64110 (Основные проблемы современной аналоговой микросхемотехники)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Эволюция СБИС. Системы на кристалле, в корпусе и на подложке

2. Базовые технологии и их ограничения

3. Проблемы проектирования микросхем с низковольтным питанием

4. Микросхемотехника аналоговых и аналого-цифровых СФ блоков

Библиографический список

1. Эволюция СБИС. Системы на кристалле, в корпусе и на подложке

Переход на субмикронную и частично глубокую субмикронную технологии наглядно показал, что эффективность применения БИС и СБИС микроконтроллеров любой архитектуры в радиоэлектронной аппаратуре определялась качеством и номенклатурой периферийных ИС, образующих интерфейс связи с датчиками и исполнительными устройствами соответствующей мини-системы. Низкая надежность и помехозащищенность внешних (внекристалльных) соединений, сложность тестирования и поиска неисправностей сделали экономически целесообразной замену плат и мини-блоков. Именно поэтому и произошел переход от мини-систем к микросистемам – системам на кристалле (СнК), где указанные соединения реализуются в кристалле или на побложке. Отметим, что первоначально для задач управления микро- и мини-роботов, а также для сверхточного управления традиционными объектами были разработаны микросистемы – относительно несложные микроизделия, реализующие весь цикл измерения и преобразования от сенсора до исполнительного механизма. Эта область (микросистемная техника) имеет самостоятельное развитие, где ограничивающими факторами в первую очередь являются материалы и технологические нормы изготовления микросенсоров и исполнительных механизмов.

Современные задачи связи, автоматического управления и техники специальных измерений требуют для обеспечения относительно высокой серийности изделий не только кардинального повышения надежности, но и возможности их программной адаптации к решаемой задаче. Именно поэтому такие системы должны иметь очень мощное программируемое ядро с набором быстродействующих областей памяти констант (программ) и данных. Реализовать указанное можно либо применением новых дорогостоящих материалов, либо за счет перехода в цифровой части системы на глубокую (≤ 0,35 мкм) субмикронную технологию. Однако даже для цифрового процессора в любом случае важнейшей задачей в процессе производства и эксплуатации остается тестирование.

В перспективе в рамках систем на кристалле могут быть решены многие проблемы интеграции аналоговых, цифровых, радиочастотных (RF) и даже более экзотических структур – микромеханические системы (MEMS), датчики, силовые приводы, химические преобразователи, оптические блоки и т.п. Поэтому в современной интерпретации СнК является сложной интегральной схемой, объединяющей на одном чипе или чипсете все основные функциональные элементы полного конечного продукта. В общем случае СнК как проект включает в себя как минимум один программируемый процессор, внутрикристалльную память и аппаратно реализованные ускоряющие функциональные элементы. В состав СнК также входят интерфейсы с периферийными устройствами и(или) с внешней средой, именно поэтому их базовым признаком являются аналоговые компоненты, узлы и устройства.

Следует подчеркнуть, что слово «система» в термине «система на кристалле» важней, чем слово «кристалл». Потребности практики всегда опережают технологические возможности, поэтому для многих наиболее наукоемких приложений оказывается целесообразным проектирование функциональных блоков как часть интегрированного целого, а физически они размещаются не в кристалле, а на одной подложке и корпусе. Такие системы – System in Package (SiP), System on Package (SoP) – оказываются более надежными, качественными и дешевыми, но при этом они проектируются как единое целое. Их составные части – сложно-функциональные блоки (СФ блоки) – являются также интегрируемыми проектами СнК (IP блоки) и основой повышения производительности и «живучести» проектирования за счет повторного использования этого интеллектуального продукта.

Важным фактором в развитии такого подхода явилось создание организации Virtual Socket Interface (VSI) Alliance, объединяющей ведущие электронные фирмы для разработки эффективных методов повторного использования IP, стандартных требований по их созданию и обмену. Деятельность ассоциации позволила установить необходимые «горизонтальные» связи между системными компаниями, дизайн-центрами и компаниями, занимающимися САПР. Можно утверждать, что без таких ассоциаций развитие современной микроэлектронной техники невозможно.

