高可靠性I/O标准单元库及其ESD防护设计--《国防科学技术大学》2014年硕士论文
高可靠性I/O标准单元库及其ESD防护设计
【摘要】：作为集成电路芯片内部电路与片外系统通信桥梁的I/O(Input/Output)单元则是标准单元库中最基本也是最难设计的一种。首先,它不仅承担着为芯片提供足够的对外输出驱动电流,接收外部输入信号的任务,同时还必须为内核电路以及I/O电路自身提供有力的静电放电(ESD,Electro-Static Discharge)防护。其次,现代集成电路的功能越来越复杂,操作速度也越来越快,这就要求标准单元库要提供更多的功能齐全的输入/输出单元,以满足电路设计的需求。最后,晶体管栅极氧化层的击穿电压也随着工艺的进步而降低,从而使得芯片的ESD承受能力进一步下降。因此在先进CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺下设计标准单元库任重而道远。本论文在研究国内外I/O单元设计的基础上,基于体硅CMOS工艺设计一套I/O单元库,该单元库包含功能丰富的数字I/O单元、简单的模拟I/O单元、电源切断单元、供电单元和一些填充单元。其中数字I/O单元的输出级具有多种电流驱动能力,并且可以在高阻态时选择是否具有上拉(Pull Up)至高电平或下拉(Pull Down)至低电平的功能。此外,随着输出信号频率的提高,脉冲边沿的变陡,输出驱动管子尺寸的加大,同步开关噪声(SSN,Simultaneous Switching Noise)的影响将越来越严重,这会使得电路可能发生功能错误或因闩锁现象而烧毁,所以输出级同时还提供了一个具有输出信号边沿缓变功能的输出单元以抑制接地电位弹跳现象。最后,输出驱动级还进行了低功耗设计,从而避免了瞬间短路电流造成的功率损耗。在输入单元中,还可以选择是否具有Schmitt整形功能,以消除输入信号上的噪声,同时该单元还具有高电压容忍的功能。在ESD防护方面,本文在对叉指结构GGNMOS开启均匀性和SCR工作原理深入研究的基础上,从全芯片的角度为I/O单元设计了符合要求的ESD防护结构。版图设计过程中除了重点考虑ESD鲁棒性之外还考虑了抗闩锁设计。经过版图后仿真,该单元库的各项指标均满足设计要求,其中I/O单元中Level Up电平转换电路的传播延时在最坏条件下仅为200ps,PAD上输出信号的频率可以达到800MHz以上,所以该单元库特别适合于高速低功耗的应用场合。
【关键词】：
【学位授予单位】：国防科学技术大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：TN402【目录】：
摘要11-12ABSTRACT12-13第一章 绪论13-17 1.1 课题研究背景13-14 1.2 论文主要工作14-15 1.3 本文的创新点15 1.4 论文结构15-17第二章 高可靠性I/O单元基本电路的设计与优化17-61 2.1 数字I/O单元基本电路的设计与优化17-39
2.1.1 Level-Up电平转换电路的设计17-23
2.1.2 Level-Down电平转换电路的设计23-27
2.1.3 输出驱动级的设计27-35
2.1.4 电路的耐高压设计35-38
2.1.5 Tie High/Tie Low电路的设计38-39 2.2 高可靠性数字I/O单元库的组成39-54
2.2.1 概述39-41
2.2.2 基本双向I/O单元IOBCHPXXT的设计41-44
2.2.3 其它I/O单元简介44-54 2.3 模拟I/O单元电路的设计与优化54-55 2.4 电源/地单元的设计55-59
2.4.1 供电单元的设计55-56
2.4.2 上电次序控制单元IOVDD2POC的设计56-59 2.5 本章小结59-61第三章 高可靠性I/O电路的ESD防护设计61-81 3.1 静电放电的物理模型62-64 3.2 ESD的测试及故障判断64-67
3.2.1 ESD的测试方法64-67
3.2.2 静电放电故障判断67 3.3 ESD防护电路设计67-80
3.3.1 ESD防护电路设计的概念67-69
3.3.2 基本的ESD防护器件69-80 3.4 本章小结80-81第四章 高可靠性I/O单元库的版图设计81-99 4.1 版图的抗闩锁设计81-92
4.1.1 闩锁效应的概念81-82
4.1.2 闩锁效应的触发机理82-86
4.1.3 闩锁效应的防范措施86-90
4.1.4 数字I/O单元版图的抗闩锁设计90-92 4.2 版图的ESD防护设计92-97
4.2.1 输出驱动级版图的ESD防护设计92-94
4.2.2 输入级的ESD防护94-95
