автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование и развитие схемотехники цифровых последовательных интерфейсов в составе интегральных микросистем

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ СХЕМОТЕХНИКИ ЦИФРОВЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ В СОСТАВЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСИСТЕМ

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2005 г.

Работа выполнена в Институте Радиотехники и Электроники Российской Академии Наук и в ООО "Юник Ай Сиз", г. Москва

Научный руководитель:

д.т.н., профессор Адамов Ю.Ф.

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Приходько П.С. к.т.наук, Бабкин Е.Е.

Ведущая организация: ОАО "НИИМЭ и завод Микрон"

Защита состоится г. на заседании

диссертационного совета д 217^011.01 при ФГУГТ «Научно-исследовательский институт физических проблем имени Ф.В.Лукина»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «Научно-исследовательский институт физических проблем имени Ф.В.Лукина», телефон 531-46-73.

Автореферат разослан 2005 г.

Секретарь диссертационного совета

д.ф.-м.н., профессор Попков А.Ф.

4

2

1&05Ч

2 ¡90Л 92

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Подавляющее большинство современных цифровых устройств взаимодействуют между собой посредством последовательных кабельных интерфейсов. Цифровые последовательные интерфейсы (ЦПИ) обеспечивают скорости передачи информации более ЮОГбит в секунду. Развитие цифровых технологий постоянно увеличивает как объемы передаваемой информации, так и возможности систем связи. ЦПИ превращаются из отдельных микросхем в блоки сложных микросистем, занимающие лишь несколько процентов площади на кристалле ультра-БИС. Наличие ЦПИ увеличивает стоимость кристалла микросистемы также лишь на несколько процентов. При проектировании микросистемы основные затраты, связанные с использованием ЦПИ, приходятся на этапы разработки, контроля и организации применения изделий.

Методика проектирования интегральных микросистем предполагает использование разработанных заранее универсальных блоков, в том числе и блоков ЦПИ. Требования универсальности и совместимости блоков ЦПИ с другими частями микросистемы существенно меняет и маршрут проектирования. Блоки микросистемы должны обладать высокой помехоустойчивостью, синхронизироваться с другими блоками, занимать на кристалле минимальную площадь, задействовать минимальное число выводов корпуса, легко адаптироваться к изменениям технологии при переносе на другую фабрику. Почти все эти требования могут быть достигнуты путем замены аналоговых узлов на цифровые. Однако возможности такой замены очень ограничены и до конца не исследованы.

Значительную часть стоимости микросхемы составляют затраты на проведение операций аттестации и контроля. Повышение быстродействия ЦПИ до уровня гигагерц создает непреодолимые трудности для проведения контроля с применением только внешней контрольно-измерительной аппаратуры. Интегрированные в микросистему средства контроля являются единственным экономически целесообразным направлением развития методики контроля ЦПИ.

Увеличение пропускной способности интерфейсов неизбежно приводит и к расширению полосы частот сигналов, передаваемых по кабелю. Искажения широкополосных сигналов в кабеле и соединительных цепях ведут к повышению требований к параметрам

кабеля, увеличению его стоимости и сокращению дальности связи. Компенсация кабельных эффектов дешевыми электронными средствами является приоритетной задачей развития ЦПИ. Известные решения основаны на применении инерционных аналоговых фильтров и используются в ЦПИ с однонаправленным непрерывным потоком данных. Для ЦПИ с двунаправленной пакетной передачей информации проблема компенсации кабельных эффектов пока не решена.

Тема диссертации, посвященная развитию схемотехники цифровых последовательных интерфейсов в составе интегральных микросистем, является важной и актуальной.

Цели и задачи диссертации

Целью диссертационной работы является разработка методов проектирования блоков цифровых последовательных интерфейсов в составе интегральных микросистем, обладающих свойствами совместимости в микросистеме, контролепригодности и компенсации кабельных эффектов электронными средствами.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

1. Проведен анализ известных технических решений и современных методов проектирования цифровых последовательных интерфейсов и микросистем.

2. Предложен комплекс новых технических решений на основе цифровой схемотехники, повышающих помехоустойчивость ЦПИ и совместимость в микросистеме.

3. Разработана методика ускоренной адаптации и функциональней верификации аналоговых блоков при переводе на новые технологии.

4 Предложена концепция одновременного проектирования двух кристаллов: рабочей микросистемы, а также аттестационного спутника, предназначенного только для создания нестандартного стенда функционального контроля этой микросистемы.

5. Разработаны функциональные и электрические схемы новых блоков электронной компенсации кабельных эффектов. Предложена структура регенератора кабельных сигналов, использующая новые технические решения.

6. Выполнена патентная защита новых технических решений.

7. Эффективность предложенных методов проектирования и новых технических решений показана на примерах разработки реальных проектов.

Научная новизна полученных результатов

1. Предложена новая методика адаптации аналоговых блоков к изменению технологии, включающая масштабное преобразование топологии, функциональную верификацию схемы путем моделирования с учетом паразитных емкостей и сопротивлений физической структуры БИС.

2. Новая концепция проектирования аттестационного спутника одновременно с рабочим кристаллом микросистемы решает сложную задачу аттестации и функционального контроля БИС, включающих гигабитные ЦПИ.

3. Разработаны функциональные и электрические схемы новых безинерционных эквалайзеров широкополосных сигналов. Схемы трансмиттерного и ресиверного эквалайзеров построены на основе цифровой схемотехники и предназначены для компенсации кабельных эффектов в ЦПИ с двунаправленной пакетной передачей информации.

4. Разработана новая схема устройства синхронизации потока входных данных, построенная только на цифровых элементах и обеспечивающая помехоустойчивую обработку широкополосных импульсных сигналов.

Практическая значимость результатов работы

1. Разработаны рекомендации по уменьшению искажений аналоговых сигналов в высокочастотных БИС конструктивно-схемотехническими средствами на основе исследований тестовых кристаллов и моделей аналого-цифровых устройств.

2. Технические решения, полученные в диссертации, обеспечили создание ряда изделий электронной техники с параметрами на уровне мировых достижений. Результаты практических разработок отражены в Актах внедрения.

3. Патенты и заявки на изобретения обеспечивают патентную защиту новых изделий электронной техники.

4. Результаты диссертации используются в учебной программе по курсу "Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств" в Московском Государственном техническом университете имени Н. Э. Баумана.

Методика исследований и достоверность результатов

Разработанные в диссертации методы проектирования основаны на теории цифровых автоматов и теории дискретных систем связи.

Для решения поставленных задам использованы методы компьютерного моделирования, макетирования ЦПИ в составе тестовых кристаллов и их экспериментального исследования.

Разработанные методы проектирования требуют использования распространенных программ моделирования и персональных компьютеров.

