Архитектура и схемотехника аналоговых микросхем с собственной и взаимной компенсацией импедансов

Показатели уровня качества достаточно широкого класса устройств радиотехники, приборостроения, связи, автоматики существенно зависят от динамических параметров базовых функциональных аналоговых узлов РЭА — операционных усилителей, широкополосных усилителей, НЧ-усилителей мощности, видеоусилителей и т. д. [1, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11]. Совершенствованию микросхем данного класса уделяется большое внимание фирмами Burr-Brown, Maxim, Analog Devices, Philips, Harris, Texas Instruments и др., которые в настоящее время доминируют в России на рынке микроэлектронных изделий.

Внедрение субмикронной технологии [153−155] ведущими западными фирмами показало, чтов отличие от цифровых микросхем, где ужесточение технологических норм привело к существенному повышению производительности при практически неизменной потребляемой мощности, в аналоговых ИС этого результата достигнуть не удалось [8, 56, 114]. Выполненные в России исследования в области надежности различных аналоговых микросхем (AM) [88, 89, 164, 165] показывают, что переход на субмикронную технологию снижает надежность AM и увеличивает граничную частоту низкочастотных шумов, что в конечном итоге указывает на существование целого ряда далеко не технологических ограничений в области субмикронной аналоговой микроэлектроники.

В России в настоящее время недостаточно развиты экономические, технологические и организационные основы создания и эксплуатации предприятий, удовлетворяющие требованиям субмикронной технологии.

Обеспечить относительную независимость отечественных систем радиоэлектронного профиля путем разработки и выпуска необходимой номенклатуры аналоговых микросхем различного уровня интеграции можно и на уровне микронной технологии [102−109]. Указанную проблему в ряде случаев удается решить на схемотехническом уровне — путем создания нового поколения принципиальных схем, обеспечивающих уменьшение степени влияния паразитных параметров активных компонентов и нелинейных режимов их работы на результирующие динамические характеристики и параметры [56].

Для многих предприятий, в том числе выпускающих спецтехнику, особенно актуальным становится решение задачи импортозамещения путем построения конкурентоспособных специализированных микросхем различного функционального назначения без применения дорогостоящей субмикронной технологии, которая, кроме этого, имеет специфические недостатки. Серьезные проблемы в области проектирования аналоговых микросхем нового поколения возникают у отечественных производителей микроэлектронных изделий и в связи с реализацией Соглашения 2003 г. о принципах формирования межотраслевой структуры проектирования сложных СБИС типа «система на кристалле», а также постановления Президента РФ «Основы политики РФ в области развития электронной компонентной базы на период до 2010 года и дальнейшую перспективу».

Исследования, направленные на разработку экономичных (с точки зрения энергопотребления) схемотехнических методов улучшения динамических параметров различных операционных преобразователей аналоговых сигналов (операционных усилителей, НЧ усилителей мощности, выходных каскадов, программируемых непрерывных стабилизаторов напряжения и т. д.), следует отнести к числу наиболее актуальных в современной микроэлектронике [109, 110, 114, 129, 153].

В этой связи с определенной уверенностью можно утверждать, что создание экономичных широкодиапазонных элементов и устройств, образующих функциональный базис современных 1Р-модулей, позволит пусть и частично, сохранить преимущества гибридных минисистем обработки аналоговых сигналов. Рассмотренные задачи теории аналоговой микросхемотехники сводятся к двум важнейшим направлениям: методика построения усилительных каскадов с собственной и взаимной компенсацией паразитных импедансов и схемотехника каскадов с нелинейной корректирующими цепями (рис. 1) [8, 9].

Теория аналоговой микросхемотехники. Компонентный уровень.

Схемотехника каскадов с собственной компенсацией.

Схемотехника каскадов с нелинейными цепями коррекции.

Быстродействующие экономичные компараторы напряжения.

Прецизионные управляемые источники опорного напряжения.

Широкодиапазонные экономичные усилители для аналоговых портов ввода/вывода.

Экономичные узлы модуля ФАПЧ.

Экономичные широкополосные аналоговые умножители.

Прецизионные аналоговые ключи.

Инструментальные экономичные усилители с фиксированным и инициализируемым кодом, коэффициентом передачи.

Аналоговые каналообразующие фильтры.

Прецизионные ограничители спектра для 10.16-разр. АЦП с УВХ.

Системы фазовой автоподстройки частоты.

Встроенные интерферо-метрические интерфейсы.

Экономичные быстродействующие 10.16-разрядные АЦП.

Экономичные 10. 16-разрядные ЦАП с высокой нагрузочной способностью.

Многоканальные экономичные быстродействующие аналоговые мультиплексоры.

