Σχεδίαση μικροηλεκτρονικών κυκλωμάτων μεγάλης ταχύτητας για τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές και επίλυση προβλημάτων χρονισμού

Abstract

This Thesis aims to demonstrate design methods that can be applied as much in the design of high complexity, high speed, digital integrated circuits for optical fiber networks, as more generally to resolve timing issues, arising during the implementation of integrated circuits (IC’s). Specifically, in this Thesis we present methods for the holistic organization of a digital integrated circuit (driven by the needs imposed by nowadays telecommunications area), as well as methods regarding circuit implementation of various common functional units in telecommunications circuits that require high speed, low power and multiple clocks. The proposed methods are demonstrated and validated through the silicon implementation of a complex telecom integrated circuit (SDH framer). The design of the here-above mentioned chips lie into the more general area of the complex integrated Systems-on-Chips (SoCs). The methods developed in the Thesis, concern the distribution and frequency multiplication of the clock signal, inside the chip. In particular, we address between others, methods to remove the skew between the internal clock nodes, as well as methods to remove the skew between the internal and external clock. The internal clock frequency is allowed to be a multiple of the external clock frequency. For the alignment of the internal with the external clock, the systematic open-loop method LCD-SMD has been proposed, which is applicable to IC’s with long clock driver conditions. Through this method, we accomplish the generation of an internal clock with multiple frequencies than the external, while preserving a constant 50% duty-cycle. The method results into a fast lock time, and employs only standard digital logic gates. The proposed methods are validated both by silicon implementation and by simulations.

Αντικείμενο της διατριβής είναι η επίδειξη μεθόδων, που βρίσκουν εφαρμογή, τόσο ειδικότερα στην σχεδίαση πολύπλοκων ψηφιακών μικροηλεκτρονικών κυκλωμάτων μεγάλης ταχύτητας, για τηλεπικοινωνιακά δίκτυα οπτικών ινών, όσο και γενικότερα για την επίλυση θεμάτων χρονισμού, που προκύπτουν κατά την υλοποίηση πολύπλοκων ολοκληρωμένων συστημάτων πάνω σε chip. Όσον αφορά, τον χώρο των τηλεπικοινωνιακών κυκλωμάτων, παρουσιάζονται μέθοδοι, τόσο για την συνολική οργάνωση του ολοκληρωμένου κυκλώματος, όσο και για την κυκλωματική υλοποίηση λειτουργικών μονάδων κοινών σε τηλεπικοινωνιακά κυκλώματα, με απαιτήσεις υψηλής ταχύτητας, χαμηλής κατανάλωσης, και ταυτόχρονης συνύπαρξης πολλαπλών ρολογιών. Η επίδειξη των προτεινόμενων μεθόδων καθώς και η επαλήθευση της ορθότητά τους, πραγματοποιείται, μέσα από την υλοποίηση σε πυρίτιο, ενός πολύπλοκου τηλεπικοινωνιακού ολοκληρωμένου κυκλώματος, με υψηλές απαιτήσεις ταχύτητας λειτουργίας. Όσον αφορά, τον γενικότερο χώρο της σχεδίασης πολύπλοκων ολοκληρωμένων System-on-Chip (SoC), παρουσιάζονται μέθοδοι για την επίλυση προβλημάτων χρονισμού, στα σύγχρονα ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα, που σχετίζονται με την διάδοση και τον πολλαπλασιασμό της συχνότητας του ρολογιού, στο εσωτερικό των κυκλωμάτων αυτών. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζονται μέθοδοι που μπορούν να εφαρμοστούν, τόσο για την εξάλειψη της παρέκκλισης, μεταξύ των κόμβων των εσωτερικών ρολογιών, όσο και για την εξάλειψη της παρέκκλισης μεταξύ εξωτερικού και εσωτερικού ρολογιού, στα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Όσον αφορά το δεύτερο, η συχνότητα του εσωτερικού ρολογιού δεν ταυτίζεται απαραίτητα με αυτήν του εξωτερικού, αλλά επιτρέπεται να έχει πολλαπλάσια τιμή από αυτήν. Για την ευθυγράμμιση του εσωτερικού με το εξωτερικό ρολόι, προτείνεται η συστηματική μέθοδος LCD-SMD, η οποία είναι κατάλληλη για χρήση σε ολοκληρωμένα όπου επικρατούν συνθήκες μακρύ οδηγού ρολογιού, παράγει εσωτερικό ρολόι πολλαπλάσιο του εξωτερικού με σταθερό 50% duty-cycle, έχει μικρό χρόνο κλειδώματος, και χρησιμοποιεί εξ’ ολοκλήρου ψηφιακές λογικές πύλες. Η επικύρωση της ορθότητας των προτεινόμενων μεθόδων για θέματα χρονισμού, γίνεται κατά ένα μέρος με υλοποίηση σε πυρίτιο, και κατά ένα άλλο μέρος με εξομοιώσεις.