Φαινόμενα θορύβου σε μικροηλεκτρονικές υπομικρονικές διατάξεις και κυκλώματα τηλεπικοινωνιακών και οπτικών εφαρμογών

Abstract

This dissertation deals with the study of submicron devices and circuits, used in telecommunication and optical applications. The target is the modeling of submicron MOS transistors and the noise optimization of circuit topologies.The design of full CMOS integrated circuits is very important for the implementation of low-cost telecommunication systems in the low GHz frequency range. Effects related with the very small dimensions of these devices (submicron effects) dominate the circuit performance. The noise behavior and the noise models of the device noise sources are revised. We study circuit topologies of low noise amplifiers for RF applications and transimpedance amplifiers for optical networks. For the design of transimpedance amplifiers if we take into consideration the submicron effects, is revealed that the noise optimum occurs for a value of the input capacitance five or ten times smaller than the one predicted from the classical theory. During the design of the first amplification stage of a system, MOSFETs with very large W/L ratio are preferred because of their higher transconductance. The interdigitated structure is the best way for the layout design of a very wide MOSFET. We study the special features of this device and we calculate analytically the noise contribution of the interconnect resistances of the parallel gates. We study the contribution of the noise associated with the interconnect resistances for a low noise amplifier and we calculate the minimum noise figure which is a function of the number of the parallel figures. We designed a mixed analog digital integrated circuit where the first amplification stage of the analog part was a transimpedance amplifier. For the noise optimization of this circuit we used the results of the previously described analysis. In this mixed signal application the substrate coupling noise poses a major problem as well. We study all the mechanisms of noise injection and noise reception, we examine the properties of the substrate and we present methods for the reduction of the noise coupling between analog and digital circuits made on same die.

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής αφορά τη μελέτη φαινομένων θορύβου σε υπομικρονικές διατάξεις και κυκλώματα κατάλληλα για τηλεπικοινωνιακές και οπτικές εφαρμογές. Στόχος είναι η μοντελοποίηση πηγών θορύβου σε υπομικρονικά MOS τρανζίστορ καθώς επίσης και η βελτιστοποίηση κυκλωματικών τοπολογιών ως προς τη θορυβική τους απόκριση.Η σχεδίαση αμιγώς CMOS μονολιθικών συστημάτων είναι το βασικό στοιχείο για την υλοποίηση χαμηλού κόστους τηλεπικοινωνιακών συστημάτων στην περιοχή συχνοτήτων από μερικές εκατοντάδες MHz ως και μερικά GHz. Φαινόμενα που σχετίζονται με τις πολύ μικρές διαστάσεις των στοιχείων αυτών (υπομικρονικά φαινόμενα) γίνονται σημαντικά. Τα παραπάνω επηρεάζουν καθοριστικά και τη θορυβική απόκριση των στοιχείων αυτών, οδηγώντας στην ανάγκη για αναθεώρηση των μοντέλων όλων των ενδογενών πηγών θορύβου. Μελετώνται τοπολογίες χαμηλού θορύβου ενισχυτών ραδιοσυχνοτήτων (RF) καθώς επίσης και ενισχυτών διαγωγιμότητας για χρήση σε οπτικά δίκτυα. Αποδεικνύεται για τους ενισχυτές διαγωγιμότητας ότι αν ληφθούν υπόψη τα υπομικρονικά φαινόμενα για τον υπολογισμό του συνολικού θορύβου του συστήματος, η τιμή της χωρητικότητας εισόδου για την βέλτιστη απόκριση θορύβου γίνεται μέχρι και δέκα φορές μικρότερη από αυτή που υπολογίζεται με την κλασική προσέγγιση. Στις βαθμίδες εισόδου απαιτείται η χρήση τρανζίστορ με μεγάλη διαγωγιμότητα. Η διάταξη MOSFET πολλαπλής πύλης (interdigitated) αποτελεί το μοναδικό τρόπο υλοποίησης αυτών των τρανζίστορ. Μελετώνται οι ξεχωριστές ιδιότητες της διάταξης αυτής και υπολογίζεται αναλυτικά η συνεισφορά των αντιστάσεων διασύνδεσης των παράλληλων πυλών στον συνολικό θόρυβο του στοιχείου. Ως εφαρμογή μελετάται η βελτιστοποίηση της θορυβικής απόκρισης ενός χαμηλού θορύβου ενισχυτή ραδιοσυχνοτήτων και υπολογίζεται αναλυτικά ο ελάχιστος δείκτης θορύβου ο οποίος και αποδεικνύεται ότι είναι συνάρτηση του αριθμού των παράλληλων πυλών. Οι σημερινές υπομικρονικές τεχνολογίες επιτρέπουν την υλοποίηση μονολιθικών συστημάτων (SoC), στα οποία μπορούν να συνυπάρχουν πάνω στον ίδιο μονοκρύσταλλο αναλογικά και ψηφιακά κυκλώματα. Στα πλαίσια της διατριβής σχεδιάστηκε μεικτό αναλογικό-ψηφιακό ολοκληρωμένο κύκλωμα το οποίο περιείχε και έναν ενισχυτή διαγωγιμότητας. Η θορυβική απόκριση του ενισχυτή αυτού βελτιστοποιήθηκε με βάση τα αποτελέσματα που έχουν παρουσιασθεί. Το σημαντικότερο όμως πρόβλημα κατά την σχεδίαση μονολιθικών συστημάτων, είναι ο επαγόμενος θόρυβος μέσω υποστρώματος. Αναλύονται οι μηχανισμοί εμβολής και λήψης θορύβου από το υπόστρωμα, μελετώνται οι ιδιότητες του υποστρώματος και δίνονται λύσεις για την αποτελεσματική μείωση του.