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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.
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.
In dieser Thesis wird ein Time-to-Digital Converter mit einer Sub-Gate-Delay Auflösung, also
einer höheren Auflösung als die Durchlaufzeit eines in dieser Prozesstechnik realisierten Inverters,
mithilfe verschiedener Ansätze, wie dem Vernier TDC oder dem Local Passive Interpolation
TDC, untersucht. Hierbei wird eine Delay-Locked Loop genutzt, um die Durchlaufzeit
der jeweiligen Inverterkette zu regeln. Der Vorteil dieses Ansatzes ist, dass die Durchlaufzeit
auch bei PVT-Variationen, also Variation der Prozesscorner, Versorgungsspannung und Temperatur,
auf die Referenzperiodendauer eingestellt wird. Somit sind lokale Prozessabweichungen
die vorherrschende Quelle für Ungenauigkeiten in der Auflösung des TDC. Die Auflösung
kann mithilfe der differentialen und integralen Nichtlinearität beschrieben und ausgewertet
werden.
Die Masterthesis Entwicklung und Validierung einer Simulationsumgebung mit fernwirk und stationsleittechnischen Funktionen und IEC 60870-5-104 Kommunikation unter Java
umfasst die Implementierung einer Simulationsumgebung zur Veranschaulichung
fernwirk- und stationsleittechnischer Vorgänge in Kombination mit einer IEC 60870-5-104 Kommunikation. Die Simulationsumgebung ist dabei als IEC 60870-5-104-Server definiert. Nach der Stationsinitialisierung und der Übertragungssteuerung kann die Simulationsumgebung Telegramme in Steuerungsrichtung empfangen, analysieren und entsprechende
fernwirk- und stationsleittechnische Vorgänge auslösen. In Melderichtung sind
spontane Prozessänderungen oder durch Steuervorgänge ausgelöste Änderungen durch Generierung und Übertragung von Telegrammen umzusetzen. Mit der Simulationsumgebung können durch eine IEC 60870-5-104 Kommunikation ausgelöste Vorgänge innerhalb eines Fernwirkgerätes sowie anhand einer Prozesssimulation demonstriert werden.