4.2.3 PAD（压焊块）的设计95-97 4.3 版图的金属走线布局97-98 4.4 本章小结98-99第五章 高可靠性I/O单元库的版图后仿真99-107 5.1 驱动电流的测量方法及后仿结果99-101 5.2 PAD上输出信号占空比的后仿结果101-102 5.3 输出驱动管的平均导通电阻的后仿结果102-103 5.4 Slew Rate Control输出驱动级对SSN的抑制效果103-105 5.5 本章小结105-107第六章 总结与展望107-109 6.1 工作总结107-108 6.2 后续工作108-109致谢109-110参考文献110-114作者在学期间取得的学术成果114
欢迎：、、)
支持CAJ、PDF文件格式
【相似文献】
中国期刊全文数据库
李云岗,侯朝焕;[J];微计算机应用;1999年04期
薛庆华;张明;刘伟;;[J];中国集成电路;2003年01期
朱海博;桑红石;李茜;李娅;;[J];微电子学与计算机;2013年06期
曾献君,叶以正,何煜;[J];微电子学;1993年01期
唐威;刘佑宝;吴龙胜;赵德益;卢红利;;[J];吉林大学学报(信息科学版);2010年04期
刘汝萍;朱余龙;;[J];中国集成电路;2003年06期
孟少鹏;马强;;[J];中国集成电路;2010年06期
黄璐;王浩;;[J];中国集成电路;2014年06期
罗晓春,林争辉;[J];电讯技术;2001年01期
吴迪;马亮;刘晓彦;;[J];北京大学学报(自然科学版);2009年02期
中国硕士学位论文全文数据库
向薛成;[D];宁波大学;2015年
喻鑫;[D];国防科学技术大学;2014年
冉庆龙;[D];国防科学技术大学;2014年
曹宏涛;[D];国防科学技术大学;2014年
翁文君;[D];复旦大学;2010年
吴乐顺;[D];西安电子科技大学;2013年
黄涛;[D];国防科学技术大学;2009年
王瑾瑜;[D];复旦大学;2009年
董紫剑;[D];西安电子科技大学;2010年
宁涉洋;[D];西安电子科技大学;2010年
&快捷付款方式
&订购知网充值卡
400-819-9993
《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司
同方知网数字出版技术股份有限公司
地址：北京清华大学 84-48信箱 知识超市公司
出版物经营许可证 新出发京批字第直0595号
订购热线：400-819-82499
服务热线：010--
在线咨询：
传真：010-
京公网安备75号基于FPGA的多传感器控制系统的研究与设计--《吉林大学》2015年硕士论文
基于FPGA的多传感器控制系统的研究与设计
【摘要】：水是生命之源泉,水环境的质量问题与我们的生活密切相关,直接影响人类的生存繁衍和社会的可持续性发展,一旦水的质量出现问题,对人类可能引起重大灾害。我国虽然总体水资源丰富,但是人口数量过多,人均水资源占有量和世界平均水平还是相差甚远。另外,我国的水资源分布非常不均匀,污水排放没有得到很好的治理,我国一直受到水资源问题的长期困扰。因此,对水环境的监测是当前我们必须要面临的问题,也是我们不得不解决的问题。对水环境的有效监测有助于及时发现并解决问题,避免水质变化对人类造成影响。本文充分调研了国内外关于水环境监测系统的相关技术和现状,在此基础上,分析其优势和存在的不足,确定了基于FPGA的多传感器控制系统的方案。本文采用Altera公司生产的Cyclone II系列的EP2C5T144C8N芯片作为主控芯片,充分利用FPGA芯片引脚丰富,能够反复使用,灵活方便,在不调整外围电路的情况下,可以通过软件编程实现不同的功能,可提高系统集成度以及可靠性等优点。本文以多传感器控制系统为研究对象,监测水环境参数,参数包括:温度、深度、浊度、p H值。选择的传感器包括:温度传感器DS18B20、液位变送器、p H值传感器和浊度传感器。利用Protel DXP软件设计系统的电路原理图和印刷电路板(PCB)版图,设计FPGA芯片扩展电路和外围电路。扩展电路包括:扩展Flash电路、JTAG电路、外部时钟电路、电源电路;外围电路包括:信号调理电路、放大电路、LCD液晶显示电路,电源电路。根据自顶向下的模块化设计方法,利用VHDL语言对系统各个模块进行描述,并生成RTL可视化视图。通过配制浊度、p H值标准溶液和制作标准高度水柱进行标定实验,得到物理量与输出电压和输出电流之间的函数关系。通过乘除法和加减法运算得到相应物理量,最后通过LCD12864液晶显示模块显示。该系统通过多种方式连接各类传感器,进行传感器操作控制,完成多种物理参数的实时测量,实时准确地获取水质各个参数信息。
