Introduction to Integrated Circuit Lab (SKKU IC...
Transcript of Introduction to Integrated Circuit Lab (SKKU IC...
Introduction to
Integrated Circuit Lab
(SKKU IC Lab)
Kang-Yoon, Lee
IC Lab., Sungkyunkwan University
November 7, 2014
Profile
2012 ~ Present Associate Professor, Sungkyunkwan University
2010 ~ 2012 Assistant Professor, Konkuk University
2005 ~ 2010 Assistant Professor, Konkuk University
2003 ~ 2005 GCT Semiconductor Inc., Design Manager of Analog Division
1998 ~ 2005 GCT Semiconductor Inc., Consultant of Analog Division
1998 ~ 2003 Ph.D., Seoul National University
Introduction to SKKU IC Lab
Advisor: Kang-Yoon Lee
Total Advisor Research
Professor Ph.D.
Combined
Ph.D. & M.S. M.S. Undergraduate Secretary
47 1 1 7 11 20 6 1
Summary of Members
1
<Winter Workshop @ 2014/2> Korean Conference on Semiconductors @2013/2
Introduction to Integrated Circuit Lab
Workshop / Conference
2
<MT. Gwanggyo Workshop @ 2013/4>
Introduction to Integrated Circuit Lab
Comments
Patents
(Recent 5 Years)
Papers
(Recent 5 Years)
Government Projects
(Recent 5 Years)
Industrial Projects
(Recent 5 Years)
Filing
(Internationa
l/Domestic)
Registration
(Internationa
l/Domestic)
Journal
(Internationa
l/Domestic)
Conference
(Internationa
l/Domestic)
Ongoing Completion Ongoing Completion
Total 12 / 1 6 / 7 27 / 21 32 / 101 4 16 5 20
Research Area : RF / Analog / Digital Mixed IC, Power IC
Research Achievements
Homepage : http://iclab.skku.ac.kr
3
Research Area
4/53
Analog/RF IC (Phase-Locked Loop,
VGA, Filter)
Power IC (DC-DC Converter, LDO,
Wireless Power Transfer)
Analog-Digital
Mixed Mode VLSI
Main Research Area
Contents
5
Power IC 설계 분야
Wireless Charging System
LLC Resonant Controller IC
DC-DC Converter & LDO
RF IC 설계 분야
SUN FSK Transceiver
Ultra Low Power Transceiver
60GHz PLL
Analog IC 설계 분야
Signal Conditioning IC for Automotive Pressure sensor
DigRF M-PHY System
10Gbps 4CH VCSEL Driver
ADC & DAC
아날로그/RF및 Power IC 설계 분야
Contents
6
Power IC 설계 분야
Wireless Charging System
LLC Resonant Controller IC
DC-DC Converter & LDO
RF IC 설계 분야
SUN FSK Transceiver
Ultra Low Power Transceiver
60GHz PLL
Analog IC 설계 분야
Signal Conditioning IC for Automotive Pressure sensor
DigRF M-PHY System
10Gbps 4CH VCSEL Driver
ADC & DAC
아날로그/RF및 Power IC 설계 분야
7
Apple, 퀄컴, Paypal등이 BLE 기반의 beacon(근거리 기반 위치 인식 기능)을 선보이고 있음.
IoT SoC용 초 저전력 Power Control Solution이 내장된 웨어러블 기기를 통해서 기기간, 저전력 및 고속 전송이 가능해지고 있음.
<Cisco Research, 2013>
IoT분야 업계의 전망에 의하면 향후 2020까지 IoT용 device 수가 최대 500억대의 규모의 시장으로 발전을 예상함.
<Beacon using BLE, Apple/Paypal> <Google glass>
< 시장 현황 > < 기술 현황 >
IoT 기술 분야 및 시장 현황
8
Features
• Ultra-low peak, average and idle mode power consumption
• Ability to run for years on standard coin-cell batteries
• Low cost
• Multi-vendor interoperability
• Enhanced range
What is Bluetooth Low Energy?
기존의 Classic한 Bluetooth radio 에 비해 매우 적은양의 전력을 소모.
coin-cell battery를 사용하는 “Low power application”에 적용됨.
