پوشش سیلیکون ‌ بر عایق SOI فصل ۳

پوشش سیلیکون ‌ بر عایق SOI فصل ۳ – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

فصول ۱ و ۲ این مقاله نیز در دسترس هستند.

پوشش سیلیکون بر عایق – فصل ۳

طراحی مدارهای فوق ا لعاده کم توان برای ابزاره های FD-SOI

۱-۳ مقدمه

استفاده از سیستم های قابل حمل با کاربریهای مخابراتی در سالهای اخیر بشدت گسترش یافته است. با در نظر گرفتن پیدایش عصر فراگیر یا نافذ شدن کامپیوترهای شبکه ای، انتظار میرود که تعداد و تنوع دستگاههای قابل حمل بسیار بیشتر افزایش یابد. این نوع از تجهیزات نیازمند هرچه کوچکتر کردن و افزایش عمر باطری می باشد، و نهایتا منجر به تکوین سیستم های قابل حمل خود انرژی خواهند گردید. سیستم های بدون باتری بی نیاز به سرویس و نگهداری پایانه های ایده آلی برای کامپیوترهای شبکه های فراگیر می باشند.

طراحی مدارهای با صرف انرژی بسیار کم برای برآورد این نیازمندیها اساسی است. برای CMOS LSI ها که قطعات کلیدی سیستم های قابل حمل می باشند، کاستن از ولتاژ تغذیه و استفاده از قطعات SOI موثرترین روشهای طراحی برای کاهش میزان مصرف انرژی می باشد. در این رابطه، مدارهای چند آستانه ای (MT) از نوع CMOS/SOI ، که مناسب برای ولتاژهای پائین در حد ۰٫۵ V  میباشند، پیش از این توسعه یافته اند [۳٫۱], [۳٫۲].  این تکنولوژی مدار به LSI ها برای تجهیزات قابل حمل گسترش یافته است؛ و قطعات متنوع آنالوگ و دیجیتال (پردازشگر مرکزی، حافظه، مدارهای آنالوگ/رادیوئی، مبدلهای DC به DC) برای سیستم های قابل حمل بسیار کم توان توسعه یافته اند [۳٫۳].

در این فصل ابتدائا کاربری هدف موردی که به عنوان یک مثال مورد استفاده قرار می دهیم،  و LSI بسیار کم مصرف که از آن استفاده میکند را توضیح می دهیم؛ و نکته کلیدی برای طراحی این نوع LSI را تشریح میکنیم. سپس، تکنیک های مدارهای فوق العاده کم ولت برای کاستن از مصرف انرژی LSI ها مورد بررسی قرار میگیرند. در آخر، دلایل اینکه چرا قطعات FD-SOI برای مدارهای بسیار کم ولت دیجیتال و آنالوگ/رادیویی مناسبند مورد بحث وبررسی واقع میشوند.

۲-۳ سیستم های بی سیم برد کوتاه بسیار کم مصرف

شکل ۳٫۱ جایگاه عملکرد کاربرد هدف ما در مقایسه با دیگر انواع کاربردها را نشان می دهد. ابزاره های SOI قبل از این در کاربردهای فوق العاده سریع و میکرو واتی شبیه سرورها و ساعتها مورد استفاده قرار گرفته اند، اما نه در تجهیزات بی سیم قابل حمل مانند PDA ها، که هنوز دارای مصرف توان در دامنه ای از ۱۰۰ میلی وات تا ۱ وات هستند.  هدف ما رسیدن به مصرف انرژی حدود ۲ دهه کمتر از LSI های متداول می باشد؛ و کاربرد هدف ما یک سیستم بی سیم برد کوتاه می باشد. LSI های مورد نیاز برای این سیستم باید تحت سرعتی بالای ۱۰۰ مگاهرتز کار کرده و دارای مصرف توان از ۱ تا ۱۰ میلی وات باشد. LSI های با این مشخصات قطعا برای سیستم های قابل حمل آینده، مانند نسل چهارم (۴G) پایانه های بی سیم، مورد نیاز خواهند بود؛ و راه را برای سیستم های قابل حمل بدون باطری صاف خواهند نمود.

