In this thesis, a model of external electromagnetic noise effects on an analog-to-digital converter (ADC) in a hierarchical structure is proposed. We target two types of external electromagnetic noise effects, one is the simultaneous switching noise effects, and the other is the magnetic field effects. These targeted noise effects are determined to consider possible promising technology such as high speed digital circuit, and wireless power transfer technology. The ADC performance is determined by not only on-chip characteristics but also off-chip characteristics. Therefore, chip-package-printed circuit board (PCB) co-analysis and co-modeling are required to accurately evaluate the performance of the ADC. We propose the co-model which allows the estimation and analysis of external electromagnetic noise effects on the ADC including the characteristics of off-chip/magnetic-field. To validate the proposed models, an ADC was fabricated by a 0.13 μm CMOS process and wire bonded to the designed PCB. The effective number of bits (ENOB) of the ADC was measured by sweeping the electromagnetic noise frequency to discover which noise frequency is critical to an ADC designed with a chip-PCB hierarchical structure. The results estimated by the proposed model correlated well with the co-simulated and measured results. The proposed modeling procedure saves the chip and PCB designers time and computation resources to achieve high-quality analog devices or mixed-mode systems and provides an intuitive understanding of the noise effect.
반도체 시스템의 집적률이 높아지면서, 아날로그 회로는 더 다양한 노이즈 환경에 노출 되고 있다. 또한, 전기자동차와 같은 새로운 개념의 전자 장치의 등장은 더 높은 파워의 노이즈 환경을 제공한다. 그럼에도 더 고성능 고속 동작을 요구하기 때문에 이러한 외부 노이즈에 대한 현상 분석이 앞으로의 반도체 시스템 개발에는 반드시 선행되어야 한다. 본 논문에서는 반도체에서의 외부 전자기 잡음 현상을 빠르고 정확하게 예측할 수 있는 모델을 제안하고 검증함으로 이러한 현상 분석에 활용할 수 있는 새로운 방식의 방향을 제시하였다.
또한 본 논문에서는 반도체 시스템으로 아날로그 디지털 컨버터를 활용하였다. 과거의 통신 반도체뿐만 아니라, 앞으로의 자동차 반도체에서 아날로그 디지털 컨버터는 필수적으로 사용되는 시스템이기 때문에 그 의미가 있다. 더불어, 아날로그 디지털 컨버터에서의 오동작은 차량용 시스템에서 안전성에 치명적인 영향을 줄 수 있기 때문에 이러한 외부 전자기 잡은 현상에 대한 분석이 필수적일 것이다.
이런 과정으로 스위칭 노이즈에 의한 ADC의 현상 모델링, 무선전력전송 시스템에서의 ADC의 자기장 현상 모델링을 진행하였고, 이를 0.13um의 CMOS 공정으로 설계한 ADC chip, 와이어 본딩으로 설계한 PCB board 구조와 결합하여 검증하였다. 기존의 상용 툴로 예측한 결과, 측정 결과와 비슷한 수준의 현상 예측률을 보이며, 속도는 기존의 상용툴을 사용한 것보다 99% 이상 향상시켰다.
실제 외부 전자기 잡은 현상을 예측하기 위하여, 외부 전자기 잡음의 전류 분포를 고려하고, intermodulation과 같은 각종 RF 현상들을 study하였다. 더불어, 실제 전기자동차 환경을 가정하여 high power 무선전력전송 환경, 그리고 inverter와 dc-dc converter의 전자기 잡음에 대해서도 분석하였다. 마지막으로, 더 좋은 반도체 시스템 설계를 위해서 어떤 설계가 필요한지에 대한 설계 가이드를 제안하였다.
