УО БГУИР
Кафедра ЭВС
РЕФЕРАТ
На тему:
«Интегральные схемы с перестраиваемой структурой.Особенности экспериментального и математического моделирования»
МИНСК, 2008
ИСс перестраиваемой структурой.
Разработкакаждой новой ИС сопряжена со значительными затратами. В силу известныхтрудностей унификации аналоговых и импульсных ИС все же велико. Поэтому внастоящее время разрабатываются схемы с перестраиваемой структурой. Перестройкуможно осуществлять двумя методами: с помощью формирования недостающихсоединений печатного монтажа ИС и с помощью электрического управления.
Сущностьпервого метода проиллюстрируем на примере логических монолитных ИС маркиХС-157, выпускаемой фирмой «Моторола»./> />
В кремниевой подложкесформированы 12 одинаковых ДТЛ, принципиальная схема которых приведена на рис.1.17. ДТЛ-схема выполняет операцию НЕ-ИЛИ. В каждой ДТЛ-схеме отсутствуютсоединения диодов с выходными нагрузочными резисторами. Все 12 схемэлектрически изолированы друг от друга. Все межэлементные соединения, указанныена рис. 1, выполняются фирмой-изготовителем ИС. Они формируются в видеоднослойного печатного монтажа. Сверху наносится изоляционная маска из стеклаили SiO2 таким образом, чтобы через ее «окна» былиоткрыты контактные площадки ДТЛ-схем. Второй слой межэлементных соединенийпроектирует и наносит фирма-потребитель ИС.
Рис.1. Не полностью «собранная» логическая схема.
Сущностьвторого метода сводится к переключению отдельных участков схемы с помощьюэлектронных ключей. Внешние выводы ключей всегда находится под управляющимпотенциалом. Этот метод еще не /> />
доведен до промышленногоприменения. Проиллюстрируем его на примере схемы детектора уровня, изображеннойна рис. 2.
Рис.2. Схема с перестраиваемой структурой.
Всхеме предусмотрены четыре p—n—p—n-переключателя,подключающих или отключающих Основные элементы и участки схемы. Сигналы науправляющие электроды переключателей подаются от внешних цепей. При включениитолько переключателя Кл1 схема работает следующим образом. Положительныйвходной сигнал вместе с опорным напряжением, снимаемым с делителя П1, подаетсяна затвор полевого транзистора 77. При достижении потенциала насыщения полевойтранзистор открывается и включает в работу обычный биполярный транзистор Т2,который в свою очередь открывает диод Д1. В результате на вход схемы через цепьо. с. подается небольшой по величине синфазный сигнал. Величину этого сигнала(коэффициент обратной связи) и запаздывание схемы можно регулировать, изменяясопротивление цепи обратной связи, в частности R2. Выбирая это сопротивление достаточно большим, мыустанавливаем режим работы детектора уровня. Транзистор ТЗ согласует схему снагрузкой. При включении только переключателя КлЗ (вместо цепочки R2, R3, Д1 включается R1) схема работает как бистабильный мультивибратор, запускаемыйзнакопеременной последовательностью импульсов. При включении толькопереключателя Кл2 (вместо R1включается С1) и подаче на вход стробирующих сигналов схема работает какгенератор стробов. При одновременном включении Кл2 и Kл4 (вход заземляется), а также при определенном подбореопорного напряжения Uоп схема работает как мультивибратор.
Наэтапе анализа параметров электрическая схема — модель исследуется каканалитически, так и экспериментально. В процессе анализа уточняются ее внешниепараметры и характеристики и определяются количественные зависимости измененийэтих параметров и характеристик от вариации параметров элементов схемы*.Анализ обычно проводится методами граничных испытаний, частичных испытаний,наихудшего случая, математического моделирования на ЭВМ [1.48, и другимиметодами.
Особенностиэкспериментального моделирования.
