 6

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 3.5.1 Jordrefererade spänningssignaler 7

3.5.2 Strömsignaler 8

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

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

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

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

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

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

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)/2 5.11 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

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

6 Reduktion av Överhörning på Chip 6.1 Floorplanning 6.1.1 Separera analoga och digitala signaler med avstånd 6.1.2 Håll strömslinge-arean liten (särskilt för matningsledningar) 17

6.2 Matningsspänningsbussar 6.2.1 Dela upp för digital : digital kärna digital periferi digital effektdrivare analog : lågbrusiga förstärkare switchande funktioner effektförstärkare 6.2.2 Busstyper 6.2.2.1 Grid + buss för generell användning, automatisk layoutgenerering + lågimpedivt nätverk - interferens mellan analogt och digitalt 6.2.2.2 Stjärnpunkt + minimal interferens mellan analogt och digitalt - manuell layout 18

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 6.2.4 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

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

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 5.43 1) öppna fältimplantatet med N -Well (öka Z1 -> se 5.4.3 ) 2) samla upp substratströmmar ( minska Z2, Z3 -> se 5.4.3 ) -> använd en kombination av 1) och 2) 6.4 Skärmning VARNING SKÄRMAR ÄR YPPERLIGA BRUSSPRIDARE 6.4.1 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

Anslutningar kan uppföra sig som transmissionsledningar. Om inte skärmledningarna terminerats korrekt så kommer de att brusa. 6.4.2 Skärmningskondensatorer, motstånd Motstånd och kondensatorer kan bli mycket stora -> kan ta upp mycket brus via substratet glöm inte kanteffekterna 6.4.3 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

6.4.3.1 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 6.4.3.2 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 6.4.3.3 BICMOS skapar ett pseudo P well 23

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. 1987 [3] Noise Seminar Prof. A. Rubio University of Catalunya 1995 24