…

پوشش سیلیکون ‌ بر عایق SOI فصل ۳

۳-۳ فاکتور کلیدی طراحی برای LSI های فوق العاده کم مصرف

بازده توان مهمترین فاکتور در طراحی LSI ها برای سیستم های قابل حمل می باشد [۳٫۴] زیرا عمر باطری را تعیین میکند. اگر ما بازدهی توان را نسبت به مصرف توان بکشیم (شکل ۳٫۴)، آنگاه پردازنده های مرکزی بطور طبیعی در دو گروه واقع میشوند. یکی پردازنده های با گرایش سرعت است که برای سرعتی های بالای ۱ گیگاهرتز طراحی شده اند. این پردازنده ها انرژی قابل توجهی مصرف میکنند. گروه دیگر پردازنده های با گرایش مصرف پائین که با ذهنیت بازدهی توان طراحی شده اند می باشد. آنها دارای مصرف پایین و سرعت کافی میباشند.

…

۴-۳ طراحی مدار دیجیتال با ولتاژ فوق العاده کم

۱-۴-۳ تکنولوژی های کلیدی

برای LSI های فوق العاده کم توان برای سیستم های بی سیم قابل حمل، ولتاژ تغذیه باید، بدون افت سرعت کاری، کاهش یابد. این هدف با کاهش ولتاژ آستانه MOSFET ها قابل حصول است. مصرف انرژی مدارهای CMOS عمدتا شامل مصرف انرژی دینامیک که در شارژ و تخلیه خازنهای خروجی دخیل است، و انرژی استاتیک معلول جریان نشتی زیرآستانه ای می باشد. رابطه بین این دو در شکل ۳٫۶ نشان داده شده است.

…

۲-۴-۳ تخمین میزان کاهش انرژی

این بخش مدل مورد استفاده برای تخمین اینکه تکنیک های مختلف مداری چقدر باعث کاهش انرژی، تحت یک ولتاژ تغذیه فوق العاده پایین و تحت شرایط سرعت ثابت، میشوند را توضیح می دهد.

…

۵-۳ استحکام کاری ولتاژهای فوق العاده کم

در ولتاژهای تغذیه زیر ۱ ولت، مدارهای MTCMOS/SOI  مقاوم تر از مدارهای CMOS می باشند. یک دلیلش این است که، در مواقعی که ولتاژ تغذیه خیلی کم باشد، اثرات بدنه شناور متوقف میشوند. دلیل دیگر این است که تغییرات زمان تاخیر یک مدار CMOS در ناحیه وسیعی از دماهای کاری تحت ولتاژهای تغذیه فوق العاده کم بازداشته میشوند [۳٫۸]. این بخش این مشخصات را به جزء تشریح میکند.

…

پوشش سیلیکون ‌ بر عایق – SOI – فصل ۳

۱-۵-۳ بازداری تاثیر بدنه شناور

وقتی که یک ولتاژ بزرگ بیش از ۱ ولت به یک FD-SOI MOSFET اعمال میشود،  رفتار دو قطبی پارازیتی، مدلول یونیزاسیون شدید نزدیک پایه درین، اتفاق می افتد و پتانسیل بخش بدنه شناور افزایش می یابد. این ولتاژ آستانه یک مدار MTCMOS را پایین می آورد، که به نوبه خود زمان تاخیر را کوتاه میسازد.  چون رفتار دو قطبی پارازیتی در فرکانس های کاری پایین تشدید میشود، زمان تاخیر بستگی به فرکانس کاری دارد. معمولا تکنیک های مخصوصی برای بازداشتن این رفتار، همچون کشت یونAr در نواحی سورس و درین [۳٫۹] برای ایجاد مراکز بازترکیب، مورد نیاز است؛ اما ولتاژهای فوق العاده کم نیاز به چنین اقداماتی را مرتفع میسازد.

…

۲-۵-۳ متوقف کردن نوسانات ولتاژ آستانه به دلیل دمای کاری

یکی دیگر از مزایای FD-SOI MOSFET ها این است که ولتاژ آستانه نسبت به تغییرات دمای کاری خیلی کم تغییر میکند.  یک فاکتور که روی ولتاژ آستانه تاثیر میگذارد بار تخلیه می باشد. این بار توسط ضخامت لایه SOI تعیین میشود، و دمای کاری تاثیر کمی روی آن دارد.

…

۶-۳ دورنماها و مباحث مدارهای آنالوگ کم ولت

۱-۶-۳ دورنماها

مدارهای آنالوگ عموما به ولتاژهای کاری بالاتری نسبت به مدارهای دیجیتال نیاز دارند. اما، تقاضای زیادی برای مدارهای آنالوگ کم ولت به منظور کاهش مصرف توان وسایل مجهز به باتری و به منظور برآوردن نیازمندیهای ابزاره های مقیاس کوچک وجود دارد [۳٫۱۰].

