Հայաստանի ատենախոսությունների բաց մատչելիության պահոց = Open Access Repository of the Armenian Electronic Theses and Dissertations (Armenian ETD-OA) = Репозиторий диссертаций Армении открытого доступа

Մուտք/ելք հանգույցներում աղմկակայունության բարձրացման միջոցների մշակումը

Հայրապետյան , Անդրանիկ Կամոյի (2019) Մուտք/ելք հանգույցներում աղմկակայունության բարձրացման միջոցների մշակումը. PhD thesis, Հայաստանի ազգային պոլիտեխնիկական համալսարան.

[img]
Preview
PDF (Thesis)
Available under License Creative Commons Attribution.

Download (19Mb) | Preview
    [img]
    Preview
    PDF (Abstract)
    Available under License Creative Commons Attribution.

    Download (1048Kb) | Preview

      Abstract

      Տվյալների փոխանցման ժամանակակից ստանդարտների համաձայն՝ ազդանշանի հաղորդման արագությունը կազմում է մոտ 10Գբ/վ։ Նման պայմաններում դրանց ժամանակային բնութագրերի վրա դրվում են խիստ պահանջներ, որոնց բավարարումը բարդանում է Մուտք/Ելք (Մ/Ե) հանգույցներում առկա աղմուկների հետևանքով։ Վերջիններիս մակարդակը բարձրանում է ազդանշանի հաղորդման արագության մեծացման դեպքում։ Տվյալների փոխանցման արագությունների աճին նպաստում է ինտեգրալ սխեմաների (ԻՍ) նախագծման տեխնոլոգիաների զարգացումը, որի արդյունքում տրանզիստորի հոսքուղին ենթարկվում է մասշտաբավորման։ Դա թույլ է տալիս մեծացնել միևնույն մակերեսով կիսահաղորդչային բյուրեղում ստացվող տրանզիստորների քանակը, և ստեղծում է ԻՍ-երի ֆունկցիոնալության ընդլայնման հնարավորություն։ Այնուամենայնիվ, տրանզիստորի հոսքուղու մասշտաբավորումը առաջացնում է ԻՍ-երի նախագծման գործընթացի լրացուցիչ բարդություններ։ Մասնավորապես, ինտեգրման աճի պատճառով բարդանում է սնման դողերի կառուցումը, որի հետևանքով դրանց դիմադրությունն աճում է։ Այդ պատճառով տրամաբանական տարրերի փոխանջատման ժամանակ առաջացող հոսանքի փոփոխությունների հետևանքով սնման դողերում ձևավորվող լարման անկումները մեծանում են։ Ինտեգրալ սխեմաներում միլիոնների հասնող տրամաբանական տարրերի առկայության պարագայում ընդունված է ձևավորվող լարման անկումների համախումբը դիտարկել որպես աղմուկ։ Սնման դողերի աղմուկները մեծ ազդեցություն են ունենում փոխանցվող ազդանշանի բնութագրերի վրա, որի հետևանքով կարող է տեղի ունենալ տվյալների սխալ ընթերցում կամ կորուստ։ Այդ պատճառով մեծ արդիականություն ունեն սնման դողերի աղմուկների ճնշմանն ուղղված հետազոտությունները։ Տրանզիստորների մասշտաբավորման հետևանքով արագանում է դրանց ծերացման գործընթացը՝ վերջինիս նպաստող երևույթների ազդեցության մեծացման հետևանքով։ Դա պայմանավորված է այն հանգամանքով, որ սնման լարման մակարդակը տրանզիստորների հոսքուղուն համարժեք չափով չի ենթարկվում մասշտաբավորման։ Տրանզիստորների ծերացման հետևանքով Մ/Ե հանգույցները որակապես տուժում են, որի հետևանքով նվազում է դրանց աղմկակայունությունը։ Մյուս կողմից՝ ավտոմոբիլային արդյունաբերության մեջ ԻՍ-երի կիրառության աճող միտումների հետևանքով դրանց կյանքի տևողության վրա դրվող պահանջները խստանում են։ Ուստի խիստ կարևոր է Մ/Ե հանգույցների վրա ծերացման ազդեցության նվազեցմանն ուղղված միջոցների մշակումը։ Առաջատար կազմակերպությունների և գիտական խմբերի կողմից շարունակական աշխատանք է կատարվում վերոնշյալ խնդիրների լուծմանն ուղղված միջոցների մշակման ուղղությամբ։ Այնուամենայնիվ, առկա լուծումները անընդհատ խստացվող պահանջները լիովին չեն բավարարում: Այդ պատճառով նոր միջոցների մշակումը շարունակում է մնալ արդիական և չափազանց պահանջարկված։ В связи с развитием современных технологий в области производства интегральных схем (ИС) канал металл-оксид-полупроводниковых (МОП) транзисторов подвергается масштабированию, что позволяет проектировать ИС с большими функциональными возможностями, без увеличения размеров полупроводникового кристалла (ППК). При этом возможности устройств расширяются без увеличения себестоимости, а затраты на производство устройств с прежними функциями уменьшаются. Кроме того, масштабирование транзисторов позволяет увеличить быстродействие узлов. Это способствует повышению частоты сигнала, передаваемого посредством узлов