【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2015【分类号】：TP273;TP212【目录】：
摘要4-6ABSTRACT6-11第一章 绪论11-17 1.1 研究背景和意义及课题来源11-12 1.2 国内外研究概括及研究现状12-16
1.2.1 国外水质监测系统的研究进展12-14
1.2.2 国内水质监测系统的研究进展14-16 1.3 本文的主要研究内容16 1.4 本章小结16-17第二章 传感器的选型17-26 2.1 温度传感器17-19 2.2 液位变送器19-21 2.3 浊度传感器21-23 2.4 PH值传感器23-25 2.5 本章小结25-26第三章 系统硬件电路设计26-43 3.1 系统总体方案选择26 3.2 系统总体方案结构框图26-27 3.3 主控芯片选型27-29 3.4 主控芯片电路设计29-33
3.4.1 串行存贮器电路30-31
3.4.2 JTAG接口电路31
3.4.3 时钟电路31-32
3.4.4 电源电路32-33 3.5 外围电路设计33-40
3.5.1 DS182B20接口电路33-34
3.5.2 放大电路34-36
3.5.3 模数转换电路36-38
3.5.5 供电电路设计38-39
3.5.6 LCD12864液晶显示电路39-40 3.6 印刷电路板的焊接40-42
3.6.1 外围电路PCB的设计与焊接40-41
3.6.2 系统焊接调试41-42 3.7 本章小结42-43第四章 软件设计43-55 4.1 ADC0809 VHDL代码设计44-47 4.2 温度传感器DS18B20的代码设计47-50
4.2.1 初始化47
4.2.2 只读存储器操作47-48
4.2.3 存储器操作命令48-50 4.3 LCD12864液晶显示代码编译50-54 4.4 本章小结54-55第五章 系统调试55-63 5.1 PH标定实验55 5.2 浊度标定实验55-56 5.3 液位标定实验56-58 5.4 数据转换函数58-62
5.4.1 pH值精度测量实验59
5.4.2 深度测量精度实验59-60
5.4.3 浊度精度测量实验60-61
5.4.4 温度精度测量实验61-62 5.5 本章小结62-63第六章 总结与展望63-64参考文献64-69作者简介及所取得的科研成果69-70致谢70
欢迎：、、)
支持CAJ、PDF文件格式
【相似文献】
中国期刊全文数据库
;[J];情报知识;1990年04期
石丽梅,郭庆鼎,孙宜标;[J];沈阳工业大学学报;1997年03期
邓成钢;项占琴;;[J];光学精密工程;2012年04期
潘盈;;[J];中国水运(下半月);2008年11期
石丽梅,郭庆鼎,孙宜标;[J];电气传动;1997年04期
谭建成;[J];国外电子元器件;2003年05期
刘爱民,郭庆鼎;[J];沈阳工业大学学报;2004年02期
杨俊友;陈大明;;[J];沈阳工业大学学报;2008年01期
宋正强;张平;;[J];电气自动化;2010年05期
蒲新征;;[J];微电机;2012年03期
中国重要会议论文全文数据库
王丽梅;郭庆鼎;;[A];全面建设小康社会：中国科技工作者的历史责任——中国科协2003年学术年会论文集（下）[C];2003年
中国博士学位论文全文数据库
周复;[D];东华大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库
冯慧;[D];上海交通大学;2015年
裴育;[D];吉林大学;2015年
赵金铭;[D];沈阳工业大学;2005年
舒望;[D];浙江大学;2007年
江俊;[D];江南大学;2006年
郑建芬;[D];沈阳工业大学;2005年
靳建军;[D];东华大学;2007年
袁安贝;[D];南京理工大学;2014年
丰树帅;[D];华中科技大学;2013年
刘姣;[D];浙江大学;2011年
&快捷付款方式
&订购知网充值卡
400-819-9993
《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司
同方知网数字出版技术股份有限公司
地址：北京清华大学 84-48信箱 知识超市公司
出版物经营许可证 新出发京批字第直0595号
订购热线：400-819-82499
服务热线：010--
在线咨询：
传真：010-
京公网安备75号智能功率集成电路及高压功率器件可靠性研究--《浙江大学》2014年博士论文
智能功率集成电路及高压功率器件可靠性研究
