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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.
In dieser Masterthesis wird die Entwicklung eines PIPE IP-Cores als erster Entwicklungsschritt hin zu einem PCI Express Soft Core für die FPGA-basierte Implementierung beschrieben. Der Entwicklungsansatz hat zum Ziel, FPGAs mit integriertem Serializer/Deserializer (SerDes) auf den Einsatz in hardwareübegreifenden Systemen der Künstlichen Intelligenz (KI) vorzubereiten. Die Entwicklung basiert hierbei auf der FPGA-Produktfamilie GateMateTM des deutschen Unternehmens Cologne Chip AG. Allerdings versteht sich die Entwicklung als allgemeingültiger Ansatz, der auch anderen FPGA-Herstellern die Herangehensweise an die Thematik erleichtern und helfen soll, den notwendigen Entwicklungsaufwand abzuschätzen und wenn möglich zu verringern.
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.
In this thesis, the radiation sensitivity of the novel Cologne Chip GateMate A1 field-programmable gate array (FPGA) is evaluated. An initial introduction of radiation mechanisms and their effects on electronics is given, followed by a brief overview of radiation test standards. The common elements present in FPGAs are discussed, which is followed by details of the GateMate FPGA device and a description of the software design flow. Afterwards, the development of a purpose-built printed circuit board (PCB) for radiation tests with the GateMate FPGA is detailed.
Four components of the GateMate have been tested during three radiation campaigns, as well as a benchmark circuit to compare the radiation performance of the GateMate with other FPGAs tested at the European Organization for Nuclear Research (CERN). The test architecture consists of the device under test (DUT) FPGA and a TESTER FPGA whose task is to provide inputs to the DUT and record its response. The DUT and TESTER designs developed for all tests are discussed in detail. Finally, the results obtained during the irradiation campaigns are presented, showing that the GateMate FPGA performs similarly to other FPGAs using the same process technology. Only the benchmark test was not finalized, as implementation problems prevented its completion in the given time frame. The thesis concludes with a comprehensive summary and outlook.
Angewandte Feldtheorie
(2018)
Electromagnetic Design
(2023)