Bluetooth LE
Body Area Network (BAN) 용 IC 설계 분야
9
자동차에 장착되는 센서 예
10
Capacitive Touch Sensor
11
Car Mechatronics System
12
차량용 반도체의 특징
신뢰성, 내구성, 양산 경험 등의 특성으로 시장 진입이 어려운 분야 중 하나임.
일반적인 가전용 반도체나 산업용 반도체보다 훨씬 높은 품질 수준을 요구함.
13
AEC (Automotive Electronics Council)
Specifications
14
Grade 0 and Grade1 environmental an
endurance tests as per AECQ100
15
무선 충전및 에너지 하비스팅 기술 분야
국내외 기술분야
무선 충전 기술의 경우 활발한 연구 및 개발이 이루어지고 있음
멀티 입력 에너지 하비스팅에 대해서는 아직 충분한 연구가 되지 않고 있음
무선 충전 시스템 에너지 하비스팅 시스템
• 무선 충전 수신칩 개발 (KETI, 5W, 자기공진)
• 무선충전 시스템 도입차량 개발 (닛산, 2013)
• 전기차 무선충전 개발 (토요타, 2014)
• 국내 최초 WPC 방식 무선 전력 전송 (KETI, 2009)
• 삼성전자 3D TV 안경 (이랜텍, 어보브반도체)
• TI, Maxim 등에서 에너지 하비스팅에 IC 출시
• 태양에너지 하베스팅의 효율을 극대화 하기 위한 MPPT 기술 적용
• 고효율 DC-DC 변환기 및 정류기 설계 기술에 집중
• ST Micro에서 열 에너지 수확 기술 기반 센서 구동 솔루션 개발
• MicroStrain 등에서 압전에너지 무선 센서 시스템 개발
• SILICON LABS에서 태양에너지 무선 센서 솔루션 개발
▣ 자기 공진 이용 비접촉식 근거
리 전력 공급.
▣ 전력전송 : 6.78MHz ISM이용
▣ 전력제어 : 2.4GHz ISM (BLE)
▣ “A4WP” 표준, “Rezence” 인증
▣ 자기 유도 이용 접촉식 초단거
리 전력 공급.
▣ 전력전송 : 100 ~ 357KHz
▣ 전력제어 : In-Band Type.
▣ WPC/PMA 표준, “Qi” 인증
에너지 하비스팅
IC
에너지 하비스팅
시스템
자기유도방식 자기공진방식
16
Inductive Wireless Power Transfer
17
A4WP: Magnetic Resonance Wireless
Power Transfer System
Mutual Inductance
18
Efficiency
Contents
19
Power IC 설계 분야
Wireless Charging System
LLC Resonant Controller IC
DC-DC Converter & LDO
RF IC 설계 분야
SUN FSK Transceiver
Ultra Low Power Transceiver
60GHz PLL
Analog IC 설계 분야
Signal Conditioning IC for Automotive Pressure sensor
DigRF M-PHY System
10Gbps 4CH VCSEL Driver
ADC & DAC
아날로그/RF및 Power IC 설계 분야
SUN FSK Transceiver
15
LNA
PA
~~~
~~~
Complex BPF
Tx_OUT
Rx_IN
Q I
MODEM
Pre_VGA 2-stage VGA
6-bit ADC
6-bit ADC
PFD
Fractional
/N
DNREF_CLK
Tx Data
+Fdev
-Fdev
FSK Modulator
~/2 (TX)
/2 (PLL)
Modulation
Filter
CH_SEL<15:0>
UP
VCO
F<17:0>
P<5:0>
S<3:0>
VCTRLVCO_OUT
External
CP
VCTRL
M_F<8:0>
Coarse Tuning
개발 분야 : SUN (Smart Utility Network) System에서는 저전력과 Die 면적이 배터리 수명과 시스템
비용을 줄이는데 있어서 중요시 되어가고 있음
SUN용 IEEE 802.15.4g 표준에 맞춰 Frequency Shift Keying (FSK) 통신 방식을 이용하여
Transmitter 및 Receiver를 구현
SUN FSK Transceiver
21
<Layout>
Chip size: 3.0 mm x 3.0 mm
Max. Tx Power : 10dBm@ANT
Noise figure (typ.) : 13dB@ANT input
Applications
Wireless Communication System
Artificial Organs
< Spectrum >
< Eye Diagram>
Ultra Low Power Transceiver
22
PFDMain
CP LF
Tx
Prescaler
DSC EDLNA
VCO
Rx
VEDVrf
VCO Rx
Buffer
VCO Tx
Buffer
VCO
Tx
Divider
VRCK
VDIV
frf_RX
frf_TX
PLL
Rx Path
ADC
DOUT [7:0]
VGA
Leakage
Compensation
CP Mismatch
Compensation
BW.
