Rumore nei sistemi digitali CMOS

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1 Rumore nei sistemi digitali CMOS Cara7erisCca storica dei sistemi digitali: 2 livelli di tensione ben separac rumore (noise) sovrapposto poco significacvo Nei sistemi a7uali: V DD V H V L diminuisce la separazione tra i due livelli un eventuale rumore sovrapposto al segnale ucle non è più trascurabile Inoltre, l aumento della frequenza operacva introduce nuove cause di disturbo Il rumore nei sistemi digitali non è più trascurabile Alcune cause di rumore importanc solo a livello scheda, ora lo sono anche a livello circuito integrato Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 1

2 Cause di rumore: 1. Caduta ohmica sulle piste di alimentazione nei chip (vedi carico RC) R INT cresce come S C /S 2. Interferenza intersimbolo dovuta a riflessioni sulle linee di trasmissione (causate da disconcnuità di L o C o per disada7amento - vedi linee di trasmissione) 4. Crosstalk Spazio tra le linee capacità di accoppiamento tra le linee Inoltre, f τ fronc dei transitori più ripidi banda del segnale più estesa presenza di armoniche a f maggiore contributo di elemenc parassic 4. Rumore induavo associato alle linee di alimentazione (ground bouncing) I, f, di/dt ΔV DD = -LdI/dt Inoltre: f λ segnali e comparabili con le lunghezze delle connessioni le interconnessioni si possono comportare da buone antenne e irradiare/captare disturbi esterni Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 2

3 Riflessioni, crosstalk e ground bouncing causano: 1) aumento dei ritardi le riflessioni aumentano il tempo di se7ling di un nodo. Il crosstalk degrada i segnali Il ground bouncing riduce la tensione di alimentazione I Le conseguenze di quesc disturbi devono essere presi in considerazione in fase di proge7o proge7o in condizioni di caso peggiore periodo di clock opportunamente dimensionato 2) Commutazioni logiche non desiderate errori logici non possono essere eliminac rallentando il circuito Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 3

4 ESEMPIO: Una variazione del segnale sulla linea di clock (che si accoppia in modo capacicvo alla linea A) viene vista come un glitch sulla linea A Transizione basso-alto-basso (o viceversa) del segnale, non desiderata. Generalmente non è una transizione completa (non si raggiunge V DD ) Linea di clock Linea A V Clk transizione sulla linea di clock (desiderata o indesiderata) V A t Conseguenza dell accoppiamento capacicvo (il segnale sulla linea A tende a seguire la variazione sulla linea di clock). Provoca un consumo di potenza indesiderato nei circuic pilotac da A qualora la tensione superi V Tn. Provoca un malfunzionamento nei circuic pilotac da A qualora la tensione superi V LT t Andamento a7eso Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 4

5 Crosstalk capacicvo e/o induavo In linee operanc a bassa frequenza (l << λ) si ha crosstalk capacicvo e/o induavo Crosstalk capacicvo: causato dalla differenza di potenziale tra due linee Crosstalk induavo: causato dalla corrente che scorre in due condu7ori In generale uno dei 2 Cpi di crosstalk domina sull altro. Nei circuic integrac e su scheda domina generalmente il crosstalk capacicvo A"enzione: il crosstalk non interessa solo accoppiamento capacicvo tra linee, ma anche l accoppiamento capacicvo di una linea con un nodo di un circuito. Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 5

6 Crosstalk capacicvo Situazione ideale microstrip separata dal piano di massa da un diele7rico a bassa perdita e circondato da aria (ε r aria < ε r isolante ) Campo ele7rico E confinato tra microstrip e piano di massa Situazione Cpica pista circondata da altre piste le linee di E sono terminate su altre piste accoppiamento tra piste crosstalk Il problema aumenta con il numero di livelli di metallizzazione Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 6

