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Dec 21, 2023

FPGA

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13912(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

세상이 디지털화됨에 따라 전자 시스템은 점점 더 보편화되고 있습니다. 동시에, 전 세계적으로 수백 개의 R&D 그룹이 매년 설계하는 새로운 트랜지스터, 멤리스터, 전압/전류 기준, 데이터 변환기 등을 통해 기본 구성 요소도 개선의 물결을 경험하고 있습니다. 현재까지 이러한 모든 설계를 테스트하는 데 가장 많이 사용되는 도구는 오실로스코프와 신호 발생기를 포함한 실험실 장비 제품군이었습니다. 그러나 구성 요소가 더욱 복잡해지고 핀 수가 급증함에 따라 보다 병렬적이고 다양한 테스트 도구에 대한 필요성도 더욱 시급해졌습니다. 본 연구에서는 이러한 요구 사항을 해결하기 위해 개발된 FPGA 시스템을 설명하고 벤치마킹합니다. 이 범용 테스트 시스템은 64채널 소스 미터 장치와 디지털 I/O용 32개 디지털 핀으로 구성된 \(2\times \) 뱅크를 갖추고 있습니다. 우리는 이 벤치탑 시스템이 \(\pm { 13.5}\,\hbox {V}\) 및 \({12}\,\hbox {mA}\) 최대 전류 드라이브/채널. 그런 다음 (a) 다이오드와 트랜지스터의 전류-전압 특성화, (b) 멤리스터 크로스바 어레이의 완전 병렬 판독 및 (c) 적분 비 -DAC에 대한 선형성 테스트. 이 작업은 신흥 전자 기술을 위한 보다 저렴하고 신뢰할 수 있으며 컴팩트하며 다기능 계측기로의 전환을 제공하는 단일 계측기에 패키지된 축소된 전자 실험실을 소개합니다.

악기 개요. (a) 베이스 보드, 테스트 대상 장치 인터페이스 도터 보드, FPGA 개발 보드 및 전원 공급 장치 보드를 포함하여 완전히 조립된 시스템 PCB의 사진입니다. (b) 시스템의 병렬성과 모듈성을 보여주는 시스템 아키텍처의 상위 수준 블록 다이어그램. 아날로그 연결은 검정색, 직렬 연결은 녹색, 병렬 연결은 파란색, 전원 공급 장치 연결은 빨간색으로 표시됩니다.

전자 기술의 발전은 계측 증폭기1 및 고급 데이터 변환기2와 같은 단일 구성 요소부터 일반화된 매개변수 측정을 위한 소형 인쇄 회로 기판(PCB) 계측3,4, 벤치탑 계측기에 이르기까지 계측 도구의 견고한 기반에 의존해 왔습니다. 오실로스코프 및 신호 발생기와 같은. 이러한 장비는 측정 및 테스트할 수 있는 것의 한계를 모두 정의했으며 전 세계 실험실의 생산성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 실제로 락인 증폭기5 및 스펙트럼 분석기6와 같은 전문 계측기의 개발을 이끈 것은 특히 후자입니다.

시간이 지남에 따라 개발되고 테스트가 필요한 회로의 다양성과 복잡성이 모두 증가하고 있습니다. 예를 들어 신흥 메모리 장치(멤리스터 포함) 커뮤니티를 위한 계측 이야기를 고려해 보겠습니다. 이러한 장치는 전기적으로 조정 가능한 저항기 역할을 하므로 전류-전압 스윕, 증분 단계 펄스 프로그래밍과 같은 일반적인 테스트를 통해 특성화를 위해 아날로그 계측이 필요합니다8. 더욱이 저항성 랜덤 액세스 메모리(RRAM) 멤리스티브 장치는 내적9을 수행하기 위한 크로스바 어레이로 매우 자주 사용됩니다. 이러한 요구로 인해 원시 정확도보다 병렬성과 데이터 수집 속도를 강조하는 경량 계측이 개발되었습니다. 이는 결과적으로 다양한 불완전 메커니즘14,15을 통해 판독 정확도를 잠재적으로 치명적인 훼손으로 이어질 수 있는 것으로 밝혀진 몰래 경로13와 관련된 효과를 완화하기 위한 상당한 회로 설계 노력을 의미합니다. 그럼에도 불구하고 이러한 어레이 수준 계측기는 소위 '1T1R' 접근 방식16이 대중화됨에 따라 RRAM 크로스바 어레이의 복잡성이 증가함에 따라 곧 대체되었습니다. 여기서 각 RRAM 장치는 '선택기 트랜지스터'와 쌍을 이루므로 이제 새로운 세트가 필요합니다. 트랜지스터의 게이트에 대한 제어 단자(나중에 그림 10에 표시됨). 동시에, RRAM 기술의 발전으로 인해 저항 상태를 더욱 미세하게 변화시킬 수 있는 멤리스터 셀이 탄생하게 되었고, 이로 인해 계측의 정확도 요구 사항이 더욱 높아졌습니다.

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