SW
Automatic
QWG
Rx
Prescaler
PAVpout_TX
Reference
Osc.
Matching
Circuit
Ant.
Matching
Circuit
Ant.Rx_SW
Rx_SW
VVGA
Tx Path
Tx_SW
Tx_SW
Tx Mode
Rx Mode
개발 분야 : Mobile, Wearable 등 전자기기의 보급화에 따라 배터리 소모량을 줄이면서 성능을 낼 수 있
는 저전력 기술이 필요해 지고 있으며 특히 의료 기기에서의 저전력 기술이 대두되고 있음
Fast Locking을 통해 Active 시간을 줄이며 Data 전송을 하는 동안 PLL Off를 통하여 Power를 줄이는
원리를 이용하여 전력 소비를 최소화함
Ultra Low Power Transceiver
23
<Chip>
Chip size: 3.0 mm x 4.0 mm
Average Power in Active Period : 177uW
Data Rate : 1Mbps
Applications
Bio-Monitoring System
Medical Instrument
< BER Measurement Results>
< Test Board>
60GHz PLL
24
PFD CP
REF_CLK
(54MHz) ~
Programmable
Divider
(/27 ~ /30)
ILFD
(/4)
CAP
LF fVCO = 30 GHz
X2FOUT = 60 GHz
Prescaler
(/5)
AFC
RES
VCO
6
3
AAC
개발 분야 : 고화질 비디오 방송과 같은 어플리케이션과 같은 높은 data rate 무선 통신에 대한 수요가
증가함에 따라 millimeter wave(mmWave)에 대한 관심 증대
Linear transconductance LC VCO와 Dual injection locked frequency divider를 이용하여
mmWave 대역의 frequency synthesizer를 구현
<Measurement>
-23.43 dBm @ open loop
-30.13 dBm @ closed loop
60GHz PLL
25
<Layout>
Doubler30GHz
VCO
ILFD
Prescaler
CP &
LF
AAC
AFC
1.2 mm
0.8 mm
Chip size: 1.2 mm x 0.8 mm
FTR (fosc) : 58.32 ~ 64.8GHz (60.8GHz)
PN @ 10MHz From fosc : -117.27 dBc/Hz
Applications
Wireless Communication 5G
IEEE 802.11 ad 무선랜, Wi-Fi
Contents
26
Power IC 설계 분야
Wireless Charging System
LLC Resonant Controller IC
DC-DC Converter & LDO
RF IC 설계 분야
SUN FSK Transceiver
Ultra Low Power Transceiver
60GHz PLL
Analog IC 설계 분야
Signal Conditioning IC for Automotive Pressure sensor
DigRF M-PHY System
10Gbps 4CH VCSEL Driver
ADC & DAC
아날로그/RF및 Power IC 설계 분야
Signal Conditioning IC for Automotive
Pressure sensor
27
Digital ControllerSerial data
Non-Overlap
Clock
Generator
Relaxation
Oscillator
POR
TEMP_EN
MUX_SENSE
TC
<7:0
>
VAFE
CVC
ϕ1
TCC
Cr
Cp OCC
OC
B<
3:0
>
GC
B<
3:0
>
VL
Capacitive
Sensorϕ2
ϕ1D
ϕ2D
PGA
TCB<3:0>
CLKOSC
(8.96MHz)
BGRVBGR
OTP ROM
/8CLKOSC/8
(1.12MHz)
ϕ1,ϕ2
ϕ1,ϕ2
ϕ1D,ϕ2D
OVP &
RVPVIN
VCVC
VBDGE
Analog Front-end
VDDAFE
VCCOM
VCVC
개발 분야 : 자동차는 기계식에서 전자식 부품 장치로 빠르게 발전함에 따라 센서나 통신기술을 활용한
