Pieter Edelman
23 February 2010

Vier jaar geleden had TU Delft-onderzoeker Kofi Makinwa een plannetje om een nauwkeurige oscillator geheel in CMos te maken door slim gebruik te maken van de temperatuurgeleiding in silicium. Op de afgelopen International Solid State Circuits Conference prijkte het resultaat in de vorm van een artikel door zijn promovendus Mahdi Kashmiri, coauteur Michiel Pertijs en Makinwa, die ondertussen hoogleraar is bij de groep Elektronische Instrumentatie van de faculteit EWI.

Het streven naar een CMos-oscillator is logisch. Zo‘n beetje elk elektronisch circuit werkt volgens het ijzeren regime van een klok, maar voor veruit de meeste toepassingen zijn de enige bronnen met voldoende nauwkeurigheid volledig incompatibel met CMos-fabricage: resonatoren van kwartskristal of keramiek. Terwijl chips steeds meer geïntegreerd raken in Socs en Sips, blijft de pulsgenerator er tot nog toe vaak als extern componentje bij hangen.

Niet zo gek dus dat er al veel pogingen zijn gedaan om een frequentiereferentie in CMos te maken. Op zich is dit niet eens zo lastig. Een schakelingetje dat een stroompje een vaste tijd kan vertragen en daarna weer naar zichzelf terugkoppelt, is genoeg. Een inductor gekoppeld met een condensator, een zogenaamde LC-oscillator, werkt prima. Toch worden ze niet vaak gebruikt in producten. De afwijking tussen individuele exemplaren is bij massaproductie namelijk zeer fors: vers van de band kan dat makkelijk tot 20 procent oplopen.

Een kalibratiestap kan wel verbetering brengen, maar daarmee is het probleem nog niet opgelost. De frequentie van dergelijke oscillatoren is afhankelijk van de temperatuur. Daarvoor is wel te compenseren met een temperatuursensor, maar dankzij de procesvariatie verschilt ook de temperatuurafhankelijkheid van exemplaar tot exemplaar. Daarom moet er bij verschillende temperaturen worden gekalibreerd, waarmee een compensatiecurve in de chip kan worden geprogrammeerd. Een tijdrovende klus en aangezien tijd geld is, is het kwartskristalletje doorgaans toch de logische keuze.

Blokgolf

Het idee van Makinwa gebruikt echter twee parameters die wél zeer constant zijn op alle chips. Ten eerste gaat het uit van het pure, ongedoteerde silicium. Het silicium voor chipproductie is een van de meest zuivere materialen in omloop bij de industrie en vertoont dus weinig variatie tussen verschillende chips. Ten tweede is er een precieze afstand nodig tussen twee structuurtjes op dit silicium – en laat het precies neerleggen van stuctuurtjes nou net het hele eieren eten van chipfabricage zijn. De afstanden waarmee ze in Delft werken, liggen in de ordegrootte van tien tot twintig micrometer. Gigantisch dus in termen van hedendaagse lithografie, zodat de afwijkingen van een paar nanometer nagenoeg geen invloed hebben op het resultaat.

 advertorial 

8-bit Microcontrollers Still Anchor the Majority of Embedded Designs Today

They are tiny, but vitally important. The market for 8-bit microcontrollers continues to grow strongly as a key part of the drive to digitalisation, highlighted by the current chip shortages. Read more about Microchip’s 8-bit devices.

TU_Delft_Thermische_Oscillator
Op de ISSCC presenteerde de TU Delft een nauwkeurige oscillator geheeld vervaardigd in CMos. Het verwarmer/sensorsysteem is het kleine blokje rechts op de chip. De daadwerkelijke oscillator neemt het kwart van de chip rechtsboven in beslag. De onderste helft van de rechterkant is grotendeels gereserveerd voor een fase-naar-digitaalconverter. De linkerkant is voornamelijk verantwoordelijk voor het meten van de die-temperatuur, zodat daarvoor kan worden gecompenseerd.

De structuurtjes aan weerszijden van dit braakliggende silicium zijn een verwarmingselement en een temperatuursensor. Het verwarmingselement zendt – aangestuurd door digitale pulsen – warmtegolfjes van zo‘n 0,2 graden Celsius het silicium in, die met wat vertraging weer opgepikt worden door de sensor. In die vertraging zit ‘m de kneep. De diffusiesnelheid van warmte door silicium is zeer constant en doordat het materiaal zo zuiver is, is de variatie tussen IC‘s zeer klein.