…

عملکرد با باتری نیازمند یک ولتاژ پایین، مثل ۰٫۹ ولت برای یک سلول خشک تکی می باشد. یک سلول اکسید نقره و یک سلول روی-هوا، که سلولهای خشک کوچکی مناسب برای تجهیزات قابل حمل کوچک مثل پیجرها و مونیتورهای پزشکی می باشند، تولید ولتاژهای بترتیب ۱٫۵۵ و ۱٫۴ ولت می نمایند. یک مبدل DC/DC میتواند ولتاژ باتری را تقویت کند، اما بازدهی کم مدار تبدیل و فضا و حجم زیاد آن را یک گزینه مناسب ضعیفی برای تجهیزات قابل حمل می سازد. بعلاوه، ابزاره های شبکه های فراگیر و ابزاره های الکترونیک فرسوده شدنی آینده باید کوچک باشند. بنابراین، مدارهای آنالوگ که با ولتاژهای کم که توسط یک سلول خشک کوچک تغذیه میشوند برای عصر آینده شبکه های فراگیر مورد نیاز خواهد بود.

…

پوشش سیلیکون ‌ بر عایق SOI فصل ۳

۲-۶-۳ مباحث

کاهش ولتاژ یک راه موثر در کاهش مصرف توان در هر دو مورد مدارهای آنالوگ و دیجیتال است و برای ابزاره های مقیاس کوچک مورد نیاز می باشد. اما، این ممکن است مشکلاتی در مدارهای آنالوگ، همچون دامنه دینامیک باریکتر و کارایی ضعیف تر، ایجاد کند. بعلاوه، توپولوژی مدار باید برای پرداختن به موضوع فضای بالائی باریک (narrow head room) تغییر کند؛ و این اغلب منتج به افزایش در جریان کاری میگردد. بنابراین، کاهش ولتاژ همیشه منجر به مصرف پائین تر در مدارهای آنالوگ نمیگردد.

مسئله اصلی مرتبط با کم کردن ولتاژ مدارهای آنالوگ عبارتند از دامنه دینامیک باریک تر سیگنال ها و فضای بالائی کوچکتر مدار (smaller circuit head room). دامنه دینامیک با کاهش ولتاژ باریکتر میگردد. توان (S_p) یک سیگنال سینوسی با دامنه نوسان V_pp عبارت است از:

…

۷-۳ کوچک سازی تکنولوژی، کارائی آنالوگ، و گرایش کارایی برای سیستم های الکتریکی

کوچک سازی تکنولوژی کارائی آنالوگ را افزایش می دهد، اما منجر به مسائلی جدی میگردد. اما سیستم های الکتریکی این گرایش را دنبال کرده اند و بسیاری از مسائل حل شده است.

۱-۷-۳ کوچک ساز تکنولوژی و کارائی آنالوگ

شکل ۳٫۱۸ شماتیک مدار یک تقویت کننده تفاضلی را نشان می دهد. ما فرض های زیر را بکار می بندیم: تقویت کننده ها بصورت سری به هم وصل شده اند؛ اثر میلر صرف نظر می شود؛ خازن مورد نیاز بسیار کوچکتر از خازن بار است؛ و خازن بار شامل خازنهای درین و گیت طبقه تقویت بعدی می باشد.

…

۲-۷-۳ گرایش کارایی سیستم های الکتریکی

در سیستم های بی سیم، که یکی از مهمترین انواع سیستم های الکتریکی هستند، عرض باند افزایش یافته است و از دامنه دینامیک مورد نیاز کاسته شده است. جدول ۳٫۲ عرض باند سیگنال و نویز فاز سیستم های بی سیم متنوعی را فهرست کرده است.

نویز فاز قابل قبول به همراه عرض باند افزایش یافته است، بجز برای CDMA عرض باند باریک. بنابراین، در سیستم های بی سیم جدیدتر، حاصلضرب تقویت در عرض باند بزرگتر است و دامنه دینامیک مورد نیاز کوچکتر. این گرایش با گرایش تکنولوژی ابزاره تطابق دارد و نشان دهنده اهمیت کار کرد کم ولت در مدارهای آنالوگ، که توسط ابزاره های کوچک سازی شده ساخته شده اند، می باشد.

