eng
Выпуск #4/1999
О. Дворников.
Специализированный базовый матричный кристалл для проектирования малошумящих и широкополосных аналоговых ИС
Специализированный базовый матричный кристалл для проектирования малошумящих и широкополосных аналоговых ИС
Просмотры: 2403
"Базовые матриричные кристаллы (БМК) позволяют значительно сократить время и затраты и, тем самым, повысить эффективность проектирования и производства малых партий специализированных аналоговых ИС. Это и объясняет их широкое применение. Но пока попытки создать универсальный БМК, пригодный для реализации любых аналоговых функций, приводили к большой "избыточности" элементов традиционных матричных кристаллов. Этот недостаток может быть устранен за счет разработки специализированных БМК, предназначенных для производства узкого класса ИС, и применения универсальных полупроводниковых структур, позволяющих создавать различные типы полупроводниковых приборов путем изменения межсоединений.
Примером специализированного БМК может служить созданный по совмещенной технологии биполярных и полевых транзисторов с p-n-переходом матричный кристалл, предназначенный для проектирования многоканальных схем ядерной электроники. Разработка БМК велась на основе результатов анализа наиболее распространенных схемотехнических решений импульсных ИС [1–3] и конструкций широкополосных аналоговых БМК [4–6]. Матричный кристалл содержит четыре идентичных канала, каждый из которых состоит из двух макрофрагментов. Макрофрагмент окружен экранирующим контактом, позволяющим устранить паразитное взаимодействие через подложку различных блоков и соседних каналов (рис.1). По периферии БМК размещены 54 сложно-функциональные площадки, используемые либо непосредственно как контактные, либо как схемные элементы. Площадки могут быть следующих типов.
PAD2Q – два девятиэмиттерных малошумящих n-p-n-транзистора с сопротивлением базы 35 Ом. Эмиттер выполнен в виде набора полосок, соединенных металлическими межсоединениями. При проектировании ИС можно частично масштабировать параметры транзистора с целью уменьшения емкости эмиттерного перехода и сдвига максимума зависимости коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером (b) в область малых токов.
PADJ – малошумящий p-канальный полевой транзистор с p-n-переходом (p-JFET) с восемью полосковыми затворами. Максимальный ток стока транзистора при напряжении отсечки 2,1–2,7 В равен 10–14 мА. Граничная частота усиления превышает 120 МГц. Возможно частичное масштабирование параметров прибора за счет изменения числа подключаемых затворов.
PADJDG – два двухзатворных p-JFET. Наиболее удобное включение транзистора – подача на нижний затвор обратного постоянного смещения для задания требуемого тока стока и полезного сигнала на верхний затвор. Это обеспечивает максимальную крутизну усиления при минимальных значениях тока утечки и емкости. С помощью этого элемента можно создавать такие высококачественные аналоговые узлы, как входные каскады с фемптоамперным током, малошумящие зарядочувствительные усилители, простые схемы компенсации входного тока и др. [7,8].
PADC – МОП-конденсатор емкостью 2,12 пФ. Кроме сложно-функциональной площадки PADC в БМК предусмотрен конденсатор с номиналом 0,9 пФ – элемент СО_9Р. Конструкция обоих МОП-конденсаторов одинакова и позволяет дополнительно использовать барьерную емкость полупроводниковой обкладки. Отличаются они лишь величиной емкости. Из эквивалентной электрической схемы конденсатора (рис.2) видно, что два из четырех выводов структуры – С1 и С2 – служат контактами к металлической и полупроводниковой обкладкам, третий, С3 – к изолирующему n-карману, который можно либо использовать для подключения к схеме барьерной емкости Dp+n, либо присоединять к узлу схемы с самым высоким потенциалом. Четвертый, Sub – вывод к подложке p-типа, на который подают самый отрицательный потенциал схемы.
Если некоторые из сложно-функциональных площадок (PADC, PADJDG, PADJ, PAD2Q) не используются в схеме, то барьерные емкости их p-n-переходов могут служить для фильтрации сигнала.
Каждый макрофрагмент имеет один изолированный карман, в котором размещены резисторы с сопротивлением от 550 Ом до 12,7 кОм, выполненные на слое p-базы, и резисторы с сопротивлением 35 и 44 кОм, выполненные на слое p-канала полевого транзистора. Особенность последних – высокий разброс параметров (до +25%) и сильный температурный уход. Поэтому применение их в схемах ограничено. Все резисторы расположены в кармане симметрично.
В макрофрагмент входят также малосигнальные n-p-n-транзисторы генераторов стабильного тока (элемент NPNC), конденсатор СО_9Р и полупроводниковые структуры следующих типов.