Достоверность полученных теоретических результатов и разработанных моделей обусловлена их согласием с известными положениями физики полупроводниковых приборов и теории электрических цепей, а также подтверждается экспериментальными исследованиями. Достоверность новых схемотехнических решений подтверждена при проведении экспертизы заявок на изобретения. Адекватность использованных моделей элементов подтверждена их применением на предприятиях электронной промышленности при разработке новых изделий. Возможность применения рекомендаций по проектированию подтверждена их успешным использованием при разработке новых изделий электронной техники.

Внедрение результатов работы

Основные результаты диссертации в полном объеме использованы в ООО "Юник Ай Сиз", г. Москва, при выполнении ОКР по разработке трех новых изделий электронной техники. Основные принципы работы ЦПИ включены в учебный план по курсу "Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств" в МГТУ им Н.Э Баумана.

Эффективность предложенных технических решений подтверждена при их внедрении в новые изделия электронной техники, разработанные в ООО "Юник Ай Сиз":

а) Приемопередатчик универсальной последовательной шины для связи между компьютером и периферийными устройствами (USB версии 2.0);

б) Передатчик видеоданных стандарта DVI (Digital Visual Interface);

в) Активный кабельный повторитель для интерфейсов версии USB 1.1

Положения, выносимые на защиту

1. Многократное сокращение времени расчетов для высокочастотных (>200 МГц) аналоговых блоков при сохранении точности вычислений достигается использованием интегрированных R-C эквивалентов проводников в модели аналогового блока. Определены требования к

САПР БИС, автоматически синтезирующей модель блока, включающую R-C эквиваленты. Требования реализованы в САПР AVOCAD.

2. Для сокращения затрат на подготовку производства высокочастотных микросхем требуется создание БИС аттестационного спутника, включающего специализированные контрольные блоки для полноценного функционального контроля создаваемой микросистемы.

3. Искажения сигналов на входах БИС уменьшаются при использовании новых элементов защиты от электростатических разрядов с уменьшенной электрической емкостью мощных ключевых транзисторов. Уменьшение размеров и емкости ключевых транзисторов в два раза, при сохранении их сопротивления, достигается введением схемы управления, открывающей одновременно два ключа (к шинам питания и заземления) при любом направлении разрядного тока.

4. Новые схемы трансмиттерного и ресиверного эквалайзеров, не использующие аналоговых фильтров, обеспечивают компенсацию искажений широкополосных сигналов в линиях связи, характерных для интерфейсов с двунаправленной пакетной передачей информации.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих научно-технических конференциях:

1. XLVII научная конференция Московского физико-технического института, Московская область, Долгопрудный, 2004 г.

2. 12-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2005", Москва, Зеленоград, 2005 г.

3. Всероссийская научно-техническая конференция "Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2005" (МЭС-2005), Московская область, Истринский район, 2005 г.

Публикации

Результаты диссертации опубликованы в 5 научных статьях и 4 тезисах докладов на научных конференциях. Новые технические решения защищены двумя патентами на изобретения и полезные модели и 7 заявками на изобретения.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, содержащего акты внедрения результатов работы, списка использованных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой задачи, сформулированы цели и предмет исследования, определены основные вопросы, требующие рассмотрения и анализа в диссертации. Отмечено, что развитие цифровых последовательных интерфейсов идет в направлении их интеграции в микросистемы. При этом необходимо решить четыре основных проблемы разработки ЦПИ:

■ совместимость в микросистеме и адаптация к новым технологиям при многократном использовании;

■ помехоустойчивость блоков ЦПИ при совместной работе с другими блоками микросистем;

■ повышение эффективности функционального контроля высокоскоростных ЦПИ в составе микросистем;

■ снижение стоимости и увеличение дальности цифрового кабельного канала связи.

В первой главе сделан обзор наиболее распространенных ЦПИ, определены их основные параметры, выполнен анализ тенденций развития цифровой кабельной связи.

Поскольку работа ЦПИ непосредственно связана с распространением сигналов по кабелю, в первой главе дан обзор эффектов воздействия кабеля на электрические импульсы. Приведены формулы для оценки искажений сигналов, эквивалентная схема кабеля для компьютерного моделирования линии связи и сделаны количественные оценки затухания сигналов в кабеле.

На основе анализа современного состояния развития цифровых кабельных систем связи выделены важнейшие проблемы, связанные с интеграцией ЦПИ в состав микросистем. Все проблемы связаны с возможностями ключевых элементов систем цифровой связи и ограничениями интегральных микросистем.

Первый ключевой элемент - это формирователь импульсов с цепями согласования импедансов. Во множестве случаев ЦПИ должен поддерживать несколько скоростей или режимов работы. При этом в состав формирователя включаются несколько выходных каскадов, работающих поочередно (USB 2.0), или внутренний управляемый источник напряжения, к которому подключаются согласующие резисторы (IEEE 1394). Переключение скоростей может сопровождаться и переключением нагрузочных согласующих элементов (USB 2.0). Все эти управляющие блоки, входные каскады приемников, элементы защиты от электростатических разрядов и выводы корпуса

вносят свой вклад во входную емкость микросхемы. Расчет формирователей выполняется с учетом воздействия на сигнал всех паразитных элементов. Фронты выходных сигналов должны иметь заданную длительность, а выходной импеданс нормированное значение.

Второй ключевой элемент - блок входных компараторов, которых обычно несколько в каждом последовательном канале ЦПИ. Компараторы включаются по очереди в зависимости от режима работы приемника. Для борьбы с помехами в линии связи компараторы могут иметь гистерезисную передаточную характеристику. Входные компараторы наиболее чувствительны к помехам в цепях питания и подложке микросхемы. Проектирование компараторов осуществляется по правилам разработки аналоговых схем, включающим статистический анализ, формирование топологии в форме центроидов, экранирование подложечных помех, разделение цепей питания.

Третий ключевой элемент - блок синхронизации входного потока данных. Частоты синхросигналов в приемнике и передатчике всегда немного отличаются. Импульсы в линии связи искажаются. Блок синхронизации должен восстановить в приемнике как сигналы данных, так и синхросигнал записи этих данных. Традиционно эта задача решается с использованием аналоговых адаптивных узлов. Аналоговые схемы имеют низкую помехоустойчивость к внутренним шумам микросистемы и не переносятся на другую технологию. Методика проектирования универсальных блоков синхронизации, переносимых на новые технологии, в литературе не описана.

Четвертый ключевой элемент - это встроенные средства контроля ЦПИ. Функциональный контроль высокоскоростных ЦПИ обычно осуществляется с применение нестандартных стендов. Для оснащения таких стендов выпускаются специальные контрольные блоки -трэйсеры. Однако, применение трейсеров предполагает, что в микросхеме имеется доступ как к параллельным, так и к последовательным портам ЦПИ. В микросистемах параллельные порты обычно недоступны. Контрольный блок придется проектировать и изготовить индивидуально для каждой микросистемы. Для облегчения процесса аттестации проекта и контроля изделий в состав микросистемы дополнительно включают встроенные контрольные блоки. Встроенные контрольные блоки не могут заменить нестандартный стенд, однако облегчают доступ к внутренним узлам микросистемы.

