Введение к работе
Лкгауальносгоь темы. Развитие современной микроэлектроники приводит к постоянному увеличению степени интеї рации интегральных схем (ИС), что объясняется существующей тенденцией к увеличешпо сложности ИС и снижению стоимости каждого интегрального элемента в составе микросхемы. Данная тенденция привела к замене в последние 5-Ю лет многофункциональных аналоговых ИО малой и средней степени интеграции на аналоговые (А) и аналого-цифровые (АЦ) большие и сверхбольшие интегральные схемы (ШС/СБИС) частного применения.
Однако разработка А и АЦ БИС/СБИС затруднена, с одной стороны , существенным увеличение затрат и времени проектирования годного изделия, а, с другой стороны, худшими статическими параметрами изделий, обусловленными особенностями существующей элементной бази современных БИС/СБИС.
Совокупность допустимых сроков проектирования и затрат достигается только при автоматизации самого сложного этапа разработки А и АЦ БИС/СБИС частного применения - разработки топологии. Наиболее успешным подходом к разработке топологии является использование схемно-топологических фрагментов.
Улучшение статических параметров БИС/СБИС получают при постоянном совершенствовании технологических процессов, модернизации схемотехнических решений, конструкций интегральных элементов и топологии фрагментов.
Диссертационная работа направлена на разработку и оптимизацию схемко-топологических фрагментов и интегральных элементов для по лучения малых статических погрешностей.
Полью работ является комплексное исследование и разработка конструктивно-топологических и схемотехнических методов уменьшения статических погрешностей аналоговых ИС, проектирование интегральных элементов н схемно-топологических фрагментов для прецизионных ИС и исследование их параметров.
Основные задачи исследования.
1. Обобщение и анализ осноеных схемотехнических и конструктивно топологических решений А и АЦ БИСУСЕИС для определения источников статических погрешностей.
". Разработка физико-математических моделей, описывавших ра?.брос характеристик интегральных ті-р-п транзисторов в зависи
мости от конструктивно - топологических параметров, и физнко - математических моделей для расчета статических параметров и погрешностей основных аналоговых блоков и узлов с учетом разброса параметров элементов, конечного значения коэффициента передачи тока, эффекта Зрли.
-
Разработка схемотехнических решений аналоговых блоков и конструкций полупроводниковых приборов для А и АЦ БИС/СБИС с малы ми статическими погрешностями.
-
Опытно-промышленная апробация разработанных схемно-топологических фрагментов и интегральных элементов в прецизионных аналоговых и аналого-цифровых БИС/СВИС частного применения измерительной техники. Экспериментальные исследования модернизированной эле ментной базы.
Меиоды исследования. В процессе выполнения работы были использованы: аналитические методы расчета транзисторных схем; моделирование электрических схем микроэлектронных блоков на ПЭВМ; ана логический и машинный расчет топологии активных и пассивных элементов БИС/СБИС; автоматизированные методы разработки топологии элементов ИС на ЭВМ типа И30Т-1092С; экспериментальные исследования интегральных элементов и схемно-топологических фрагментов, выполненные с применением современных методик и радиоизмерительных средств.
Ші/чиая новизна работ.
-
Разработана физико-математическая модель, описывающая ста тические параметры и погрешности основных аналоговых блоков и.узлов и отличающаяся от известных учетом разброса параметров биполярных транзисторов (БТ), конечным значением коэффициента передачи тока БТ и его зависимостью от эффекта Эрли.
-
Разработана физико-математическая модель для определения разброса характеристик БТ с учетом влияния інструктивно-топологических параметров, а также рабочего тока И обгемных сопротивлений областей БТ.
-
Разработаны конструкции полупроводниковых щшиоров и интегральных защитных элементов для уменьшения статических погрешностей. Предложены оригинальные схемотехнические решения, уменьшающие статические погрешности А и АЦ БИС/СБИС частного применения.