Фильтры выделения огибающей передав, сообщения.

Трансформаторы спектра входных сигналов.

Генераторы сетки опорных частот.

Управляемые кодом ФНЧ с ограниченным диапазоном частот т.

Схемотехника прецизионных частотноизбирательных устройств т.

Схемотехника прецизионных измерительных усилителей.

Теория аналоговой микросхемотехники. Функциональный уровень.

Рис. 1. Задачи аналоговой микросхемотехники [8].

Все известные методы повышения быстродействия ОУ можно разделить на две группы: улучшающие частотные свойства ОУ и исключающие нелинейные режимы работы его каскадов (рис. 2).

Рис. 2. Классификация методов повышения быстродействия ОУ.

Первый путь повышения быстродействия ОУ хорошо известен [1, 4]. Однако он достаточно сложен, т.к. улучшение частотных свойств ОУ возможно осуществить только за счет улучшения частотных характеристик интегральных транзисторов и применения широкополосных схемотехнических решений во входном, промежуточном и выходном каскадах, увеличения общего энергопотребления. Практически частота единичного усиления ^ определяется достигнутым уровнем развития технологии изготовления аналоговых микросхем. Основные схемотехнические правила повышения частоты ^ - создание ОУ с минимальным числом усилительных каскадов, т. е. с минимальной «электрической длиной», выбор оптимальных схемотехнических решений и статических режимов интегральных транзисторов, применение методов компенсации емкости коллектор-база и емкости на подложку [8, 11].

Второй путь повышения быстродействия связан с перенесением проблемы проектирования быстродействующего ОУ из одной предметной области (области ВЧ и СВЧ усиления) в область проектирования линейных каскадов [9]. Очевидно, что последние задачи можно решать значительно проще и совершенно другими схемотехническими методами [9]: введением нелинейных корректирующих цепей (НКЦ), специальным построением входных каскадов — как с «разрушением», так и без «разрушения» классической параллельно-балансной структуры [9, 82, 99, 112, 117, 119, 125, 151]. ¦ •••: ¦ 11 ¦: ' ' ' ,. ¦

Если паразитный: импеданс транзистора или элемент схемы аналогового1 устройства оказывают существенное отрицательное влияние на достижение его предельных и статистических или динамических параметров (коэффициент усиления по напряжению, входное или выходное сопротивление, коэффициент ослабления-входных синфазных сигналов, верхняя граничная-частота и т. д.), то его целесообразно скомпенсировать за счет введения, по определённым. правилам, некоторой структурной^ избыточности — цепей собственной и взаимной компенсации. Разработке методов введения" такихцепей в базовых функциональных узлах аналоговой микросхемотехникишосвящена настоящая диссертация^]:

Независимо от способа применения компенсирующие обратные связи создают вструктуре любого аналогового устройства дополнительные степени свободы,, которые обеспечивают возможностью применения как вактивных элементах, так и в полупроводниковых компонентах экономичных режимов работы.

Полученные результаты в теоретических исследованиях, эффектов-собственной^-взаимной компенсации паразитных импедансов С. Г. Крутчинского [8] позволяют на базе отечественных технологических процессов с обеспечить" выпуск конкурентоспособных аналоговых микросхем различного функционального назначения и частично решить проблему импортозамещения этого класса микросхем. Кроме этого,, новые схемотехнические возможности аналоговой микроэлектроники с цепями собственной и взаимной компенсации позволяют создавать уникальные по своими качественным показателям широкодиапазонные устройства, направленные на реализацию важных проектов.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов построения аналоговых микросхем нового поколения с использованием эффектов собственной и взаимной компенсаций влияния паразитных импедансов активных компонентов, обеспечивающих повышение верхней: граничной частоты, коэффициента усиления по напряжению, входного сопротивления и других динамических параметров.

Для достижения данной цели необходимо решение следующих основных задач:

1. Обосновать архитектурные решения и способы минимизации влияния на динамические параметры микросхем доминирующих негативных параметров активных многополюсников в основных функциональных узлах аналоговых микросхем различного назначения.

2. Разработать схемотехнические приемы собственной и взаимной компенсаций паразитных импедансов, отрицательно влияющих на верхнюю граничную частоту, коэффициент усиления по напряжению, входное сопротивление и другие параметры функциональных узлов аналоговых микросхем, и оценить их эффективность.

3. Разработать практические методы компенсации влияния паразитных параметров активных многополюсников и исследовать свойства каскадов этого класса, определить их возможности и ограничения технологического характера, обеспечивающие параметрический синтез аналоговых микросхем нового поколения.