Анализ проблем объединения цифровых последовательных интерфейсов в составе интегральных микросистем определил основные направления развития схемотехники их ключевых элементов:

■ Разработка методики ускоренной адаптации аналоговых блоков к новой технологии.

■ Улучшение помехоустойчивости и обеспечение совместимости в микросистеме блока восстановления данных и синхросигнала за счет реализации всех функций в цифровой форме.

■ Уменьшение входной емкости высокочастотных последовательных портов.

* Разработка схем коррекции сигнала в кабеле.

■ Обеспечение контролепригодности интегрированных ЦПИ и микросистемы в целом на этапе разработки и аттестации проекта. Во второй главе проводится исследование узлов формирования и

регистрации сигналов в кабеле. Все узлы, непосредственно подключенные к кабелю, входят в состав последовательных портов приемопередатчиков и регенераторов сигналов. К ним относятся элементы согласования импедансов, элементы защиты от электростатических разрядов, входные асинхронные пороговые компараторы, детекторы среднего уровня, выходные формирователи, эквалайзеры.

Электрические схемы входных компараторов и выходных формирователей существенно не изменяются при включении интерфейсов в состав микросистем. Базовые технические решения описаны в литературе. Проблема в том, что эти узлы по определению являются аналоговыми. Даже современные системы проектирования не обеспечивают создание методик, безусловно гарантирующих успех разработки аналоговых и аналого-цифровых микросхем. В работе рассмотрены известные методы конструктивно-схемотехнического проектирования аналоговых узлов, улучшающие воспроизводимость параметров и повышающие помехоустойчивость.

Методология проектирования микросистем не допускает раздельную разработку оригинальных блоков и их аттестацию в тестовых кристаллах. Все блоки необходимо аттестовать непосредственно в составе микросистемы. При этом итерационные коррекции схемы и конструкции недопустимы. В процессе определения состава микросистемы предпочтение отдается блокам, уже проверенным в других проектах или тестовых кристаллах. Цифровые блоки легко переносятся с одной технологии на другую с

использованием только автоматических средств САПР. Параметры аналогового блока и технология его изготовления связаны в единый комплекс. При изменении проектных норм, модернизации техпроцесса или переносе разработки на другую фабрику приходится заново оптимизировать электрическую схему аналогового блока с целью достижения требуемых параметров. В диссертации предложена новая методика ускоренной параметрической оптимизации и функциональной верификации аналоговых и аналого-цифровых блоков при смене технологии их изготовления.

Методика рассчитана на применение унифицированных * технологических процессов изготовления КМОП микросхем с

проектными нормами не менее 0.18 мкм. Унификация процессов по составу фотошаблонов и набору элементов физической структуры позволяет формально перенести проект с одной фабрики на другую, используя только автоматические преобразования топологической информации (коррекция размеров и масштабирование). Электрические параметры конструктивных элементов и всего блока могут при этом существенно измениться.

На первом этапе параметрической оптимизации выполняются два-три масштабных преобразования исходной топологической информации. Затем в автоматическом режиме вычисляются параметры элементов схемы для всех вариантов топологии блока.

На втором этапе выполняется расчет основных электрических параметров для всех вариантов. На основе расчетов строятся аппроксимирующие зависимости выходных электрических параметров от коэффициентов масштабирования. Далее определяется коэффициент масштабирования топологии, обеспечивающий комплекс электрических параметров, наиболее близкий к требованиям спецификации на проект. Причем, возможен вариант, при котором разные фрагменты аналогового блока будут иметь разные коэффициенты масштабирования.

На третьем этапе выполняется разработка топологии аналогового р блока в соответствии с прогнозом, полученным на втором этапе, а также

расчет выходных электрических параметров. Решение о возможности использования масштабированного аналогового блока должно ~ приниматься на основе результатов моделирования его работы в составе

микросистемы.

Если расчетные параметры масштабированного блока не удовлетворяют требованиям спецификации, то потребуется повторение процедуры с другим проектом или разработка собственного

оригинального блока. Однако в большинстве случаев путем масштабирования аналоговых блоков можно добиться удовлетворительного результата всего за несколько дней.

Этот простой и очевидный метод коррекции параметров аналоговых блоков не получил широкого распространения потому, что отсутствовала методика адекватного моделирования аналоговых схем с субмикронными размерами элементов. Ключевым в методике является этап функциональной и параметрической верификации масштабированного аналогового блока. Моделирование схемы на этом этапе выполняется с учетом паразитных емкостей и сопротивлений проводников. При этом число узлов электрической схемы может *

возрасти многократно. Программа экстракции представляет каждый прямоугольный участок проводника и каждый переход между уровнями металлизации в виде отдельных резистивных и емкостных элементов. Модель одного проводника может содержать десятки и сотни последовательно включенных И/С ячеек. Моделирование электрической схемы требует много времени и огромные вычислительные ресурсы. Схема требует упрощения. После экстракции параметров паразитных элементов из топологии электрическая схема должна быть отредактирована автоматическими средствами. В модели первого приближения сопротивления проводников вообще не учитываются, а емкости всех участков одного проводника объединяются в одном конденсаторе. В этом приближении число узлов в схеме вообще не увеличивается. Однако в субмикронных технологиях влияние сопротивлений проводников на параметры аналоговых блоков может быть очень значительным.

На первом этапе коррекции электрической схемы объединяются все резисторы в каждой ветви проводника. Если ветвления проводника нет, то резистор остается всего один. На втором этапе обнуляются сопротивления, которые много меньше выходных сопротивлений управляющих каскадов. Пороговые величины для обнуления резисторов могут быть заданы пользователем или определены автоматически. Например, при ширине п-канального МОП-транзистора 10 мкм его сопротивление не может быть меньше 300 Ом. Сопротивление проводника, подключенного к истоку или стоку, может не учитываться при величине менее 30 Ом. На третьем этапе ветви проводников с резисторами заменяются П-образной эквивалентной схемой с одним последовательным резистором и двумя конденсаторами, подключенными к проводнику и общей шине. Далее все конденсаторы в

одном узле схемы объединяются. Так мы получаем более точную модель второго приближения.

Проверка методики выполнена на примере блока высокочастотного синхрогенератора, разработанного для технологии с проектными нормами 0.25 мкм. При переносе проекта на технологию с нормами 0.18 мкм обнаружено большое расхождение измеренных параметров с результатами расчетов на основе модели первого приближения. Использование новой методики позволило подтвердить экспериментальные результаты и осуществить коррекцию электрической схемы синхрогенератора.

