Abstract
Application specific CMOS circuit design techniques to reduce simultaneous switching noise (SSN-also known as Delta-I noise or ground bounce) were analyzed. Detailed investigation on the CMOS output driver switching current components was performed. The limitations in using current controlled (CC) CMOS output drivers in high-speed (>30 MHz) design applications are explained. Application specific, high-speed, controlled slew rate (CSR) CMOS output drivers were studied and designed. For a given device channel length, once the predriver and driver device sizes are fixed, the performance (speed, switching noise, sink/source capabilities) is determined. With controlled slew rate output drivers, more than 50% improvement was found in the input receiver noise immunity (measure of maximum tolerable SSN) compared to conventional drivers, while the speed and sink/source capabilities are preserved. This effective SSN reduction improvement is achieved with only a small increase in output driver silicon area. The CSR output driver uses distributed and weighted switching driver segments to control the output driver's slew rate for a given load-capacitance. These CSR CMOS output drivers were compared with standard CMOS output drivers, showing significant reduction in effective switching noise pulse width
چکیده
تکنیک های طراحی مدار محرک خروجی CMOS با کاربردهای خاص که باعث کاهش نویز سوییچینگ (SSN- که با عنوان نویز Delta-I یا ground bounce هم شناخته شده است)می شود، مورد بررسی قرار گرفتند. بررسی دقیق مولفه های جریان سوییچینگ محرک خروجی CMOS انجام گرفت. محدودیت های استفاده از جریان کنترل شده (CC) محرک های خروجی CMOS درطراحی کاربردهای سرعت بالا (> 30MHz) توضیح داده شده است. محرک های خروجی CMOS کاربردهای خاص با سرعت بالا و slew rate کنترل شده (CSR) در این مقاله بررسی و طراحی شده اند. برای یک عرض کانال مشخص، با تعیین اندازه ترانزیستورهای محرک و پیش محرک، عملکرد مشخص می شود (سرعت، نویز سوییچینگ، ظرفیت sink/source). استفاده از محرک های با slew rate کنترل شده، ایمنی نویز گیرنده ورودی (اندازه حداکثر SSN قابل تحمل) در مقایسه با محرک های متعارف، 50% بهتر شد حال آنکه سرعت و ظرفیت sink/source در همان حالت حفظ شدند. این کاهش SSN موثر تنها با اندکی افزایش در سطح محرک خروجی بدست آمد. محرک خروجی CSR از بخش های توزیع شده و وزن دار محرک برای کنترل slew rate محرک خروجی برای یک بار خازنی معین استفاده می کند. این محرک های خروجی CMOS با محرک های خروجی استاندارد، کاهش چشمگیری در عرض پالس نویز سوییچینگ موثر نشان داند.
1-مقدمه
با ورود دستگاه های CMOS به منطقه submicron، فرکانس کار محرک های خروجی افزایش می یابد (فرکانس های بالای 60Hz)، که باعث کاهش زمان افزایش/کاهش و عرض پالس می شود. برای یک منبع 5V و بار خازنی معین، زمان گذار خروجی کمتر از 0.4V/ns است(r = τf <2 nsτ و CLoad = 25pF). افزایش سرعت سوییچینگ خروجی میزان تغییر جریان سوییچینگ (di/dt) را افزایش می دهد. بعلت توزیع پارازیت های واسط منبع تغذیه chip (VDD/VSS)، زمانی که محرک های خروجی همزمان سوییچ می کنند، نویز سوییچینگ همزمان (SSN) ایجاد می شود. در هر زمان دلخواه T0، SSN باید در محدوده مجاز سطح نویز باشد. جز در صورت کنترل نویز زمین و منبع تغذیه، عملکرد قابل اطمینان دستگاه هایی که به VDD/VSS یکسان متصلند تضمین نمی شود. برخی از مشکلاتی که ناشی از نویز سوییچینگ همزمان هستند عبارتند از: 1) رهاسازی اشتباه 2) دو برابر کردن فرکانس کلاک 3) از دست رفتن پالس های کلاک...