Um FPGA

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 13912 (2022) Citar este artigo

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Os sistemas eletrônicos estão se tornando cada vez mais onipresentes à medida que nosso mundo se digitaliza. Simultaneamente, mesmo os componentes básicos estão experimentando uma onda de melhorias com novos transistores, memristores, referências de tensão/corrente, conversores de dados, etc, sendo projetados todos os anos por centenas de grupos de P&D em todo o mundo. Até o momento, o burro de carga para testar todos esses projetos tem sido um conjunto de instrumentos de laboratório, incluindo osciloscópios e geradores de sinal, para mencionar os mais populares. No entanto, à medida que os componentes se tornam mais complexos e os números dos pinos aumentam, a necessidade de ferramentas de teste mais paralelas e versáteis também se torna mais premente. Neste trabalho, descrevemos e comparamos um sistema FPGA desenvolvido que atende a essa necessidade. Este sistema de teste de uso geral apresenta uma unidade de medidor de fonte de 64 canais e bancos \(2\times \) de 32 pinos digitais para E/S digital. Demonstramos que este sistema de bancada pode obter \({170}\,\hbox {pA}\) nível de ruído atual, \({40}\,\hbox {ns}\) entrega de pulso em \(\pm { 13,5}\,\hbox {V}\) e \({12}\,\hbox {mA}\) unidade/canal de corrente máxima. Em seguida, mostramos o uso do instrumento na execução de uma seleção de três tarefas de medição de características: (a) caracterização de tensão-corrente de um diodo e um transistor, (b) leitura totalmente paralela de uma matriz de barras transversais de memristor e (c) uma matriz integral não - teste de linearidade em um DAC. Este trabalho apresenta um laboratório de eletrônica em escala reduzida empacotado em um único instrumento que fornece uma mudança para instrumentação mais acessível, confiável, compacta e multifuncional para tecnologias eletrônicas emergentes.

Visão geral do instrumento. (a) Imagem de PCBs de sistema totalmente montados, incluindo placa base, placa filha de interface de dispositivo em teste, placa de desenvolvimento FPGA e placa de fonte de alimentação. (b) Diagrama de blocos de alto nível da arquitetura do sistema ilustrando o paralelismo e a modularidade do sistema. As conexões analógicas são mostradas em preto, as conexões seriais são mostradas em verde, as conexões paralelas são mostradas em azul e as conexões da fonte de alimentação são mostradas em vermelho.

O progresso das tecnologias eletrônicas tem se baseado em uma base sólida de ferramentas de instrumentação que vão desde componentes únicos, como amplificadores de instrumentação1 e conversores de dados de ponta2, até instrumentos de placa de circuito impresso (PCB) de tamanho pequeno para medições de parâmetros generalizadas3,4, instrumentos de bancada como osciloscópios e geradores de sinal. Esses instrumentos definiram os limites do que pode ser medido e testado e desempenham um papel significativo na determinação da produtividade de laboratórios em todo o mundo. Na verdade, é particularmente o último que levou ao desenvolvimento de instrumentação especializada, como amplificadores lock-in5 e analisadores de espectro6.

Com o tempo, a variedade e a complexidade dos circuitos desenvolvidos e que exigem testes estão aumentando. Como exemplo, consideremos a história da instrumentação para a comunidade emergente de dispositivos de memória (incluindo memristores)7. Esses dispositivos agem como resistores eletricamente sintonizáveis ​​e, portanto, requerem instrumentação analógica para sua caracterização, com testes típicos sendo varreduras de tensão-corrente e programação de pulso de passo incremental8. Além disso, os dispositivos memristivos Resistive Random Access Memory (RRAM) são muito frequentemente usados ​​como arrays crossbar para realizar produtos de ponto9. Essa necessidade levou ao desenvolvimento de instrumentação leve, enfatizando o paralelismo e a velocidade de aquisição de dados sobre a precisão bruta10,11,12. Isso, por sua vez, implicou em um esforço significativo de projeto de circuito para mitigar os efeitos relacionados a caminhos furtivos13, que demonstraram levar a uma potencial falha catastrófica na precisão da leitura por meio de uma variedade de mecanismos de imperfeição14,15. No entanto, esses instrumentos de nível de matriz foram logo substituídos pelo aumento da complexidade em matrizes de crossbar RRAM com a popularização da chamada abordagem '1T1R'16, onde cada dispositivo RRAM é emparelhado com um 'transistor seletor', exigindo agora um novo conjunto de terminais de controle para as portas dos transistores (como mostrado mais adiante na Fig. 10). Paralelamente, os avanços na tecnologia RRAM levaram a células memristor capazes de gradações cada vez mais finas de seus estados resistivos17, o que tem impulsionado os requisitos de precisão da instrumentação para cima.