Исследование и развитие схемотехники цифровых последовательных интерфейсов в составе интегральных микросистем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Сомов, Олег Анатольевич

• Сомов, Олег Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сомов, Олег Анатольевич

Введение.

Глава 1. Современный уровень и перспективы развития цифровых последовательных интерфейсов

1.1 Основные группы ЦПИ и области их применения.

1.2 Перспективы развития ЦПИ.

1.3 Проблемы проектирования ЦПИ.

1.3.1 Ограничения интерфейсов.

1.3.2 Кабельные эффекты.

1.4 Выводы к Главе 1.

Глава 2. Формирование и регистрация сигналов в кабеле

2.1 Моделирование сигналов в кабеле.

2.2 Эквалайзеры - электронные средства компенсации искажений сигналов в кабеле.

2.2.1 Эквалайзеры в системах связи с непрерывным однонаправленным потоком информации.

2.2.2 Эквалайзеры в системе связи с двунаправленной пакетной передачей информации.

Ш 2.3 Элементы защиты от ЭСР.

2.3.1 Расчет стандартного элемента защиты от электростатических разрядов.

2.3.2 Расчёт входной ёмкости.

2.3.3 Расчет стандартного элемента защиты от ESD с учётом влияния паразитных биполярных транзисторов.

2.3.4 Расчет нового элемента защиты от ESD с помощью разработанной методики моделирования.

2.3.5 Топологические чертежи.

2.4 Выводы к Главе 2.

Глава 3. Помехоустойчивая цифровая обработка высокочастотных сигналов в ЦПИ

3.1 Блок CDR.

3.2 Блоки синхронизации.

3.2.1 Блок инициализации (начальных установок) схем синхронизации.

3.2.2 ФАПЧ с генератором, управляемым цифровым кодом.

3.2.2.1 Кольцевой генератор, управляемый цифровым кодом (ГУК), с многофазным выходом.

3.2.2.2 Частотный детектор.

3.2.2.3 Апериодический цифровой частотно-фазовый детектор.

3.2.2.4 Цифровой фильтр и цифровой интегратор с ограничением.

3.2.2.5 Детектор знака разности фаз для демпфирования колебаний ФАПЧ.

3.2.2.6 Метод управления синхрогенератором с ФАПЧ с помощью двух независимых контуров управления и блока выбора режима.

3.2.2.7 Конструктив (топология) синхрогенератора с ФАПЧ.

3.3 Методика функциональной и параметрической верификации высокочастотных аналоговых и аналого-цифровых блоков.

3.4 Выводы к Главе 3.

Глава 4. Аттестация и контроль микросхем ЦПИ

4.1 Этапы проектирования и подготовки производства.

4 4.1.1 Основные этапы проектирования.

4.2 Встроенные средства контроля.

4.3 Метод аттестационных спутников.

4.4 Выводы к Главе 4.

Глава 5. Практическая реализация микросхем ЦПИ

5.1 USB Кабельный повторитель.

5.2 Трансмиттерный эквалайзер для DVI передатчика.

5.3 Ресиверный эквалайзер DVI приемника.

5.4 Выводы к Главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и развитие схемотехники цифровых последовательных интерфейсов в составе интегральных микросистем»

Актуальность проблемы

Подавляющее большинство современных цифровых устройств взаимодействуют между собой посредством последовательных кабельных интерфейсов. Цифровые последовательные интерфейсы (ЦПИ) обеспечивают скорости передачи информации более ЮОГбит в секунду. Развитие цифровых технологий постоянно увеличивает как объемы передаваемой информации, так и возможности систем связи. ЦПИ превращаются из отдельных микросхем в блоки сложных микросистем, занимающие лишь несколько процентов площади на кристалле ультра-БИС. Наличие ЦПИ увеличивает стоимость кристалла микросистемы также лишь на несколько процентов. При проектировании микросистемы основные затраты, связанные с использованием ЦПИ, приходятся на этапы разработки, контроля и организации применения изделий.