7 Linea disturbante: Linea (o nodo) disturbato: linea sulla quale avviene un cambiamento del segnale (desiderato o indesiderato) linea (o nodo) sulla quale può avvenire un cambiamento del segnale (sempre indesiderato) per effe7o di un accoppiamento capacicvo Le conseguenze dell accoppiamento sono diverse se la linea disturbata è ad alta impedenza (collegata ad un generatore di segnale a7raverso un percorso ad alta impedenza) oppure pilotata da un generatore di segnale Linea disturbata ad alta impedenza (o flo7ante, dall inglese floacng): La linea NON è collegata ele7ricamente ad un generatore di segnale (tensione di alimentazione, massa, segnale applicato dall esterno) In presenza di una variazione di segnale sulla linea disturbante, per effe7o dell accoppiamento capacicvo, la linea ad alta impedenza tende a seguire in modo permanente l andamento del segnale sulla linea disturbante. Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 7

8 Esempio di nodo ad alta impedenza V DD B A seconda della configurazione di ingresso, il nodo x può essere ad alta impedenza A O B x V A = 0, V B = 0 A B x V DD B O R on V DD R x R R on Il nodo x è un nodo ad alta impedenza in quanto è collegato alle due alimentazioni a7raverso percorsi a resistenza molto elevata (resistenza equivalente dei due transistori nmos, che sono spenc) Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 8

9 V A = 1, V B = 0 V DD V DD A B x B O R R on x R R on Il nodo x NON è un nodo ad alta impedenza in quanto è collegato alla V DD a7raverso un percorso a bassa resistenza (serie dei due transistori MOS accesi) V A = 0, V B = 1 A B x V DD B O R on V DD R x R Il nodo x NON è un nodo ad alta impedenza in quanto è collegato alla massa a7raverso un percorso a bassa resistenza (transistore nmos acceso) R on Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 9

10 Linea disturbata pilotata: La variazione di tensione sulla linea disturbante può indurre, per effe7o dell accoppiamento capacicvo, una variazione del segnale sulla linea disturbata. L effe7o del disturbo sarà tanto più forte quanto minore è la forza con cui il generatore di segnale pilota la linea disturbata. Di fa7o, gioca un ruolo fondamentale la resistenza della sorgente di segnale che pilota la linea disturbata (più è piccola, più la linea disturbata è ancorata al generatore di segnale e meno sencrà l effe7o del disturbo). L effe7o del disturbo NON è permanente in quanto, a seconda della resistenza della sorgente di segnale sulla linea disturbata, prima o poi la linea tende a ritornare al valore che aveva prima del disturbo (più è piccola la resistenza della sorgente, più la linea è ancorata al generatore di segnale e più velocemente tornerà al valore imposto dal generatore). Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 10

11 Linea disturbata flo7ante Singolo livello di metalizzazione isolante Es: disturbo ΔV 1noise sulla linea 1 flo7ante generato, per effe7o dell accoppiamento capacicvo, da una variazione ΔV 2 del segnale sulla linea 2 C 12 C C 1G L accoppiamento è: proporzionale a C 12 (capacità tra 1 e 2) inv. proporzionale alla capacità totale vista dalla linea 1 (C 12 + C 13 + C 1G ) ΔV 1noise = ΔV 2 C 12 C 12 +C 13 +C 1G V ΔV 2 ΔV 1noise t Il disturbo sulla linea flo7ante segue l andamento del segnale sulla linea disturbante Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 11

12 ΔV 1noise = ΔV 2 C 12 C 12 +C 13 +C 1G V ΔV 2 ΔV 1noise t L enctà del disturbo ΔV 1noise dipende da quanto pesa la capacità di accoppiamento tra le due linee rispe7o a tu7e le capacità viste dalla linea disturbata In generale la capacità verso massa è molto maggiore rispe7o alle altre capacità C 1G >> C 12,C 13 ΔV 1noise Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 12

13 Linea disturbata flo7ante Più livelli di metalizzazione C 12 C isolante C 13 C 14 ΔV 1noise = ΔV 2 C 12 C 12 +C 13 +C 14 +C Per le linee del 3 o livello (o superiore) non esiste un accoppiamento stabile verso massa C 12 C 13, C 14, C 15 ΔV 1noise Inoltre: per evitare che R INT cresca eccessivamente per effe7o della riduzione delle dimensioni geometriche H INT cost. accoppiamento tra linee dello stesso livello non scala La separazione tra i livelli (cioè lo spessore dell isolante tra i livelli) non può aumentare per non aumentare le problemacche associate alle vias (collegamenc verccali tra linee poste su livelli differenc) Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 13

