Содержание
1. Эволюция СБИС. Системы на кристалле, в корпусе и на подложке
2. Базовые технологии и их ограничения
3. Проблемы проектирования микросхем с низковольтным питанием
4. Микросхемотехника аналоговых и аналого-цифровых СФ блоков
Библиографический список
1. Эволюция СБИС. Системына кристалле, в корпусе и на подложке
Переход на субмикронную и частично глубокую субмикронную технологии нагляднопоказал, что эффективность применения БИС и СБИС микроконтроллеров любойархитектуры в радиоэлектронной аппаратуре определялась качеством и номенклатуройпериферийных ИС, образующих интерфейс связи с датчиками и исполнительнымиустройствами соответствующей мини-системы. Низкая надежность ипомехозащищенность внешних (внекристалльных) соединений, сложность тестированияи поиска неисправностей сделали экономически целесообразной замену плат и мини-блоков.Именно поэтому и произошел переход от мини-систем к микросистемам – системам накристалле (СнК), где указанные соединения реализуются в кристалле или напобложке. Отметим, что первоначально для задач управления микро- имини-роботов, а также для сверхточного управления традиционными объектами былиразработаны микросистемы – относительно несложные микроизделия, реализующиевесь цикл измерения и преобразования от сенсора до исполнительного механизма.Эта область (микросистемная техника) имеет самостоятельное развитие, гдеограничивающими факторами в первую очередь являются материалы и технологическиенормы изготовления микросенсоров и исполнительных механизмов.
Современные задачи связи, автоматического управления и техникиспециальных измерений требуют для обеспечения относительно высокой серийностиизделий не только кардинального повышения надежности, но и возможности ихпрограммной адаптации к решаемой задаче. Именно поэтому такие системы должныиметь очень мощное программируемое ядро с набором быстродействующих областейпамяти констант (программ) и данных. Реализовать указанное можно либоприменением новых дорогостоящих материалов, либо за счет перехода в цифровойчасти системы на глубокую (≤ 0,35 мкм) субмикронную технологию. Однакодаже для цифрового процессора в любом случае важнейшей задачей в процессепроизводства и эксплуатации остается тестирование.
В перспективе в рамкахсистем на кристалле могут быть решены многие проблемы интеграции аналоговых,цифровых, радиочастотных (RF) идаже более экзотических структур – микромеханические системы (MEMS), датчики, силовые приводы,химические преобразователи, оптические блоки и т.п. Поэтому в современнойинтерпретации СнК является сложной интегральной схемой, объединяющей на одномчипе или чипсете все основные функциональные элементы полного конечногопродукта. В общем случае СнК как проект включает в себя как минимум одинпрограммируемый процессор, внутрикристалльную память и аппаратно реализованныеускоряющие функциональные элементы. В состав СнК также входят интерфейсы спериферийными устройствами и(или) с внешней средой, именно поэтому их базовымпризнаком являются аналоговые компоненты, узлы и устройства.
Следует подчеркнуть, чтослово «система» в термине «система на кристалле» важней, чем слово «кристалл».Потребности практики всегда опережают технологические возможности, поэтому длямногих наиболее наукоемких приложений оказывается целесообразным проектированиефункциональных блоков как часть интегрированного целого, а физически ониразмещаются не в кристалле, а на одной подложке и корпусе. Такие системы – System in Package (SiP), System on Package (SoP) –оказываются более надежными, качественными и дешевыми, но при этом они проектируютсякак единое целое. Их составные части – сложно-функциональные блоки (СФ блоки) –являются также интегрируемыми проектами СнК (IP блоки) и основой повышения производительности и «живучести»проектирования за счет повторного использования этого интеллектуального продукта.
Важным фактором вразвитии такого подхода явилось создание организации Virtual Socket Interface (VSI) Alliance, объединяющей ведущие электронные фирмы для разработки эффективныхметодов повторного использования IP,стандартных требований по их созданию и обмену. Деятельность ассоциациипозволила установить необходимые «горизонтальные» связи между системнымикомпаниями, дизайн-центрами и компаниями, занимающимися САПР. Можно утверждать,что без таких ассоциаций развитие современной микроэлектронной техникиневозможно.
Указанное проектированиеоказало решающее влияние на электронную промышленность в целом. Эволюциятехнологических процессов при-вела к резкому увеличению единовременныхрасходов. Например, стоимость шаблонов на уровне 0,13 мкм приближается к 1,0млн долл. Но более быстрыми темпами росли затраты на проектирование отдельныхустройств. Так, даже при значительных успехах в повторном проектировании (IP) стоимость СиК на уровне 0,13 мкмоценивается от 5,0 до 20,0 млн долл. Статистика последних лет показывает, чтообщее число проектов в классе специализированных интегральных схем (ASIC проектов) сократилась практически в3 раза. Однако произошло увеличение проектов в сегменте стандартных ИС (ASSP) и полузаказных (FPGA) ИС (БМК, ПЛИС, ПАИС, ПЛМ), которыеможно классифицировать как СнК в начальной форме.