Методика проектирования интегральных микросистем предполагает использование разработанных заранее универсальных блоков, в том числе и блоков ЦПИ. Требования универсальности и совместимости блоков ЦПИ с другими частями микросистемы существенно меняет и маршрут проектирования. Блоки микросистемы должны обладать высокой помехоустойчивостью, синхронизироваться с другими блоками, занимать на кристалле минимальную площадь, задействовать минимальное число выводов корпуса, легко адаптироваться к изменениям технологии при переносе на другую фабрику. Почти все эти требования могут быть достигнуты путем замены аналоговых узлов на цифровые. Однако возможности такой замены очень ограничены и до конца не исследованы.

Значительную часть стоимости микросхемы составляют затраты на проведение операций аттестации и контроля. Повышение быстродействия ЦПИ до уровня гигагерц создает непреодолимые трудности для проведения контроля с применением только внешней контрольно-измерительной аппаратуры. Интегрированные в микросистему средства контроля являются единственным экономически целесообразным направлением развития методики контроля ЦПИ.

Увеличение пропускной способности интерфейсов неизбежно приводит и к расширению полосы частот сигналов, передаваемых по кабелю. Искажения широкополосных сигналов в кабеле и соединительных цепях ведут к повышению требований к параметрам кабеля, увеличению его стоимости и сокращению дальности связи. Компенсация кабельных эффектов дешевыми электронными средствами является приоритетной задачей развития ЦПИ. Известные решения основаны на применении инерционных аналоговых фильтров и используются в ЦПИ с однонаправленным непрерывным потоком данных. Для ЦПИ с двунаправленной пакетной передачей информации проблема компенсации кабельных эффектов пока не решена.

Тема диссертации, посвященная развитию схемотехники цифровых последовательных интерфейсов в составе интегральных микросистем, является важной и актуальной.

Цели и задачи диссертации

Целью диссертационной работы является разработка методов проектирования блоков цифровых последовательных интерфейсов в составе интегральных микросистем, обладающих свойствами совместимости в микросистеме, контролепригодности и компенсации кабельных эффектов электронными средствами.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

1. Проведен анализ известных технических решений и современных методов проектирования цифровых последовательных интерфейсов и микросистем.

2. Предложен комплекс новых технических решений на основе цифровой схемотехники, повышающих помехоустойчивость ЦПИ и совместимость в микросистеме.

3. Разработана методика ускоренной адаптации и функциональной верификации аналоговых блоков при переводе на новые технологии.

4. Предложена концепция одновременного проектирования двух кристаллов: рабочей микросистемы, а также аттестационного спутника, предназначенного только для создания нестандартного стенда функционального контроля этой микросистемы.

5. Разработаны функциональные и электрические схемы новых блоков электронной компенсации кабельных эффектов. Предложена структура регенератора кабельных сигналов, использующая новые технические решения.

6. Выполнена патентная защита новых технических решений.

7. Эффективность предложенных методов проектирования и новых технических решений показана на примерах разработки реальных проектов.

Научная новизна полученных результатов

1. Предложена новая методика адаптации аналоговых блоков к изменению технологии, включающая масштабное преобразование топологии, функциональную верификацию схемы путем моделирования с учетом паразитных емкостей и сопротивлений физической структуры БИС.

2. Новая концепция проектирования аттестационного спутника одновременно с рабочим кристаллом микросистемы решает сложную задачу аттестации и функционального контроля БИС, включающих гигабитные ЦПИ.

3. Разработаны функциональные и электрические схемы новых безинерционных эквалайзеров широкополосных сигналов. Схемы трансмиттерного и ресиверного эквалайзеров построены на основе цифровой схемотехники и предназначены для компенсации кабельных эффектов в ЦПИ с двунаправленной пакетной передачей информации.

4. Разработана новая схема устройства синхронизации потока входных данных, построенная только на цифровых элементах и обеспечивающая помехоустойчивую обработку широкополосных импульсных сигналов.

Практическая значимость результатов работы

1. Разработаны рекомендации по уменьшению искажений аналоговых сигналов в высокочастотных БИС конструктивно-схемотехническими средствами на основе исследований тестовых кристаллов и моделей аналого-цифровых устройств.

2. Технические решения, полученные в диссертации, обеспечили создание % ряда изделий электронной техники с параметрами на уровне мировых достижений. Результаты практических разработок отражены в Актах внедрения.

3. Патенты и заявки на изобретения обеспечивают патентную защиту новых изделий электронной техники.