…

پوشش سیلیکون ‌ بر عایق SOI فصل ۳

۸-۳ مدار آنالوگ کم ولت

۱-۸-۳ تقویت کننده پایه ای

حداقل ولتاژ کاری یک مدار آنالوگ اساسا توسط توپولوژی مدار ، پارامتر های ترانزیستور، و دامنه نوسان سیگنال تعیین میشود. برای یک تقویت کننده عملیاتی پایه ای غیرمعکوس کننده CMOS (شکل ۳٫۲۰)، حداقل ولتاژ کاری (V_{DD_min}) عبارت است از:

…

۲-۸-۳ سوئیچ ها

افت سریع کارائی سوئیچ ها با کم شدن ولتاژ کاری یک مانع جدی برای کاستن از ولتاژ مدارهای آنالوگ است.

شکل ۳٫۲۴ نشان دهنده یک مدار نمونه گیر (sample and hold) از نوع CMOS و “رسانائی روشن” یک سوئیچ می باشد. رسانائی روشن سوئیچ های nMOS و pMOS توسط رابطه های زیر داده میشوند:

…

۳-۸-۳ استفاده از قطعات غیرفعال (پسیو)

استفاده از قطعات پسیو غالبا یک راه موثر برای کاهش ولتاژ کاری است. مدار مخلوط شکل ۳٫۲۶ مخزن های LC را بجای منابع جریان متعارف بکار میگیرد. یک مخزن LC را میتوان در فرکانس تشدید به صورت یک مقاومت خالص در نظر گرفت و دارای مقاومتی تقریبا صفر تحت یک جریان مستقیم است. بنابراین، یک مخزن LC امکان کاهش ولتاژ کاری به انداز ۰٫۲ ولت کمتر از مورد یک منبع جریان را فراهم میسازد.

…

۹-۳ ابزاره های کاملا تخلیه شده SOI برای مدارهای آنالوگ با توان فوق العاده کم

بیشتر مدارهای آنالوگ ترکیبی سه تابع آنالوگ پایه ای را به کار میگیرند [۳٫۱۶]:

• تبدیل از ولتاژ گیت به جریان درین (V-to-I).

ضریب مربوطه عبارت است از رسانایی متقابل(g_m).

• تبدیل از جریان درین به ولتاژ درین (I-to-V).

ضریب مربوطه عبارت است از مقاومت درین (rd).

• تبدیل از ولتاژ درین-به-سورس به رسانایی درین-به-سورس (V-to-G).

ضریب مربوطه عبارت است از رسانایی روشن (G_on).

این بخش ابتدائا مشخصات DC ترانزیستورهای FD-SOI MOSFET و MOSFET های حجیم را مقایسه کرده، و سپس مشخصات RF ترانزیستورهای MOSFET و سلف های ساخته شده توسط تکنولوژی FD-SOI را توصیف می نماید.

…

پوشش سیلیکون ‌ بر عایق SOI فصل ۳

۱-۹-۳ رسانایی متقابل (g_m)

نسبت رسانایی متقابل به جریان درین (g_m/I_D) یک شاخص کیفیت برای مدارهای آنالوگ می باشد. این پارامتر در تقویت DC ترانزیستورهای MOSFET  ظاهر میشود:

…

۲-۹-۳ رسانایی روشن (Gon) سوئیچ آنالوگ CMOS 

یک سوئیچ آنالوگ CMOS (شکل ۳٫۲۴(a)) یک قطعه اساسی مدار های آنالوگ است، و متشکل است از ترانزیستورهای nMOS و pMOS که به طور موازی به هم وصل شده اند. همانطور که قبلا عنوان شد، رسانایی روشن یک سوئیچ با افت ولتاژ تغذیه کم میشود. ولتاژ کاری حداقل (V_{DD_min}) را می توان به صورت تابعی از ولتاژهای آستانه (V_th) و فاکتورهای بدنه (n) ترانزیستورهای n- و pMOSFET  [۳٫۱۸] بیان کرد:

…

۳-۹-۳ مشخصات RF ابزاره های FD-SOI 

سه مشخصه اولیه RF عبارتند از:

• فرکانس قطع (f_T)، که فرکانسی است که در آن تقویت جریان برابر یک است؛

• فرکانس نوسان حداکثر (f_max)، که فرکانسی است که در آن تقویت توان برابر یک  است؛ و

• عدد نویز حداقل (NF_min)، که توسط تقریب فوکوئی، با K به عنوان یک فاکتور تطبیقی (fitting factor) [3.20]، داده میشود.