PNPJF – функционально интегрированный элемент (ФИЭ) – каскодное включение p-n-p-транзистора и p-JFET. Его можно также использовать как p-n-p- биполярный или p-канальный полевой транзистор. Достоинство каскодной схемы включения – более высокое выходное дифференциальное сопротивление и меньшая выходная емкость по сравнению с обычным p-n-p-транзистором. Необходимость применения такого включения (рис. 3а) объясняется низким напряжением Эрли (10-30 В) [9] горизонтальных p-n-p-транзисторов современных биполярных схем с малой глубиной залегания p-n-перехода и значительно более высоким значением этого параметра (50–80 В) у p-JFET при отсутствии специальных конструктивных или технологических мер.
GC – ячейка Джильберта [10], образуемая двумя n-p-n-транзисторами (рис. 3б). Ее удобно применять в дифференциальных каскадах с перекрестными коллекторными связями, а также как двухэмиттерный или умощненный транзистор. Рабочий ток эмиттера транзистора GC-ячейки – 2,9 мА. Каждый транзистор ячейки можно применять в качестве стабилитрона. Измерения параметров такого стабилитрона показали, что разброс напряжения стабилизации по пластине при малых рабочих токах (100–300 мкА) составляет +0,3 В, с увеличением тока до 1 мА он не превышает +0,1 В. Таким образом, использование транзисторов ячейки Джильберта в качестве стабилитронов допустимо в каскадах сдвига уровня и нецелесообразно в источниках опорного напряжения.
TW – четырехслойная полупроводниковая структура, на базе которой путем различного выполнения межсоединений можно создать двухэмиттерный n-p-n- или p-n-p-транзистор (рис. 3в). TW-элемент расположен с одной стороны макрофрагмента и предназначен в основном для реализации блоков смещения. Рабочий ток эмиттера n-p-n-транзистора равен 1,9 мА.
БМК изготовлен на кристалле размером 2,7х3,6 мм по биполярно-полевой технологии [11,12]. На пластине диаметром 100 мм таких кристаллов 650. На рис. 4-8 приведены наиболее важные параметры элементной базы БМК. Результаты измерений и моделирования элементов БМК показывают достаточную точность Pspice моделей (точки на рис. 5–8).
Таким образом, для БМК были оптимизированы основные схемные блоки: каскодные усилители напряжения с головными малошумящими n-p-n-транзисторами и p-JFET и их включение по схеме зарядочувствительных и трансимпедансных усилителей; RC-CR- фильтры с регулировкой коэффициента передачи и полосы пропускания; усилители с низким входным сопротивлением (10-50 Ом); быстродействующие и микромощные компараторы; формирователи сигналов; блоки восстановления нулевого уровня; дискриминаторы различных типов; операционные усилители с входным каскадом на n-p-n-, p-n-p- транзисторах и p-JFET.
Литература
1. Дворников О. В., Чеховский В. А., Солин А.В. Комплект аналоговых БИС для работы с емкостными источниками сигналов. – Chip News, 1997, N11-12 (20-21), c.28-30.
2. Baturitsky M.A., Chekhovsky V.A., Emeliantchik I.F. et al. Custom Monolithic IC Design for High Energy Physics.– Nuclear Physics B (Proc. Suppl), 1995, v. 44, p.628 -636.
3. Baturitsky M.A., Dvornikov O.V. Multichannel Monolithic Front-end System Design. Part 1. Peculiarities of the Monolithic Transistor Application in Head Stages. Construction and Operation Mode Optimization. – Nuclear Instruments and Methods in Physics Research,1996, v. A378, p.564-569.
4. Патент 1831966 РФ. Интегральный биполярный транзистор/Дворников О.В., Любый Е.М. Приоритет от 16.05.89 г.
5. Патент 1746440 РФ. Интегральная биполярная структура/Дворников О.В., Любый Е.М. Приоритет от 16. 11. 1990.
6. Дворников О.В., Любый Е.М., Симоненко И.Г. Семейство БМК для широкополосных и прецизионных аналоговых ИС.- Электронная промышленность, 1992, N1, с.43-45.
7. Close J.P., Counts L.W. A 50-fA Junction-Isolated Operational Amplifier.– IEEE Journal of Solid-State Circuits,1988, v. SC-23, N 3, p. 843-851.
8. Fazzi A., Rehak P. “Gate-to-Gate” BJT Obtained From the Double -Gate Input JFET to Reset Charge Preamplifiers.– Nuclear Instruments and Methods in Physics Research,1996, v. A377, p.453-458.
9. Воронин А.В., Горовой В.В., Дворников О.В., Духновский Л.Я. Особенности создания высококачественных транзисторных структур аналого-цифровых БИС.–Электронная техника. Сер.3. Микроэлектроника – М.: ЦНИИ “Электроника”,1986, вып. 1 (117), c.22-26 .
