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Ionisierende Strahlung kann bei höheren Dosisleistungen lebensgefährlich sein. Um die Menschen vor solch einer Strahlung warnen zu können, wird im Rahmen dieser Arbeit die Entwicklung eines Messkonzeptes in CMOS Technologie zur Detektion ionisierender Photonenstrahlung durch ein elektronisches Personendosimeter beschrieben. Die entwickelte Schaltung soll später in einem Personendosimeter im klinischen Umfeld zum Einsatz kommen. Zusätzlich werden die Charakteristiken einer PIN-Diode untersucht. Die Schaltung wird auf Transistorebene aufgebaut, sodass sie später als integrierte Schaltung in einem Chip hergestellt werden kann.
In dieser Masterthesis wird ein Shunt-Low-Dropout-Spannungsregler messtechnisch
überprüft. Dieser Regler entsteht in Kooperation zwischen der Fachhochschule Dortmund
und dem Kernforschungszentrum CERN für die Nutzung in Experimenten am
LHC-Teilchenbeschleuniger in Genf. Der Fokus liegt auf der Messung der ersten beiden
entwickelten Testchips des Projektes RD53B, inklusive der technischen Grundlagen, des
genutzten Messaufbaus und der Validierung. Diese Thesis soll den Grundstein für Messungen
an den folgenden Chipgenerationen im Rahmen des Projektes legen.
Der vorliegende Bericht „Entwurf eines strahlenharten 5V Spannungsreglers aus kaskodierten Dünngate-Transistoren in einer 65nm CMOS Technologie“ beschreibt eine an der Fachhochschule Dortmund im Fachbereich Elektrotechnik im Rahmen der Masterthesis durchgeführte Studie.
Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines 5V Spannungsreglers, der einen CAN zu I2C Brücken Chip mit Spannung versorgt. Dabei ist zu beachten, dass die Core Transistoren in 65nm CMOS mit einer maximalen Spannung von 1,2V betrieben werden können. Der Chip soll für die Steuerung des Atlas Pixel Detektors am CERN eingesetzt werden.
Diese Ausarbeitung dokumentiert die Verifikation des Shunt-Low-Dropout-Spannungsreglers
für den Einsatz im ATLAS- und CMS-Projekt. Im Rahmen einer Kooperation zwischen der
Fachhochschule Dortmund und dem Forschungsinstitut CERN in Genf wird eine integrierte
CMOS Schaltung zur seriellen, strombasierten Spannungsregelung der Pixeldetektormodule
entwickelt. Der Fokus dieser Masterthesis ist die simulationstechnische Verifikation unter
Berücksichtigung der spezifizierten Einsatzbedingungen in den Experimenten und umfasst -
neben einer Einführung in den Shunt-LDO Regler auf Basis des Testchip C - die Vorstellung
und Dokumentation der erarbeiteten Simulationsergebnisse.
Die vorliegende Masterthesis beschreibt die Entwicklung eines Testsystems für die PSI5-
Schnittstelle von ASICs und ASSPs. Zunächst werden anhand des PSI5-Standards die
Eigenschaften des Physical- und Data-Link-Layers aufgezeigt, welche neben etwaigen
Störgrößen relevant für die Entwicklung des Testsystems sind. Das anschließend entwickelte
Testsystem besteht aus einem physical Layer und einem ZYNQ SoC, welcher
programmierbare Logik (FPGA) und CPU-Kerne vereint. Die Kernfunktionen der Sensorsimulation
zum Testen eines PSI5-Master-Interfaces sind in programmierbarer Logik
umgesetzt, während Softwareapplikationen für den Testablauf und die automatisierte
Auswertung der Ergebnisse verantwortlich sind. Die beiden CPU-Kerne des ZYNQ SoCs
werden als ein asymmetrisches Multiprozessorsystem aus dem Echtzeitbetriebssystem
FreeRTOS für zeitkritische Aufgaben und einem modifizierten Linux-Kernel genutzt.
Die Bedienung des Testsystems erfolgt über ein Webinterface.
This thesis presents a power simulation of a MIPS MicroAptiv UP Core implemented as
a virtual ASIC prototype using Taiwan Semiconductor Manufacturing Company(TSMC)
65 nm CMOS technology. Based on the MIPS instruction set program data is generated
and introduced in the simulation by means of initialization files. Before the simulation,
technology specific SRAM modules are integrated into theMIPS core. Two different programs
are used for power characterization. The first program performs frequent memory
accesses by means of load/store word instructions, while the second program is a loop
which operates on registers only and mainly increments addresses. The simulation is
based on a virtual prototype which is generated by synthesis and place & route including
post-layout parasitic extractions. The stimuli for the power extraction is generated
via gate-level simulation and forwarded to the power calculation engine. The effect of X-propagation
on gate-level simulations is avoided by modifying the address-related statements
in the execution data path module, which use another form of 2 to 1 multiplexer,
setting the output to zero for all input signals even with an initial value of ’x’ without
changing the functionality. Finally, the consumed power is provided by reports generated
by the power simulation engine. The memory-centric program consumes 35.39mW
of internal power using instructions, which is 0.73mW less than the internal power of the
register-centric program, and the overall average power is also lower by almost 0.7mW.
