КМОП делитель частоты на 2 с высокой стабильностью

скважности выходного импульса

Макаров Александр Борисович

Институт Проблем Проектирования в Микроэлектронике РАН

2ИППМ 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

3ИППМ 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% ?)

4ИППМ РАН

Методы достижения скважности 50%

Пример аналоговой системы подстройки скважности

5ИППМ РАН

Основные факторы, влияющие на скважность

tp

tefef

T

tn

tpo

terer

tdfftdrr

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

6ИППМ 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

7ИППМ 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

8ИППМ 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

9ИППМ 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

10ИППМ РАН

Обоснование выбора схемы триггера ДЧ на 2

• Дифференциальные триггеры, обладая симметрией, могут обеспечить примерное равенство фронтов и задержек импульсов

11ИППМ РАН

Обоснование выбора схемы ДЧ на 2

Дифференциальные триггеры типа SSTC1

12ИППМ 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

13ИППМ РАН

Результаты моделирования, ,

№ Условия моделирования

Скважность, %

Отклонение от 50% в %

1 All3, 100 МГц 50,39 – 49,63 0,78

2 All3, 200 МГц 50,68 – 49,33 1,36

3 All3, 500 МГц 50,88 – 49,11 1,96

4 All3, 1500 МГц 50,36 – 48,94 2,12

5 All2, 100 МГц 50,63 – 49,83 1,26

6 All2, 200 МГц 50,63 – 49,83 1,78

7 All2, 500 МГц 50,63 – 49,83 4,54

All2 – Vdd=2,5В+/-10%, Т= - 45Со +125Со , все вариации техпроцесса

All3 – Vdd=3,3В+/-10%, Т= - 45Со +125Со , все вариации техпроцесса

14ИППМ 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 500-1500 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