10. Gilbert B. A New Wide-Band Amplifier Techique.- IEEE Transactions on Solid-State Circuits, 1968, v. SC-3, N4, p.353-365.
11. Baturitsky M.A., Dvornikov O.V., Reutovich S.I. and Solomashenko N.F. Multichannel Monolithic Front-End System Design. Part 2. Microwave Bipolar-JFET Process for Low-Noise Charge-sensitive Preamplifiers. – Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 1996, v. A378, p.570-576.
12. Дворников О. В. Создание конкурентоспособных аналоговых БИС по совмещенной BJT-JFET технологии. – Электроника: Наука, Технология, Бизнес,1998, N3-4, c.59-62.
PAD2Q – два девятиэмиттерных малошумящих n-p-n-транзистора с сопротивлением базы 35 Ом. Эмиттер выполнен в виде набора полосок, соединенных металлическими межсоединениями. При проектировании ИС можно частично масштабировать параметры транзистора с целью уменьшения емкости эмиттерного перехода и сдвига максимума зависимости коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером (b) в область малых токов.
PADJ – малошумящий p-канальный полевой транзистор с p-n-переходом (p-JFET) с восемью полосковыми затворами. Максимальный ток стока транзистора при напряжении отсечки 2,1–2,7 В равен 10–14 мА. Граничная частота усиления превышает 120 МГц. Возможно частичное масштабирование параметров прибора за счет изменения числа подключаемых затворов.
PADJDG – два двухзатворных p-JFET. Наиболее удобное включение транзистора – подача на нижний затвор обратного постоянного смещения для задания требуемого тока стока и полезного сигнала на верхний затвор. Это обеспечивает максимальную крутизну усиления при минимальных значениях тока утечки и емкости. С помощью этого элемента можно создавать такие высококачественные аналоговые узлы, как входные каскады с фемптоамперным током, малошумящие зарядочувствительные усилители, простые схемы компенсации входного тока и др. [7,8].
PADC – МОП-конденсатор емкостью 2,12 пФ. Кроме сложно-функциональной площадки PADC в БМК предусмотрен конденсатор с номиналом 0,9 пФ – элемент СО_9Р. Конструкция обоих МОП-конденсаторов одинакова и позволяет дополнительно использовать барьерную емкость полупроводниковой обкладки. Отличаются они лишь величиной емкости. Из эквивалентной электрической схемы конденсатора (рис.2) видно, что два из четырех выводов структуры – С1 и С2 – служат контактами к металлической и полупроводниковой обкладкам, третий, С3 – к изолирующему n-карману, который можно либо использовать для подключения к схеме барьерной емкости Dp+n, либо присоединять к узлу схемы с самым высоким потенциалом. Четвертый, Sub – вывод к подложке p-типа, на который подают самый отрицательный потенциал схемы.
Если некоторые из сложно-функциональных площадок (PADC, PADJDG, PADJ, PAD2Q) не используются в схеме, то барьерные емкости их p-n-переходов могут служить для фильтрации сигнала.
Каждый макрофрагмент имеет один изолированный карман, в котором размещены резисторы с сопротивлением от 550 Ом до 12,7 кОм, выполненные на слое p-базы, и резисторы с сопротивлением 35 и 44 кОм, выполненные на слое p-канала полевого транзистора. Особенность последних – высокий разброс параметров (до +25%) и сильный температурный уход. Поэтому применение их в схемах ограничено. Все резисторы расположены в кармане симметрично.
В макрофрагмент входят также малосигнальные n-p-n-транзисторы генераторов стабильного тока (элемент NPNC), конденсатор СО_9Р и полупроводниковые структуры следующих типов.
PNPJF – функционально интегрированный элемент (ФИЭ) – каскодное включение p-n-p-транзистора и p-JFET. Его можно также использовать как p-n-p- биполярный или p-канальный полевой транзистор. Достоинство каскодной схемы включения – более высокое выходное дифференциальное сопротивление и меньшая выходная емкость по сравнению с обычным p-n-p-транзистором. Необходимость применения такого включения (рис. 3а) объясняется низким напряжением Эрли (10-30 В) [9] горизонтальных p-n-p-транзисторов современных биполярных схем с малой глубиной залегания p-n-перехода и значительно более высоким значением этого параметра (50–80 В) у p-JFET при отсутствии специальных конструктивных или технологических мер.