Преждевсего вызывает затруднение практическая ограниченность вариации параметровсхемных элементов. Если резисторы, емкости и индуктивности, параметры которыхдолжны изменяться в заданном диапазоне величин, можно отразить в схеме соответственнопотенциометрами, конденсаторами переменной емкости и вариометрами, тогипотетический транзистор с переменными параметрами не имеет практическогоаналога. Поэтому в процессе эксперимента одни транзисторы (а также другиеэлементы с нерегулируемыми параметрами) постоянно заменяются в схеме на другие,параметры которых отличаются нужным образом от первых. Это обстоятельствоснижает гибкость эксперимента и увеличивает его трудоемкость.
Исследуемаясхема-модель должна как можно точнее отражать реальную ИС. Для этогонеобходимо, во-первых, чтобы элементы схемы-модели были бы точными аналогамисоответствующих элементов ИС и, во-вторых, чтобы электрические связи всхеме-модели точно отражали бы связи соответствующих элементов ИС. Реально нипервое, ни второе требование полностью не удовлетворяются, особенно длямонолитных (полупроводниковых) ИС.
Резисторы,конденсаторы и транзисторы ИС обладают специфическими паразитными параметрами.В частности, полупроводниковые диффузионные резисторы и конденсаторы имеютпаразитную емкость относительно подложки, величина которой зависит отнапряжения обратного смещения. Эта паразитная емкость носит распределенныйхарактер и замена её дискретной емкостью является известным приближением. То жесамое относится ко всём паразитным ёмкостями, образуемым изолирующимипереходами.
/>
Рис.3.Участок полупроводниковой ИС (а), его упрощённая эквивалентнаяэлектрическая схема (б), условная эквивалентная схема интегральноготранзистора с изолирующим p—n-переходом (в).
Планарныйтранзистор полупроводниковой ИС часто электрически изолируется от другихэлементов p—n-переходом (см. рис. 3, а). В итоге транзисторная структураполучается четырехслойной с тремя p—n-переходами. Эквивалентная схематакой структуры отражает два транзистора: рабочий и «паразитный».Паразитный транзистор в одних случаях улучшаёт импульсные параметры рабочеготранзистора, уменьшая накопленный заряд, а в других случаях (в схемах снепосредственными связями) ухудшает их, увеличивая сдвиг входных характеристикпри насыщении. Естественно, что указанные ограничения уменьшают гибкостьэксперимента. В качестве иллюстрации к сказанному на рис. 3, б, в приведеныпринципиальная схема участка полупроводниковой ИС и его упрощеннаяэквивалентная схема. В схеме транзистор Tраб, резистор R идва диода Д1 и Д2 являются основными или рабочими элементами, а транзистор Тпар— паразитным. Емкости Сп, С’п и С”пп между подложкой и n-слоемтранзисторной, резисторной и диодных структур, а также ёмкости С'p—n и С”p—nмежду n- и p-слоями резисторной и диодных структур, сопротивления R'п и R”п n-слоеви сопротивления R'п, R”п и R”’п подложки являются паразитными элементами. Ёмкость С'p—n имеет распределённый характер.
Математическоемоделирование.
Теоретическийанализ или моделирование схем обычно производится с помощью ЭВМ. Анализ состоитиз следующих последовательных этапов: формализация схемы, составление еематематической модели, разработка алгоритма и программы моделирования, процессмоделирования работы схемы на вычислительной машине, исследование полученныхданных. При формализации реальную схему заменяют ее более упрощеннымэквивалентом, отражающим главные исследуемые свойства реальной схемы.Математическая модель схемы, как правило, отражает систему дифференциальныхуравнений, описывающих протекающие в схеме электрические процессы, а такжеограничения, выраженные в виде равенств, неравенств, числовых коэффициентов ит. п.
Алгоритмсоставляется независимо от конкретного типа вычислительной машины. Программамоделирования работы схемы обычно содержит ряд типовых подпрограмм, отражающихмоделирование отдельных сложных элементов (транзисторов и др.). К программепредъявляются требования универсальности, возможности применения длямоделирования широкого класса схем, удобства вмешательства на разных этапахмоделирования и компактности выдачи конечных результатов. Составление большихпрограмм является сложным и трудоемким процессом.
