Contribution à l’analyse des mécanismes de couplages dans les systèmes sur une puce

par Laure Rolland Du Roscoat

Thèse de doctorat en Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes

Sous la direction de Bruno Barelaud.

Soutenue en 2009

à Limoges , en partenariat avec Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques (autre partenaire) .

mots clés

• Circuits électroniques
• Systèmes sur puce
• Compatibilité électromagnétique
• MOS (électronique)
• Circuits intégrés

Résumé

L’avancée des procédés technologiques a permis de diminuer considérablement les dimensions des transistors, de développer des circuits de plus en plus complexes, et d’intégrer des signaux mixtes sur une même puce. La course à la réduction des coûts des produits étant engagée, un défi réside dans la prise en compte des interactions électromagnétiques entre les systèmes analogiques et numériques, avant la réalisation sur silicium. De forts pics de courants transitoires générés par les commutations simultanées des portes des blocs numériques sont injectés dans les rails d’alimentation et dans le substrat commun à tous les blocs. Les marges, en terme de bruit, sont beaucoup plus faibles pour les blocs analogiques que les blocs numériques, ceci rend les circuits analogiques très sensibles aux variations de signaux conduits et rayonnés. Le travail de cette thèse couvre à la fois les trois aspects des interactions électromagnétiques : leurs sources, les chemins de propagation et la réception des signaux perturbants. Les formations des mécanismes de couplages sont explicitées dans l’environnement d’un circuit réel dans un procédé CMOS avancé. Un modèle d’injection dans le substrat d’une porte numérique est présenté. Des caractérisations substrat réalisées à l’aide d’une structure de mesure dédiée valide ce modèle et permettent d’estimer les gains en isolation que l’on peut obtenir en appliquant des stratégies d’isolation spécifiques. Un ensemble de méthodes est proposé afin d’intégrer des structures d’isolation adaptées, de dimininuer l’injection dans le substrat, de placer et connecter les blocs entre eux au niveau global du circuit. Les contraintes en terme de surface dépensée sont évaluées. Nous soulignons l’importance d’appliquer une méthodologie cohérente à toutes les étapes de conception du circuit. Enfin une méthode pour simuler les interactions conduites sur l’ensemble des réseaux au niveau global du circuit est proposée. Des mesures sur un circuit de test valide le principe. Une approche multi-échelles est nécessaire pour considérer les effets électromagnétiques perturbants à la fois au niveau transistor, mais aussi au niveau haut du circuit, à savoir entre les blocs.

Titre traduit

Contribution to couplings mechanisms analysis in systems on chip

Résumé

Because of the shrink of IC technologies dimensions and of the continuous push for miniaturization and cost reduction, complex mixed-signals circuits have been developed on a same die. Considering disturbing electromagnetic interactions between analog and digital systems, before the chip realization, has become a real challenge, particularly to reduce product costs. Switching transients’ high current peaks induced by digital circuits inject noise into power supply rails and into the common substrate. Analog circuits lack the large noise margins of digital circuits, thus making them very sensitive to conducted and radiated signals variations. The work in this thesis spans all areas of noise: generation, propagation paths, and reception. Coupling mechanisms forming is explained in a real circuit environment with an advanced CMOS process. An injection model of a digital gate is presented. Substrate characterizations with a dedicated measurement structure valid the model and allow to estimate isolation gains obtained with specific topology strategies. A set of guidelines is proposed in order to implement accurate isolation structures, to decrease substrate injection, to place and route blocks at the high level of the chip. Optimization of Silicon area used between blocks are also evaluated. The importance to apply a coherent methodology at all designing steps is highlighted. Finally, a method to simulate interactions between whole networks at top level is proposed and validated on a test-chip circuit. Multi-scale approach is needed to take into account electromagnetic interactions at transistor level and also at inter-blocks level.