14 Linea disturbata pilotata Linea 2 Hp: linea 1 pilotata da un generatore con resistenza di uscita R O C 12 Linea 1 R O C 1G Risposta ad un gradino su V 2 all istante t=0 V 2 C # ΔV 1noise = ΔV 12 2 exp% t C 12 +C 1G $ τ & ( ' ΔV 2 t V 1 τ = R O (C 1G + C 12 ) ΔV 1noise τ t Se R O τ (al limite, per R O il caso analizzato tende a quello della linea flo7ante) Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 14

15 A7enzione: nel caso di segnale reale (non a gradino, t r 0), l ampiezza del disturbo è tanto più piccola quanto più è grande il tempo di salita del segnale se t r ΔV 1noise ES: onda quadra di ampiezza V 2max su V 2 (L onda quadra esiste solo in teoria. In realtà l onda quadra è un onda trapeziodale). V 2 (t) V 1 (t) V 1max t La tensione massima V 1max dipende da: capacità di accoppiamento C 12 pendenza dei fronc di salita e discesa di V 2 (t) t Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 15

16 Per ridurre gli effea del crosstalk su linea pilotata: 1. è importante che le linee siano pilotate da sorgenc di segnale con bassa resistenza 2. i fronc di salita e discesa dei segnali non siano troppo ripidi La condizione 2 è via via più difficile da soddisfare, in quanto nei circuic digitali operanc a frequenze via via crescenc diminuisce il tempo allocato per un bit i tempi di salita e discesa dei segnali devono necessariamente diminuire periodo τ allocato per un bit = 1/f Se la frequenza aumenta ( t diminuisce), anche t r deve diminuire τ tempo di salita t r (nell esempio t r = τ/10) t t r t Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 16

17 AccorgimenC per ridurre il crosstalk capacicvo: 1) Ridurre le capacità di accoppiamento tra le linee di segnale: riducendole in percentuale rispe7o alla capacità verso massa facendo scorrere il più possibile in perpendicolare le linee su livelli adiacenc riducendo il percorso in parallelo di 2 piste sullo stesso livello 2) Evitare la presenza di linee flo7anc 3) Aumentare il tempo di salita dei segnali 4) Linee di segnali molto sensibili (con bassa tensione V H e/o a basso swing logico) devono essere ben separate da linee con segnali ad elevata V H o ad elevato swing logico 5) In casi estremi schermare una linea molto sensibile con linee connesse, in un solo punto, ad una alimentazione Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 17

18 Effe7o dell indu7anza sulle linee di alimentazione (Ground Bouncing) Bonding, package pins, linee della scheda V DD chip V DDchip I ΔV = L di dt V IN V OUT V DDchip =V DD ΔV V SSchip V SS Per effe7o del transitorio rapido di/dt all accensione del pull-up si ha un calo di V DDchip V DDchip cala per tua gli stadi collegac al circuito che commuta rallentamento del circuito, diminuzione swing logico, diminuzione soglia logica, riduzione margine di immunità ai disturbi. Lo stesso effe7o accade per commutazioni V H V L dell uscita V SSchip Maggiore è il numero di circuic che commutano contemporaneamente, maggiore è la caduta di tensione sulle alimentazioni Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 18

19 Ground bouncing Rete di distribuzione dell alimentazione in un circuito integrato board V DD lines V DD pins Chip Differenza tra stadi di uscita e stadi interni Inputs Outputs V SS pins board V SS lines Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 19

20 Ground bouncing negli stadi interni V DD pins Chip L R PU R PU R PU + V DD R PD R PD R PD L V SS pins Transistori modellac come interru7ori. Capacità dovute a ossido di gate, diffusioni, interconnessioni locali valore rido7o I Load limitata Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 20

21 Modello semplificato Chip Indu7ori sulle piste di alimentazione interne al chip considerac trascurabili + L ext R 1 R 2 V DD C 1 C 2 C 1, R 1 = capacità e resistenze dell insieme dei circuic che non stanno commutando C 2, R 2 = capacità e resistenze dell insieme dei circuic che stanno commutando La presenza dei circuic che non stanno commutando è fondamentale: Chip durante il transitorio C 1 funge da serbatoio di carica + L ext R 1 R 2 al momento della commutazione parte della corrente che deve caricare C 2 viene fornita da C 1, riducendo il contributo richiesto all alimentazione V DD C 1 C 2 L ext di dt Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 21