기술이 발전하고 있으며 특히 자동차에 사용되는 센서의 역할이 증대되고 있음
C-V Converter를 이용하여 압력에 따라 변화하는 Capacitance를 Voltage로의 전환을 통해 압력을 전
자 신호로 변환하여 전자식 부품 장치로 처리가 가능하도록 함
Signal Conditioning IC for Automotive
Pressure sensor
28
<Test Board>
DUT
Sensor
ASIC
<Measurement>
<Chip>
Chip size: 1.94 mm x 1.94 mm
Current Consumption : 10mA
Ratio metricity : ±0.005V/V
Applications
Automotive Capacitive/PRT Sensor IC
29
DigRF M-PHY
CDR
Rx
FSM
Rx
Control
& Data
Interface
INPUT
BUFFERRx_DN
Rx_DPHS
DeserializerComma
Detector
LS
Deserializer
HS
DataP
HS
DataN
LS_DataP
LS_DataN
Data
10
FSM
State
Data
Rx_
SymbolClk
Tx
FSM
Tx
Control
& Data
Interface
Data
10
FSM
State
Data
Tx_
SymbolClk
Lin
e S
ide
Pro
toco
l S
ide
Sampling
CircuitSerializer Driver
Tx_DN
Tx_DP
Data
10
Data
10
HSCLK
~PLL
REF_CLK
8
8
Transmitter
Receiver
REF_SEL<1:0>
HSGEAR<1:0>
HSRATE<1:0>
Data_ST
SER_DP
SER_DN
개발 분야 : 차세대 모바일 시장의 성능에 대한 요구 사항 증가 및 설계의 복잡성이 증가됨에 따라 단말기 내부에서 다양
한 고속 인터페이스가 필요한데, MIPI M-PHY는 이러한 다양한 어플리케이션에 대해 공통 고속 인터페이스를 사용하기
위한 표준으로 사용되고 있음
Fully Digital Frequency Detection을 이용한 CDR 및 2-step Impedance Calibration Loop을 가진 Tx Driver 등을 통
해 MIPI M-PHY를 위한 Low-Power Transceiver 설계
30
< Eye Diagram>
<Layout>
Chip size: 3.6 mm x 3.2 mm
Design fully compatible with MIPI DigRF and
PHY standard.
Applications
MIPI Mobile System
DigRF M-PHY
<Test Board>
10Gbps VCSEL 4ch Driver
31
InputBuffer
VCSELDiode External Components
IBIAS
IMOD
M2M1
PreDriver
SPIIBIAS_Mode_Ctrl
IMOD_Mode_Ctrl
EN
DIG_AMC(4:0)
DIG_APC(4:0)
ADC
Clock
DIG_APCREF
DIG_AMCREF
VDD
PeakDetector
SAR Logic
BGR
INPUT
INPUTB
OUTPUT
VDD
Bandwidth Control
BW_CT_DIG(4:0)
VPEAK
VPEAKB
BW_Mode_Ctrl
Error Amplifier
BW_CT_ANA
ReferenceGenerator
VPEAK
Analog Valueà Digital Code
APC/AMC Loop
Advantage of digital control à Small area
Advantage of bandwidth control à Current optimize
Controller
개발 분야 : 정보량이 급속히 증가하면서, 고속으로 data를 전송하는 연구가 활발히 진행되고 있으
며, 그 중에서도 VCSEL Diode를 이용한 광통신 PON (Passive Optical Network) 시스템에 관한 연
구가 집중적으로 이루어지고 있음.
정확한 Power 전송을 위해, 출력 전류를 디지털 로직 피드백 루프로 구현, data 속도에 따라
Bandwidth를 제어하여 전류를 최적화 하도록 함.