Анализ распределения входной емкости последовательных портов показал, что наибольший вклад дают элементы защиты от электростатических разрядов (ЭСР). Для выводов микросхем, подключаемых к кабелю, устанавливаются более жесткие требования к защите от ЭСР. Обычно назначается величина допустимого потенциала ЭСР 4000 В.

Для снижения емкости элементов защиты от ЭСР в диссертации предложены новая методика моделирования и новая электрическая схема элемента защиты от ЭСР. Новая методика включает: • Правила подготовки эквивалентной трактовой схемы для моделирования режимов ЭСР. Трактовая схема должна включать не только схемотехнические элементы, но и паразитные элементы физической структуры микросхемы. При воздействии ЭСР через кабель все выводы микросхемы уже соединены с платой. В трактовую схему следует включить элементы согласования, защиты и фильтрации, подключенные к выводам микросхемы на плате.

■ Режимы моделирования ЭСР. Моделирование проводится в динамическом режиме для втекающего и вытекающего разрядных токов. Расчеты проводятся для двух моделей разрядных источников. Первая модель - это модель человеческого тела. Именно для нее устанавливается уровень стойкости к ЭСР - 4000 В. Вторая модель - модель кабеля. Стойкость к разряду через кабель указывается в справочном листе отдельно.

■ Модели паразитных биполярных транзисторов, интегрированных в структуру КМОП микросхемы. Барьерные емкости р-п переходов паразитных транзисторов уже учтены в моделях МОП-транзисторов. Масштабные токи, сопротивления и коэффициенты передачи токов должны быть измерены на тестовых структурах. Приведены типовые значения этих параметров.

Расчеты по новой методике дают результаты, позволяющие прогнозировать значительное увеличение допустимого потенциала ЭСР без изменения самих элементов защиты. Это увеличение получается за счет учета дополнительных путей протекания разрядного тока, которые не рассматривались в традиционной методике.

Основным недостатком простого двухтранзисторного элемента защиты является то, что в режиме ЭСР открывается только один из транзисторов. В диссертации предложен новый четырехтранзисторный элемент защиты, у которого в режиме ЭСР открываются два мощных транзистора, а сопротивление в цепи разрядного тока уменьшается вдвое. На рис. 1 приведена трактовая схема моделирования режима ЭСР для последовательного порта, включающего новый элемент защиты.

Рис. 1. Электрическая схема нового элемента защиты от ЭСР

Использование нового элемента защиты от ЭСР позволило при заданном разрядном токе уменьшить его электрическую емкость почти вдвое. Если учесть результаты прогноза стойкости к ЭСР по новой методике, то можно достичь уменьшения емкости элемента защиты

более чем в три раза. При этом суммарная входная емкость последовательного порта уменьшится почти вдвое.

Эквалайзеры - это дополнительные электронные блоки цифровых последовательных интерфейсов, осуществляющие коррекцию формы электрических импульсов с целью повышения достоверности передаваемой информации. Трансмитгерные эквалайзеры модифицируют форму передаваемых импульсов, ресиверные -принимаемых импульсов. Сложность в проектировании эквалайзеров состоит в том, что заранее неизвестны параметры используемого кабеля.

Частотная зависимость коэффициента ослабления сигнала в кабеле приводит к искажению формы импульсов и межсимвольной интерференции (рис 2). Если ограничиться первым приближением частотной зависимости, то коэффициент ослабления можно считать пропорциональным квадратному корню частоты сигнала. Во всех известных схемах эквалайзеров используется именно первое приближение.

Проблема эквалайзеров практически решена для ЦПИ с непрерывным однонаправленным потоком информации. В системах кабельной связи с двунаправленной пакетной передачей эквалайзеры пока не используются. В рамках действующих спецификаций можно улучшить качество сигналов в кабеле, а также увеличить его длину. Для этого в диссертации предложены два базовых решения. Во-первых, повысить достоверность приема сигнала без коррекции его амплитудно-частотной характеристики. Повышение достоверности приема достигается за счет применения синхронного ресиверного эквалайзера

Рис. 2. Искажение формы сигнала в кабеле

(рис. 3), совмещенного с блоком синхронизации входного потока. Во-вторых использовать двунаправленные регенераторы-повторители с асинхронными трансмитгерными эквалайзерами. Повторители могут формировать удобную для передачи форму сигналов без соблюдения требований спецификаций. При этом на концах кабеля восстанавливаются стандартные сигналы интерфейсов, а адаптированные сигналы передаются только между повторителями. Возможно и применение кабеля, не соответствующего спецификации на интерфейс.

уУоп!

1 и 2 - компараторы с дифференциальными входами и смещенными порогами срабатывания. 3 и 4 - модули синхронизации. 5 - логический блок.

Рис. 3. Структурная схема входного блока приемника с синхронным

эквалайзером

Интеграция блоков ЦПИ в состав микросистем требует ряда изменений в маршрут проектирования узлов формирования и регистрации сигналов:

■ Функциональная верификация аналоговых и аналого-цифровых блоков должна выполняться с использованием эквивалентной схемы второго приближения. Адекватность моделирования с использованием схемы второго приближения подтверждена

экспериментально для технологий с нормами не менее 0.18 мкм. И аналоговых узлов с рабочей частотой до 800 МГц.

■ Перенос аналоговых блоков на новую технологию можно многократно ускорить, используя методику масштабного преобразования топологии и последующую верификацию схемы на основе модели второго приближения.

■ Снижение входной емкости последовательных портов ЦПИ достигается путем применения новых элементов защиты от ЭСР и новой методики моделирования режима ЭСР.

■ Проблема увеличения дальности связи для ЦПИ с двунаправленной пакетной передачей информации решается путем применения новых схем сигнальных эквалайзеров.

Третья глава посвящена построению модулей синхронизации входного потока данных. В структуре ЦПИ эти функции выполняют модуль восстановления данных и синхросигнала записи данных (ВДС), а также модуль высокочастотного синхрогенератора. В традиционных методиках проектирования систем связи модули синхронизации строятся с использованием как цифровых, так и аналоговых схемотехнических элементов. Именно аналоговые элементы создают наибольшие трудности при их интеграции в микросистемы. Технические решения, описанные в главе 3, направлены на исключение аналоговых элементов из структуры модулей синхронизации.

В ЦПИ с непрерывным потоком данных (DVI, Giga STaR) нет жестких требований к времени вхождения системы в синхронизм. При пакетной передаче синхронизм должен быть достигнут за время передачи короткой синхропосылки, предваряющей каждый пакет. Поэтому в работе рассматривается наиболее сложные для синхронизации протоколы USB 1.1 и USB 2.0.

