Untersuchung der Störfestigkeit von analogen integrierten Schaltungen

Analoge integrierte Schaltungen (ICs) sind in vielen Bereichen, wie Energieeffizienz, low noise sensor interfaces oder Hochgeschwindigkeitsdatenverarbeitung und -übertragung Gegenstand der Forschung. Das gemeinsame Merkmal, welches für all diese Bereiche zwingend erforderlich ist, ist die Robustheit; die Robustheit gegenüber jeglicher Art von Störbeeinflussungen. Was auch immer der Zweck der Schaltung ist, sie muss die gewünschte Operation unter allen Bedingungen sicherstellen können. In jeder Endapplikation, in der ICs eingesetzt werden, gibt es entsprechende externe und interne Störbeeinflussungen wie hochenergetische transiente Pulse, hochfrequente Störungen und Strahlung. Diese Störungen werden in der Regel nicht während der Design- und Simulationsphase der Schaltung berücksichtigt, und oft nicht einmal, sobald der erste Prototyp verfügbar ist, mittels eines experimentellen Testaufbaus getestet. Die ausreichende Störfestigkeit ist vor allem bei Automobil- und medizinischen Applikationen, in denen Fehlfunktionen eines IC eine potentielle Bedrohung der persönlichen Sicherheit darstellen, besonders wichtig. Die anhaltende Nachfrage nach sehr großen Integrationsdichten im Bereich der Mikroelektronik, die hohe Packungsdichte der elektronischen Komponenten auf einer Leiterplatte, sowie die niedrigeren Versorgungsspannungen der integrierten Schaltkreise und die zunehmende Arbeitsgeschwindigkeit machen es zukünftig noch schwieriger, Systeme zu entwickeln, die robust gegen Störbeeinflussungen sind. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, neue Methoden und Techniken zu finden, um den aktuellen Stand der Technik auf dem Gebiet des robusten analogen IC-Designs zu erweitern. Beginnend mit geeigneten Design- und Simulationsverfahren von analogen Schaltungsblöcken, der Fertigung von Test-ICs, sowie schließlich der Entwicklung von robusten Systemen durch geeignete Auswahl und Platzierung der elektronischen Komponenten auf einer Leiterplatte, soll dazu das nötige Fachwissen aufgebaut werden. In der ersten Phase des Projektes werden die Quellen von möglichen Störungen, wie Funkfrequenzstörungen, transiente Störungen wie elektrostatische Entladung (ESD) und Burst, Strahlungsquellen und ihre Intensität, sowie interne Störungen in einem Mixed-Signal-Schaltkreis untersucht. Diese Störungen können die Schaltung indirekt durch angeschlossene Kabel und Masseschleifen auf der Leiterplatte, die als Empfangsantennen wirken, oder als eine langsame Zerstörung oder Schädigung im Falle von Strahlung beeinflussen. Die Herausforderung in dieser Projektphase ist es, sämtliche potentielle Störquellen in geeignete Simulationsmodelle zu überführen. Der nächste Schritt ist es, die Auswirkungen der modellierten Störungen zu simulieren und die elektronische Schaltung entsprechend zu verbessern, um die gewünschte Funktion auch während einer Störbeeinflussung zu erhalten. Schließlich sollen ICs gefertigt und in Verbindung mit einer sorgfältig optimierten Leiterplatte experimentelle Vergleiche mit den Simulationen durchgeführt werden. Die Hauptziele des Projekts sind: Ein Verständnis der Einflüsse von externen und internen Störungen auf analoge ICs zu erhalten, daraus Design-Richtlinien für ein robustes analoges IC- sowie Leiterplatten-Design abzuleiten um sicherzustellen, dass zukünftige elektronische Geräte bezüglich ihrer Störfestigkeit auf Anhieb richtig erstellt werden können.