Внастоящее время разработаны стандартные программы моделирования электронныхсхем на ЭВМ. Примерами таких программ могут служить ПАЭС (программа анализаэлектронных схем) и «Фрехта» (программа расчета и анализа частотныххарактеристик линейных аналоговых схем).
Впрограмме ПАЭС предусматривается расчет переходных процессов схемы, статистическийанализ статических и динамических характеристик схемы и расчет схемы напредельный случай. В ее состав входит внешняя программа-диспетчер, цифроваямодель схемы и комплекс подпрограмм цифрового моделирования. Общая структураПАЭС представлена на рис. 4. В ПАЭС входит серия типовых подпрограмм:подпрограммы расчета параметров нелинейных элементов (транзистора, диода идр.), подпрограммы определения входных импульсов и выходных параметровразличного класса схем, подпрограмма интегрирования дифференциальных уравненийпо методу Эйлера с автоматическим выбором шага интегрирования, подпрограммавыработки случайных чисел и другие. Включение в работу тех или иных подпрограммв нужной последовательности, показанной на рис. 4 строками, осуществляетсявнешней программой. Для типовых алгоритмов анализа схем определенного классаведущая программа остается неизменной. Автоматизация программирования с помощьюсоздания подпрограмм упрощает процесс подготовки задачи к решению и позволяетболее экономно использовать емкость памяти машины. Цифровая модельпрограммируется заново для каждой конкретной схемы./> />
Процесс полученияматематической модели схемы в виде системы дифференциальных уравнений несложен;он состоит из ряда формальных процедур, описанных в литературе. Рассмотримпорядок получения математической модели транзистора, используемой при цифровоммоделировании интегральных схем. Все существующие его модели получены на основеиспользования известных уравнений непрерывности и переноса, а также принятияряда известных допущений.
Рис4. Общая структура ПАЭС (программы анализа электронных схем)
Эквивалентнаясхема p—n—p-транзистораприведена на рис. 5. Этой схеме соответствует следующая системадифференциальных уравнений:
/>
/>/>/>
Рис. 5. Эквивалентнаясхема транзистора.
Индексы«э», «к» и «п» относят соответствующую величину кпереходу эмиттер—база, коллектор—база и подложка—коллектор; /> — падение напряжения напереходе; />— выходной ток транзистора;/>— активная составляющаятока через переход; /> — емкость перехода,включающая зарядную и диффузионную составляющие;/>,/>, />, —тепловые токи переходов; />, />, /> —температурные потенциалыпереходов; />, />, /> — зарядные емкостипереходов; />, />, />, /> — коэффициенты передачитока соответственно от эмиттера к коллектору, от коллектора к эмиттеру, от базык подложке и от подложки к базе; />, />, /> — постоянные временипереходов; />и />— объемные сопротивлениябазы и коллектора.
Причисленном интегрировании системы уравнений (1) токи определяются на каждом шагеинтегрирования из уравнений, описывающих схему, в состав которой входиттранзистор. Емкости и активные составляющие токов переходов зависят отнапряжений на переходах, вычисленных на предыдущем шаге; и от параметровтранзистора.
Взаимосвязьподпрограмм моделирования нелинейных элементов с общей программой ПАЭС вытекаетиз следующего. Для двухполюсника, изображенного на рис. 6, при численноминтегрировании системы дифференциальных уравнений на i-м.шаге
/>. (2)
Определение/> не связано с решениемуравнений, описывающих процессы в активной части двухполюсника A, а определение /> не связано с решениемуравнений внешней цепи. Это и обусловливает возможность определения /> с помощью основнойпрограммы (а также задание этого тока как входной величины для подпрограммымоделирования двухполюсника А). В соответствии с этим эквивалентную схемутранзистора можно свести к совокупности трех двухполюсников (по числупереходов), зашунтированных емкостями переходов и сопротивлениями /> и />. Если исключить изэквивалентной схемы двухполюсники А, то мы получим схему замещения транзистора,изображенную на рис. 7. При подготовке к моделированию схемы транзисторпредставляется схемой замещения и программируются только формулы для вычисления/>. Затем программируетсяобращение к подпрограмме транзистора, в которой вычисляются /> и напряжение />/> />
Рис. 6. Схема двухполюсника. Рис.7. Схема замещения
транзистора
Оптимизациясхемы (модели).
