Verkopplungsmechanismen in integrierten Schaltungen f¨ur ... · Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung Verkopplungsmechanismen in integrierten Schaltungen

Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung

Verkopplungsmechanismen in integrierten

Schaltungen fur den MobilfunkDiplomarbeit

Adam Buck

Infineon Technologies AG

Fachgebiet HochfrequenztechnikFakultat fur Ingenieurwissenschaften

Universitat Duisburg-Essen

22. September 2008

Adam Buck Infineon Technologies AG, Fachgebiet Hochfrequenztechnik Universitat Duisburg-Essen

Verkopplungsmechanismen in integrierten Schaltungen fur den Mobilfunk


Gliederung

1 Einleitung

2 Aggressor

3 Sensor

4 Verkopplungspfade

5 Zusammenfassung




Integration von digitalen und analogen Schaltkreisen auf einem Chip

steigende Taktraten und kleiner werdende Strukturgroßen

Herausforderung bei SoC Entwicklung

Verkopplung

Spurs

Degradierung des Modulationsspektrums

Storung im Empfangsband

Verletzung der GSM-Spezifikation




Transceiver




Storung im Empfangsband




Klassifizierung in drei Gruppen

unterschiedliche Entstehungsmechanismen

α-Spurs

fTX 6= n · fref , fTX ≈ n · fref , fα =

2 · fTX − n · fref

n · fref

β-Spurs

fV CO 6= n ·fref , fV CO ≈ n ·fref , fβ =

(1 + m) · fTX − n · fref

(1 − m) · fTX + n · fref

γ-Spurs

fγ = fTX ± n · fref




Ubersicht

1 Einleitung

2 Aggressor

3 Sensor

4 Verkopplungspfade

5 Zusammenfassung




Untersuchung des Aggressors

digitale Schaltung

hartes Schalten der Logik-Gatter erzeugt breitbandiges Storspektrum⇒

”Switching Noise“

Spannungsabfall uber parasitaren Leitungskomponenten

Injektion ins Substrat uber kapazitive Kopplung

Entstehung der Storung

Maßnahmen zur Reduzierung der Storung




Switching Noise

0 20 40 60 80 100−200

0

200

400

t, ns

I, µA

0 20 40 60 80 1000

0.5

1

1.5

t, ns

Ue, V

Overshot

Kurzschluss Last

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40

50

100

150

freq, GHz

I, nA

iL = 1T

∫

iL(t)dt = CL · VDD · f

iKS = 16 · Kn

VDD· τ

T· (VDD − 2 · Vth)

3

iS = 1T

∫

CC ·(

due

dt− dua

dt

)

dt




Digitally Controlled Crystal Oscillator

erzeugt aus Sinus-Signal des Quarzoszillators ein Rechtecksignal

Verteilung des Clocksignals

Logik-Gatter durch HVT-Elemente ersetzt

10−2

10−1

100

−110

−105

−100

−95

−90

−85

−80

−75

−70

−65

−60

freq, GHz

I DD

, dB

(A)

fn = n*f

ref, n ungerade

HVTREG

10−2

10−1

100

−110

−105

−100

−95

−90

−85

−80

−75

−70

−65

−60

freq, GHz

I DD

, dB

(A)

fn = n*f

ref, n gerade

HVTREG

keine Reduzierung der NF-Komponenten

teilweise Reduzierung der HF-Komponenten




Lastabhangigkeit des DCXO

Abhangigkeit der spektralen Komponenten von der Last

Last: R ‖ C

Variation von C, R = ∞

10−2

10−1

100

−110

−105

−100

−95

−90

−85

−80

−75

−70

−65

−60

freq, GHz

I DD

, dB

fn = n*f

ref, n ungerade

C=10pC=12pC=15p

10−2

10−1

100

−110

−105

−100

−95

−90

−85

−80

−75

−70

−65

−60

freq, GHz

I DD

, dB

fn = n*f

ref, n gerade

C=10pC=12pC=15p

kein Einfluss auf hohe Frequenzen

Reduzierung der NF-Aggression




Ubersicht

1 Einleitung

2 Aggressor

3 Sensor

4 Verkopplungspfade

5 Zusammenfassung




Einfluss der Versorgungsspannung-Storung auf den Sender

Empfindlichkeit der TX-Kette gegenuber Storung derVersorgungsspannung

Auswirkungen auf das Ausgangssignal

Amplituden- und Phasenmodulation




Amplitudenmodultion

v(t) = VDD

2 ·A1·cos(ωT ·t)+s4 ·A1·[cos((ωT − ωS) · t) + cos((ωT + ωS) · t)]