Integrierte Schaltkreise (ICs) spielen heutzutage in nahezu jedem Bereich unseres Lebens eine wichtige Rolle. Mittlerweile sind sie fester Bestandteil von fast allen elektrischen Geräten wie Kommunikationsmittel, Computern, Smartphones, Mobiltelefonen, aber auch von Haushaltsgeräten und neben dem Einsatz in der Industrie, dem Energiesektor und dem Transportwesen unter anderem von Instrumenten der medizinischen Diagnostik. Die durchschnittliche Größe eines IC liegt im Bereich von Quadratmillimetern, wobei ein IC aus vielen Transistoren zusammengesetzt ist, und ein einzelner Transistor klein genug ist, dass mehrere Transistoren in den menschlichen Haarquerschnitt passen würden. Moderne ICs arbeiten mit Niederspannungsversorgungen mit sehr kleinen Strömen und sind daher äußerst empfindlich. Während des Betriebs sind die ICs unterschiedlichen Umgebungsbedingungen wie Temperaturänderungen, Feuchtigkeitsvariationen, Vibrationen sowie elektrischen und elektromagnetischen Störungen ausgesetzt. In Anwendungen, in denen die Funktionssicherheit kritisch ist, und der nachträgliche Austausch des ICs im Instrument sehr teuer oder manchmal sogar unmöglich ist, spielt der Aspekt der IC-Zuverlässigkeit eine äußerst wichtige Rolle. Das RobustIC-Projekt konzentriert sich auf die Bewertung integrierter Schaltkreise in Bezug auf die Empfindlichkeit gegenüber transienten elektrischen Hochleistungsimpulsen wie elektrostatischer Entladung, systeminternen Emissionen und hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung, der so genannten ionisierenden Strahlung. Es wurde ein Test-IC entworfen, der aus unterschiedlichen, für ICs typischen Bausteinen besteht. Die Bausteine wurden unter Verwendung bekannter und neuartiger Abschwächungstechniken entworfen. Diese Bausteine umfassten: (A) eine Einheit, die den Rest des Stromkreises vor elektrostatischen Hochleistungsentladungsimpulsen schützt, (B) eine Spannungsreferenzeinheit die für fast jede elektrische Messung benötigt wird und (C) eine Einschalterkennungseinheit, die dem IC signalisiert, dass die Stromversorgung angeschlossen und auf dem richtigen Niveau ist. Diese wurden in mehreren Varianten in einem Standard-180-nm-CMOS-Prozess hergestellt. Nach der funktionellen Charakterisierung wurden die Schaltkreise mit den äußeren Störungen belastet. Besonderes Augenmerk wurde auf die Tests mit den transienten Hochleistungsimpulsen und der ionisierenden Strahlung gelegt. Das Hauptergebnis des Projekts, das auf Multi-Physik-Simulationen und auf den aus den Messungen gewonnenen Daten basiert, ist eine Reihe neuer Entwurfsrichtlinien für robuste Schaltkreise. Eine der Richtlinien befasst sich mit dem Entwurf einer Schaltung, die den Rest des IC vor elektrostatischer Entladung schützt. Die Folge ist die Fähigkeit der Schaltung, einen 70% höheren Strom leiten zu können, während die parasitären Parameter (z. B. die Kapazität) auf dem gleichen Niveau gehalten werden. Dies ist besonders wichtig für Sensorschnittstellen, um eine hohe Messempfindlichkeit aufrechtzuerhalten. Eine andere Richtlinie schlägt die Verwendung einer neuartigen Anordnung von Dioden in der Spannungsreferenzeinheit vor, die aufgrund dieser Maßnahmen dann einen stabilen Betrieb in der Umgebung mit ionisierender Strahlung gewährleistet. Die Lösung ist sehr einfach in bestehende Entwürfe zu integrieren, da sie den Rest des Blockdesigns unverändert lässt und zu denselben Ausgabeparametern führt. Die in diesem Projekt entdeckten Zusammenhänge sind besonders wichtig für industrielle und medizinische Anwendungen, sowie Entwicklungen für den Weltraum.