4. Результаты диссертации используются в учебной программе по курсу "Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств" в Московском Государственном техническом университете имени Н. Э. Баумана.

Реализация результатов работы

Основные результаты диссертации в полном объеме использованы в ООО "Юник Ай Сиз", г. Москва, при выполнении ОКР по разработке трех новых изделий электронной техники. Основные принципы работы ЦПИ включены в учебный план по курсу "Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств" в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Эффективность предложенных технических решений подтверждена при их внедрении в новые изделия электронной техники, разработанные в ООО "Юник Ай Сиз": а) Приемопередатчик универсальной последовательной шины для связи между компьютером и периферийными устройствами (USB версии 2.0); б) Передатчик видеоданных стандарта DVI (Digital Visual Interface); в) Активный кабельный повторитель для интерфейсов версии USB 1.1.

Положения, выносимые на защиту

1. Многократное сокращение времени расчетов для высокочастотных (>200 МГц) аналоговых блоков при сохранении точности вычислений достигается использованием интегрированных R-C эквивалентов проводников в модели v. аналогового блока. Определены требования к САПР БИС, автоматически синтезирующей модель блока, включающую R-C эквиваленты. Требования реализованы в САПР AVOCAD.

2. Для сокращения затрат на подготовку производства высокочастотных микросхем требуется создание БИС аттестационного спутника, включающего специализированные контрольные блоки для полноценного функционального контроля создаваемой микросистемы.

3. Искажения сигналов на входах БИС уменьшаются при использовании новых элементов защиты от электростатических разрядов с уменьшенной электрической емкостью мощных ключевых транзисторов. Уменьшение размеров и емкости ключевых транзисторов в два раза, при сохранении их сопротивления, достигается введением схемы управления, открывающей одновременно два ключа (к шинам питания и заземления) при любом направлении разрядного тока.

4. Новые схемы трансмиттерного и ресиверного эквалайзеров, не использующие аналоговых фильтров, обеспечивают компенсацию искажений широкополосных сигналов в линиях связи, характерных для интерфейсов с двунаправленной пакетной передачей информации.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Сомов, Олег Анатольевич

5.4 Выводы к Главе 5 - Применение новых технических решений и маршрутов проектирования, заявленных в предыдущих главах, позволило разработать ряд новых устройств на уровне лучших мировых достижений в области проектирования микросхем цифровых последовательных интерфейсов:

1) USB Кабельный повторитель

2) DVI передатчик

3) DVI приеник

Заключение

Основным результатом диссертации является разработка новых методов проектирования блоков цифровых последовательных интерфейсов в составе интегральных микросистем.

На основании исследований методов интеграции ЦПИ в микросистемы получены наиболее существенные результаты:

Новая схема устройства синхронизации потока входных данных легко переносится с одной технологии на другую и обладает высокой помехоустойчивостью за счет применения в структуре только цифровых элементов.

Новая методика адаптации аналоговых блоков к изменениям технологии позволяет ускорить в несколько раз процесс их интеграции в микросистемы.

Новая методика функциональной верификации аналоговых блоков на основе эквивалентной схемы второго приближения обеспечивает адекватное моделирование субмикронных высокочастотных устройств. Экспериментально подтверждена достоверность расчетов для КМОП микросхем с проектными нормами не менее 0.18 мкм. и рабочими частотами до 800 МГц.

Предложена новая концепция аттестации и функционального контроля микросистем с использованием аттестационного спутника. Разработаны базовые блоки для построения аттестационных спутников цифровых микросистем.

Предложены новые технические решения, обеспечивающие повышение помехоустойчивости, уменьшение площади и улучшение электрических параметров ЦПИ: новая схема элемента защиты от ЭСР; новая схема трансмиттерного эквалайзера; новая схема ресиверного эквалайзера.

Результаты практических разработок отражены в Актах внедрения. Новизна технических решений подтверждена патентами на изобретения и полезные модели, а также положительными заключениями патентной экспертизы.

Результаты диссертации используются в учебной программе по курсу "Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств" в Московском Государственном техническом университете имени Н. Э. Баумана.

Результаты диссертации опубликованы в 5 научных статьях. Новые технические решения защищены двумя патентами на изобретения и полезные модели и 7 заявками на изобретения.