Dit vormt echter nog geen oscillator. Sterker nog, het circuit vereist juist een oscillator als input voor het verwarmingselement. Het doel van dit geheel is dan ook niet om de puls te leveren, maar om de frequentie van een externe oscillator af te stemmen. En dat kan dan weer een goedkope LC-oscillator zijn. De digitale blokgolf die naar het verwarmingselement gaat, wordt in de sensor natuurlijk niet zo ontvangen. De golven vlakken en doven onderweg langzaam uit op een goed gekarakteriseerde manier. Golven met lage frequentie worden daarbij wat beter doorgelaten dan hoge frequenties. Daarmee kan de structuur worden gebruikt om de frequentie te meten: bij te hoge of te lage frequenties wordt de fasevertraging in het gemeten signaal te groot of te klein. Die uitslag is terug te koppelen naar de LC-oscillator.

oscillator
De voortplantingssnelheid van warmte in silicium is te gebruiken om het signaal van een niet zo nauwkeurige oscillator af te stemmen. Het silicium laat hoogfrequente warmtegolven beter door dan laagfrequente. Dat is te gebruiken om terug te koppelen naar de LC-oscillator. Een vrije parameter is nog te gebruiken om te compenseren voor de omgevingstemperatuur, die de diffusiesnelheid beïnvloedt.

Kritiek

Maar hoe betrouwbaar is een temperatuurgebaseerde triller bij verschillende temperaturen? Nauwkeurig, zo blijkt, dankzij wat extra toevoegingen. Ten eerste is daar de temperatuursensor die de warmtepulsen moet meten. Dat is een standaard ontwerp dat niet de absolute temperatuur meet, maar het temperatuurverschil tussen twee gebieden. Voor de liefhebber: dit is te danken aan het Seebeck-effect, het verschijnsel dat er een spanningsverschil ontstaat op het grensvlak van twee materialen met verschillende temperatuur.

Daarnaast is de diffusiesnelheid van warmte door silicium zelf ook temperatuurafhankelijk. Paradoxaal neemt deze af naarmate de temperatuur toeneemt. Dat is te wijten aan het krisralrooster dat harder gaat trillen met oplopende temperatuur. ’Je zwemt ook makkelijker door een rustige dan een wild golvende zee‘, trekt Makinwa de analogie. Deze temperatuursafhankelijkheid is echter goed gekarakteriseerd en door het zuivere silicium in elke chip precies hetzelfde. Met een absolute-temperatuurssensor is daarvoor dus te compenseren. Het ontwerp voor zo‘n nauwkeurige sensor was een aantal jaar geleden gemaakt door Pertijs, toen promovendus, nu universitair docent.

’Nadat we die sensor hadden ontwikkeld, kregen we de kritiek dat hij te nauwkeurig was. Voor de meeste toepassingen is dat niet nodig. Vandaar dat onze papers nu vooral gaan over het terugdringen van energiegebruik in zulke temperatuursensoren, niet over hun nauwkeurigheid‘, vertelt Makinwa. ’Maar nu kwam die toepassing er wel, een goed voorbeeld van waarom het soms nodig is om eerst dingen uit te vinden en pas daarna te gaan vragen waarvoor het nodig is.‘

Patent

Het resultaat houdt – nu in ieder geval – het midden tussen een kwartsoscillator en een LC-triller. De oscillator is ongeveer 0,1 procent nauwkeurig. Dat is minder goed dan de 0,01 procent van kwarts, maar in tegenstelling tot LC is er maar één kalibratiestap nodig en hoeft er niet bij verschillende temperaturen te worden gemeten, want de temperatuursafhankelijkheid is voor elke chip exact hetzelfde. De ISSCC-versie genereert 1,6 MHz en werkt in een temperatuurbereik van -55 tot 125 graden Celsius. De onderzoekers denken dat de prestaties nog flink omhoog kunnen door hedendaagse procestechnologie te gebruiken – de huidige versie is vervaardigd op het welhaast antieke 0,7-micrometerknooppunt. Dat moet ook het energieverbruik van 7,8 mW met sprongen terugdringen.

De TU Delft heeft ondertussen patent op het ontwerp aangevraagd. Commerciële plannen zijn er nog niet; de onderzoekers willen het design de komende tijd verder uitontwikkelen. Makinwa denk dat de oscillator nauwkeurig genoeg is voor bijvoorbeeld bedrade communicatie en microcontrollers. Eventueel kan nauwkeurigheid worden uitgeruild tegen stroomverbruik. Alleen toepassingen als draadloze communicatie ziet hij nog niet snel gebeuren; daarvoor is de precisie nog niet hoog genoeg.