分析工具可以使無線電設(shè)計人員實際觀察到芯片中由于襯底耦合產(chǎn)生的噪音特性
---- 今天,復(fù)雜的深亞微米系統(tǒng)集成芯片（SOC）的設(shè)計,由于特征尺寸持續(xù)縮小,集成度高和頻率不斷提高,電壓不斷降低,使得襯底噪音耦合成為無線電設(shè)計人員需要解決的一項重要課題。但是,直到最近設(shè)計人員沒有別的辦法,只能依靠經(jīng)驗方法來防止由于襯底耦合引起的交叉干擾。 ---- 但是這些經(jīng)驗規(guī)則往往或者不靈,或者過于保守。不論是那種情況,設(shè)計人員對于設(shè)計是否會失敗總是心中沒底。新推出的襯底噪音模型和分析工具,可以使設(shè)計人員了解由于襯底耦合所產(chǎn)生的噪音性能。 存在許多消除耦合噪音的方法 ---- 無線電設(shè)計人員碰到下述情況簡直太平常了：設(shè)計小組根據(jù)以前幾次設(shè)計總結(jié)出來的規(guī)律,完成了芯片設(shè)計,等到制造好了一試,發(fā)現(xiàn)并不能達(dá)到原定的指標(biāo)。而且,除了籠統(tǒng)地知道,是由于襯底耦合噪音引起的以外,他們分析不出來任何深層的原因。 ---- 設(shè)計人員只能憑經(jīng)驗,靠直覺解決問題,采取一切想得出來的措施（重新安置模塊的位置;建立隔離保護(hù)環(huán);增加去耦電容;錯開門電路通斷的時間等等）。然后,這個隱患消除了,但是并不知道真正的原因。 ---- 但是等到開始設(shè)計下一個項目時,問題又來了。小組在上一個項目中所采取的一切措施都成了新的''指導(dǎo)規(guī)則''。然而,很可能所有這些措施都是必要的,但是,也可能僅僅其中的一項措施,是真正必要的。 ---- 他們并沒有真正弄明白,他們僅僅知道上一次解決了問題。襯底噪音和加工過程中的工藝因素關(guān)系十分密切,因此,盡管這次已經(jīng)采取了上次所采取的一切措施了,但是結(jié)果顯示依舊又遇到了麻煩。 ---- 問題的嚴(yán)重性在于,當(dāng)前加工芯片的費用十分高昂（一套0.18微米的掩模版,價值高達(dá)50萬美元）。由于缺乏預(yù)見性,往往導(dǎo)致返工,既延長了設(shè)計周期,又錯過了上市的機會。 ---- 無線電設(shè)計人員真正需要的是,能在設(shè)計的早期發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致芯片襯底耦合噪音產(chǎn)生的原因所在。新的襯底模型和分析工具可以使他們做到這一步。 產(chǎn)生襯底噪音耦合的原因 ---- 襯底噪音耦合使得許多設(shè)計小組傷透了腦筋。隨著工作頻率的提高,特征尺寸的縮小,甚至連數(shù)字線路（例如鎖相環(huán)電路,甚高頻的I/O線路）也變得十分敏感,甚至需要當(dāng)作''模擬線路''來考慮。 ---- 現(xiàn)在的高速、高集成度無線通信用芯片特別容易產(chǎn)生襯底噪音耦合效應(yīng)。高度集成的芯片設(shè)計,電路中的許多部分共用一塊襯底,形成了噪音的重要耦合路徑。 ---- 蜂窩電話和尋呼機等窄帶應(yīng)用產(chǎn)品,須要濾除相鄰頻道的耦合噪音,對噪音的容限有較嚴(yán)格的要求。如果RF接收部分也和其它部分,例如基帶線路,集成在同一塊襯底上時,耦合到微弱接收信號上的噪音可能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。這些問題隨著頻率的升高,影響也越發(fā)嚴(yán)重。 ---- 襯底噪音的主要來源,是供電電源的跳動和電容的耦合。當(dāng)節(jié)點轉(zhuǎn)換狀態(tài)時,需要從電源線或接地線吸取電流。 ---- 如果輸出驅(qū)動部分產(chǎn)生狀態(tài)變換時,或者許多節(jié)點改變狀態(tài)時,需要經(jīng)過電源線吸取大量電流,于是產(chǎn)生了電壓降。這將在芯片的電源上產(chǎn)生跳動,導(dǎo)致噪音的發(fā)生。電源線,或時鐘線,或者晶體管的漏極區(qū)和襯底之間都存在電容（參看圖1）,可以導(dǎo)致電容耦合。 消除隱患 ---- 過去無線電工程師依靠隔離來控制襯底噪音耦合效應(yīng)。最簡單的隔離辦法是將敏感的模擬線路部分做在單獨的襯底上,即做成另外一個芯片,將它和噪音發(fā)生源的線路部分分開。這個方法雖然效果很好,但是成本較高,而且在市場競爭中沒有優(yōu)勢。現(xiàn)在的無線電市場,要求在更小的封裝內(nèi)集成更多的功能,同時具有更低的成本;因此要求不斷提高集成度。 ---- 因此無線電設(shè)計人員需要從工藝技術(shù)和設(shè)計技術(shù)兩方面采取措施,使設(shè)計達(dá)到必須的隔離程度,以保證設(shè)計的產(chǎn)品能滿足指標(biāo)的要求。