Дисциплина

«Проектирование аналоговых интегральных схем (ИС)»

Конспект лекций

Авторы:

Под редакцией В. Петракова

2012 Г. Студентам кафедры пкимс – возможным читателям конспекта – от редактора

Немецкий учёный слишком долго держит книги открытыми, англичанин же захлопывает их слишком рано.

Однако и то и другое приносит свою пользу.

Г. К. Лихтенберг «Афоризмы»

А русский недоросль?

В своих воспоминаниях известный кораблестроитель, математик, преподаватель А. Н. Крылов (см. А.Н. Крылов «Мои воспоминания») приводит выдержку из доклада, сделанного им каких-то семьдесят лет назад. Цитирую:

«….

………………………………»

Виват! Русским!

Полностью разделяя мысли автора, Ваш покорный слуга ставил своей целью законспектировать в минимальном объёме сведения, необходимые всякому будущему разработчику аналоговых схем. При этом он сознательно, в ряде случаев, шёл на упрощения в ущерб строгости изложения. Практически не рассматриваются вопросы, связанные с амплитудно и фазо-частотными характеристиками (АЧХ, ФЧХ) устройств, не рассмотрены вопросы…………………………………… и т.д.

Ряд сведений, необходимых проектировщикам, получены ранее при изучении таких дисциплин как «Электротехника», «Радиоэлектроника», «Физика ППП». Они, в урезанном виде, представлены в приложениях.

Рекомендую обращаться к учебникам и изучать нужные и ненужные разделы, либо заранее готовить розги.

Лекция №1

« …..…… - возьми на час терпенье,

Чтобы Квартет в порядок наш привесть:

И ноты есть у нас, и инструменты есть,

Скажи лишь, как нам сесть?»

И. Крылов «Квартет»

Искусство схемотехники.

Общие вопросы проектирования аналоговых схем. Принципы схемотехники аналоговых электронных схем.

Известно что среда нашего обитания имеет информационную составляющую, которую мы же и порождаем и перевариваем. Делаем мы это, в частности, при помощи устройств на интегральных схемах (ИС). Все процессы в окружающем нас мире по своей сути являются аналоговыми. Они характеризуются аналоговыми величинами. Аналоговая величина – величина, между отдельными значениями которой заключено бесконечное число других её значений. Исключением можно считать разве что случаи, когда приходится оперировать понятиями квантовой механики, либо когда проявляются бифуркации. Но это предмет, рассматриваемый в теории катастроф, которого не стоит касаться.

Противоположностью аналоговым являются дискретные величины и, соответственно дискретные процессы. Разнообразные проявления аналоговых процессов воспринимаются либо реализуются техническими системами, которые называются аналоговыми. Если аналоговый сигнал описывается упрощённо набором дискретных величин (состояний), то системы рассматриваются как цифровые.

Примечание: При схемотехническом моделировании переходных процессов в схемах широко используется математический аппарат численного интегрирования, требующий замены аналоговой математической модели схемы на дискретную. Это, однако, не позволяет говорить о цифровых моделях аналоговых схем, а лишь свидетельствует о проблемах установления связей между реальными физическими процессами, их математическим описанием и решением полученных моделей.

Классификация аналоговых ИС.

Как известно, интегральные схемы классифицируются по ряду признаков.

Один из них – степень интеграции.

По степени интеграции (числу компонентов на кристалле) условно различают: ИС малой степени интеграции, средней степени, большой и и т.д.

Основой цифровой техники служат схемотехнические базисы – логические схемы, выполняющие простейшие логические операции (И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ), триггерные схемы (триггеры, сумматоры, дешифраторы и т.п.). Они имеют соответствующие принципиальные электрические схемы и, зачастую, топологические решения, хранящиеся в соответствующих «библиотеках».

По мере совершенствования технологий их возрастающие ресурсы тратятся, прежде всего, на увеличение функциональной сложности аппаратуры путём роста степени интеграции.

Спецификой аналоговых схем является их относительно малая степень интеграции.

В схемотехнике аналоговых БИС ресурсы технологии направлены на повышение качества разрабатываемых схем.

ИС различаются также по типу активных компонентов.

В основе классификации лежат биполярные и униполярные (МДП) - транзисторы.

Общей особенностью проектирования схем в интегральном исполнении является трудность реализации на одном кристалле активных компонентов разных типов. При разработке цифровых ИС стремятся использовать одну технологию.

При разработке аналоговых ИС во главу угла ставят качественные характеристики различных вариантов принципиальных электрических схем.

