Φαινόμενα Θορύβου Σε Μικροηλεκτρονικές Υπομικρονικές Διατάξεις Και Κυκλώματα Τηλεπικοινωνιακών Και Οπτικών Εφαρμογών

Abstract

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής αφορά τη μελέτη φαινομένων θορύβου σε υπομικρονικές διατάξεις και κυκλώματα κατάλληλα για τηλεπικοινωνιακές και οπτικές εφαρμογές. Στόχος είναι η μοντελοποίηση πηγών θορύβου σε υπομικρονικά MOS τρανζίστορ καθώς επίσης και η βελτιστοποίηση κυκλωματικών τοπολογιών ως προς τη θορυβική τους απόκριση.Η σχεδίαση αμιγώς CMOS μονολιθικών συστημάτων είναι το βασικό στοιχείο για την υλοποίηση χαμηλού κόστους τηλεπικοινωνιακών συστημάτων στην περιοχή συχνοτήτων από μερικές εκατοντάδες MHz ως και μερικά GHz. Φαινόμενα που σχετίζονται με τις πολύ μικρές διαστάσεις των στοιχείων αυτών (υπομικρονικά φαινόμενα) γίνονται σημαντικά. Τα παραπάνω επηρεάζουν καθοριστικά και τη θορυβική απόκριση των στοιχείων αυτών, οδηγώντας στην ανάγκη για αναθεώρηση των μοντέλων όλων των ενδογενών πηγών θορύβου. Μελετώνται τοπολογίες χαμηλού θορύβου ενισχυτών ραδιοσυχνοτήτων (RF) καθώς επίσης και ενισχυτών διαγωγιμότητας για χρήση σε οπτικά δίκτυα. Αποδεικνύεται για τους ενισχυτές διαγωγιμότητας ότι αν ληφθούν υπόψη τα υπομικρονικά φαινόμενα για τον υπολογισμό του συνολικού θορύβου του συστήματος, η τιμή της χωρητικότητας εισόδου για την βέλτιστη απόκριση θορύβου γίνεται μέχρι και δέκα φορές μικρότερη από αυτή που υπολογίζεται με την κλασική προσέγγιση. Στις βαθμίδες εισόδου απαιτείται η χρήση τρανζίστορ με μεγάλη διαγωγιμότητα. Η διάταξη MOSFET πολλαπλής πύλης (interdigitated) αποτελεί το μοναδικό τρόπο υλοποίησης αυτών των τρανζίστορ. Μελετώνται οι ξεχωριστές ιδιότητες της διάταξης αυτής και υπολογίζεται αναλυτικά η συνεισφορά των αντιστάσεων διασύνδεσης των παράλληλων πυλών στον συνολικό θόρυβο του στοιχείου. Ως εφαρμογή μελετάται η βελτιστοποίηση της θορυβικής απόκρισης ενός χαμηλού θορύβου ενισχυτή ραδιοσυχνοτήτων και υπολογίζεται αναλυτικά ο ελάχιστος δείκτης θορύβου ο οποίος και αποδεικνύεται ότι είναι συνάρτηση του αριθμού των παράλληλων πυλών. Οι σημερινές υπομικρονικές τεχνολογίες επιτρέπουν την υλοποίηση μονολιθικών συστημάτων (SoC), στα οποία μπορούν να συνυπάρχουν πάνω στον ίδιο μονοκρύσταλλο αναλογικά και ψηφιακά κυκλώματα. Στα πλαίσια της διατριβής σχεδιάστηκε μεικτό αναλογικό-ψηφιακό ολοκληρωμένο κύκλωμα το οποίο περιείχε και έναν ενισχυτή διαγωγιμότητας. Η θορυβική απόκριση του ενισχυτή αυτού βελτιστοποιήθηκε με βάση τα αποτελέσματα που έχουν παρουσιασθεί. Το σημαντικότερο όμως πρόβλημα κατά την σχεδίαση μονολιθικών συστημάτων, είναι ο επαγόμενος θόρυβος μέσω υποστρώματος. Αναλύονται οι μηχανισμοί εμβολής και λήψης θορύβου από το υπόστρωμα, μελετώνται οι ιδιότητες του υποστρώματος και δίνονται λύσεις για την αποτελεσματική μείωση του.