【摘要】：智能功率集成电路应用广泛,涵盖电子照明、电机驱动、电源管理、工业控制以及显示驱动等众多领域。作为智能功率集成电路的一个重要分支,电机驱动芯片始终是一个研究热点。如何提升驱动芯片的性能、降低电机驱动芯片的功耗,以最大限度的发挥电机的能力,是电机驱动芯片的发展趋势。本论文着重研究两类电机驱动芯片,即电机前置驱动芯片和高压功率驱动芯片。针对存在的设计难点和关键问题,结合国内现有高压功率集成电路芯片制造工艺技术,提出了相应的解决方案。作为功率集成电路中的核心,功率器件所承受的工作电压越来越高,电流越来越大,可靠性问题也越来越突出。功率器件的可靠性直接决定了功率集成电路的工作寿命。因此,本论文对功率器件的可靠性问题也进行了重点研究,研究成果对完善高压功率器件的可靠性评估体系,具有实际意义。
本论文的主要工作和创新点包括：
1、对三相无刷直流电机前置驱动电路的设计难点进行了研究分析,包括避免高低边驱动电路或输出级上下功率管同时导通,减小高低边驱动电路的功耗,防护输出节点可能出现的负电压带给电路的不利影响以及减小传输延时等,并从电路和器件结构上提出了相应的解决方案。基于HHGrace的0.35μm5V/80V BCD工艺,对所设计的高压前置驱动电路进行了流片验证。测试结果表明：前置驱动电路功能正常,信号传播延时、输出驱动信号上升／下降时间以及驱动能力等关键性能参数与国外同类产品水平相当。
2、对应用于变频节能空调的SOI高压功率驱动芯片进行了整体设计研究,包括低压控制电路和高压驱动电路设计、高压集成功率器件设计以及1μm500V的SOI BCD制造工艺设计研究。该芯片集成高压三相半桥驱动电路(LIGBT实现),采用自举方式实现高边驱动电路供电。采用PWM调制模式控制输出功率管导通时间。芯片具有死区控制和过温、过流以及欠压等完备的自我保护功能。在SOI LIGBT器件结构设计中,还创新性地提出了带有N+埋层的双沟道LIGBT结构,该结构不仅具有高电压、大电流驱动性能,而且还具有良好的抗闩锁能力,提高了器件乃至整个芯片的工作可靠性。最后,通过TCAD软件对整体工艺方案进行了仿真和优化,并对所涉及的所有元器件进行了工艺参数的调整和优化,确定了最终的结构。在此基础上,完成了芯片整体版图的设计。仿真结果显示电路整体性能能够满足设计指标的要求。
3、高压集成功率器件SOI LIGBT的可靠性研究。通过电压应力实验、TCAD仿真、电荷泵测试等方法,对SOI LIGBT在不同电压应力条件下的热载流子效应进行了深入的研究,并揭示了不同的退化机理：对于直流电压应力条件,当集电极电压不变时,栅极电压应力越高,氧化层陷阱正电荷引起的退化机制越会占据主导地位；反之,栅极电压应力越低,界面态引起的退化机制就越会占据主导地位。对于动态电压应力条件,动态栅极信号频率越高、占空比越大以及信号上升/下降时间越短,SOI LIGBT退化越严重。这是因为信号频率越高,有效动态应力时间f×tr越大。信号占空比越大,器件受到高电压应力的时间就越长。对于较短的信号上升/下降时间,在信号关断过程中,器件内部仍然存在较多的少子电流,而此时器件集电极电场仍维持在较高水平,并在局部区域产生了更大的电场强度峰值,所以产生了更多的热载流子,进而产生了更多的界面态或氧化层陷阱电荷,导致器件产生更加严重的退化。在此基础上,研究了改进器件热载流子效应的方法,并设计了高可靠性SOILIGBT器件,将其应用于一款高压大功率PDP扫描驱动芯片中(国家核高基重大专项项目,-001-003),经流片测试表明,该器件正常工作寿命大幅提高,达到了10万小时以上,满足了该课题对产品应用的指标要求。
【关键词】：
【学位授予单位】：浙江大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2014【分类号】：TN402【目录】：
致谢5-7摘要7-9Abstract9-11缩略词表11-151 绪论15-25 1.1 课题背景及意义15-20
1.1.1 智能功率集成电路发展历程15-16
1.1.2 智能功率集成电路的关键技术16-20
1.1.3 智能功率集成电路的应用20 1.2 国内外研究现状20-22 1.3 本论文的主要工作22-24 1.4 本论文的组织结构24-252 三相无刷直流电机前置驱动芯片的设计研究25-56 2.1 三相无刷直流电机简介25-29
2.1.1 三相无刷直流电机结构25-26
2.1.2 三相无刷直流电机工作原理26-29 2.2 前置驱动电路关键技术研究29-45
2.2.1 避免芯片外部高低边驱动电路同时导通31-33
2.2.2 避免芯片内部高(低)边驱动电路中输出管同时导通33-37
2.2.3 减小高边驱动电路的功耗37-40
2.2.4 防护输出节点负电压的不利影响40-42
2.2.5 减小传输延时42-44