Указанное проектирование оказало решающее влияние на электронную промышленность в целом. Эволюция технологических процессов при-вела к резкому увеличению единовременных расходов. Например, стоимость шаблонов на уровне 0,13 мкм приближается к 1,0 млн долл. Но более быстрыми темпами росли затраты на проектирование отдельных устройств. Так, даже при значительных успехах в повторном проектировании (IP) стоимость СиК на уровне 0,13 мкм оценивается от 5,0 до 20,0 млн долл. Статистика последних лет показывает, что общее число проектов в классе специализированных интегральных схем (ASIC проектов) сократилась практически в 3 раза. Однако произошло увеличение проектов в сегменте стандартных ИС (ASSP) и полузаказных (FPGA) ИС (БМК, ПЛИС, ПАИС, ПЛМ), которые можно классифицировать как СнК в начальной форме.

Такой сдвиг в стилях проектирования привел к ряду последствий в электронной промышленности. Во-первых, если РЭА может технически ориентироваться на полузаказные ИС, то это оказывается эффективным при серийности от сотен до десятка тысяч экземпляров. Во-вторых, в этом же классе предпринимаются попытки превращения начальной формы СнК в гибкую платформу, которая может быть использована для различных инженерных приложений с помощью программируемости и многочисленных интерфейсов. Однако в любом случае опережающая разработка СФ блоков для конкретных технологий (IP) приобретает первостепенное значение. В этом отношении следует отметить, что технологические уровни менее 0,35 мкм существенно ухудшают качественные показатели аналоговых компонентов, определяющих динамический диапазон узлов, устройств и СФ блоков. Поэтому для многих инженерных приложений системы на подложке и в корпусе останутся основными.

Как отмечалось ранее, многие задачи построения РЭА требуют проектирования под конкретную технологию специальных аналоговых или цифро-аналоговых СнК. Также БИС и СБИС образуют специальный и во многом специфический класс электронных систем, которые условно называются смешанными – содержащими значительное число не только вспомогательных аналоговых узлов и устройств. Зарубежная классификация их отмечает как mixed-signal SoC и Analogue/mixed-signal (AMS) SoC. Однако работа в этой области только начинается. Так, Texas Instruments, явившаяся пионером в этом направлении, несмотря на первоначальные планы создания смешанной СнК, интегрирующей цифровую, аналоговую и радиочастотную части на одной кремниевой подложке, не имеет в настоящее время явных (рыночных) успехов.

Обсуждаемые СнК можно условно разделить на два основных типа. Во-первых, следует выделить AMS SoC с некоторыми специфическими аналоговыми блоками – модули фазовой автоподстройки частоты, АЦП, ЦАП, блоки периферийных интерфейсов, видеоаудиокодеки и т.п. Такие СнК образуют «D/а» класс – в основном цифровые, немного аналоговые. В таких системах аналоговые блоки можно рассматривать в качестве унифицированных СФ блоков. Их на этапе проектирования можно рассматривать в качестве «серых ящиков», и они могут успешно интегрироваться в общую систему на основе строгих правил, которые заранее оговорены их разработчиками. Ко второму типу следует отнести СнК «А/d» класса – в основном аналоговые и немного цифровые. Из этого не следует, что цифровая часть системы не требует мощного программируемого ядра. Скорее наоборот – особенность функционирования СнК предопределяет высокопроизводительные процессорный модуль и даже подсистему. Однако в этом классе СнК аналоговые модули нельзя рассматривать в качестве «черных ящиков». Здесь аналоговые узлы, а возможно, и СФ блоки обеспечивают основу функционирования системы (не только интерфейсы) и поэтому накладывают сложные и во многом специфические ограничения на их интеграцию. Специалисты Texas Instruments считают, что для обеспечения надежности проекта разработчики аналоговых блоков должны быть основными системными (СнК) интеграторами. С точки зрения РЭА конечного назначения AMS A/d класса обеспечивают взаимодействие СнК с «высшим миром». Указанная функция реализуется СФ блоками СнК, внешними микросенсорами и исполнительными устройствами.

