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

[email protected]

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





RF IC 설계 분야

SUN FSK Transceiver


60GHz PLL



DigRF M-PHY System


ADC & DAC


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





RF IC 설계 분야

SUN FSK Transceiver


60GHz PLL



DigRF M-PHY System


ADC & DAC


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>


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


23

<Chip>


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


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





RF IC 설계 분야

SUN FSK Transceiver


60GHz PLL



DigRF M-PHY System


ADC & DAC


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>


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>


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>


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





RF IC 설계 분야

SUN FSK Transceiver


60GHz PLL



DigRF M-PHY System


ADC & DAC




A4WP V1.0 Specification Highlights

36



A4WP V1.0 Specification Highlights

37

<Test Environment>


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


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>


40

<Layout>


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


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

introduction to integrated circuit lab (skku ic...

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