32
< Eye Diagram>
<Layout>
Chip size: 2.4 mm x 2.2 mm
Data Rate : 10 Gbps
Power Consumption : 750 mW (4 channel)
Applications
Passive Optical Network System <Test Board>
10Gbps VCSEL 4ch Driver
ADC & DAC
12
2n-1
C C
SAR Logic
C
Boot Strap
Reference
Block
REFT
REFB
ADC_IN
CDAC
Comparator
DOUT<n:0>
Reference Clock
Generator
Mode Control
Reference Clock
C15
C14
C1
C2
VIN
VIN
VIN
VIN
VREFB
VREFT
EncoderFlash_out<2>
Flash_out<1>
Flash_out<0>
R
R
R
R
R
R
Flash_out<3>
Flash_2
MDAC
X1, Y1, Z1
X2, Y2, Z2
MOUTT
MOUTC
2 to 1
MUXFlash_1
IN<1>
IN<0> MSB<1>
LSB<1>
MSB<2>
LSB<2>
MOUTT
MOUTC
MOUTT
MOUTC
ADC CORE
Digital Block
MSB<2:1>
LSB<2:1>
DOUT<11:0>
SP<12:1>
Timing Block
CLK
SOCSP<12:1>
REF GEN
VREFT
VREFB
VREFP
VREFN
INT
<SAR ADC>
<Flash ADC>
<Cyclic ADC>
• • •
• • •
• • •
• • •
• • •
REFTOP
REFBOT
REFTOP2
REFBOT2
DAC_OUT
+-
+-
+-
Re
sis
tor
Str
ing
of
Co
ars
e D
AC
Re
sis
tor
Str
ing
of
Fin
e D
AC
<DAC>
ADC
• Conversion Rate : 6.25 MHz
• Resolution : 12-Bit
• Operation range : 0.5~3.5 V
• Chip size : 550 um x 380 um
DAC • Resolution : 12-Bit
• Operation range : 0.5~3.5 V
• Conversion Rate : 781.25 kHz
• Chip size: 700 um x 620 um
Applications
Wireless Communication System
Sensor System
z
<Layout-ADC>
Digital Output
<Layout-DAC>
Analog Input
ENOB, SINAD
ADC & DAC
12
<Labview Measurement>
Contents
35
Power IC 설계 분야
Wireless Charging System
LLC Resonant Controller IC
DC-DC Converter & LDO
RF IC 설계 분야
SUN FSK Transceiver
Ultra Low Power Transceiver
60GHz PLL
Analog IC 설계 분야
Signal Conditioning IC for Automotive Pressure sensor
DigRF M-PHY System
10Gbps 4CH VCSEL Driver
ADC & DAC
아날로그/RF및 Power IC 설계 분야
A4WP: Magnetic Resonance Wireless
Power Transfer System
A4WP V1.0 Specification Highlights
36
A4WP: Magnetic Resonance Wireless
Power Transfer System
A4WP V1.0 Specification Highlights
37
<Test Environment>
Wireless Charging System
38
<Layout>
Chip size: 2.5 mm x 5 mm
Receiver Efficiency : 60%
Effective Charging Distance : 25cm
(Inductive Coupling Type)
Applications
Wireless Charging Zone
Mobile & Wearable Device
<Measurement>
Smart Phone 충전
Rectifier Output Voltage : 8V
LDO Output Voltage : 5.2V
Rectifier Input Freq : 128kHz VAC : 10Vp
무선충전 IC 측정 파형
39
LLC Resonant Controller IC
Current
Generation
Circuit
Dual-slope
Clock
Generator
Circuit
Deadtime
Generator
Gate
Driver
Dual-mode
feedback
LLC Resonant
Converter
Protection
Circuit
RDT
Css
RFMIN
ICHARGE
IDEADTIME
GDA
GDB
LEDN
RSEN
M1
LED1
Vmaster
Vslave
COMP1RC network
COMP2
Dimming