在制造工藝方面近年來越來越多地采用三層阱結(jié)構(gòu)（有源器件經(jīng)過一注入的埋層和襯底隔離開來）;和深槽結(jié)構(gòu)（通過深厚的氧化層將相鄰的線路隔離開來）來有效地控制襯底噪音。 ---- 采用SOI襯底是另外一種有效的抑制噪音的措施,但是成本也更高。這些制造工藝技術(shù)的確能夠改進(jìn)模塊之間的隔離程度,提高噪音的裕度;但是隨著工作頻率的提高,特別是''藍(lán)牙''這樣的先進(jìn)技術(shù),又不斷地給無線電設(shè)計人員提出難于解決的課題。 ---- 從設(shè)計方面提高噪音裕度不外乎兩種方法,或者降低噪音源產(chǎn)生的噪音;或者減弱噪音接受方對噪音的敏感性。設(shè)計人員減弱數(shù)字噪音源的方法有：減小電感,減小電源的跳動,錯開狀態(tài)變換的時間以及減小電流強度,采用去耦電容以減小火花的影響。 ---- 仔細(xì)地選擇封裝,增加每種電源引出端的數(shù)量都有助于減弱數(shù)字噪音。分別給數(shù)字線路和模擬線路提供電源線和接地線,也可以減少數(shù)字線路電源線上的跳動對模擬線路的影響。 ---- 模擬線路設(shè)計人員長期以來,采用全差分線路結(jié)構(gòu)和反轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)以提高敏感的模擬線路的噪音裕度。然而,盡管設(shè)計人員采取了一切可以采取的措施,去降低數(shù)字線路所產(chǎn)生的噪音水平,去改進(jìn)模擬線路的噪音裕度;當(dāng)今先進(jìn)的無線電裝置中的微弱信號,仍然非常容易地被噪音所淹沒。 襯底耦合噪音的建模和分析 ---- 設(shè)計人員需要聯(lián)系線路底下的襯底,來分析所設(shè)計線路的特性;只有這樣才能發(fā)現(xiàn)并消除引起襯底部耦合噪音的原因。不論設(shè)計人員是在從事''藍(lán)牙''線路的設(shè)計,或者是設(shè)計混合信號SOC,都需要了解數(shù)字線路部分對于模擬線路模塊（對噪音十分敏感）的影響,這時,正確地建立襯底寄生參數(shù)的模型是解決問題的前提。為了建模需要高深的半導(dǎo)體物理知識,需要對襯底的各加工形成的層面剖面進(jìn)行詳細(xì)的分析。只有這樣才能建立襯底的精確模型,尤其是對于目前比較新穎的工藝結(jié)構(gòu),例如三層阱結(jié)構(gòu),埋層結(jié)構(gòu),和深槽結(jié)構(gòu)等。 ---- 無線電設(shè)計工程師如果使用Simplex公司開發(fā)的substrate-Storm之類的襯底建模工具,就可以了解由于襯底耦合引起的噪音影響。這個精確的3-D襯底模型,以一個Spice子線路網(wǎng)表的形式出現(xiàn),設(shè)計人員利用它可以對襯底進(jìn)行模擬。 將隱患消除在設(shè)計的早期,可以"一兩撥千斤" ---- 解決襯底耦合噪音問題,牽涉到設(shè)計的許多基本考慮,例如模塊的安置,封裝的選擇,以及工藝結(jié)構(gòu)的選定。因此,最好采取預(yù)防為主的方針,盡力避免出了問題再來補救的被動局面。 ---- 到了設(shè)計驗證的最后階段,即將交出制版的PG帶時,才發(fā)現(xiàn)襯底耦合噪音問題將是代價十分昂貴的災(zāi)難。通過對襯底模型的模擬和分析,得到了定量的反饋信息,有助于設(shè)計小組人員了解并發(fā)現(xiàn)襯底噪音問題----這時采取措施加以解決要容易得多。 ---- 在設(shè)計的早期階段,例如在版圖規(guī)劃階段,為襯底建模,并進(jìn)行分析,最為有效;能夠以最小的代價獲得最大的收益。這樣在版圖規(guī)劃階段,設(shè)計人員可以估計模塊安置,封裝選擇,背面鍍金屬,電源供給分配,不同的節(jié)點偏置方案,以及不同結(jié)構(gòu),例如是否三層阱,隔離環(huán)等構(gòu)造的影響和效果。 ---- 以上的措施,例如三層阱結(jié)構(gòu),或背面鍍金屬的采用,雖然都可能增加制造成本;但是卻可能有把握在第一次投片后就獲得能夠工作的硅芯片。對襯底的建模和分析可以使設(shè)計人員得到所需要的定量數(shù)據(jù),以便了解采取措施的必要性。 ---- 在設(shè)計模擬線路的單元電路時,進(jìn)行襯底建模和分析也是十分有效的。在此階段設(shè)計人員有可能設(shè)計出具有充足噪音裕度的單元,并能了解單元的噪音狀況。這當(dāng)然比單元已經(jīng)被設(shè)計人員引用上百次以后,才發(fā)現(xiàn)有噪音問題,再來設(shè)法控制,要好得多。設(shè)計人員設(shè)計的線路噪音裕度越高,在這方面的經(jīng)驗越豐富;要想進(jìn)一步改進(jìn)和提高,也就更加困難了。這時也更需要采用較為有效的工具。
圖1：連接導(dǎo)線和襯底之間的電容可以產(chǎn)生電容耦合
圖2：使用Simplex公司的SubstrateStorm襯底建模和分析工具,可以以豐富的彩色顯示襯底交叉干擾的情況。