ввода/вывода (В/В), и увеличению объема данных. Однако наряду с вышеперечисленными преимуществами, масштабирование транзисторов вызывает ряд проблем, которые усложняют процесс проектирования ИС. Это обусловлено рядом обстоятельств. При масштабировании канала влияние многих явлений на параметры узлов увеличивается. В итоге моделирование ранее несущественных явлений становится особенно важным. Одним из таких явлений является старение, увеличение влияния которого обусловлено тем, что напряжение питания узлов уменьшается непропорционально масштабированию транзисторов. Другая сложность заключается в увеличении уровня интегрирования ИС при масштабировании, что приводит к усложнению построения качественных сетей питания. Вышеперечисленные проблемы способствуют повышению уровня помех в узлах В/В и имеют негативное влияние на их помехоустойчивость, в результате чего уменьшается отношение сигнал/шум (ОСШ). В частности, усложнение разработки качественных сетей питания в результате возрастания сопротивления от вывода транзистора к питанию приводит к увеличению падения напряжения на них. С одной сети питаются элементы с различными рабочими частотами. Переключаясь в разные времена, они употребляют некоторое количество тока. В результате в сетях питания возникают падения напряжений, которые являются помехами для узлов, питающихся от них. Вследствие увеличения скорости передачи данных рабочие частоты узлов также повышаются, что приводит к возрастанию уровня помех сетей питания. Последние имеют большое влияние на характеристики сигнала, передаваемого в узлах В/В, вызывая, в частности, фазовые дрожания, уменьшение горизонтального и вертикального раскрытия глазковой диаграммы. В результате усложняется процесс передачи и приема данных без искажений. Возможны даже потеря данных или неправильное их чтение. По этой причине моделирование помех сетей питания и обработка методов понижения их влияния имеют важное значение. Задача становится более существенной с учётом строгих требований, определенных современными стандартами передачи данных. В результате старения транзисторов ухудшается качество узлов В/В. Как следствие, в передаваемом сигнале возникают искажения, в частности, отклонение коэффициента заполнения, что приводит к увеличению фазовых дрожаний. В результате передаваемый сигнал становится более чувствительным к помехам. Требования к годности современных узлов В/В устанавливают срок в 10 лет, что становится более существенным, учитывая тенденции роста их применения в автоиндустрии. Поэтому вопросы моделирования старения узлов В/В и обработки методов компенсации его влияния весьма актуальны. Ведущие организации и исследовательские группы продолжают заниматься работами в этой сфере и разработкой решений существующих проблем. Однако вследствие увеличения скоростей передачи данных, масштабирования технологий и возрастающих тенденций использования узлов В/В интегральных схем в автомобильной промышленности разработанные решения не соответствуют повышенным требованиям. По этой причине разработка новых методов и решений в этом направлении сохраняет большую актуальность. Диссертация посвящена исследованиям средств и разработке мер повышения помехоустойчивости узлов В/В. According to nowadays communication standards, the data transfer speed is about 10Gbps. Under such conditions, timing margins are subject to strict requirements, and the satisfaction of them becomes harder due to noise impact on transmitter/receiver (Tx/Rx) systems. The noise level rises with the signal transmission speed increase. The development of integrated circuit (IC) design technology scales down the transistor channel length, hence contributing to data transmission speeds increase. The scaling allows to increase the number of transistors on the semiconductor crystal of the same size and enhance the