л*
4. Предложены новые методики для схемно-топологическсй опти
мизации:
проектирования схемно-топологических фрагментов, отличающиеся от известных выделением приоритета в разработке топологии при наличии взаимоисключающих требований:
схемотехнического моделирования , включающая подход к идентификации параметров модели, порядок моделирования, правила поиска не работающих элементов КС, выбор рабочей точки, учет особенностей интегральных аналоговых схем.
5. Проведены сравнительные экспериментальные исследования
деградации статического и дифференциального коэффициента передачи
тока в схеме с общим эмиттером при пробое змиттерного перехода при
наличии и отсутствии интегрального защитного элемента. .Показано,
что при наличии защитного элемента деградация коэффициента
усиления начинает наступать только при малых токах эмиттера менее
0,3 мА, но крайне мала и составляет 4-5 %, а при отсутствии
защитного элемента в тех : же условиях - 70-90 %. Проведено
экспериментальное определение напряжения Эрли транзисторов
современных БИС/СБИС. Напряжение Эрли составляет 15-50 В , а для
СВЧ .транзисторов 10-0 В.
Яря/тиуес/сая ценность работы. На основе полученных физико-математических моделей и разработанных методик проведена схемотехническая и топологическая оптимизация схемно - топологических фрагментов.
Разработанные схемно-топологические фрагменты позволили существенно уменьшить статические погрешности радиоиэмерительной аппаратуры за счет:
- согласования n-p-п транзисторов по напряжению эмиттер-база
дШэ =(80-140) мкВ, по коэффициенту усиления тока в схеме с обшим
эмиттером -^ >0.99, в то время как серийно выпускаемые изделия имеют йШэ- <1-3 мВ; J?L > 0.92-0.95 (авт.свид. 143І621, авт. сеид. 1561755); . \ьг
уменьшения деградации коэффициента усиления тока при пробое змиттерного перехода БТ с 70-90 % до 4-5 X (авт.свид. 1611171, положительное решение по заявке на авт.свид. 4902229/25);
уменьшения разбаланса выходного напряжения токовых усилителей с 10 до 3 мВ (авт.свид. 1431621, авт.свид. 1561755) ;
- уменьшения напряжения смещения быстродействующего компа
ратора до 2 мВ (авт.свид. 1360542, авт.свид. 1254Э84);
. - уменьшения погрешности преобразования высокоточного преобразователя с 0.2 до 0.06 % (авт. свид. 1431621, авт.свид. 156175Б, авт.свид. 1709229); .
уменьшения напряжения смещения дифференциального усилителя с полевыми транзисторами, управляемыми р-п переходом, (ПТУП) с 20 до 15 мВ (авт.свид. 1385255);
уменьшения искажений в двухтактном выходном каскаде.в 2 раза (авт.свид. 1375074);
уменьшения входного тока смещения дифференциального усилителя на БТ с активной нагрузкой более, чем в 10 раз (авт.свид. 1251290).
Реализация и внедрение результатов работы. Диссертационная
работа выполнялась в соответствии с тематикой важнейших работ
Белорусского государственного университета информатики и радиоэ
лектроники (БГУИР) и Минского научно-исследовательского приборост
роительного института (МНИЛИ), которые являлись.составной частью
работ Отраслевой аппаратурной комплексно-целевой программы по раз
витию микроэлектроники Министерства промышленности средств связи
(АКЦП "Мера", книга 3),;составной частью программ работ "Метроло
гия" на 1992-95 гг. и "Еелэлектроника" на 1993-1995 гг. Республики
Беларусь. . '-.
Р^работанные схемно-топологические фрагменты были использованы в изделиях 588 ВА2 дКО.347367.10; НТ011 .НТ014 УШЯИ.431412.007; ШЮ17 УШЯИ. 431321.001; УР035 УШИ.431135.004 ; УД027 ШЯИ. 431136.002 ; УП051; УЕ014.
Кроме того, результаты работы использовались для оптимизации кристаллов б рамках ОКР "Юнона-2", НИР "Юность-4", ОКР "Юность-1", ОКР "Анапа", ОКР "Юность-5М", в трех госбюджетных и хоздоговорных НИР, проводимых в БГУИР, ь учебном процессе БГУИР в двух курсах лекций.
