Substratkoppling
I en integrerad krets kan en signal kopplas från en nod till en annan via substratet. Detta fenomen kallas substratkoppling eller substratbruskoppling .
Strävan efter minskade kostnader, mer kompakta kretskort och utökade kundfunktioner har gett incitament för införandet av analoga funktioner på i första hand digitala MOS- integrerade kretsar (IC) som bildar blandade signal-IC:er . I dessa system ökar hastigheten på digitala kretsar ständigt, chipsen blir tätare, sammankopplingsskikt läggs till och den analoga upplösningen ökar. Dessutom introducerar den senaste tidens ökning av trådlösa applikationer och dess växande marknad en ny uppsättning aggressiva designmål för att realisera system med blandade signaler. Här integrerar konstruktören radiofrekvens (RF) analoga och digitala basbandskretsar på ett enda chip. Målet är att göra single-chip radiofrekvensintegrerade kretsar (RFIC) på kisel, där alla block är tillverkade på samma chip. En av fördelarna med denna integrering är låg effektförlust för portabilitet på grund av en minskning av antalet paketstift och tillhörande bondtrådskapacitans. En annan anledning till att en integrerad lösning erbjuder lägre strömförbrukning är att dirigering av högfrekventa signaler utanför chip ofta kräver en 50Ω impedansmatchning , vilket kan resultera i högre effektförlust. Andra fördelar inkluderar förbättrad högfrekvensprestanda på grund av minskad paketkopplingsparasiter, högre systemtillförlitlighet, mindre paketantal och högre integration av RF-komponenter med VLSI-kompatibla digitala kretsar. Faktum är att transceivern med ett chip nu är verklighet.
Utformningen av sådana system är dock en komplicerad uppgift . Det finns två huvudutmaningar med att förverkliga blandade signal-IC:er. Den första utmanande uppgiften, som är specifik för RFIC:er, är att tillverka bra passiva element på kretsen, såsom induktorer med högt Q-värde . Den andra utmanande uppgiften, som är tillämplig på alla IC med blandade signaler och ämnet för detta kapitel, är att minimera bruskopplingen mellan olika delar av systemet för att undvika eventuella felfunktioner i systemet. Med andra ord, för framgångsrik system-på-chip-integrering av system med blandade signaler, måste bruskopplingen som orsakas av icke-ideal isolering minimeras så att känsliga analoga kretsar och brusiga digitala kretsar effektivt kan samexistera och systemet fungerar korrekt. För att förtydliga, notera att i blandade signalkretsar kan både känsliga analoga kretsar och högsvingande högfrekventa brusinjektorkretsar finnas på samma chip, vilket leder till oönskad signalkoppling mellan dessa två typer av kretsar via det ledande substratet. Det minskade avståndet mellan dessa kretsar, som är resultatet av konstant teknologiskalning (se Moores lag och International Technology Roadmap for Semiconductors ), förvärrar kopplingen. Problemet är allvarligt, eftersom signaler av olika karaktär och styrka stör och därmed påverkar den totala prestandan, vilket kräver högre klockfrekvenser och större analog precision.
Det primära bruskopplingsproblemet med blandade signaler kommer från snabbt föränderliga digitala signalers koppling till känsliga analoga noder. En annan betydande orsak till oönskad signalkoppling är överhörningen mellan analoga noder själva på grund av högfrekventa/högeffektanaloga signaler. Ett av de medier genom vilka bruskoppling med blandade signaler sker är substratet. Digitala operationer orsakar fluktuationer i den underliggande substratspänningen, som sprider sig genom det gemensamma substratet och orsakar variationer i substratpotentialen för känsliga enheter i den analoga sektionen. På liknande sätt, i fallet med överhörning mellan analoga noder, kan en signal kopplas från en nod till en annan via substratet. Detta fenomen kallas substratkoppling eller substratbruskoppling .
Modellering, analys och verifiering av blandad signalkoppling
Det finns en betydande litteratur om substrat och blandad signalkoppling. Några av de vanligaste ämnena är:
- Att skilja mellan det slumpmässiga bruset som finns i elektroniska enheter och det deterministiska bruset som genereras av kretsar.
- Undersöka de fysiska fenomen som är ansvariga för skapandet av oönskade signaler i en digital krets och mekanismerna för deras transport till andra delar av systemet. Substratet är den vanligaste kopplingsmekanismen, men kapacitiv koppling, ömsesidig induktans och koppling genom strömförsörjning analyseras också.
- Jämföra olika modelleringsmetoder och simuleringstekniker. Det finns många möjliga modeller för digital brusgenerering, substratimpedansnätverket och känsligheten hos den (oavsiktliga) mottagaren. De valda teknikerna påverkar avsevärt analysens hastighet och noggrannhet.
- Analystekniker för substrat och blandade signaler kan tillämpas på placering och kraftfördelningssyntes.
- Electronic Design Automation For Integrated Circuits Handbook , av Lavagno, Martin och Scheffer, ISBN 0-8493-3096-3 En undersökning av området elektronisk designautomation . Denna artikel härleddes, med tillstånd, från kapitel 23 i bok 2, Mixed-Signal Noise Coupling in System-on-Chip Design: Modeling, Analysis, and Validation, av Nishath Verghese och Makoto Nagata