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