ПЛИС

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 13912 (2022) Цитировать эту статью

1748 Доступов

2 цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Электронные системы становятся все более и более повсеместными по мере оцифровки нашего мира. В то же время даже базовые компоненты претерпевают волну усовершенствований: новые транзисторы, мемристоры, источники опорного напряжения/тока, преобразователи данных и т. д. каждый год разрабатываются сотнями научно-исследовательских групп по всему миру. На сегодняшний день рабочей лошадкой для тестирования всех этих проектов является набор лабораторных приборов, включая осциллографы и генераторы сигналов, если упомянуть самые популярные. Однако по мере того, как компоненты становятся более сложными и количество выводов растет, потребность в более параллельных и универсальных инструментах тестирования также становится все более острой. В этой работе мы описываем и тестируем систему FPGA, разработанную для удовлетворения этой потребности. Эта система тестирования общего назначения включает 64-канальный источник-измеритель и \(2\times\) банки по 32 цифровых контакта для цифрового ввода-вывода. Мы демонстрируем, что эта настольная система может обеспечить \({170}\,\hbox {pA}\) текущий минимальный уровень шума, \({40}\,\hbox {ns}\) подачу импульса при \(\pm { 13,5}\,\hbox {В}\) и \({12}\,\hbox {мА}\) максимальный ток привода/канала. Затем мы демонстрируем использование прибора при выполнении трех задач измерения характеристик: (а) определение вольт-амперных характеристик диода и транзистора, (б) полностью параллельное считывание матрицы мемристоров и (в) интегральное не -проверка линейности ЦАП. Эта работа представляет собой уменьшенную по размеру лабораторию электроники, объединенную в один прибор, который обеспечивает переход к более доступным, надежным, компактным и многофункциональным приборам для новых электронных технологий.

Обзор инструмента. (а) Изображение полностью собранных системных плат, включая базовую плату, дочернюю плату интерфейса тестируемого устройства, плату разработки FPGA и плату источника питания. (б) Блок-схема высокого уровня архитектуры системы, иллюстрирующая параллелизм и модульность системы. Аналоговые соединения показаны черным цветом, последовательные соединения — зеленым, параллельные соединения — синим, а соединения источника питания — красным.

Прогресс электронных технологий опирается на прочную основу инструментальных средств, начиная от отдельных компонентов, таких как инструментальные усилители1 и высокопроизводительные преобразователи данных2, до малогабаритных приборов на печатных платах (PCB) для обобщенных измерений параметров3,4, настольных приборов. такие как осциллографы и генераторы сигналов. Эти инструменты определили пределы того, что можно измерить и протестировать, и играют значительную роль в определении производительности лабораторий по всему миру. Фактически, именно последнее привело к разработке специализированных приборов, таких как синхронные усилители5 и анализаторы спектра6.

Со временем увеличивается как разнообразие, так и сложность разрабатываемых и требующих тестирования схем. В качестве примера давайте рассмотрим историю создания инструментов для сообщества новых устройств памяти (включая мемристоры)7. Эти устройства действуют как электрически настраиваемые резисторы и, следовательно, требуют аналоговых приборов для их определения характеристик, при этом типичными испытаниями являются развертка тока-напряжение и пошаговое программирование импульсов8. Кроме того, мемристивные устройства резистивной оперативной памяти (RRAM) очень часто используются в качестве перекрестных матриц для выполнения скалярного произведения9. Эта потребность привела к разработке легкого инструментария, в котором параллелизм и скорость сбора данных важнее исходной точности10,11,12. Это, в свою очередь, потребовало значительных усилий при проектировании схем для смягчения эффектов, связанных со скрытыми путями13, которые, как было показано, потенциально приводят к катастрофическому снижению точности считывания из-за различных механизмов несовершенства14,15. Тем не менее, эти инструменты уровня массива вскоре были вытеснены увеличением сложности перекрестных массивов RRAM с популяризацией так называемого подхода «1T1R»16, где каждое устройство RRAM соединено с «селекторным транзистором», что теперь требует нового набора выводы управления затворами транзисторов (как показано далее на рис. 10). Параллельно с этим развитие технологии RRAM привело к появлению мемристорных ячеек, способных выполнять еще более тонкую градацию своего резистивного состояния17, что привело к повышению требований к точности приборов.