2.2.6 前置驱动电路整体仿真44-45 2.3 前置驱动电路版图设计与芯片实现45-48 2.4 前置驱动电路芯片测试48-55 2.5 本章小结55-563 应用于变频节能空调的高压驱动芯片设计研究56-102 3.1 高压驱动芯片简介56-59 3.2 高压驱动芯片电路设计59-78
3.2.1 Hall输入放大器设计60-61
3.2.2 带隙基准源与6V稳压器设计61-64
3.2.3 三角波发生器设计64-66
3.2.4 PWM调制器设计66-67
3.2.5 三相逻辑电路设计67-70
3.2.6 高边驱动电路设计70-73
3.2.7 低边驱动电路设计73
3.2.8 保护电路设计73-76
3.2.9 整体电路分析76-78 3.3 高压集成功率器件设计研究78-90
3.3.1 SOI LIGBT的设计研究80-88
3.3.2 SOI LDMOS的设计研究88-89
3.3.3 高压二极管的设计研究89-90 3.4 芯片整体制造工艺设计90-97 3.5 三相直流无刷电机高压驱动芯片的版图设计与验证97-100
3.5.1 高压驱动电路版图设计97-99
3.5.2 高压驱动电路版图验证99-100 3.6 高压驱动芯片整体参数指标100 3.7 本章小结100-1024 高压集成功率器件SOI LIGBT可靠性研究102-126 4.1 高压SOI LIGBT器件的可靠性问题102 4.2 热载流子效应的研究方法102-106
4.2.1 应力实验方法103-104
4.2.2 TCAD仿真方法104
4.2.3 电荷泵测试方法104-106 4.3 SOI LIGBT在直流应力条件下热载流子效应研究106-114
4.3.1 直流电压应力试验107-109
4.3.2 TCAD仿真分析109-111
4.3.3 电荷泵测试分析111-113
4.3.4 退化机理揭示113-114 4.4 SOI LIGBT在动态应力条件下热载流子效应研究114-119
4.4.1 动态电压应力试验114-117
4.4.2 TCAD仿真分析117-119
4.4.3 退化机理揭示119 4.5 SOI LIGBT热载流子效应改进方法119-121 4.6 SOI LIGBT工作寿命测试121-125
4.6.1 最差应力模式确定121-122
4.6.2 加速寿命测试122-124
4.6.3 正常工作条件下器件寿命预测124-125 4.7 本章小结125-1265 总结与展望126-129 5.1 总结126-128 5.2 展望128-129参考文献129-138作者简历及在学期间所取得的科研成果138-139 作者简历138 参加的科研项目138 作为第一作者发表的文章138-139 作为第一作者获得授权和受理的专利139
欢迎：、、)
支持CAJ、PDF文件格式
【相似文献】
中国期刊全文数据库
钱小工;[J];半导体情报;1994年05期
闫军;[J];世界产品与技术;1995年03期
Anne Watson S;[J];电子设计技术;1995年02期
;[J];机械工业发展战略与科技管理;1997年03期
张波;;[J];电力电子技术;2013年12期
,张波;[J];世界产品与技术;2000年06期
;[J];压电与声光;1972年04期
学工;;[J];半导体情报;1971年10期
丛一;[J];微电子学;1993年06期
徐卿,许维胜,吴启迪;[J];传感器技术;2004年02期
中国重要会议论文全文数据库
陈启秀;;[A];面向21世纪的科技进步与社会经济发展（上册）[C];1999年
李明;方健;乔明;;[A];四川省电子学会半导体与集成技术专委会2006年度学术年会论文集[C];2006年
中国博士学位论文全文数据库
胡浩;[D];电子科技大学;2012年
洪慧;[D];浙江大学;2007年
罗萍;[D];电子科技大学;2004年
张世峰;[D];浙江大学;2014年
中国硕士学位论文全文数据库
郎静;[D];西安电子科技大学;2007年
唐晨;[D];东南大学;2006年
浦志卫;[D];浙江大学;2006年
方邵华;[D];浙江大学;2004年
王敏志;[D];电子科技大学;2004年
&快捷付款方式
&订购知网充值卡
400-819-9993
《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司
同方知网数字出版技术股份有限公司
地址：北京清华大学 84-48信箱 知识超市公司
出版物经营许可证 新出发京批字第直0595号
订购热线：400-819-82499
服务热线：010--
在线咨询：
传真：010-
京公网安备75号China Central Television