This Master thesis is part of an effort to implement the planned upgrade High-
Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) at CERN Geneva/Switzerland. The
ATLAS Pixel Detector which is installed at the LHC is also getting among others
a new detector control system (DCS) update. Each module in the Detector
Control System will have an integrated DCS chip which includes on-chip shunt
and Linear regulators, ADC, bypass transistor and a modified I2C slave node. In
this master thesis, Shunt and Linear regulators are explained and simulated using
the Globalfoundaries 130nm CMOS designkit. A Kuijk bandgap reference based
Power-On-Reset (POR) circuit is explained and designed in detail. The design
of the POR includes an implementation with CMOS instead of diodes or bipolar
transistors. It was simulated using Globelfoundaries 130nm CMOS designkit. Finally,
a layout was developed for fabrication. The DCS system needs DCS bridge
controllers which include a Controller Area Network (CAN) node and a modified
I2C master node. For this purpose CAN and CANopen standards are explained
in detail for implementation.
Diese Masterthesis beschäftigt sich im Rahmen des Testchips TC1.5 der Infineon Austria AG mit der Analyse und Charakterisierung des Reverse und Forward Body Biasing mit differentieller Spannungsskalierung. In einem theoretischen Grundlagenteil werden dem Leser zunächst die Beweggründe sowie die nötigen Informationen der zugrunde liegenden Halbleiter-Technologie vermittelt, um ihn an die Thematik des Body Biasing und der Power Management Einheiten heranzuführen. Es folgt die Beschreibung des AurixPlus-digital EVR and PMS Testchips (Version 1.5) hinsichtlich seiner Struktur und Funktionalität. Den Kern der Arbeit bilden der Aufbau eines teilweise automatisieren Messplatzes, die Entwicklung einer Testsoftware (Python, C#), die Erarbeitung von Test Spezifikationen sowie die Durchführung entsprechender Messungen zur Analyse und Charakterisierung. Die Ergebnisse dieser Messungen werden im Anschluss eingehend besprochen und mit Bezug auf zukünftige Entwicklungen in diesem Bereich bewertet.
Im Rahmen dieser Masterthesis wird in Zusammenarbeit mit der Firma Elmos Semiconductor AG ein Time-To-Digital Converter fur eine Time-of-Flight Anwendung weiterentwickelt und optimiert. Als Ausgangspunkt dafur dient die in der vorhergehenden Masterstudienarbeit optimierte Schaltung eines vorhandenen TDC. Die primäre Aufgabe des Time-to-Digital Converters ist die Quantifizierung einer zeitlichen Verzögerung zwischen zwei Eingangssignalen. Genutzt wird dafur ein Local Passive Interpolation (LPI) TDC mit einer angepeilten Auflösung von 70 Pikosekunden, der als
integrierte Schaltung in einer 350 nm CMOS-Technologie realisiert wird. Hauptbestandteil
dieser Arbeit ist die Verringerung vorhandener Messungenauigkeiten, die Untersuchung
des Einflusses von Layout-Effekten auf die Funktion des TDC und die Uberführung der optimierten Schaltung in ein Layout.
Im Rahmen dieser Masterthesis wird eine Delay-Locked Loop von einem idealen Aufbau
über Verilog-A Modellen bis hin zur realen Umsetzung entworfen. Diese Delay-Locked Loop
(DLL) wird für die Nutzung in einem Time-to-Digital Converter (TDC) mit Local-Passiv-Interpolation,
entwickelt. Mit Hilfe des TDC soll eine Verzögerungszeit bei einer Time-of-Flight
Anwendung ermittelt werden. Hauptbestandteil dieser Arbeit ist es, eine Charge Pump zu implementieren,
welche eine geringe Auswirkung auf die Phasenverschiebung der Regelschleife
aufgrund von parasitären Eigenschaften im Schaltmoment aufweist. Zudem wird für die
Stromregelung innerhalb der Charge Pump ein präziser Transkonduktanzverstärker (OTA)
mit einem hohen Eingangsspannungsbereich implementiert. Für die Entkopplung der Verzögerungskette
als Last von der Filterspannung wird ein Low-Dropout Spannungsregler (LDO)
entwickelt.
Im Verlauf der Arbeit hat sich gezeigt, dass eine Charge Pump, aufgebaut mit einem differentiellen
Stromzweig, aufgrund des konstant fließenden Stroms die geringsten parasitären Einflüsse
aufweist. Innerhalb dieser Charge Pump wird ein gefalteter Transkonduktanzverstärker
als Spannungsfolger genutzt, um das Potential in den Zweigen der differentiellen Stufe
aneinander anzugleichen und somit die Einflüsse im Schaltmoment zu verringern. Zusätzlich
erfolgt über diesen Verstärker eine exakte Stromanpassung der UP- und DOWN-Ströme.
Für die Umsetzung der Verzögerungskette wird das Rauschverhalten verschiedener CMOSInverter
bezüglich Phasenrauschen und Jitter simuliert. Aufgrund dieser Simulationen ist der
differentielle Inverter mit NMOS-Kreuzkopplung für die Umsetzung der Delay-Line ausgewählt
worden.
Die real aufgebaute Delay-Locked Loop wird nach der Spezifikation für Automobilanwendungen
in einem Temperaturbereich von -50°C bis 120°C simuliert. Zusätzlich werden globale
und lokale prozessbedingte Variation berücksichtigt. Bei dieser Simulation stellt sich eine maximale
Phasenverschiebung zur Referenzperiodendauer von 218 ps ein. Dies entspricht bei
einer Referenzfrequenz von 25 MHz einer Abweichung von ca. 0,5 % und führt zu einem
Messfehler der Delay-Locked Loop von 3 cm. Somit könnte im schlechtesten Fall ein Objekt
von der ToF-Kamera mit einem Fehler von 3 cm detektiert werden.