В известных модулях синхронизации используются многофазный синхрогенератор и модуль ВДС с трехфазным детектором. Детектор на каждом такте синхросигнала приемника вырабатывает признаки UP и DOWN, указывающие расхождение фаз синхросигналов приемника и передатчика. Модуль ВДС корректирует фазу синхросигнала записи данных с использованием аналоговой линии задержки или фазовращателя. Синхронизация требует высокого быстродействия всех элементов модуля.

Новое решение для модуля ВДС не использует трехфазный детектор. Многофазный синхросигнал опрашивает группу входных

триггеров (рис 4), Причем, длительность однократно записанного кадра больше периода синхросигнала.

Полученный таким образом входной код анализируется и переписывается в параллельный буферный регистр. Выделенные информационные биты переписываются в буферную память типа FIFO. Чтение данных из FIFO осуществляется уже по байтам под управлением синхрогенератора приемника. Согласование частот синхросигналов приемника и передатчика выполняется за счет того, что анализатор входного кода может записывать в FIFO разное число бит. В новом модуле ВДС используются только цифровые элементы и ни один вентиль не работает на частоте выше частоты синхросигнала. В диссертации описан вариант ВДС, в котором фазовая развертка охватывает два периода синхросигнала.

Синхрогенераторы также традиционно реализуются с использованием аналоговых элементов. Новый модуль синхрогенератора построен только на цифровых элементах. В модуле использованы цифровая система фазовой автоподстройки частоты и кольцевой генератор, управляемый цифровым кодом. Частота кольцевого генератора изменяется коммутацией весовых конденсаторов. Высокие точность и скорость перестройки

синхрогенератора обеспечиваются двумя контурами обратной связи для быстрой грубой и точной настройки частоты.

В диссертации разработаны алгоритм работы, модель и практическая схема модуля ВДС, построенного только на цифровых элементах и легко адаптируемого к новым проектам и технологиям. Составлен список требований к параметрам других модулей синхронизации. Эти требования учитывают возможности построения всех модулей на основе цифровой схемотехники и значительно слабее требований к аналоговым элементам.

В четвертой главе рассмотрены вопросы контролепригодного проектирования ЦПИ в составе микросистем.

С уменьшением размеров элементов и увеличением сложности БИС усложняются процессы аттестации проектов и производственного контроля изделий. Интерфейсы связи между микросхемами работают уже с гигагерцовыми частотами сигналов. Разработки новых БИС опережают развитие контрольно - измерительной аппаратуры. Обычное решение этой проблемы состоит в применении встроенных средств контроля. Встроенные в кристалл контрольные блоки используются для дополнительной обработки сигналов (мультиплексирование, накопление, вычисление контрольных сумм и т.д.). Внешнее контрольно - измерительное оборудование управляет совместным функционированием основных и дополнительных блоков БИС, а также анализирует низкочастотные выходные сигналы встроенных средств контроля.

Проектирование встроенных средств контроля выполняется одновременно с разработкой основной функциональной схемы. При этом требования экономической эффективности проекта ограничивают площадь дополнительных контрольных блоков величиной, составляющей не более 10% от площади основных.

Для БИС с числом логических элементов более миллиона вступают в силу ограничения на число внешних выводов корпуса.

Расширение функций сложных БИС возможно только за счет организации шинной структуры сигнальных связей и программирования назначения выводов. Для этого на кристалле БИС должен быть управляющий микропроцессор.

В микросистемах каждый блок может иметь свои встроенные средства контроля. Объединение встроенных средств контроля в единую систему - это задача, которая может не иметь эффективного решения с учетом ограничений конструкции БИС. Разработка на том же

кристалле дополнительной системы контроля, функционирующей параллельно основной, противоречит идеологии микросистем. Решением этой проблемы может быть создание аттестационного спутника (АС). АС - это другая дополнительная микросхема, которая разрабатывается одновременно с основной и включает необходимые встроенные средства контроля. При разработке АС могут не учитываться ограничения на площадь кристалла и число дополнительных выводов. В серийное производство АС не запускается. Аттестационный спутник - это одна система, а не две, так как он функционирует только в режиме проверки работоспособности основной БИС.

Большинство полупроводниковых фабрик поддерживают разработки новых микросхем, регулярно запуская опытные партии, объединяющие на одной пластине много проектов. Из каждой опытной партии разработчики получают от нескольких десятков до сотни микросхем. Участие в опытной партии стоит в 10-20 раз меньше, чем подготовка серийного производства. Изготовив АС в опытной партии по тому же технологическому маршруту, что и основное изделие, мы получим достаточное количество образцов для аттестации проекта и изготовления стендов функционального контроля.

Отсутствие ограничений на площадь позволяет реализовывать на кристалле интегрированный стенд функционального контроля вместе с исследуемой БИС. При этом могут использоваться достаточно сложные и универсальные блоки. На этапе аттестации проекта достаточно активизировать плату с микросхемой АС и проанализировать выходные данные на соответствие заложенного алгоритма контроля. При получении аттестованных образцов АС эти микросхемы можно использовать и в стендах производственного функционального контроля в качестве источников воздействующих сигналов и анализаторов выходных сигналов. АС позволяют снизить требования к быстродействию внешних логических анализаторов или вообще обойтись без них.

Для построения АС необходимы специальные блоки. Во-первых, блок кодовых воздействий, включающий функциональные узлы высокочастотного синхрогенератора, сверхоперативной памяти, кодового генератора. Во-вторых, блок логического анализатора. В-третьих, устройство управления. И в-четвертых, интерфейсы к внешним устройствам и к интегрированной микросистеме.

Реализовать идею аттестационного спутника в структуре БИС можно только при наличии универсальных контрольных блоков. Контрольные блоки для АС должны разрабатываться и аттестовываться заранее, обеспечиваться документацией и поведенческими моделями в соответствии с идеологией микросистем.

С целью создания системы проектирования аттестационных спутников разработан универсальный контрольный блок с условным названием «Мегаскоп», предназначенный для аттестации и функционального контроля цифровых устройств. Базовый комплект блока включает:

а) Аппаратную часть, представленную в виде автоматически синтезируемого описания на языке Verilog HDL.

б) Программную часть, обеспечивающую управление блоком и анализ результатов с использованием стандартных интерфейсов.

в) Поведенческую модель на языке Verilog HDL, предназначенную для моделирования работы АС и получения контрольных эпюр сигналов.

Аппаратная часть блока «Мегаскоп» имеет модульную структуру и допускает расширение функций путем введения дополнительных функциональных модулей. Базовый комплект включает следующие модули:

а) Синхрогенератор с максимальной частотой до 200МГц,

б) Кодовый генератор сигналов с частотой до ЮОМгц.

в) Регистратор логических сигналов с частотой записи до 1 ООМгц.