GC – ячейка Джильберта [10], образуемая двумя n-p-n-транзисторами (рис. 3б). Ее удобно применять в дифференциальных каскадах с перекрестными коллекторными связями, а также как двухэмиттерный или умощненный транзистор. Рабочий ток эмиттера транзистора GC-ячейки – 2,9 мА. Каждый транзистор ячейки можно применять в качестве стабилитрона. Измерения параметров такого стабилитрона показали, что разброс напряжения стабилизации по пластине при малых рабочих токах (100–300 мкА) составляет +0,3 В, с увеличением тока до 1 мА он не превышает +0,1 В. Таким образом, использование транзисторов ячейки Джильберта в качестве стабилитронов допустимо в каскадах сдвига уровня и нецелесообразно в источниках опорного напряжения.
TW – четырехслойная полупроводниковая структура, на базе которой путем различного выполнения межсоединений можно создать двухэмиттерный n-p-n- или p-n-p-транзистор (рис. 3в). TW-элемент расположен с одной стороны макрофрагмента и предназначен в основном для реализации блоков смещения. Рабочий ток эмиттера n-p-n-транзистора равен 1,9 мА.
БМК изготовлен на кристалле размером 2,7х3,6 мм по биполярно-полевой технологии [11,12]. На пластине диаметром 100 мм таких кристаллов 650. На рис. 4-8 приведены наиболее важные параметры элементной базы БМК. Результаты измерений и моделирования элементов БМК показывают достаточную точность Pspice моделей (точки на рис. 5–8).
Таким образом, для БМК были оптимизированы основные схемные блоки: каскодные усилители напряжения с головными малошумящими n-p-n-транзисторами и p-JFET и их включение по схеме зарядочувствительных и трансимпедансных усилителей; RC-CR- фильтры с регулировкой коэффициента передачи и полосы пропускания; усилители с низким входным сопротивлением (10-50 Ом); быстродействующие и микромощные компараторы; формирователи сигналов; блоки восстановления нулевого уровня; дискриминаторы различных типов; операционные усилители с входным каскадом на n-p-n-, p-n-p- транзисторах и p-JFET.
Литература
1. Дворников О. В., Чеховский В. А., Солин А.В. Комплект аналоговых БИС для работы с емкостными источниками сигналов. – Chip News, 1997, N11-12 (20-21), c.28-30.
2. Baturitsky M.A., Chekhovsky V.A., Emeliantchik I.F. et al. Custom Monolithic IC Design for High Energy Physics.– Nuclear Physics B (Proc. Suppl), 1995, v. 44, p.628 -636.
3. Baturitsky M.A., Dvornikov O.V. Multichannel Monolithic Front-end System Design. Part 1. Peculiarities of the Monolithic Transistor Application in Head Stages. Construction and Operation Mode Optimization. – Nuclear Instruments and Methods in Physics Research,1996, v. A378, p.564-569.
4. Патент 1831966 РФ. Интегральный биполярный транзистор/Дворников О.В., Любый Е.М. Приоритет от 16.05.89 г.
5. Патент 1746440 РФ. Интегральная биполярная структура/Дворников О.В., Любый Е.М. Приоритет от 16. 11. 1990.
6. Дворников О.В., Любый Е.М., Симоненко И.Г. Семейство БМК для широкополосных и прецизионных аналоговых ИС.- Электронная промышленность, 1992, N1, с.43-45.
7. Close J.P., Counts L.W. A 50-fA Junction-Isolated Operational Amplifier.– IEEE Journal of Solid-State Circuits,1988, v. SC-23, N 3, p. 843-851.
8. Fazzi A., Rehak P. “Gate-to-Gate” BJT Obtained From the Double -Gate Input JFET to Reset Charge Preamplifiers.– Nuclear Instruments and Methods in Physics Research,1996, v. A377, p.453-458.
9. Воронин А.В., Горовой В.В., Дворников О.В., Духновский Л.Я. Особенности создания высококачественных транзисторных структур аналого-цифровых БИС.–Электронная техника. Сер.3. Микроэлектроника – М.: ЦНИИ “Электроника”,1986, вып. 1 (117), c.22-26 .
10. Gilbert B. A New Wide-Band Amplifier Techique.- IEEE Transactions on Solid-State Circuits, 1968, v. SC-3, N4, p.353-365.
11. Baturitsky M.A., Dvornikov O.V., Reutovich S.I. and Solomashenko N.F. Multichannel Monolithic Front-End System Design. Part 2. Microwave Bipolar-JFET Process for Low-Noise Charge-sensitive Preamplifiers. – Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 1996, v. A378, p.570-576.
12. Дворников О. В. Создание конкурентоспособных аналоговых БИС по совмещенной BJT-JFET технологии. – Электроника: Наука, Технология, Бизнес,1998, N3-4, c.59-62.
Отзывы читателей
