КМОП делитель частоты на 2 с высокой стабильностью скважности выходного импульса Макаров Александр Борисович Институт Проблем Проектирования в Микроэлектронике РАН

2 ИППМ РАН Содержание Методы достижения скважности 50% Основные факторы, влияющие на скважность в ДЧ на 2 Общие рекомендации к схемам ДЧ на 2 Обоснование выбора схемы ДЧ на 2 Результаты моделирования Заключение

3 ИППМ РАН Методы достижения скважности 50% Аналоговые системы подстройки скважности (достигнуто отклонение 0,8% от уровня 50%) Цифровые системы подстройки скважности (достигнуто отклонение 0,6% от уровня 50%) Делители частоты на 2 (можно ли достичь отклонения 0,6-0,8% ?)

4 ИППМ РАН Методы достижения скважности 50% Пример аналоговой системы подстройки скважности

5 ИППМ РАН Основные факторы, влияющие на скважность tp ef tef T tn tpo er ter f tdf r tdr tpo1 = (tp+ter1/2-tef1/2) tpo2 = (tpo1+tdr2-ter2/2)- (tdf2+tef2/2)= = tp+(ter1/2-ter2/2)+ (tef1/2-tef2/2)+(tdr2-tdf2) Асимметрия КМОП вентилей

6 ИППМ РАН Основные факторы, влияющие на скважность t = k *(Cload*Vdsat/Idsat) Динамические характеристики КМОП вентилей t - время нарастания / спада или время задержки k – коэффициент пропорциональности, характерный для времен задержки и фронтов нарастания и спада Cload - емкость нагрузки Vdsat / Idsat - напряжение / ток насыщения МОПТ

7 ИППМ РАН Основные факторы, влияющие на скважность t = k *(Cload*Vdsat/Idsat) Idsat = B0 *(Vgs-Vt) 2 B0 = 0,5*Mu*Cox*W/L Vdsat = Vgs - Vt Idsat = 0,5*Mu*Cox*W/L *(Vgs-Vt) 2 Mu – подвижность носителей тока в канале Cox– толщина подзатворного диэлектрика W/L– ширина / длина канала МОПТ t = k * Cload*L / ((Cox*Mu*W)*(Vgs-Vt)) Vgs– напряжение затвор-исток МОПТ Конструктивно-технологические параметры

8 ИППМ РАН Основные факторы, влияющие на скважность Сох, Mu – технологические параметры t = k *Cload* L / ((Cox*Mu*W)*(Vdd-Vt)) Vdd – напряжение питания, конструктивный (режимный) параметр W/ L / Vt – конструктивно-технологические параметры Учитывая, что Vgs=Vdd: Конструктивно-технологические параметры

9 ИППМ РАН Общие рекомендации к схемам ДЧ на 2 A1. Напряжение питание должно значительно превышать пороговые напряжения используемых МОП-транзисторов (МОПТ) A2. Длины каналов МОПT не должны быть минимальными и должны выбираться достаточными для обеспечения требуемых рабочих частот A3. Ширины каналов МОПT необходимо выбирать такими, чтобы обеспечить минимальные времена задержек и фронтов импульсов A4. Необходимо обеспечить примерное равенство времен задержек и фронтов формирования логических уровней

10 ИППМ РАН Обоснование выбора схемы триггера ДЧ на 2 Дифференциальные триггеры, обладая симметрией, могут обеспечить примерное равенство фронтов и задержек импульсов

11 ИППМ РАН Обоснование выбора схемы ДЧ на 2 Дифференциальные триггеры типа SSTC1

12 ИППМ РАН Обоснование выбора схемы ДЧ на 2 Комбинированный ДЧ на 2 с триггерами типа SSTC1 nМОП: W=2,5u, L=0,34u pМОП: W=2,5u, L=0,30u Проектная норма – 0,18u

13 ИППМ РАН Результаты моделирования,, Условия моделирования Скважность, % Отклонение от 50% в % 1All3, 100 МГц50,39 – 49,630,78 2All3, 200 МГц50,68 – 49,331,36 3All3, 500 МГц50,88 – 49,111,96 4All3, 1500 МГц50,36 – 48,942,12 5All2, 100 МГц50,63 – 49,831,26 6All2, 200 МГц50,63 – 49,831,78 7All2, 500 МГц50,63 – 49,834,54 All2 – Vdd=2,5В+/-10%, Т= - 45С о +125С о, все вариации техпроцесса All3 – Vdd=3,3В+/-10%, Т= - 45С о +125С о, все вариации техпроцесса

14 ИППМ РАН Заключение -Исследован комбинированный ДЧ на 2 с триггерами типа SSTC1 -При частоте выходного сигнала 100 МГц точность задания скважности на уровне 50% не превышает 0,8% -При частоте выходного сигнала в диапазоне МГц точность задания скважности не превышает 2,12% -Снижение напряжения питания с 3,3 В до 2,5 В приводит к ухудшению точности задания скважности до 4,5% на частоте выходного сигнала 500 МГц