Особенности и элементная база устройств на переключаемых конденсаторах

Особенности и области применения устройств.

Хотя общие принципы построения схем с переключаемыми конденсаторами известны давно, до недавнего времени они не находили практического применения из-за технологических трудностей. Толчком к разработке и широкому применению устройств на переключаемых конденсаторах (SC — Switched Capacitor), или SC-устройств, послужили успехи, достигнутые в МОП-технологии. По сравнению с биполярными схемами (например, активными /?С-фильтрами) МОП-структуры обеспечивают:

• • высокое входное сопротивление, благодаря чему реализуется управление с помощью напряжения (а не тока, как в биполярных структурах);
• • весьма малое потребление мощности (КМОПструктуры);
• • высокую плотность упаковки. Например, типовой МОП ОУ занимает в 3—5 раз меньшую площадь кристалла, чем биполярный ОУ;
• • простые возможности создания высококачественных конденсаторов. Разброс номинальных значений двух конденсаторов не превышает ±0,06%, в то время как для резисторов активных ЯС-фильтров, изготовленных по диффузионной технологии, составляет ±0,4%. Коэффициенты, учитывающие зависимость их параметров от температуры и напряжения питания, также на несколько порядков ниже, чем резисторов;
• • возможность построения управляемых ключей с двухсторонней проводимостью, используемых для коммутации конденсаторов;
• • простые возможности построения схем дискретизации аналоговых сигналов.

Перечисленные достоинства МОП-сгруктур способствовали развитию и совершенствованию способов обработки сигналов, в основе которых лежит явление дискретного переноса зарядов. Один из путей реализации этих способов состоит в применении схем с переключаемыми конденсаторами, что позволяет исключить в фильтрах резисторы и построить устройства с более качественными характеристиками, а также уменьшить количество внешних элементов, подключаемых к микросхеме.

К числу первых устройств на переключаемых конденсаторах относятся SC-фильтры, которые в 1977 г были реализованы и использованы как аналоги цифровых и активных /?С-фильтров. SC-фильтры выполняются в виде И С, имеют стабильные параметры и практически не чувствительны к изменению температуры. Изменения параметров не превышают нескольких промилле на 1 °C, что соответствует приблизительно 10-кратному уменьшению температурной зависимости в сравнении с классическими активными йС-фильтрами. Параметры SC-фильтров зависят от отношений емкостей, поэтому емкости могут быть существенно уменьшены, в результате чего достигаются малые размеры ИС. По сравнению с цифровыми фильтрами SC-фильтры потребляют всего несколько милливатт мощности, кроме того, они дешевле, проще в конструировании и применении, а также имеют более высокое быстродействие. SC-фильтры могут работать в широком диапазоне частот. Их легко перестраивать путем изменения частоты тактового генератора или с помощью матрицы конденсаторов. Фильтры на переключаемых конденсаторах находят широкое применение в телекоммуникационных системах.

11а рис. 8.1.1 приведена обобщенная структура SC-цепи, содержащая входной и выходной фильтры, схемы дискретизации сигналов с запоминанием отсчетов и собственно фильтр на переключаемых конденсаторах.

Входной фильтр предназначен для ограничения ширины спектра входного аналогового сигнала. Согласно известной теореме Котельникова, если аналоговый сигнал.

Рис. 8.1.1. Обобщенная структура на переключаемых конденсаторах для фильтрации аналоговых сигналов имеет ограниченный спектр (составляющие с частотами не выше f_m), то он может быть точно восстановлен по дискретным значениям (отсчетам), взятым через равные промежутки времени Г_д = 1/(2f_m). При нарушении этого условия возникает эффект наложения спектров, приводящий к искажению сигнала при его восстановлении (см. и. 7.1). Таким образом, входной сигнал не должен содержать составляющих с частотами выше половины частоты f_m = 1/Г_г Входной аналоговый фильтр нижних частот должен обеспечивать подавление этих составляющих примерно на 70—90 дБ. Так как обычно частота дискретизации /_Л интегральных 5С-фильтров в 50—100 раз больше частоты среза /_с «f_m, то для подавления помех дискретизации достаточно аналогового фильтра второго порядка.

В ы ход и о й фильтр. Сигнал на выходе 5С-фильтра имеет ступенчатую форму, так как напряжение на конденсаторах изменяется только в моменты коммутации ключа. Для получения непрерывного (аналогового) выходного сигнала используется сглаживающий фильтр нижних частот.

Узлы д и с к р е т и з, а ц и и должны следить за изменениями поступающего на вход напряжения и через равные промежутки времени Т_л запоминать его мгновенные значения. Как и 5С-фильтры, они строятся на управляемых ключах с двухсторонней проводимостью и конденсаторах.

SC- фильтр представляет собой сложное устройство, содержащее интеграторы, биквадратные секции и другие функциональные узлы на переключаемых конденсаторах. Отдельные составные части 5 С-фильтра могут работать с разными частотами следования тактовых импульсов /_{д k}, для чего применяются:

• • устройства децимации (или прореживатели), которые включают на входе 5С-фильтра для подавления составляющих с частотами /_д ± /_ш, /_д ± 3/_тУ…, что равносильно уменьшению частоты /_д в два раза. Применение ирореживателя облегчает требования к входному фильтру, который теперь должен подавлять все частоты выше 2/_ч — f_m
• • устройства интерполяции (или умножители), включаемые на выходе 5С-фильтра. Назначение умножителя — добавление отсчетов в промежутки между уже имеющимися отсчетами, что облегчает условия фильтрации и позволяет получить более качественный аналоговый сигнал на выходе устройства.

