Power supply noise, which is the variation in the supply voltage across the on-die supply terminals of VLSI circuits, is a serious performance degrader in digital circuits and mixed analog-digital circuits. In digital VLSI systems, power supply noise causes timing errors such as delays, jitter, and false switching. In microprocessors, power supply noise reduces the maximum operating frequency (FMAX) of the CPU. In mixed analog-digital circuits, power supply noise manifests as the substrate noise and impairs the performance of the analog portion. The decrease in the available noise margin with the decrease in the feature size of transistors in CMOS systems makes the power supply noise a very serious issue, and demands new methods to reduce the power supply noise in sub-micron CMOS systems. In this thesis, we develop a new method to determine optimal time-delays between the switching of input/output (I/O) data buffers in digital VLSI systems that realizes maximum reduction of the power supply noise. We first discuss methods to characterize the distributed nature of the Power Delivery Network (PDN) in the frequency-domain. We then develop an analytical method to determine the optimal delays using the frequency-domain response of the PDN and the supply current spectrum of the buffer units. We explain the mechanism behind the cancellation of the power supply noise by the introduction of optimal buffer-to-buffer delays. We also develop a numerical method to determine the optimal delays and compare it with the analytical method. We illustrate the reduction in the power supply noise by applying the optimal time-delays determined using our methods to two examples of PDN. Our method has great potential to realize maximum reduction of power supply noise in digital VLSI circuits and substrate noise in mixed analog-digital VLSI circuits. Lower power supply noise translates into lower cost and improved performance of the circuit.

Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία μελετάται και αναλύεται η Ηλεκτρομαγνητική συμπεριφορά βασικών κυκλωμάτων και στοιχείων, τα οποία απαντώνται πάνω σε Πλακέτες Τυπωμένων Κυκλωμάτων. Η σχεδίαση και ανάλυση των μοντέλων γίνεται χρησιμοποιώντας τα Ηλεκτρομαγνητικά λογισμικά πακέτα της Agilent, ΕΜPro και ADS, ενώ για τον υπολογισμό χρήσιμων παραμέτρων χρησιμοποιείται η ελεύθερη εφαρμογή της Agilent, Appcad και η εφαρμογή Linecalc, η οποία είναι ενσωματωμένη στο ADS. Αρχικά, γίνεται μια σύντομη αναφορά στις σύγχρονες τάσεις που επικρατούν στην περιοχή των Τυπωμένων Κυκλωμάτων και περιγράφεται η χρησιμότητα των τοπολογιών που αναλύονται. Επιπροσθέτως, αναφέρεται η αναγκαιότητα και οι περιπτώσεις κατά τις οποίες είναι απαραίτητη η διεξαγωγή ηλεκτρομαγνητικής ανάλυσης των κυκλωμάτων, αλλά και τα προτερήματα που αυτή προσφέρει. Παρουσιάζεται η χρησιμότητα και αναλύεται η δομή μιας μαιανδρικής μικροταινιακής γραμμής εισαγωγής καθυστερήσεως και συγκρίνονται οι εκπομπές της ως προς τις εκπομπές μιας ευθείας μικροταινιακής γραμμής. Έπειτα, μελετάται η κατανομή του ρεύματος στο επίπεδο αναφοράς μιας απλούστερης γεωμετρίας μαιανδρικής μικροταινιακής γραμμής και παρουσιάζονται φαινόμενα περισσότερο αισθητά σε υψηλές συχνότητες. Έπειτα, μελετώνται οι εκπομπές από μια γεωμετρία μικροταινιακής γραμμής, η οποία διασχίζει σχισμή στο επίπεδο αναφοράς. Επίσης, μελετάται η συμπεριφορά μικροταινιακής γραμμής ευρισκόμενης στο χείλος μιας πλακέτας. Επιπλέον, μελετάται ένα πρόβλημα σχεδιάσεως αποτελεσματικής ηλεκτρομαγνητικής θωρακίσεως και υπολογίζεται η αποδοτικότης της θωρακίσεως. Σε επόμενο κεφάλαιο, μελετάται η επίδραση ασυνεχειών ευρισκόμενων σε μια δομή μικροταινιακής γραμμής και σχεδιάζεται ένα μεταϋλικό, ενώ παράλληλα προσδιορίζονται χαρακτηριστικές παράμετροι της δομής. Ακολούθως, σχεδιάζονται τρία είδη δομών που περιλαμβάνουν οπές via. Αυτές είναι: μία απλή via , μια δομή διαφορικών via και μια εφαρμογή απομονώσεως δυο συζευγμένων ταινιογραμμών χρήσει ενός φράχτη από οπές via. Τέλος, προσομοιώνεται η λειτουργία μιας πραγματικής πλακέτας και υπολογίζονται οι ηλεκτρομαγνητικές της εκπομπές στο μακρινό πεδίο. Παράλληλα, παρουσιάζονται ορισμένα στατιστικά του χρόνου εκτελέσεως και των απαιτούμενων πόρων για την προσομοίωση, γίνονται σχόλια και επισημάνσεις που αφορούν στα χαρακτηριστικά των χρησιμοποιούμενων αλγορίθμων για τη διεξαγωγή μετεπεξεργασίας των δεδομένων και δίνονται χρήσιμες συμβουλές όσον αφορά σε χαρακτηριστικά του λογισμικού Προσομοιώσεως και σε δυνατότητες επιταχύνσεως της Προσομοιώσεως που προσφέρονται από το ίδιο το λογισμικό. / -