г) Интерфейс связи с персональным компьютером.

д) Интерфейс к исследуемой цифровой системе.

Работа блока «Мегаскоп» проверена на макетной плате фирмы Altera " Apex 20КЕ PCI Development Board", реализованной на основе ПЛИС сложностью 400 тыс. вентилей. С использованием этой платы макетировался аттестационный спутник для контролера интерфейса USB 2.0. Для построения контрольного блока в библиотеке элементов ПЛИС потребовалось около 100 тыс. эквивалентных вентилей, то есть четверть объема ПЛИС.

На этапе функциональной верификации проекта с использованием контрольного блока удалось многократно снизить уровень перемежающихся отказов контроллера USB 2.0.

В пятой главе раскрывается применение новых методов проектирования при разработках микросхем, включающих в свой состав блоки цифровых последовательных интерфейсов.

Для передачи USB сигналов на большие расстояния (до 40 метров) представлено новое техническое решение, не имеющее аналогов, как в России, так и зарубежом. В отличие от существующих системных решений состоящих из большого набора микросхем или использования дорогостоящих хабов разработанный "USB кабельный повторитель" состоит из кабеля и двух одинаковых микросхем встроенных в разные концы кабеля (рис. 5).

Рис. 5. USB кабельный повторитель

Неискаженная передача импульсных сигналов по длинному кабелю достигается за счет преобразования уровней сигналов, обеспечения согласования импедансов приемника и передатчика, а также автоматического управления направлениями передачи информации по кабелю.

Микросхема - ретранслятор передает данные с использованием импульсных сигналов меньшей амплитуды порядка 500 мВ по сравнению с амплитудой сигнала контроллера и устройства 3.3 В. Поскольку выходной импеданс микросхемы - ретранслятора выбирается равным (45^55)Ом, то есть равным импедансу кабеля, то в устройстве обеспечивается надежная передача данных без отражения сигналов. Уменьшение амплитуды сигнала выдаваемого в длинный кабель, обеспечивает меньшую потребляемую мощность и меньшую генерацию помех в устройстве. Малая потребляемая мощность микросхем позволяет исключить внешний источник питания и работать от питания передающегося по USB кабелю. Основные параметры микросхемы приведены в табл. 1.

Таблица 1. Основные параметры микросхемы

Размер Ток потребления Задержка микросхемы Амплитуда сигналов в линии Выходной импеданс микросхемы Максимальная длина кабеля Скорости обмена данными

1.4 мм2 20-26 мА 13.5 не 450-500 мВ 45-55 Ом 40м 12 Мбит/с, 1.5 Мбит/с

Микросхема "USB кабельный повторитель" имеет положительное решение о выдаче Патента Российской Федерации на Изобретение по заявке № 2003111440/09(012353) от 22 апреля 2003 г. и поступила в массовое производство.

По технологии 0.18мкм разработана микросхема DVI передатчика (рис. 6) включающая трансмиттерный эквалайзер. Кристалл прошел тестирование и измерение базовых параметров на частотах от 250МГц до 1.2ГГц и признан удовлетворяющим техническому заданию.

Рис. 6. Топологический чертеж DVI передатчика

Основные параметры микросхемы приведены в табл. 2.

Технология Размер кристалла Ток потребления Амплитуда выходных сигналов Частота передачи Опорная частота

0.18 мкм , 2 6 ММ 200-250 мА 400-600 мВ 250-1200 Мбит/с 25-120 МГц

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным результатом диссертации является разработка новых методов проектирования блоков цифровых последовательных интерфейсов в составе интегральных микросистем.

На основании исследований методов интеграции ЦПИ в микросистемы получены наиболее существенные результаты:

1. Новая схема устройства синхронизации потока входных данных легко переносится с одной технологии на другую и обладает высокой помехоустойчивостью за счет применения в структуре только цифровых элементов.

2. Новая методика адаптации аналоговых блоков к изменениям технологии позволяет ускорить в несколько раз процесс их интеграции в микросистемы.

3 Новая методика функциональной верификации аналоговых блоков на основе эквивалентной схемы второго приближения обеспечивает адекватное моделирование субмикронных высокочастотных устройств. Экспериментально подтверждена достоверность расчетов для КМОП микросхем с проектными нормами не менее 0.18 мкм. и рабочими частотами до 800 МГц.

4. Предложена новая концепция аттестации и функционального контроля микросистем с использованием аттестационного спутника. Разработаны базовые блоки для построения аттестационных спутников цифровых микросистем.

5. Предложены новые технические решения, обеспечивающие повышение помехоустойчивости, уменьшение площади и улучшение электрических параметров ЦПИ:

■ новая схема элемента защиты от ЭСР;

■ новая схема трансмиттерного эквалайзера; * новая схема ресиверного эквалайзера.

6. Результаты практических разработок отражены в Актах внедрения. Новизна технических решений подтверждена патентами на изобретения и полезные модели, а также положительными заключениями патентной экспертизы.

7. Результаты диссертации используются в учебной программе по курсу "Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств" в Московском Государственном техническом университете имени Н. Э. Баумана.

8. Результаты диссертации опубликованы в 5 научных статьях. Новые технические решения защищены двумя патентами на изобретения и полезные модели и 7 заявками на изобретения.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1. Шевченко Е.А., Сомов O.A., Методика проектирования цифровой системы фазовой автоподстройки частоты, Сборник статей под общей редакцией В. Б. Стешенко "Проектирование систем на кристалле, СБИС и систем на ПЛИС.", 2004 г., стр. 24-31.

2. Адамов Ю.Ф., Сомов O.A., Шевченко Е.А., Системы на кристалле в современной электронике, журнал "Микросистемная техника", 2004 г., № 5, стр. 34-38.

3. Адамов Ю.Ф., Сомов O.A., Шевченко Е.А., Современная технология и производство систем на кристалле, журнал "Микросистемная техника", 2004 г., № 6, стр. 28-31.

4. Адамов Ю.Ф., Сомов O.A., Шевченко Е.А., Синхронизация и связность сигналов в системах на кристалле, журнал "Микросистемная техника", 2004 г., № 9, стр.

5. Адамов Ю.Ф., Шевченко Е.А., Сомов O.A., Дроздов A.C., Устройство для передачи данных между компьютером и периферийными устройствами, Положительное решение о выдаче Патента Российской Федерации на Изобретение по заявке № 2003111440/09(012353) от 22 апреля 2003 г.

6. Адамов Ю.Ф., Шевченко Е.А., Сомов O.A., Дроздов A.C., Интегральная схема кольцевого генератора, Патент Российской Федерации на полезную модель, № 31083, по заявке от 10 июля 2003 г.

7. Губин Я.С., Сомов O.A., Шевченко Е.А., Синхронизация сложнофункциональных блоков в системах на кристалле, XLVII научная конференция МФТИ, Москва, Долгопрудный, 2004 г., Тезисы докладов, стр. 117-118.