A1 = 4π

10−6

10−5

10−4

10−3

10−2

10−1

−140

−120

−100

−80

−60

−40

−20

s, V

Spu

r, d

Bc

VDD

=1V

VDD

=1,5V

VDD

=2V

Spurhohe

Spur[dBc] = 20 · log(

12 · s

VDD

)




Phasenmodulation

v(t) = v+v·A1 ·[

cos(ωT ·t)+m2 ·[cos((ωT − ωS) · t) − cos((ωT + ωS) · t)]

m = p · s

10−6

10−5

10−4

10−3

10−2

10−1

−140

−120

−100

−80

−60

−40

−20

0

s, V

Spu

r, d

Bc

p=1p=1,5p=2p=2,5

Spurhohe

Spur[dBc] = 20 · log(

m2

)




Bestimmung der”Pushing Figure“

p = ms

= 2π·∆tT ·s

tpdHL ≈ 2CLVDD

βn(VDD−VT N )2

p = 2πT

·dtpdHL

dVDD

Spannungsabhangig

Temperaturabhangig

abhangig von Prozessschwankungen




Spannungsabhangigkeit

1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 1.60

0.5

1

1.5

2

2.5

3

VDD

, V

−p,

rad

/V

Pushing Figure vs. VDD

HBLB

”Pushing Figure“ ist im Low Band kleiner




10−6

10−5

10−4

10−3

10−2

10−1

−130

−120

−110

−100

−90

−80

−70

−60

−50

−40

−30

−20

Low Band, fT = 936MHz, f

S = 234MHz, conservative

s, V

Spu

r, d

Bc

fT − f

S

fT + f

S

Theorie AMTheorie PM

Uberlagerung der AM und PMSpurs im Low-Band geringerkeine ausreichende Simulations-Genauigkeit bei kleinenStoramplitudenGenauigkeitseinstellung

”conservative“ liefert beste Ergebnisse

analytische Berechnung notwendig




Ubersicht

1 Einleitung

2 Aggressor

3 Sensor

4 Verkopplungspfade

5 Zusammenfassung




Verkopplung uber das Spannungsversorgungssystem

Spannungsversorgung durch Spannungsregler

Unterdruckung der Wechselanteile am Eingang

Entkopplung von den Laststromschwankungen

Ausbreitung der Storung uber das Spannungsversorgungsnetzwerk




Spannungsregler

Zout = 1gm·xR·

g01+j ω

ωc

+ 1rDS

+jωCDS

xR = R1

R1+R2, G(f) = g0

1+j ωωc

Zext = Rext + jωLext + 1jωCext

Zint = 11

Rint+jωCint




Spannungsregler

100

102

104

106

108

1010

10−2

10−1

100

101

102

103

104

105

freq, Hz

|Z|,

Ω

Z

int

Zext

Zout

ZGes

1 2 3 4 5




Power Supply Rejection Ratio

PSRR = 20 log(

uin

uout

)

= 20 log(

uP

uS

)

uP

uS=

1ZGes

gm+ 1ZDS

102

104

106

108

1010

−30

−20

−10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Frequenz, Hz

PS

RR

, dB

LDOLDO + int.Kap.LDO + int.Kap + ext.Kap.




Substratverkopplung

Simulations-Software:

EMPIRE

CST Microwave Studio




Simulationsergebnisse

100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

100

200

300

400

500

600

Distanz, um

Re(

Z),

Ω

Kontaktfläche = (50um)2, Distanz = 100um − 1000um, @ 1GHz

EMPIRE FAB1EMPIRE FAB2CST FAB1CST FAB2

Verkopplung uber Substrat, bei kleinen Abstanden und großenKontaktflachen (FAB1)




Abschatzung des Substratwiderstandes

0 0.5 1 1.5 2 2.5

x 105

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Kontaktfläche, (um)2

R, Ω

Distanz=1mm, Kontaktfläche=(50um)2 − (500um)2

EMPIRECSTKugelerder

Anordnung aus zwei Halbkugelerdern

Oberflache der Halbkugelerder entspricht der Flache der Baugruppen

R = UI

= 1πκr

· d−2rd−r




Zusammenfassung

Untersuchung

des Aggressors

des Sensors

verschiedener Verkopplungspfade




Vielen Dank fur Ihre Aufmerksamkeit



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