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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.
Die vorliegende Masterthesis beschreibt die Entwicklung eines Strahlenharten CAN Physical Layer in einer 65 nm CMOS Technologie für das Kontrollsystem des ATLAS Pixeldetektors. Dieser CAN Physical Layer ist Bestandteil des DCS Chips (Detector Control System), der im Rahmen des Upgrades des ATLAS Pixeldetektors zum High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) entwickelt wird. Die Aufgabe des DCS Chips ist die Steuerung und Überwachung der Sensorik des ATLAS Pixeldetektors. Die Transistoren der verwendeten Technologie dürfen mit maximal 1,2 Volt betrieben werden. Um dennoch die Kompatibilität zum CAN Standard beizubehalten ist es notwendig mit wesentlich höheren Spannungspegeln zu arbeiten. Im Verlauf dieser Masterthesis werden zu diesem Zweck ein CAN Treiber, ein Levelshifter und ein CAN Empfänger entworfen, die dazugehörigen Layouts erstellt und die Eigenschaften der Schaltungen auf dem ersten gefertigten Prototyp des DCS Chips vermessen.
In dieser Masterthesis wird die Entwicklung einer Komponente zum Vergleich von Clocktrees
beschrieben, die als Erweiterung in ein bestehendes Clocktree-Analyse-Tool integriert wird. Das
bestehende Programm ist aus einer Tcl-Anwendung und einer Qt-Applikation aufgebaut. Alle
Algorithmen und eine Datenbasis, welche die Daten zu den Clocktrees enthält, sind Teil der Tcl-
Anwendung. Die Benutzeroberfläche wird durch eine Qt-Applikation realisiert, welche durch die
Komponente für den Vergleich der Clocktrees ergänzt wird. Der Algorithmus für diesen Äquivalenzcheck
basiert auf der Graphentheorie. Dazu werden die Clocktrees in Baum-Graphen transformiert,
um die daraus resultierenden Strukturen vergleichbar zu machen. Die ermittelten Elemente,
welche den Unterschied verursachen, werden in der Qt-Applikation, in einem Schematic-
Viewer-Widget koloriert, das bereits in der bestehenden Applikation implementiert ist.
In dieser Masterarbeit wird die Entwicklung einer elektronischen Last zur Prüfung von Spannungsversorgungen in der Produktentwicklung beschrieben. Basierend auf den Ergebnissen einer vorherigen Arbeit, wurde ein Schaltplan entwickelt. Die theoretischen Grundlagen des in diesem Schaltplan verwendeten Regelkreises werden erläutert und die Instabilität der Regelung, anhand von Simulationen, aufgezeigt. Anschließend wird eine geeignete Kompensationsschaltung entwickelt und deren Stabilität nachgewiesen. Es folgt die Auswahl von Bauteilen sowie die Worst-Case Betrachtungen der jeweiligen Betriebszustände. Der Erstellung eines Platinen Layouts und einer Programmierung des verwendeten Mikrocontrollers folgen abschließende Funktionstests der erstellten Platine.
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.
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.
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.