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Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Verkopplungsmechanismen in integrierten
Schaltungen fur den MobilfunkDiplomarbeit
Adam Buck
Infineon Technologies AG
Fachgebiet HochfrequenztechnikFakultat fur Ingenieurwissenschaften
Universitat Duisburg-Essen
22. September 2008
Adam Buck Infineon Technologies AG, Fachgebiet Hochfrequenztechnik Universitat Duisburg-Essen
Verkopplungsmechanismen in integrierten Schaltungen fur den Mobilfunk
Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Gliederung
1 Einleitung
2 Aggressor
3 Sensor
4 Verkopplungspfade
5 Zusammenfassung
Adam Buck Infineon Technologies AG, Fachgebiet Hochfrequenztechnik Universitat Duisburg-Essen
Verkopplungsmechanismen in integrierten Schaltungen fur den Mobilfunk
Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Integration von digitalen und analogen Schaltkreisen auf einem Chip
steigende Taktraten und kleiner werdende Strukturgroßen
Herausforderung bei SoC Entwicklung
Verkopplung
Spurs
Degradierung des Modulationsspektrums
Storung im Empfangsband
Verletzung der GSM-Spezifikation
Adam Buck Infineon Technologies AG, Fachgebiet Hochfrequenztechnik Universitat Duisburg-Essen
Verkopplungsmechanismen in integrierten Schaltungen fur den Mobilfunk
Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Transceiver
Adam Buck Infineon Technologies AG, Fachgebiet Hochfrequenztechnik Universitat Duisburg-Essen
Verkopplungsmechanismen in integrierten Schaltungen fur den Mobilfunk
Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Storung im Empfangsband
Adam Buck Infineon Technologies AG, Fachgebiet Hochfrequenztechnik Universitat Duisburg-Essen
Verkopplungsmechanismen in integrierten Schaltungen fur den Mobilfunk
Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Klassifizierung in drei Gruppen
unterschiedliche Entstehungsmechanismen
α-Spurs
fTX 6= n · fref , fTX ≈ n · fref , fα =
2 · fTX − n · fref
n · fref
β-Spurs
fV CO 6= n ·fref , fV CO ≈ n ·fref , fβ =
(1 + m) · fTX − n · fref
(1 − m) · fTX + n · fref
γ-Spurs
fγ = fTX ± n · fref
Adam Buck Infineon Technologies AG, Fachgebiet Hochfrequenztechnik Universitat Duisburg-Essen
Verkopplungsmechanismen in integrierten Schaltungen fur den Mobilfunk
Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Ubersicht
1 Einleitung
2 Aggressor
3 Sensor
4 Verkopplungspfade
5 Zusammenfassung
Adam Buck Infineon Technologies AG, Fachgebiet Hochfrequenztechnik Universitat Duisburg-Essen
Verkopplungsmechanismen in integrierten Schaltungen fur den Mobilfunk
Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Untersuchung des Aggressors
digitale Schaltung
hartes Schalten der Logik-Gatter erzeugt breitbandiges Storspektrum⇒
”Switching Noise“
Spannungsabfall uber parasitaren Leitungskomponenten
Injektion ins Substrat uber kapazitive Kopplung
Entstehung der Storung
Maßnahmen zur Reduzierung der Storung
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Verkopplungsmechanismen in integrierten Schaltungen fur den Mobilfunk
Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Switching Noise
0 20 40 60 80 100−200
0
200
400
t, ns
I, µA
0 20 40 60 80 1000
0.5
1
1.5
t, ns
Ue, V
Overshot
Kurzschluss Last
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40
50
100
150
freq, GHz
I, nA
iL = 1T
∫
iL(t)dt = CL · VDD · f
iKS = 16 · Kn
VDD· τ
T· (VDD − 2 · Vth)
3
iS = 1T
∫
CC ·(
due
dt− dua
dt
)
dt
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Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Digitally Controlled Crystal Oscillator
erzeugt aus Sinus-Signal des Quarzoszillators ein Rechtecksignal
Verteilung des Clocksignals
Logik-Gatter durch HVT-Elemente ersetzt
10−2
10−1
100
−110
−105
−100
−95
−90
−85
−80
−75
−70
−65
−60
freq, GHz
I DD
, dB
(A)
fn = n*f
ref, n ungerade
HVTREG
10−2
10−1
100
−110
−105
−100
−95
−90
−85
−80
−75
−70
−65
−60
freq, GHz
I DD
, dB
(A)
fn = n*f
ref, n gerade
HVTREG
keine Reduzierung der NF-Komponenten
teilweise Reduzierung der HF-Komponenten
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Verkopplungsmechanismen in integrierten Schaltungen fur den Mobilfunk
Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Lastabhangigkeit des DCXO
Abhangigkeit der spektralen Komponenten von der Last
Last: R ‖ C
Variation von C, R = ∞
10−2
10−1
100
−110
−105
−100
−95
−90
−85
−80
−75
−70
−65
−60
freq, GHz
I DD
, dB
fn = n*f
ref, n ungerade
C=10pC=12pC=15p
10−2
10−1
100
−110
−105
−100
−95
−90
−85
−80
−75
−70
−65
−60
freq, GHz
I DD
, dB
fn = n*f
ref, n gerade
C=10pC=12pC=15p
kein Einfluss auf hohe Frequenzen
Reduzierung der NF-Aggression
Adam Buck Infineon Technologies AG, Fachgebiet Hochfrequenztechnik Universitat Duisburg-Essen
Verkopplungsmechanismen in integrierten Schaltungen fur den Mobilfunk
Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Ubersicht
1 Einleitung
2 Aggressor
3 Sensor
4 Verkopplungspfade
5 Zusammenfassung
Adam Buck Infineon Technologies AG, Fachgebiet Hochfrequenztechnik Universitat Duisburg-Essen
Verkopplungsmechanismen in integrierten Schaltungen fur den Mobilfunk
Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Einfluss der Versorgungsspannung-Storung auf den Sender
Empfindlichkeit der TX-Kette gegenuber Storung derVersorgungsspannung
Auswirkungen auf das Ausgangssignal
Amplituden- und Phasenmodulation
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Verkopplungsmechanismen in integrierten Schaltungen fur den Mobilfunk
Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Amplitudenmodultion
v(t) = VDD
2 ·A1·cos(ωT ·t)+s4 ·A1·[cos((ωT − ωS) · t) + cos((ωT + ωS) · t)]
A1 = 4π
10−6
10−5
10−4
10−3
10−2
10−1
−140
−120
−100
−80
−60
−40
−20
s, V
Spu
r, d
Bc
VDD
=1V
VDD
=1,5V
VDD
=2V
Spurhohe
Spur[dBc] = 20 · log(
12 · s
VDD
)
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Verkopplungsmechanismen in integrierten Schaltungen fur den Mobilfunk
Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Phasenmodulation
v(t) = v+v·A1 ·[
cos(ωT ·t)+m2 ·[cos((ωT − ωS) · t) − cos((ωT + ωS) · t)]
m = p · s
10−6
10−5
10−4
10−3
10−2
10−1
−140
−120
−100
−80
−60
−40
−20
0
s, V
Spu
r, d
Bc
p=1p=1,5p=2p=2,5
Spurhohe
Spur[dBc] = 20 · log(
m2
)
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Verkopplungsmechanismen in integrierten Schaltungen fur den Mobilfunk
Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Bestimmung der”Pushing Figure“
p = ms
= 2π·∆tT ·s
tpdHL ≈ 2CLVDD
βn(VDD−VT N )2
p = 2πT
·dtpdHL
dVDD
Spannungsabhangig
Temperaturabhangig
abhangig von Prozessschwankungen
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Verkopplungsmechanismen in integrierten Schaltungen fur den Mobilfunk
Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Spannungsabhangigkeit
1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 1.60
0.5
1
1.5
2
2.5
3
VDD
, V
−p,
rad
/V
Pushing Figure vs. VDD
HBLB
”Pushing Figure“ ist im Low Band kleiner
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Verkopplungsmechanismen in integrierten Schaltungen fur den Mobilfunk
Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
10−6
10−5
10−4
10−3
10−2
10−1
−130
−120
−110
−100
−90
−80
−70
−60
−50
−40
−30
−20
Low Band, fT = 936MHz, f
S = 234MHz, conservative
s, V
Spu
r, d
Bc
fT − f
S
fT + f
S
Theorie AMTheorie PM
Uberlagerung der AM und PMSpurs im Low-Band geringerkeine ausreichende Simulations-Genauigkeit bei kleinenStoramplitudenGenauigkeitseinstellung
”conservative“ liefert beste Ergebnisse
analytische Berechnung notwendig
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Verkopplungsmechanismen in integrierten Schaltungen fur den Mobilfunk
Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Ubersicht
1 Einleitung
2 Aggressor
3 Sensor
4 Verkopplungspfade
5 Zusammenfassung
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Verkopplungsmechanismen in integrierten Schaltungen fur den Mobilfunk
Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Verkopplung uber das Spannungsversorgungssystem
Spannungsversorgung durch Spannungsregler
Unterdruckung der Wechselanteile am Eingang
Entkopplung von den Laststromschwankungen
Ausbreitung der Storung uber das Spannungsversorgungsnetzwerk
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Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Spannungsregler
Zout = 1gm·xR·
g01+j ω
ωc
+ 1rDS
+jωCDS
xR = R1
R1+R2, G(f) = g0
1+j ωωc
Zext = Rext + jωLext + 1jωCext
Zint = 11
Rint+jωCint
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Spannungsregler
100
102
104
106
108
1010
10−2
10−1
100
101
102
103
104
105
freq, Hz
|Z|,
Ω
Z
int
Zext
Zout
ZGes
1 2 3 4 5
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Power Supply Rejection Ratio
PSRR = 20 log(
uin
uout
)
= 20 log(
uP
uS
)
uP
uS=
1ZGes
gm+ 1ZDS
102
104
106
108
1010
−30
−20
−10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Frequenz, Hz
PS
RR
, dB
LDOLDO + int.Kap.LDO + int.Kap + ext.Kap.
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Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Substratverkopplung
Simulations-Software:
EMPIRE
CST Microwave Studio
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Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Simulationsergebnisse
100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000
100
200
300
400
500
600
Distanz, um
Re(
Z),
Ω
Kontaktfläche = (50um)2, Distanz = 100um − 1000um, @ 1GHz
EMPIRE FAB1EMPIRE FAB2CST FAB1CST FAB2
Verkopplung uber Substrat, bei kleinen Abstanden und großenKontaktflachen (FAB1)
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Einleitung Aggressor Sensor Verkopplungspfade Zusammenfassung
Abschatzung des Substratwiderstandes
0 0.5 1 1.5 2 2.5
x 105
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Kontaktfläche, (um)2
R, Ω
Distanz=1mm, Kontaktfläche=(50um)2 − (500um)2
EMPIRECSTKugelerder
Anordnung aus zwei Halbkugelerdern
Oberflache der Halbkugelerder entspricht der Flache der Baugruppen
R = UI
= 1πκr
· d−2rd−r
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Zusammenfassung
Untersuchung
des Aggressors
des Sensors
verschiedener Verkopplungspfade
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Vielen Dank fur Ihre Aufmerksamkeit
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