При решении данных задач в теоретической части диссертационной работы применяются методы линейного и нелинейного анализа аналоговых электронных схем с применением теории автономного многополюсника. Экспериментальные исследования выполнены на базе системы компьютерного моделирования типа Р8р1се.

Положения, выносимые на защиту:

1. Способы параллельно-балансной, мостовой и многоканальной компенсации паразитных импедансов, позволяющие синтезировать принципиальные схемы аналоговых устройств различного функционального назначения с расширенным частотным диапазоном.

2. Архитектура и схемотехника аналоговых микросхем, обеспечивающие повышение на 1−2 порядка их коэффициента усиления по напряжению и входного сопротивления за счет использования методов собственной и взаимной компенсаций импедансов.

3. Способы построения составных транзисторных многополюсников аналоговых микросхем с компенсацией импеданса коллекторного перехода входного и выходного транзисторов.

Научная новизна работы определяется следующими теоретическими результатами:

1. Способы построения двухкаскадных дифференциальных усилителей, обладающих повышенным коэффициентом усиления по напряжению за счет эффекта компенсации проводимости нагрузки.

2. Схемно-топологические способы компенсации паразитных емкостей активных компонентов, способствующие расширению малосигнальной полосы пропускания в 5−6 раз для микронных технологий ФГУП Hi 111 «Пульсар» и в 1,6 раз для SiGe технологий института IHP (Германия), внедряемых в России.

3. Архитектура дифференциальных усилителей, в которых применен способ взаимной компенсации выходных проводимостей применяемых токовых зеркал, повышающей предельный коэффициент усиления по напряжению на 15−30 дБ.

4. Базовая схемотехника функциональных узлов аналоговых микросхем с собственной и взаимной компенсацией паразитных параметров транзисторов, ориентированных на микроэлектронное исполнение с использованием отечественных технологических норм.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 256 страницах текста, иллюстрированного рисунками и графиками, библиографического списка и приложения.

Выводы.

1. Приведенные результаты компьютерного моделирования базовых операционных усилителей, преобразователей и т. д. в среде PSpice, качество моделей и накопленный опыт позволяет убедительно показать возможность производства конкурентоспособных импортозамещающих аналоговых микросхем в рамках хорошо освоенных технологических процессов.

2. Теоретические выводы глав 1−3 подтверждаются результатами моделирования предлагаемых схем в структуре операционных усилителей и компенсационных стабилизаторов напряжения на моделях интегральных транзисторов ФГУП HIII1 «Пульсар» и Института инновационной микроэлектроники (Германия).

3. Компьютерное моделирование предлагаемых схемотехнических решений показывает, что за счет введения цепей компенсации паразитных импе-дансов и токовых координат активных элементов возможно увеличение коэффициента усиления в 5−100 раз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В^{диссертационной} работе получены следующие научные результаты:

1. Рассмотрены пути совершенствования архитектуры и схемотехники аналоговых микросхем, обеспечивающие достижение предельных значений коэффициента усиления по напряжения и входного сопротивления в режиме малого сигнала за счет методов собственной и взаимной компенсации импедансов. Исследованы структурные способы компенсации влияния паразитных, параметров транзисторов в аналоговых интегральных микросхемах на верхнюю граничную частоту, входное сопротивление и т. п. Рассмотрены способы параллельно-балансной, мостовой и многоканальной компенсации. Впервые получены аналитические выражения и определены динамические параметры каскадов данного класса.

2. Исследованы схемотехнические способы компенсации емкости^коллектор-база транзисторов1 и (емкости на подложку. Рассмотрены способы последовательной, параллельной и параллельно-последовательной компенсации.

3. Разработаны схемотехнические способы повышениябыстродействия эмиттерных повторителей с емкостной нагрузкой.*.

4. Приведены результаты моделирования (в среде PSpice, Cadence Virtuoso) электронных схем в структуре операционных и широкополосных усилителей с предельными значениями частоты единичного усиления и сверхширокополосных инструментальных усилителей на их основе в базисе компонентов технологического процесса SGB25VD (IHP, Франкфурт на Одере, Германия).

Результаты диссертационной работы использованы и внедрены на промышленных предприятиях. Акты, подтверждающиерезультаты использования и внедрения приведены в приложении.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе ГОУ ВПО «ЮРГУЭС» на кафедре ИСиРТ при изучении дисциплин «Схемотехника аналоговых электронных устройств» и «Микроэлектроника».

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 66 печатных работах, из которых 51 статья в трудах всероссийских и международных научно-технических семинаров и конференций [12−14, 16, 19— 60, 70, 75−77, 81], 2 статьи в научных журналах [17, 18] и 11 патентов Российской Федерации [61−64, 66−69, 71, 72, 83], рекомендуемых ВАКом, 2 монографии [10, 82]. 212 .