Наосновании анализа результатов моделирования схему оптимизируют. В нашемраспоряжении имеется семейство зависимостей выходных характеристик схемы отвариации параметров ее элементов. В качестве примера на рис. 8 показаноизменение зоны разброса передаточной характеристики типовой логической схемы взависимости от вариации параметров ее элементов, где /> — минимальное напряжениелогической «единицы»; /> —максимальное напряжение логического «нуля»; /> — максимально допустимоенапряжение логического «нуля» на входе, при котором на выходесохраняется логический «нуль». Величина управляющего напряженияограничена полушириной запрещённой зоны 0,6 эВ (Si); 0,7 эв (GaAs);0,4 эВ (Ga) из-за протекания прямого тока череззатвор в область канала.
/>
Рис.8. Зона разброса передаточной характеристики логической схемы.
Границызоны разброса передаточной характеристики соответствуют наихудшему случаювариации параметров (величина, знак, вероятность распределения) элементов схем,изменить который мы не можем, так как нам заданы технологический разброс,диапазон изменения параметров внешней среды (температуры), зависимости старенияматериалов. Предположим, что полученный разброс параметров передаточнойхарактеристики нас не удовлетворяет (не соответствует техническому заданию).Тогда мы вынуждены последовательно изменять номинал элементов схемы, вотдельных случаях и ее структуру для достижения удовлетворительного разброса.Каждое указанное изменение сопровождается циклом расчетного моделирования намашине. Результаты расчетов непрерывно сравниваются с контрольными параметрами(в данном случае — с величиной разброса напряжений), и при достиженииудовлетворительного решения оптимизация схемы прекращается. На рис. 1.24, бпоказан такой случай. Однако в результате оптимизации схемы увеличилась еенелинейность. Следует отметить, что при проектировании ИС любых типов стремятсяпостроить их таким образом, чтобы они работали с максимально возможнымразбросом параметров элементов при сохранении внешних характеристик вдопустимых пределах. Выполнение этого условия тесно связано с величинойпроизводственного брака при изготовлении ИС: чем больше допустимый разброспараметров элементов, тем меньше брака и ниже стоимость ИС*.
Однакоулучшение выходных характеристик системы с помощью ее оптимизации не всегдасвязано с проблемой допусков. В ряде случаев необходимо улучшить такиепараметры схемы, как надежность, чувствительность, избирательность,устойчивость, помехозащищенность и др. Из-за сложности решения задачоптимизации обычно выбирают один или два таких критерия, придаваянеопределенные весовые (удельные) значения. Одновременно с этим выбираютограничения оптимизации (допустимый разброс параметров элементов, напряженияпитания, однородность схемы и др.). На основе математической модели схемысоставляют так называемую целевую функцию, представляющую зависимостьоптимизируемого внешнего параметра схемы от параметров ее элементов. Целеваяфункция моделируется на ЭВМ. Как и при расчете допусков, последовательноизменяются сначала параметры элементов схемы, а затем в случае необходимости исама структура схемы.
ЛИТЕРАТУРА
1.Петров К.С.Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учебное пособие для вузов. –СПб: Питер, 2003. – 512 с.
2.Опадчий Ю.Ф. и др.Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для вузов / Ю.Ф.Опадчий,О.П.Глудкин, А.И.Гуров; Под.ред. О.П.Глудкина. М.: Горячая Линия – Телеком,1999. – 768 с.
3.Акимов Н.Н. и др.Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройстваРЭА: Справочник / Н.Н.Акимов, Е.П.Ващуков, В.А.Прохоренко, Ю.П.Ходоренок. Мн.:Беларусь, 2004. – 591 с.