Такой сдвиг в стиляхпроектирования привел к ряду последствий в электронной промышленности.Во-первых, если РЭА может технически ориентироваться на полузаказные ИС, то этооказывается эффективным при серийности от сотен до десятка тысяч экземпляров.Во-вторых, в этом же классе предпринимаются попытки превращения начальной формыСнК в гибкую платформу, которая может быть использована для различныхинженерных приложений с помощью программируемости и многочисленных интерфейсов.Однако в любом случае опережающая разработка СФ блоков для конкретныхтехнологий (IP) приобретает первостепенное значение.В этом отношении следует отметить, что технологические уровни менее 0,35 мкмсущественно ухудшают качественные показатели аналоговых компонентов,определяющих динамический диапазон узлов, устройств и СФ блоков. Поэтому длямногих инженерных приложений системы на подложке и в корпусе останутсяосновными.
Как отмечалось ранее,многие задачи построения РЭА требуют проектирования под конкретную технологиюспециальных аналоговых или цифро-аналоговых СнК. Также БИС и СБИС образуютспециальный и во многом специфический класс электронных систем, которые условноназываются смешанными – содержащими значительное число не только вспомогательныханалоговых узлов и устройств. Зарубежная классификация их отмечает как mixed-signal SoC и Analogue/mixed-signal (AMS) SoC. Однако работа в этой области тольконачинается. Так, Texas Instruments, явившаяся пионером в этомнаправлении, несмотря на первоначальные планы создания смешанной СнК,интегрирующей цифровую, аналоговую и радиочастотную части на одной кремниевойподложке, не имеет в настоящее время явных (рыночных) успехов.
Обсуждаемые СнК можноусловно разделить на два основных типа. Во-первых, следует выделить AMS SoC с некоторыми специфическими аналоговыми блоками –модули фазовой автоподстройки частоты, АЦП, ЦАП, блоки периферийных интерфейсов,видеоаудиокодеки и т.п. Такие СнК образуют «D/а» класс – в основном цифровые, немного аналоговые. В такихсистемах аналоговые блоки можно рассматривать в качестве унифицированных СФблоков. Их на этапе проектирования можно рассматривать в качестве «серыхящиков», и они могут успешно интегрироваться в общую систему на основе строгихправил, которые заранее оговорены их разработчиками. Ко второму типу следуетотнести СнК «А/d» класса – восновном аналоговые и немного цифровые. Из этого не следует, что цифровая частьсистемы не требует мощного программируемого ядра. Скорее наоборот – особенностьфункционирования СнК предопределяет высокопроизводительные процессорный модульи даже подсистему. Однако в этом классе СнК аналоговые модули нельзярассматривать в качестве «черных ящиков». Здесь аналоговые узлы, а возможно, иСФ блоки обеспечивают основу функционирования системы (не только интерфейсы) ипоэтому накладывают сложные и во многом специфические ограничения на ихинтеграцию. Специалисты Texas Instrumentsсчитают, что для обеспечения надежности проекта разработчики аналоговых блоковдолжны быть основными системными (СнК) интеграторами. С точки зрения РЭА конечногоназначения AMS A/d классаобеспечивают взаимодействие СнК с «высшим миром». Указанная функция реализуетсяСФ блоками СнК, внешними микросенсорами и исполнительными устройствами.
2. Базовые технологии иих ограничения
В настоящее время доминирующим направлением остается кремниеваяКМОП-технология со свойственными ей преимуществами и недостатками. В первуюочередь по этой причине достаточно сложно в едином технологическом циклеизготовить качественные активные компоненты для аналоговой идискретно-аналоговой обработки сигналов, а дальнейшее ужесточениетехнологических норм существенно ухудшает не только их малосигнальныепараметры, но еще более усложняет процедуру тестирования системы в целом.Именно поэтому увеличение числа аналоговых входов (портов ввода) осуществляетсяпрактически всегда за счет мультиплексирования и повышения производительностивстроенного АЦП. Однако номенклатура аналоговых узлов, необходимых для решенияпрактических задач, остается достаточно большой. Так, в состав СБИС микроконвертороввходят указанные выше мультиплексор и АЦП, коммутируемый источник опорногонапряжения для согласования максимального входного напряжения с АЦП, датчиктемпературы, косвенно обеспечивающий учет температурной погрешностипреобразования физических величин, компаратор, блок ФАПЧ, а также набор ЦАП. Вэтой связи прецизионное масштабирование и ограничение спектра входных сигналовдолжно либо выполняться в аналоговых датчиках, либо приходится, пусть и вограниченном виде, возвращаться к мини-системе. Характерной чертой таких системявляется достаточно большая, в основном определяемая аналоговой частью потребляемаямощность. Аналогичный вывод справедлив и для аналоговых микроконтроллеров, вкоторых взамен блоков ФАПЧ и компараторов включены простейшие, совместимые с10-разрядной шиной АЦП, инструментальный усилитель и фильтр нижних частот(подключается внешний частотозадающий конденсатор). Иногда параметры этих устройствинициализируются пользователем. Отсутствие качественных аналоговых портов вводас прецизионным преобразованием сигналов аналоговых датчиков и сенсорных датчиковсвязано с жестким ограничением на число аналоговых компонентов кристалла. Здесьдоминирующими факторами остаются потребляемая мощность и геометрия аналоговоготранзистора. В силу этих и других не менее важных для точности вычисленияфакторов практически всегда применяется режим разделения времени преобразованияи основного вычисления.
