Анализ методов построения и разработка КМОП БИС аналогово-цифровой многоканальной «системы-на-кристалле»

Ю.И. Бочаров, А.С. Гуменюк, А.Б. Симаков, М.С. Горбунов, В.Е. Шунков, А.В. Поляков
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

Современная аппаратура считывания и преобразования сигналов, поступающих с детекторных станций физических установок, многоканальных сенсоров медицинских приборов и устройств иного назначения, часто реализуется с использованием специализированных БИС класса система-на-кристалле (СНК). Методология построения СНК на базе повторно используемых сложно-функциональных блоков (СФ-блоков) обеспечивает сокращение сроков проектирования и верификации БИС. Цель данной работы — анализ и оптимизация структуры многоканальной СНК считывания сигналов кремниевых микрополосковых детекторов, а также разработка составляющих ее СФ-блоков: амплитудного детектора, коммутатора и аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Работа осуществляется в рамках программы подготовки международного эксперимента СВМ, направленного на изучение ядерного вещества в сверхплотном состоянии. Технологически проект обеспечивается участием МИФИ в системе Europractice. Изготовление опытных образцов осуществляется на фабрике компании UMC по технологии создания элементов радиочастотных, аналоговых и цифровых КМОП схем с проектными нормами 0,18 мкм.

Многоканальные СНК содержат СФ-блоки аналоговой обработки (преобразователи заряда, усилители-формирователи, амплитудные детекторы) в каждом канале. Число АЦП также может соответствовать числу каналов, что, однако, накладывает ограничения на их топологические размеры и потребление. С целью минимизации площади, занимаемой быстродействующими АЦП, возродился интерес к циклическим преобразователям [1]. При использовании таких АЦП удовлетворяются требования по площади кристалла, но остаются ограничения по энергопотреблению. В основе другой архитектуры — полная маршрутизация множества входных каналов на меньшее по численности множество АЦП. При максимальной для заданного отношения числа входов к числу АЦП производительности она требует применения сложного кросс-коммутатора с арбитражем, что ограничивает возможности реализации СНК с большим числом каналов.

В работе рассматривается реализация предложенного метода[2,3] увеличения числа каналов, обрабатываемых одним АЦП, который основан на свойстве пространственной локализации зарядов от треков частиц, фиксируемых микрополосковыми детекторами блока траекторных измерений. Приводятся результаты анализа вероятности потери данных в системе с такой архитектурой, полученные математическим моделированием.

Для СНК разработан СФ-блок конвейерного АЦП с эффективной разрядностью около 7 бит и потребляемой мощностью менее 20 мВт на канал при частоте выборки 20 МГц[3]. Изготовлены тестовые образцы, содержащие базовые элементы АЦП — дифференциальный усилитель с цепью обратной связи на переключаемых конденсаторах[4] и схему выборки-хранения. Для исследования электрофизических характеристик и влияния ионизирующих излучений на стандартные транзисторы, реализуемые по технологии КМОП-0,18 мкм, и приборы специальной (ELT) топологии с прогнозируемой повышенной стойкостью[5], в состав тестового кристалла включены оба типа транзисторов. Приводятся данные об экспериментальной установке и результаты испытаний тестовых элементов.

Список литературы

1. Muthers D. Low Power Pipeline ADCs. // CBM Collaboration Meeting. 2006. Sept. 20—22. Proceedings. Strasbourg, 2006.
2. Бочаров Ю.И., Симаков А.Б., Аткин Э.В. Проектирование БИС считывания сигналов микрополосковых детекторов по субмикронной КМОП технологии. // Научная сессия МИФИ-2006. Сборник научных трудов. В 16 томах. Т.1. М.: МИФИ, 2006. С. 112—113
3. Gumenuk A., Bocharov  Y., Simakov  A. Development of Pipeline ADC Building Blocks. // CBM Collaboration Meeting. 2006. Sept. 20—22. Proceedings. Strasbourg, 2006.
4. Гуменюк А.С., Бочаров Ю.И. Проектирование дифференциальных КМОП усилителей для АЦП. // Схемотехника. 2006. № 12.
5. Anelli et al. Radiation Tolerant VLSI Circuits in Standard Deep Submicron CMOS Technologies for the LHC Experiments: Practical Design Aspects. // IEEE Trans. on Nuclear Science. — 1999. vol. 46. No 6. P. 1690—1696.