8. Губин Я.С., Сомов O.A., Шевченко Е.А., Разработка аналогового блока приемопередатчика высокоскоростного проводного интерфейса IEEE1394, XLVII научная конференция МФТИ, Москва, Долгопрудный, 2004 г., Тезисы докладов, стр. 119-120.

9. Шевченко Е.А., Сомов O.A., Губин Я. С., Проектирование синхрогенератора с цифровой ФАПЧ для системы на кристалле, XLVII научная конференция МФТИ, Москва, Долгопрудный, 2004 г., Тезисы докладов, стр. 121-123.

10. Адамов Ю.Ф., Губин Я.С., Сибагатуллин А.Г., Сомов O.A., Аналоговые блоки в системах на кристалле, журнал ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 2004 г., № 8, стр. 48-51, 2005 г., №1, стр. 7073.

11. Сомов O.A., USB кабельный повторитель, 12-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2005", Москва, Зеленоград, 2005г., Тезисы докладов, стр.115.

Подписано в печать:

Заказ Тираж/Й8кз. Уч.-изд.л. Формат 60x84 1/16

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ (ТУ).

* 2202 f

РНБ Русский фонд

2006-4 18054

Введение.

Глава 1. Современный уровень и перспективы развития цифровых последовательных интерфейсов

1.1 Основные группы ЦПИ и области их применения.

1.2 Перспективы развития ЦПИ.

1.3 Проблемы проектирования ЦПИ.

1.3.1 Ограничения интерфейсов.

1.3.2 Кабельные эффекты.

1.4 Выводы к Главе 1.

Глава 2. Формирование и регистрация сигналов в кабеле

2.1 Моделирование сигналов в кабеле.

2.2 Эквалайзеры - электронные средства компенсации искажений сигналов в кабеле.

2.2.1 Эквалайзеры в системах связи с непрерывным однонаправленным потоком информации.

2.2.2 Эквалайзеры в системе связи с двунаправленной пакетной передачей информации.

Ш 2.3 Элементы защиты от ЭСР.

2.3.1 Расчет стандартного элемента защиты от электростатических разрядов.

2.3.2 Расчёт входной ёмкости.

2.3.3 Расчет стандартного элемента защиты от ESD с учётом влияния паразитных биполярных транзисторов.

2.3.4 Расчет нового элемента защиты от ESD с помощью разработанной методики моделирования.

2.3.5 Топологические чертежи.

2.4 Выводы к Главе 2.

Глава 3. Помехоустойчивая цифровая обработка высокочастотных сигналов в ЦПИ

3.1 Блок CDR.

3.2 Блоки синхронизации.

3.2.1 Блок инициализации (начальных установок) схем синхронизации.

3.2.2 ФАПЧ с генератором, управляемым цифровым кодом.

3.2.2.1 Кольцевой генератор, управляемый цифровым кодом (ГУК), с многофазным выходом.

3.2.2.2 Частотный детектор.

3.2.2.3 Апериодический цифровой частотно-фазовый детектор.

3.2.2.4 Цифровой фильтр и цифровой интегратор с ограничением.

3.2.2.5 Детектор знака разности фаз для демпфирования колебаний ФАПЧ.

3.2.2.6 Метод управления синхрогенератором с ФАПЧ с помощью двух независимых контуров управления и блока выбора режима.

3.2.2.7 Конструктив (топология) синхрогенератора с ФАПЧ.

3.3 Методика функциональной и параметрической верификации высокочастотных аналоговых и аналого-цифровых блоков.

3.4 Выводы к Главе 3.

Глава 4. Аттестация и контроль микросхем ЦПИ

4.1 Этапы проектирования и подготовки производства.

4 4.1.1 Основные этапы проектирования.

4.2 Встроенные средства контроля.

4.3 Метод аттестационных спутников.

4.4 Выводы к Главе 4.

Глава 5. Практическая реализация микросхем ЦПИ

5.1 USB Кабельный повторитель.

5.2 Трансмиттерный эквалайзер для DVI передатчика.

5.3 Ресиверный эквалайзер DVI приемника.

5.4 Выводы к Главе 5.

Актуальность проблемы

Подавляющее большинство современных цифровых устройств взаимодействуют между собой посредством последовательных кабельных интерфейсов. Цифровые последовательные интерфейсы (ЦПИ) обеспечивают скорости передачи информации более ЮОГбит в секунду. Развитие цифровых технологий постоянно увеличивает как объемы передаваемой информации, так и возможности систем связи. ЦПИ превращаются из отдельных микросхем в блоки сложных микросистем, занимающие лишь несколько процентов площади на кристалле ультра-БИС. Наличие ЦПИ увеличивает стоимость кристалла микросистемы также лишь на несколько процентов. При проектировании микросистемы основные затраты, связанные с использованием ЦПИ, приходятся на этапы разработки, контроля и организации применения изделий.

Методика проектирования интегральных микросистем предполагает использование разработанных заранее универсальных блоков, в том числе и блоков ЦПИ. Требования универсальности и совместимости блоков ЦПИ с другими частями микросистемы существенно меняет и маршрут проектирования. Блоки микросистемы должны обладать высокой помехоустойчивостью, синхронизироваться с другими блоками, занимать на кристалле минимальную площадь, задействовать минимальное число выводов корпуса, легко адаптироваться к изменениям технологии при переносе на другую фабрику. Почти все эти требования могут быть достигнуты путем замены аналоговых узлов на цифровые. Однако возможности такой замены очень ограничены и до конца не исследованы.

Значительную часть стоимости микросхемы составляют затраты на проведение операций аттестации и контроля. Повышение быстродействия ЦПИ до уровня гигагерц создает непреодолимые трудности для проведения контроля с применением только внешней контрольно-измерительной аппаратуры. Интегрированные в микросистему средства контроля являются единственным экономически целесообразным направлением развития методики контроля ЦПИ.

Увеличение пропускной способности интерфейсов неизбежно приводит и к расширению полосы частот сигналов, передаваемых по кабелю. Искажения широкополосных сигналов в кабеле и соединительных цепях ведут к повышению требований к параметрам кабеля, увеличению его стоимости и сокращению дальности связи. Компенсация кабельных эффектов дешевыми электронными средствами является приоритетной задачей развития ЦПИ. Известные решения основаны на применении инерционных аналоговых фильтров и используются в ЦПИ с однонаправленным непрерывным потоком данных. Для ЦПИ с двунаправленной пакетной передачей информации проблема компенсации кабельных эффектов пока не решена.

Тема диссертации, посвященная развитию схемотехники цифровых последовательных интерфейсов в составе интегральных микросистем, является важной и актуальной.