functionality of ICs. However the scaling of transistor channel creates bottlenecks in IC design process. Especially, due to large integration of devices the design of power grid gets complicated and the overall resistance of them get increased. In ICs the number of logic gates is counted by millions, in such conditions the voltage drops in power grid lines are considered as supply noise. The supply noise has a serious impact on the characteristics of transmitting signal, which may cause incorect receiving or data loss. For this reason, there is a big demand of researches dedicated to supply noise rejection. Due to the transistors scaling, the impact of effects which contribute to their degradation is increased, hence accelerating the aging procces. Since the supply voltage level isn’t scaled in the same manner as the transistor channel. The aging process of transistors results to parameter degradation of Tx/Rx circuits, hence reducing their noise immunity. On the other hand, due to increasing demand for ICs in the automotive industry, their lifetime requirements get restricted. Therefore, the development of methods contributing to aging effect reduction on Tx/Rx circuits is essential. Leading organizations and research groups are working on the development of methods, which will solve the above mentioned issues. Nevertheless, the existing solutions do not fully satisfy the toughening requirements. That's why the development of new techniques currently still actual and extremely demanded. The dissertation is devoted to investigation and development of solutions and means contributing to noise immunity enhancement. The noise immunity enhancement principals for Tx/Rx circuits are developed, which satisfy current requirements by significantly reducing power supply induced jitter (PSIJ) at a cost of increased area on the semiconductor wafer in a reasonable limits. The noise immunity enhancement technique is proposed for voltage regulators, which are used in Tx/Rx circuits. It calibrates the output transistor size, hence increasing the power supply rejection ratio by 80%, at the cost of additional 24% area occupation. The noise immunity enhancement technique is developed for transmitter of Tx/Rx circuit, which decreases PSIJ by 3 times, without impact on the peak to peak value of output differential signal of transmitter by increasing supply voltage and controlling the output current, at the cost of 58% increase of power consumption and additional 34% area occupation. The aging impact compensation technique is designed for pre-driver of transmitter, which changes the input signal in the idle mode, hence increases the jitter margin and noise immunity by 31%, at the cost of additional 26% area occupation. The proposed techniques and schematic solutions are implemented in “IO Noise Immunity” software tool, which is used in “Synopsys Armenia” CJSC for noise immunity enhancement of Tx/Rx circuits. The investigations show that the time spent on the schematic design process could be decreased by 7-12 times, PSIJ could be lowered by about 3 times and noise immunity degradation could be compensated, at the cost of 58% power consumption increase and additional 38% area occupation.

      Item Type: Thesis (PhD)
      Additional Information: Разработка средств повышения помехоустойчивости в узлах ввода/вывода. Development of means of noise immunity improvement in transmitter and receiver circuits.
      Uncontrolled Keywords: Айрапетян Андраник Камоевич, Hayrapetyan Andranik Kamo
      Subjects: Electrical and Power Engineering
      Divisions: UNSPECIFIED
      Depositing User: NLA Circ. Dpt.
      Date Deposited: 19 Aug 2019 11:23
      Last Modified: 19 Aug 2019 11:23
      URI: http://etd.asj-oa.am/id/eprint/10617

      Actions (login required)

      View Item