22 L alimentazione esterna deve comunque fornire la stessa carica che avrebbe fornito in assenza di C 1 (C 1 deve essere poi ricaricato a V DD ). La variazione di I Alim è comunque più piccola rispe7o al caso in cui sia assente una capacità serbatoio Altra cara7eriscca (vantaggiosa) degli stadi interni: i circuic che devono commutare all interno dello stesso ciclo di clock non commutano tua contemporaneamente (propagazione dei segnali tra i vari gate in cascata) Stadi di uscita I OUT in quesc stadi (carico elevato da caricare in tempi brevi) ) ΔI ΔV Le riduzioni di alimentazioni all interno di un chip dovute al ΔV causato dalle commutazioni sulle linee di uscita si ripercuotono anche sugli stadi interni Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 22

23 AccorgimenC per ridurre il rumore dovuto al ground bouncing Separare i pin di alimentazione per gli stadi di uscita e per i blocchi interni Aumentare i pin di alimentazione (posicva e massa) in un chip. (Per esempio, una coppia di pin per ogni x stadi di uscita, dove x dipende da: di/dt dello stadio, carico, n. stadi che commutano contemporaneamente) Non ridurre t r e t f degli stadi di uscita oltre quanto richiesto dalle specifiche Evitare che tu7e le uscite commucno simultaneamente. Sfasare la commutazione delle linee dei bus. Inserire dei condensatori di disaccoppiamento tra le alimentazioni Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 23

24 Condensatore di disaccoppiamento chip Condensatore da inserire su scheda tra ogni alimentazione posicva e negacva + V DD C D R 1 R 2 Separano l indu7anza delle linee della scheda da quelle dovute a bonding e pins C1 C 2 C D, assieme alle indu7anze, realizza un filtro passabasso che taglia le componenc ad alta frequenza della variazione della tensione di alimentazione durante i transitori Durante il transitorio di commutazione su chip parte della carica richiesta dai circuic che commutano viene fornita da C D che si comporta da serbatoio di carica, limitando l apporto di corrente (e quindi ΔV = L board di/dt) dall alimentazione Analogamente al condensatore di disaccoppiamento su scheda si inseriscono condensatori all interno del package e su chip. Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 24

25 Calcolo del valore di C D Le linee a monte di C D sono modellate come un indu7ore infinitamente largo parctore capacicvo C D C C D V DD = (V DD ΔV)(C D +C) ΔV = C C D +C V ΔV se C DD D >> C La presenza di una capacità di disaccoppiamento non riduce il consumo energecco: durante il transitorio parte della corrente viene fornita al carico dal condensatore di disaccoppiamento invece che dall alimentazione terminato il transitorio, l alimentazione concnua ad erogare corrente per riportare a V DD la tensione ai capi di C D C D deve essere elevato anche per evitare che si scarichi troppo durante il transitorio si impieghi troppo tempo (> del ciclo di clock) per ricaricarlo Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 25

26 Esempio numerico Buffer di uscita a bassa impedenza che pilotano linee di trasmissione con Z o = 50 Ω a V DD = 5 V Corrente massima I max per ciascun buffer: V DD /Z o = 0.1 A n = 50 buffer I = 50 * I max = 5 A (nell ipotesi in cui commucno tua contemporaneamente) Valore Cpico C D : 10 * capacità totale del chip 0.1 µf 0.2 µf Domanda: per quanto tempo C D può fornire una corrente di 5 A garantendo una variazione massima di tensione ai suoi capi pari ad un determinato ΔV? Hp: ΔV = 5% V DD = 0.25 V dv I = C D dt Δt = C D I ΔV Con C D = 0.1 µf Δt = 5 ns In realtà non tua i buffer commutano contemporaneamente. Inoltre l alimentazione del sistema tende a ricaricare C D Ele7ronica digitale Rumore nei sistemi CMOS 26