فرمولهای این سه پارامتر عبارتند از:

…

۱۰-۳ جهت آینده سیستم های RF و سیگنال مخلوط

پا به پای پیشرفتهای تکنولوژی LSI، سیستم های الکتریکی بیشتری روی تراشه ها در حال ساخته شدن هستند. تقریبا تمام سیستم های الکتریکی شامل مدارهای آنالوگ می باشند، و نیاز به اینترفیس های آنالوگ به همراه پیشرفت های شبکه سازی در حال افزایش است. لذا، اهمیت تکنولوژی سیگنال مخلوط به رشد خود ادامه می دهد.

مدارهای آنالوگ با سرعت نسبتا کم و دامنه دینامیک بالا بطور متداول با استفاده از ترانزیستورهای ۰٫۳۵ یا ۰٫۳۵ میکرومتری ساخته میشوند. لیکن، مدارهای آنالوگ سرعت بالا که دارای دامنه دینامیک بالایی نیستند نیازمند ترانزیستورهای کوچک شده میباشند. جدی ترین مسئله استفاده از این چنین ترانزیستورها کار کردن تحت ولتاژهای پایین است. بعضی از تکنیک های مدارهای آنالوگ کم ولت در بالا مورد بررسی قرار گرفتند. اما، نه فقط تکنیک های مداری، بلکه تکنیک های سیستمی نیز مورد نیازند. مدولاسیون سیگما-دلتا یک راه حل خوبی است.

مبدل ADC سیگمال-دلتا در شکل ۳٫۳۷ دارای یک عرض باند برابر ۲ مگاهرتز و یک دامنه دینامیک ۵۳ dB است [۳٫۳۸]. ولتاژ کاری آن به قلت ۰٫۹ ولت می باشد، و مصرف توان آن فقط ۱٫۵ میلی وات است. تقویت کننده آن شامل یک مدار CMOS ساده مناسب برای کار تحت ولتاژ کم می باشد.

…

پوشش سیلیکون ‌ بر عایق SOI فصل ۳

۱۱-۳ خلاصه

ابزاره های FD-SOI بهترین انتخاب برای مدارهای آنالوگ کم ولت کم توان و همچنین برای مدارهای دیجیتال کم ولت میباشند. ابزاره های کاملا تخلیه شده دارای یک دامنه نوسان زیر آستانه ای ایده آلی بوده، جریان نشتی حالت خاموش کمی از خود بروز داده، و امکان کاهش ولتاژ آستانه را فراهم می آورند. این موضوع باعث کاهش تاخیر انتشار مدارهای دیجیتال منطقی میشود، بخصوص در ولتاژهای کم؛ و همچنین رسانائی متقابل را افزایش می دهد. لذا، یک رسانائی متقابل به اندازه کافی بزرگ را می توان تحت یک جریان درین کوچکتری، نسبت به آنجه که توسط ترانزیستورهای CMOS حجیم متعارف امکان پذیر است، بدست آورد.  بعلاوه، ترانزیستورهای با ولتاژ آستانه کم و جریان نشتی کوچک برای ساخت سوئیچ های آنالوگ کم ولت خوب مورد استفاده قرار میگیرند.  خازن پارازیتی مربوطه کم است، و یک سطح با مقاومت بالا را میتواند مورد استفاده قرار داد زیرا ابزاره های FD-SOI متحمل لچ آپ نیستند. این منتج به مصرف توان پایین و همچنین کارائی بالا در کاربردهای RF ، مانند f_max بالا و NF پایین، میشود. کاستن ولتاژ همیشه لزوما کارائی آنالوگ را تقویت نمیکند؛ اما یک فرکانس کاری بالا نیازمند ابزاره های کوچک شده ای که تحت یک ولتاژ پائین کار میکنند می باشد. گرایش و جهت سیستم های الکتریکی این استراتژی را حمایت میکند. بطور خلاصه، ابزاره های FD-SOI دارای پتانسیل بالایی برای استفاده در LSI های سیگنال مخلوط و دیجیتال آینده می باشند.

پوشش سیلیکون ‌ بر عایق SOI فصل ۳