Кремниево-германиевая(SiGe) БиКМОП технология занимает лидирующиепозиции в области изготовления СБИС для цифровой обработки сигналов,телекоммуникационных систем и многих других важных практических приложений, чтообусловлено простотой интеграции в стандартный КМОП процесс, относительнонизкой стоимостью производства, боль-шим процентом выхода годных и высокимбыстродействием приборов [86]. Крупнейшие компании, такие как IBM, Daimler-Benz, Phillips, Hitachi, сегодня разрабатывают и производят интегральныесхемы, основным компонентом которых являются быстродействующие SiGe биполярные транзисторы, с граничнымичастотами 100 ГГц. Так, компанией IBM было показано, что граничная частота SiGe биполярных транзисторов с гетеропереходом можетдостигать 210 ГГц. С развитием технологии Si1-xGex-сплавовпоявилась возможность создания быстродействующих МОП транзисторов с SiGe/Si каналом, что в перспективе позволит создавать на их основебыстродействующие КМОП микромощные схемы с граничными частотами 40–50 ГГц [6].
Важную роль в современноймикроэлектронике играют высокотемпературные силовые элементы и преобразователина базе карбида кремния. Несмотря на значительные инвестиции в этом направлениифедеральными правительствами и фирмами ряда стран, ожидаемого результата получитьне удалось. Характерные для этого случая зонные процессы приводят кнедостаточному качеству малосигнальных параметров приборов.
Результатыотечественных и зарубежных исследований показывают [8], что для созданиявысоконадежных аналого-цифровых КМОП БИС, для случаев, когда требуютсяповышенная радиационная стойкость и температурная стабильность, весьмаэффективно использование технологии «кремний на изоляторе» (КНИ). По сравнениюс традиционной КМОП технологией на объемном кремнии технология КНИ обладаетцелым рядом важных преимуществ.
Дляцифровых КМОП схем эти преимущества можно сформулировать следующим образом [8]:
- очень хорошаяизоляция элементов друг от друга и очень малые токи утечки;
- меньшая площадьКМОП КНИ элемента по сравнению с элементом, изготовленным по «объемной»технологии (при отсутствии контакта к подложке);
- меньшие емкостипереходов, повышенные частоты работы схем, меньшая потребляемая мощность.
Дляаналого-цифровых КМОП схем КНИ технология обеспечивает ряд дополнительныхпреимуществ [8]:
- высокое качествоизоляции цифровых и аналоговых блоков в смешанных АЦ системах на кристалле;
- возможностьсоздания на КНИ подложках высококачественных пассивных R, С, L-элементов;
- меньшие потерипеременной мощности в радиочастотном и СВЧ диапазонах;
- большая крутизнаВАХ приборов в области малых токов по сравнению с приборами, выполненными по«объемной» технологии.
Использованиетехнологии «кремний на изоляторе» позволяет повысить верхний диапазон рабочихтемператур ИС до 200 °С.
субмикронныймикросхема блок кристалл
3. Проблемыпроектирования микросхем с низковольтным питанием
Последние несколько летисточники питания с напряжением 5 В вытесняются более низковольтными.Требования к уменьшению рассеиваемой мощности и уменьшению числа батарей втаких приложениях, как беспроводные устройства связи и персональные компьютеры,привели к снижению напряжения питания в цифровых схемах до уровня 1,5 В. Этатенденция была реализована в современных SiGe транзисторах, которые сконструированы так, чтобыобеспечить максимальную частоту среза (f1) в компромиссе с напряжением пробоя (Uпр). Для кремниевых транзисторов />. Таким образом, малые размеры транзисторов, обеспечивающиевысокие значения f1 (до 200 ГГц),привели к снижению напряжения питания микросхем.
