Разработка цифро-аналогового преобразователя и исследование изменения характеристик при различных температурах для процесса 14 нм

В статье изложена разработка цифро-аналогового преобразователя для процесса 14 нм и иследование изменения его параметров при нагреве.

Ключевые слова: транзистор, МОП, ЦАП, температура, нагрев.

Введение

Сегодня в области информационных технологий большое внимание уделяется системам обработки сигналов, благодаря точной работе которых сигнал передается из одной точки в другую. Известно, что в целом сигнал представляет собой информацию обо всех физических величинах и процессов в природе, который изначально имеет аналогичный характер, однако в современных системах необходимо обеспечить высокую помехоустойчивость, которую трудно добиться только работая с аналоговыми сигналами. Для решения этих других проблем был осуществлен переход к цифровой сигнализации и цифровым системам.

Цифровой аналоговый преобразователь (ЦАП) — это устройство, предназначенное для преобразования цифровых данных в аналоговый сигнал. Это мост между аналоговыми и «цифровыми» частям. Диапазон использования ЦАП очень велик. Например, усилители аудиосигнала, системы обработки видео, системы распознавания данных, датчики, системы распределения данных, цифровые потенциометры, SDR и т. д.

Разработка цифро-аналогового преобразователя

Для исследования термальных изменениях ЦАПа отлично подойдет самая простая схема ЦАПа. Мы будем использовать R-string ЦАП, который отлично подходит для преобразования сигналов, если количество битов меньше 10. Этот вариант ЦАПа отличается своей простотой.

Схема R-string ЦАПа показана на рис. 1.

Логический ключ, использованый в схеме ЦАПа, состаит из двух n и из двух p МОП транзисторов. Схема логического ключа показана на рис. 2.

Рис. 2. Логический ключ

Логические ключи управляются по битам сигнала. То есть каждому биту цифрового сигнала соответствует аналоговое значение, и если значение бита равно 1, то аналоговое значение этого бита поступает на выход.

На выходе ЦАПа поставлен операционный усилитель. Все сопротивления использование в схеме равны по значению. Конкретно в нашем случае все сопротивления равны 1 кОм.

Временное описание ЦАПа показано на рис. 3.

Обследование цифро-аналогового преобразователя при разных температурах

В дальнейших исследованиях мы будем использовать исследования изменений параметров МОП транзистора при нагреве. Основные изменения — это изменения порогового напряжения, изменения подвижности (мобильности) электронов и скорости насыщения.

Посмотрим его изменения при нагреве. Изменения ЦАПа при нагреве показаны на рис. 4.

Рис. 3. Временное описание ЦАПа

Как мы видим из временного описания ЦАПа при нагреве изменения видны, особенно когда выходное напряжение равно максимуму. Это часть более детально показана на рис. 5.

Рис. 4. Временное описание ЦАПа при различных температурах

Заключение

В заключение можно утверждать, что если шумы полностью отсутствуют в цифро-аналоговом преобразователе, то изменение температуры можно даже не учитывать. Это утверждение мы делаем для случаев, похожих на наши, когда время удержания сигнала и время настройки не мешают работе. Если шумы присутствуют, то чрезмерное нагревание может привести к неправильной работе схемы.

Литература:

1. BSIM-CMG 107.0.0 Multi-Gate MOSFET Compact Model Technical Manual / V. Sriramkumar [и др.]. — 1. — Berkeley: The Regents of University of California, 2013. — 123 c. — Текст: непосредственный.
2. Sun, Zimin Self-heating effect in SOI MOSFETs / Zimin Sun, Litian Liu, Zhijian Li. — Текст: непосредственный // 1998 5th International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology. Proceedings (Cat. No.98EX105). — 1998. — № 5. — С. 572–575.
3. Analysis of Temperature Effect on MOSFET Parameter using MATLAB. — Текст: электронный // INTERNATIONAL JOURNAL OF ENGINEERING DEVELOPMENT AND RESEARCH: [сайт]. — URL: https://www.ijedr.org/papers/IJEDR1603087.pdf (дата обращения: 29.12.2020).
4. Петросян, П. С. Исследование изменения порогового напряжения МОП транзистора при нагреве для технологического процесса 14 нм / П. С. Петросян, Н. А. Авагян, Г. А. Абгарян. — Текст: непосредственный // XVI международная научная конференция «Исследования молодых ученых». — Казань: Молодой ученый, 2021. — С. 4–7.
5. Петросян, П. С. Исследование изменения подвижности (мобильности) электронов и скорости насыщения МОП транзистора при нагреве для технологического процесса 14 нм / П. С. Петросян, Н. А. Авагян, Г. А. Абгарян. — Текст: непосредственный // XVII международная научная конференция «Исследования молодых ученых». — Казань: Молодой ученый, 2021. — С. 14–16.