Цели и задачи диссертации

Целью диссертационной работы является разработка методов проектирования блоков цифровых последовательных интерфейсов в составе интегральных микросистем, обладающих свойствами совместимости в микросистеме, контролепригодности и компенсации кабельных эффектов электронными средствами.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

1. Проведен анализ известных технических решений и современных методов проектирования цифровых последовательных интерфейсов и микросистем.

2. Предложен комплекс новых технических решений на основе цифровой схемотехники, повышающих помехоустойчивость ЦПИ и совместимость в микросистеме.

3. Разработана методика ускоренной адаптации и функциональной верификации аналоговых блоков при переводе на новые технологии.

4. Предложена концепция одновременного проектирования двух кристаллов: рабочей микросистемы, а также аттестационного спутника, предназначенного только для создания нестандартного стенда функционального контроля этой микросистемы.

5. Разработаны функциональные и электрические схемы новых блоков электронной компенсации кабельных эффектов. Предложена структура регенератора кабельных сигналов, использующая новые технические решения.

6. Выполнена патентная защита новых технических решений.

7. Эффективность предложенных методов проектирования и новых технических решений показана на примерах разработки реальных проектов.

Научная новизна полученных результатов

1. Предложена новая методика адаптации аналоговых блоков к изменению технологии, включающая масштабное преобразование топологии, функциональную верификацию схемы путем моделирования с учетом паразитных емкостей и сопротивлений физической структуры БИС.

2. Новая концепция проектирования аттестационного спутника одновременно с рабочим кристаллом микросистемы решает сложную задачу аттестации и функционального контроля БИС, включающих гигабитные ЦПИ.

3. Разработаны функциональные и электрические схемы новых безинерционных эквалайзеров широкополосных сигналов. Схемы трансмиттерного и ресиверного эквалайзеров построены на основе цифровой схемотехники и предназначены для компенсации кабельных эффектов в ЦПИ с двунаправленной пакетной передачей информации.

4. Разработана новая схема устройства синхронизации потока входных данных, построенная только на цифровых элементах и обеспечивающая помехоустойчивую обработку широкополосных импульсных сигналов.

Практическая значимость результатов работы

1. Разработаны рекомендации по уменьшению искажений аналоговых сигналов в высокочастотных БИС конструктивно-схемотехническими средствами на основе исследований тестовых кристаллов и моделей аналого-цифровых устройств.

2. Технические решения, полученные в диссертации, обеспечили создание % ряда изделий электронной техники с параметрами на уровне мировых достижений. Результаты практических разработок отражены в Актах внедрения.

3. Патенты и заявки на изобретения обеспечивают патентную защиту новых изделий электронной техники.

4. Результаты диссертации используются в учебной программе по курсу "Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств" в Московском Государственном техническом университете имени Н. Э. Баумана.

Реализация результатов работы

Основные результаты диссертации в полном объеме использованы в ООО "Юник Ай Сиз", г. Москва, при выполнении ОКР по разработке трех новых изделий электронной техники. Основные принципы работы ЦПИ включены в учебный план по курсу "Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств" в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Эффективность предложенных технических решений подтверждена при их внедрении в новые изделия электронной техники, разработанные в ООО "Юник Ай Сиз": а) Приемопередатчик универсальной последовательной шины для связи между компьютером и периферийными устройствами (USB версии 2.0); б) Передатчик видеоданных стандарта DVI (Digital Visual Interface); в) Активный кабельный повторитель для интерфейсов версии USB 1.1.

Положения, выносимые на защиту

1. Многократное сокращение времени расчетов для высокочастотных (>200 МГц) аналоговых блоков при сохранении точности вычислений достигается использованием интегрированных R-C эквивалентов проводников в модели v. аналогового блока. Определены требования к САПР БИС, автоматически синтезирующей модель блока, включающую R-C эквиваленты. Требования реализованы в САПР AVOCAD.

2. Для сокращения затрат на подготовку производства высокочастотных микросхем требуется создание БИС аттестационного спутника, включающего специализированные контрольные блоки для полноценного функционального контроля создаваемой микросистемы.

3. Искажения сигналов на входах БИС уменьшаются при использовании новых элементов защиты от электростатических разрядов с уменьшенной электрической емкостью мощных ключевых транзисторов. Уменьшение размеров и емкости ключевых транзисторов в два раза, при сохранении их сопротивления, достигается введением схемы управления, открывающей одновременно два ключа (к шинам питания и заземления) при любом направлении разрядного тока.

4. Новые схемы трансмиттерного и ресиверного эквалайзеров, не использующие аналоговых фильтров, обеспечивают компенсацию искажений широкополосных сигналов в линиях связи, характерных для интерфейсов с двунаправленной пакетной передачей информации.

5.4 Выводы к Главе 5 - Применение новых технических решений и маршрутов проектирования, заявленных в предыдущих главах, позволило разработать ряд новых устройств на уровне лучших мировых достижений в области проектирования микросхем цифровых последовательных интерфейсов:

1) USB Кабельный повторитель

2) DVI передатчик

3) DVI приеник

Заключение

Основным результатом диссертации является разработка новых методов проектирования блоков цифровых последовательных интерфейсов в составе интегральных микросистем.

На основании исследований методов интеграции ЦПИ в микросистемы получены наиболее существенные результаты:

Новая схема устройства синхронизации потока входных данных легко переносится с одной технологии на другую и обладает высокой помехоустойчивостью за счет применения в структуре только цифровых элементов.

Новая методика адаптации аналоговых блоков к изменениям технологии позволяет ускорить в несколько раз процесс их интеграции в микросистемы.

Новая методика функциональной верификации аналоговых блоков на основе эквивалентной схемы второго приближения обеспечивает адекватное моделирование субмикронных высокочастотных устройств. Экспериментально подтверждена достоверность расчетов для КМОП микросхем с проектными нормами не менее 0.18 мкм. и рабочими частотами до 800 МГц.

Предложена новая концепция аттестации и функционального контроля микросистем с использованием аттестационного спутника. Разработаны базовые блоки для построения аттестационных спутников цифровых микросистем.

Предложены новые технические решения, обеспечивающие повышение помехоустойчивости, уменьшение площади и улучшение электрических параметров ЦПИ: новая схема элемента защиты от ЭСР; новая схема трансмиттерного эквалайзера; новая схема ресиверного эквалайзера.

Результаты практических разработок отражены в Актах внедрения. Новизна технических решений подтверждена патентами на изобретения и полезные модели, а также положительными заключениями патентной экспертизы.

Результаты диссертации используются в учебной программе по курсу "Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств" в Московском Государственном техническом университете имени Н. Э. Баумана.

Результаты диссертации опубликованы в 5 научных статьях. Новые технические решения защищены двумя патентами на изобретения и полезные модели и 7 заявками на изобретения.