2. Базовые технологии и их ограничения

В настоящее время доминирующим направлением остается кремниевая КМОП-технология со свойственными ей преимуществами и недостатками. В первую очередь по этой причине достаточно сложно в едином технологическом цикле изготовить качественные активные компоненты для аналоговой и дискретно-аналоговой обработки сигналов, а дальнейшее ужесточение технологических норм существенно ухудшает не только их малосигнальные параметры, но еще более усложняет процедуру тестирования системы в целом. Именно поэтому увеличение числа аналоговых входов (портов ввода) осуществляется практически всегда за счет мультиплексирования и повышения производительности встроенного АЦП. Однако номенклатура аналоговых узлов, необходимых для решения практических задач, остается достаточно большой. Так, в состав СБИС микроконверторов входят указанные выше мультиплексор и АЦП, коммутируемый источник опорного напряжения для согласования максимального входного напряжения с АЦП, датчик температуры, косвенно обеспечивающий учет температурной погрешности преобразования физических величин, компаратор, блок ФАПЧ, а также набор ЦАП. В этой связи прецизионное масштабирование и ограничение спектра входных сигналов должно либо выполняться в аналоговых датчиках, либо приходится, пусть и в ограниченном виде, возвращаться к мини-системе. Характерной чертой таких систем является достаточно большая, в основном определяемая аналоговой частью потребляемая мощность. Аналогичный вывод справедлив и для аналоговых микроконтроллеров, в которых взамен блоков ФАПЧ и компараторов включены простейшие, совместимые с 10-разрядной шиной АЦП, инструментальный усилитель и фильтр нижних частот (подключается внешний частотозадающий конденсатор). Иногда параметры этих устройств инициализируются пользователем. Отсутствие качественных аналоговых портов ввода с прецизионным преобразованием сигналов аналоговых датчиков и сенсорных датчиков связано с жестким ограничением на число аналоговых компонентов кристалла. Здесь доминирующими факторами остаются потребляемая мощность и геометрия аналогового транзистора. В силу этих и других не менее важных для точности вычисления факторов практически всегда применяется режим разделения времени преобразования и основного вычисления.

Кремниево-германиевая (SiGe) БиКМОП технология занимает лидирующие позиции в области изготовления СБИС для цифровой обработки сигналов, телекоммуникационных систем и многих других важных практических приложений, что обусловлено простотой интеграции в стандартный КМОП процесс, относительно низкой стоимостью производства, боль-шим процентом выхода годных и высоким быстродействием приборов [86]. Крупнейшие компании, такие как IBM, Daimler-Benz, Phillips, Hitachi, сегодня разрабатывают и производят интегральные схемы, основным компонентом которых являются быстродействующие SiGe биполярные транзисторы, с граничными частотами 100 ГГц. Так, компанией IBM было показано, что граничная частота SiGe биполярных транзисторов с гетеропереходом может достигать 210 ГГц. С развитием технологии Si1-xGex-сплавов появилась возможность создания быстродействующих МОП транзисторов с SiGe/Si каналом, что в перспективе позволит создавать на их основе быстродействующие КМОП микромощные схемы с граничными частотами 40–50 ГГц [6].

Важную роль в современной микроэлектронике играют высокотемпературные силовые элементы и преобразователи на базе карбида кремния. Несмотря на значительные инвестиции в этом направлении федеральными правительствами и фирмами ряда стран, ожидаемого результата получить не удалось. Характерные для этого случая зонные процессы приводят к недостаточному качеству малосигнальных параметров приборов.

Результаты отечественных и зарубежных исследований показывают [8], что для создания высоконадежных аналого-цифровых КМОП БИС, для случаев, когда требуются повышенная радиационная стойкость и температурная стабильность, весьма эффективно использование технологии «кремний на изоляторе» (КНИ). По сравнению с традиционной КМОП технологией на объемном кремнии технология КНИ обладает целым рядом важных преимуществ.

Для цифровых КМОП схем эти преимущества можно сформулировать следующим образом [8]:

• очень хорошая изоляция элементов друг от друга и очень малые токи утечки;

• меньшая площадь КМОП КНИ элемента по сравнению с элементом, изготовленным по «объемной» технологии (при отсутствии контакта к подложке);

• меньшие емкости переходов, повышенные частоты работы схем, меньшая потребляемая мощность.

Для аналого-цифровых КМОП схем КНИ технология обеспечивает ряд дополнительных преимуществ [8]:

• высокое качество изоляции цифровых и аналоговых блоков в смешанных АЦ системах на кристалле;

• возможность создания на КНИ подложках высококачественных пассивных R, С, L-элементов;

• меньшие потери переменной мощности в радиочастотном и СВЧ диапазонах;

• большая крутизна ВАХ приборов в области малых токов по сравнению с приборами, выполненными по «объемной» технологии.

Использование технологии «кремний на изоляторе» позволяет повысить верхний диапазон рабочих температур ИС до 200 °С.