Применение тактовых сигналов с различными частотами /_Л* позволяет уменьшить площадь кристалла.

К другой области применения переключаемых конденсаторов, не менее важной, чем фильтры, относятся АЦП и ЦАП. Известны различные типы преобразователей. Наиболее быстродействующими из них являются двухшаговые преобразователи (типа флэш), а также конвейерные преобразователи. Высокое разрешение (14 бит) обеспечивают сигма-дельта-преобразователи [35].

Весьма эффективно применение 5С-фильтров и преобразователей для организации интерфейсов между аналоговой и цифровой частями каких-либо систем. На переключаемых конденсаторах строятся модемы с частотной манипуляцией в системах передачи данных. Переключаемые конденсаторы используются при построении сенсорных датчиков, датчиков для измерения влажности, давления, потока и т. п. Они также находят применение для анализа и синтеза речи, в электромузыкальных инструментах, акустической аппаратуре.

Номенклатура устройств с переключаемыми конденсаторами, выпускаемых промышленностью, включает в себя широкий набор ИС. Некоторые фирмы производят б’С-фильтры на заказ в виде так называемых заказных или полузаказных И С. Например, выпускаются фильтры, реализующие от 8 до 30 полюсов, которые частично программируются пользователем, что значительно сокращает время на их конструирование, изготовление и освоение.

Конденсаторы. В зависимости от материала и технологии изготовления обкладок выделяют два типа конденсаторов [35].

МОП-коиденсаторы формируются на подложке сильнолегированного монокристаллического кремния (рис. 8.1.2, а). Одной из обкладок конденсатора является и⁺-слой толщиной 0,3—1 мкм, другой — слой металла или поликристаллического кремния. Диэлектриком служит тонкий слой диоксида кремния (Si0₂).

Для увеличения удельной емкости толщина слоя выбирается минимально возможной, исходя из условия отсутствия пробоя. Слой Si0₂ толщиной порядка 50 нм, полученный термическим оксидированием, обеспечивает напряжение пробоя около 50 В. Полная емкость конденсатора складывается из емкости между обкладками и барьерной емкости изолирующего р-я-перехода, образованного п⁺-слоем и подложкой. На рис. 8.1.2, 6 приведена эквивалентная схема МОП-конденсатора, где R — распределенное сопротивление п⁺-слоя (до 10 Ом); С_р — паразитная емкость (примерно в 4—7 раз меньше полезной емкости С).

Тонкопленочные конденсаторы (рис. 8.1.2, в) формируются на поверхности пластин, покрытых тонким слоем Si0₂. Обкладки конденсаторов выполняются из поликристаллического кремния либо из металла (алюминия). Из-за возможных дефектов слоя диэлектрика, связанных с крупнозернистостью иоликристаллического кремния, снижается напряжение пробоя. Для достижения напряжения пробоя порядка 40 В толщина слоя диэлектрика должна составлять по меньшей мере 100 нм. Поэтому часто используется диэлектрик, состоящий из двух слоев: Si0₂ толщиной 100 им и нитрида кремния Si₃N₄ толщиной 20 нм, что позволяет увеличить:

• • удельную емкость конденсаторов, поскольку Si₃N₄ имеет сравнительно большую относительную диэлектрическую проницаемость (г = 7,5);
• • напряжение пробоя конденсаторов (а также выход годных изделий), так как Si₃N₄ обеспечивает заполнение дефектов в слое Si0₂.

Коэффициент влияния напряжения на емкость конденсатора и температурный коэффициент емкости зависят от толщины слоя диэлектрика. Известно, что конденсаторы с более толстым слоем диэлектрика характеризуются меньшими значениями температурных коэффициентов (0,02— 0,04%/°С). Однако конденсаторы с дополнительным слоем нитрида кремния имеют больший разброс емкостей (10— 15%), поскольку очень тонкий слой Si₃N₄ трудно контролировать в процессе производства.

Эквивалентная схема тонкопленочного конденсатора изображена на рис. 8.1.2, г. Конденсатор имеет меньшее значение паразитной емкости С_/;, поскольку он лучше изолирован от подложки благодаря сравнительно толстому слою оксида кремния между обкладками конденсатора и подложкой. Разброс емкости МОП-конденсаторов при изготовлении меньше, чем тонкопленочных, потому что выше качество их диэлектрического слоя.

В б’С-устройствах конденсатор с наименьшим номинальным значением емкости принимается за единичный (рис. 8.1.3,^). Для получения постоянного отношения площади к периметру остальные конденсаторы с большими.

Рис. 8.1.2. Топология МОП-конденсатора (а) и тонкопленочного конденсатора (б).

и их схемы замещения (в, г).

Рис. 8.1.3. Интегральное исполнение переключаемого конденсатора:

а — единичной емкости; б — повышенной емкости значениями емкости изготавливаются путем электрического соединения единичных конденсаторов, как показано на рис. 8.1.2,6. Отметим, что здесь результирующая емкость определяется емкостями четырех конденсаторов. Три из них являются единичными. Емкость четвертого больше единичной емкости, но меньше удвоенной единичной емкости. Таким способом могут быть реализованы емкости, не кратные единичной емкости.