Circuit
Duty
Control
Circuit
FB2
RS1
RS2
OVP2
VDD
PWRONb
UVLOTSD
Bandgap Reference
05V
05V
0
Proposed 2nd
- Dual-mode Feedback LLC Resonant Controller IC
SW
ERO
RC network
VCP
ERORFMAX
MIN/MAX
Voltage
control
VMIN/MAX
Slave
Master
RESET
PFM Feedback
FB1S_SCP
OVP1
Active SW
PWM Feedback
Vctrl
Active Cap SW
개발 분야 : LED TV 시장의 급격한 확장에 따라 LED BLU(Back Light Unit)의 효율적 제어 및 고효율
의 LLC 공진 컨버터 제어를 위한 외부 소자들이 IC로 집적하는 연구가 활발하게 진행되고 있음
PFM(Pulse Frequency Modulation)방식과 PWM(Pulse Width Modulation)방식을 동시에 적용하여
제어하는 듀얼 모드 피드백 기법을 적용하여 더욱 정밀하게 스위칭 펄스를 조절하여 출력을 제어
<Test Board>
LLC Resonant Controller IC
40
<Layout>
Chip size: 2.3 mm x 2.2 mm
Switching Frequency : 50 kHz ~ 480kHz
Integrated LED Dimming Circuits
Applications
LED Back Light Unit
Power Supply Device
UVLO
Gate Driver
Clock Generator Dimming
BSP
Duty
Control
Protection Circuit
2300 ㎛
2200 ㎛
2nd-side Dual-mode
Feedback Controller IC
VOUT
GDA
GDB
ILr Switching Freq. : 89 kHz
33V
<Measurement>
41
DC-DC Converter
DC-DC Converter
개발 분야: Chip의 소형화로 인해서 스위칭 Frequency가 높아짐에 따라서 Switching loss를 줄이는 방향으로 개발이 많이 되고 있음. 특히, Light load (저전력) 에서 효율이 중요해 짐에따라 PFM / PWM Dual
Mode 설계 연구가 활발히 진행 중임
Heavy Load 에서는 PWM 모드로 고 주파수로 스위칭 하고, Load 가 줄어 듬에 따라서 PFM 모드로 변환됨. PWM은 Closed Loop System 으로 동작을 하게 되며, PFM은 Control Logic을 통해 ON / OFF
System 으로 동작 하게 됨
M
LDPMOS
LDNMOS
Gate
Driver
M1
M2
Sawtooth & Clock Generaot
Non-Overlap
Level shifter
Gate
Driver
ERROR AMP
R-C Network
COMPSoft-start
Limiter
BGR
ZERO Current DetectorCOMP
COMP
S
R QB
PWM Detector
PWM/PFM Mode selector
PFM ModeDetector
VFB
VFB
Vref
VrefPeak Current Limiter
Vx
Vx
PFM MODE PWM MODE
Dual-Mode DC-DC Buck converter
VCLK
VPWMS
VFWMS
VSEL
42
H-side
L-side
VSEL
Iind
Iout
Vout
Vc
PEN
ZCD
SEL=1, PFM SEL=0, PWM
300mA 30mA
5V
DC-DC Converter
Load Current에 따라 PWM <-> PFM 전환
Hysteresis Mode Change (6 Clock Counter 동작 확인)
Buck Converter 효율( Full Load 93.8%)
<Layout>
<Test Board>
Low Drop Out
VDD
Bandgap
Reference
M1
OUT
Error-Amp
R1
R2
C1<Layout>
<PSRR Simulation>
Supply Voltage : 3.3V / Output : 2.5V
Line Regulation : 2.97V ~ 3.63V (0.831mV/V)
Load Regulation : 1uA ~ 150mA (46.6mV/A)
Power Supply Rejection Ratio : -62dB @ 100Hz
Applications
Wireless Charging System
Power Management System
43
<ULP Transceiver> <MR-FSK Transceiver>
<Wireless Power Receiver> <Silicon Oscillator>
<DC-DC Converter + LED Driver>
<Pressure Sensor>
Research Achievements (1)
44
<Tera-Hertz VCO>
<S-ATA PLL> <Sonar Receiver>
<ADPLL>
Research Achievements (2)
45