Отметим также, что при использовании библиотек биполярных транзисторов

Разработчик располагает электрической моделью, соответствующую определённому уровню приближения к «идеальной» (level ….) и топологической моделью транзистора, менять которую непозволительно. Все топологические размеры заданы и неизменны. Транзистор, как правило, окружён охранным кольцом.

Ох, рано встаёт охрана!

В отличие от биполярных, электрические модели МДП-транзисторов включают два топологических параметра, которые может менять схемотехник. Это – длина и ширина канала. Они влияют на электрические характеристики транзисторов.

Разработчику-топологу позволено менять форму транзистора, меняя форму канала. Например, представляя канал меандром.

Наконец, ИС характеризуются выполняемыми функциями. С этой точки зрения, для аналоговых ИС характерна широкая номенклатура. Примеры классификации по этому признаку будут приведены далее.

Специфика аналоговых схем в интегральном исполнении.

Плюсы интегрального исполнения:

• возможность использования большого числа активных компонентов

• хорошее сопряжение параметров активных и пассивных компонентов

• хороший тепловой контакт

• возможность управления геометрией и расположением элементов

Минусы интегрального исполнения:

• большие допуски на абсолютные величины параметров

• сильная температурная зависимость

• ограничения на габариты элементов

• сложность изготовления интегральных индуктивностей

• ограниченный выбор совместимых активных компонентов

В настоящее время аналоговые схемы стремятся реализовать в интегральном исполнении.

Преимущества такого подхода:

• возможность применения большого числа активных компонентов

• хорошее сопряжение параметров элементов

• хороший тепловой контакт между элементами

• возможности управления геометрией и расположением элементов

В то же время, имеются минусы:

• большие допуски на абсолютные величины значений параметров элементов

• сильная температурная зависимость значений параметров элементов

• ограничения на габариты элементов

• сложность изготовления интегральных индуктивностей

• ограниченный выбор совместимых активных компонентов

Принципы схемотехники аналоговых электронных схем.

Анализ преимуществ и недостатков АИС позволяет сформулировать некоторые принципы проектирования схем, отражающие специфику техно­логий их производства и тенденции развития технологий проектирования.

Во первых (вторых) - принцип взаимного согласования цепей.

Принцип взаимного согласования цепей (структур) заключа­ется в такой их конструктивно-технологической реализации, при которой требуемые электрические параметры оказываются про­порциональными (в частном случае равными) друг другу в широ­ком интервале эксплуатационных воздействий (старение, измене­ния температуры питающих напряжений и т. п.).

Это достигается за счёт того, что исходные материалы и процессы технологической обработки практически одинаковы, а также за счёт близкого расположения элементов на подложке.

Применение принципа взаимного согласования позволило создать высокоточные структуры дифференциальных каскадов (ДК), эталонов тока и напряжений с параметрами, не реализуемыми в традиционной компонентной транзисторной схемотехнике.

о вторых (первых) - принцип схемотехнической избыточности при ограничении разме­ров полезной площади подложки или кристалла.

Принцип схемотехнической избыточности заключается в услож­нении схемотехники АИС для улучшения их качества, минимиза­ции площади кристалла и повышения технологичности. При разработке структур на основе многокаскадных принципиальных электрических схем избегают применения конденсаторов, занимающих большую площадь подложки, предпочитая решать проблемы согласования уровней каскадов и стабилизации их режима в пределах более технологичной, хотя и усложненной, схемотехнике структур с не­посредственными связями.

Стремление как можно точнее с помощью АИС реализовать требуемые функции привело к созданию структур, которые имеют большое количество транзисторов и большую избыточность усиления.

Отметим также, что:

• для стабилизации эксплуатационных и точностных характеристик в схемотехнике АИС широко применяются обратные связи (ОС)

• для повышения надежности АИС их элементы обычно используются в существенно недогруженных ре­жимах. Сказанное выше объясняет, почему цепи АИС так отли­чаются от традиционных электрических цепей на корпусных транзисторах.

Применение упомянутых выше принципов можно продемонстрировать на при­мере структур, общих для различных АИС, таких, как:

• цепи эталонов тока и напряжения

• дифференциальных каскадов (ДК)

• выходных цепей.

Наконец, заметим, что полученные структуры не являются регулярными, компоненты, из которых они состоят сильно отличаются по электрическим и тепловым характеристикам и габаритам. Это ведёт к тому, что проектирование топологии связано с большой долей ручного труда.

В заключение напомним, что основу цифровых схем составляют ключи, а основу аналоговых – усилительные каскады.