' Научная и праптческая ценность полученных в диссертационной работе результатов, подтверждается актами использования их в Минском научно-исследовательском приборостроительном институте, белорусском государственном университете информатикии радиоэлектроники . Результаты работы исгюлььуются в учебком процессе ь
icypcax лекций "Фікмческие основи микроэлектроники" и "Методи схемотехнического проектирования БИО с использованием САПР". Основные положения., выносимые на защиту:
1. Фибико-математическая модель, описывающая статические параметры и погрешности дифференциального каскада с активной нагрузкой . токового усилительного элемента Джильбєрта, ІІС1И с двоишь логарифмированием сигнала с учетом мапсго значения коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером , напряжения Зрли, реаль ного разброса характеристик БТ, включающего влияние объемных сопротивлений.
С. Физико-математическая модель для определения разброса характеристик БТ с учетом влияния конструктивно- топологических параметров, а также рабочего тока и объемных опротивлений областей БТ.
-
Конструкция полупроводниковых' приборов и их межсоединений, позволяющая получить идентичные характеристики нескольких интегральных элементов на одной полупроводниковой подложке. Конструкции n-p-n ЕТ с защитными элементами, имеющими малое шунтирующее влияние, минимальные шумы и сохраняющий свои характеристики при многократном срабатывании.
-
Новые схемно-топологические решения для быстродействующих А и АЦ БИС/СБИС с минимальными статическими погрешностями: дифференциальный усилитель на БТ с компенсацией входных токов и активной нагрузкой, дифференциальный усилитель на ПТУП с симметричной активной нагрузкой, биполярный высокоскоростной и высокоточный компаратор, двухтактный выходной каскад, высокоточный преобразователь переменного напряжения произвольной формы в постоянное по уровню среднеквадратического значения (ПСКЗ).
-
Методики проектирования прецизионных аналоговых блоков, включающие аналитические выражения для статических параметров и погрешностей; численный расчет параметров и погрешностей; определение наиболее критичных факторов; формулировку требований к зл'-жтропараметрам; выработку приоритетных направлений в топологии.
Методика схемотехнического моделирования фрагментов БИС в Pspice, включающая четырехступенчатый подход к идентификации параметров модели БТ; псрядок моделирования; правила поиска не работающих элементов, выбора рабочей точки; учет топологических возможностей реализации активных и пассивных элементов.
- 5 ' .
6. Экспериментальные зависимости напря. эяия Эрли от конструктивных параметров п-р-п транзисторов . овременных аналоговых БИС/СВИС.
Зависимости уменьшения коэффициента передачи тока а схеме с общим эмиттером п-р-п ВТ при пробое эмиттериого перехода при отсутствии и наличии защитного элемента.
Апробация рабоші. Основные положения работы были доложены и обсуждались на 2-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Формирование оптического изображения и методы его обработки" (Кишинев, 1985 г.). Всесоюзном симпозиуме "Проблемы радиоизмерительной техники" (Горький, 1989 г.), Международной конференции "Микро-электроника-90" (Минск, 1990 г.), отраслевой НТК "Новые технологии изготовления изделий микроэлектроники и эффективность их применения в РЭА" (Саратов, 1938 г.), Научной конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, докторантов, аспирантов, студентов, посвященной 30 - летию.деятельности коллектива БГУР (Минск,1994).
Публикации. Результаты выполненных исследований опубликованы в 20 статьях, 3 тезисах и материалах докладов, ? отчетах о НИОКР, 9 авторских свидетельств и 1 положительном решении на авт.евид.
Структура и объем рзбош. Диссертационная работа состоит из введен.т. четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 246 с, в том числе 141 с. машинописного текста, 80 рисункоЕ и 11 таблиц, приведенных на 7Е с, список литературы из 154 наименований на 15 с..приложения на 18 с.
Похожие диссертации на Схемно-топологическая оптимизация элементной базы аналоговых и аналого-цифровых БИС/СБИС частного применения