Уменьшение напряженияпитания Еп в цифровых биполярных схемах приводит к появлению новых проблем, инекоторые из них становятся особенно важными при напряжении питания менее 2 В.Принципиальная сложность уменьшения напряжения Еп состоит в том, что биполярныйтранзистор имеет фиксированное напряжение база-эмиттер Uбэ, которое не сокращается линейно с уменьшением технологическихнорм, так как
/>, (1)
где />, Iк – ток коллектора; Is – обратный ток эмиттерного p-n перехода. При этом параметры транзистора и уровни токаоказывают слабое влияние на напряжение Uбэ. На практике плотность тока в биполярном транзисторе (Iк/Is), изменяя свое значение, также слабо влияет на напряжение Uбэ. Если в используемой технологии Uбэ =0,8 В, то применение 1,5 Висточника питания приводит к тому, что между «землей» и шиной Еп не может бытьвключено больше, чем один переход база-эмиттер.
Другая трудность впроектировании низковольтных аналоговых и цифровых схем на биполярныхтранзисторах состоит в том, что значение амплитуды переключения в типичных ЭСЛсхемах не может определяться произвольно, а минимальное значение ограниченоуровнем шума. Биполярная дифференциальная пара (дифференциальный каскад вструктуре ЭСЛ) требует, чтобы уровень входного логического сигнала был как минимум5,5jт. В действительности же, к этомунапряжению нужно еще добавить падение напряжения на сопротивлениях в эмиттернойцепи, а также остаточное напряжение при неполном переключении, ограниченномкоэффициентом усиления по току, и падение напряжения на шинах питания. Все этоприводит к тому, что минимальное напряжение переключения должно составлятьнесколько сотен милливольт.
Для того чтобыподдерживать высокую скорость работы транзисторов, они не должны входить в«тяжелый» режим насыщения. Это ограничение прямо воздействует на минимальноенапряжение коллектор-эмиттер (Uкэ),которое тоже составляет примерно 400 мВ. Учитывая вышесказанное, а такжечисленные значения напряжения Uбэ≈800 мВ, можно сделать вывод о том, что запрещается использовать многоярусные дифференциальныепары или каскодные конфигурации (архитектуры) при напряжении питания 1,5 В.
Такимобразом, отсутствие возможности масштабирования напряжения на переходебаза-эмиттер еще больше обостряет проблему дальнейшего масштабированиянапряжения питания схем на биполярных транзисторах. Для КМОП транзисторов такойпроблемы не существует в принципе, потому что их пороговое напряжение Uп может быть снижено на стадии производства.
На практике такие неидеальностиКМОП транзисторов, как наличие проводимости, при отсутствии приложенного кзатвору порогового напряжения (так называемая подпороговая проводимость),зависимость порогового напряжения от температуры, а также эффект короткогоканала, приводят к тому, что необходимо для КМОП транзисторов установить пороговоенапряжение, равное нескольким сот милливольтам. Это приближает их постатическим характеристикам к биполярным транзисторам.
4. Микросхемотехника аналоговых и аналого-цифровых СФ блоков
Сдерживающим фактором развития СБИС типа «система на кристалле» являетсянесовершенство аналоговой микросхемотехники, которая требует увеличения областикристалла, отводимой на активные и пассивные компоненты цепи, и значительныхрабочих токов, обеспечивающих необходимое качество малосигнальных параметров. Вэтой связи одним из главных направлений в микроэлектронике по-прежнему являютсясистемные исследования в предметных областях, которые должны быть нацелены навоспроизводство новых архитектур контроллеров и микроконверторов, ориентированных на созданиесоответствующего класса радиоэлектронной аппаратуры, обоснование экономическойи технологической целесообразности перераспределения «центра тяжести» междуСБИС, датчиками и исполнительными механизмами систем и т.п. [6, 5]. Однако,очевидно, всегда в состав обсуждаемого класса СБИС будут входить достаточно сложныеаналоговые и, чаще всего, инициализируемые посредством программируемого ядраблоки, которые и составляют базу «интеллектуального продукта». Здесь следуетучитывать еще одно важное в практическом отношении обстоятельство: создание подрезультаты системных исследований комплекта аналоговых IP блоков позволит выйти на новый принцип организациипроизводства изделий микроэлектронной техники, когда независимо отвнутрикристалльной принадлежности функционально законченные устройстваобеспечивают более полную аппаратно-программную совместимость нового классамини-систем. Все это уменьшает номенклатуру изделий микроэлектроники, позволяетсогласовать их параметры и характеристики и, что самое главное, упрощает ихприменение в конкретной аппаратуре [5].
С учетом сказанного можно в настоящее время выделить по крайней мере 4взаимосвязанные задачи аналоговой микросхемотехники с традиционнымфункциональным подчинением.
1. Разработкасхемотехники микрорежимных узлов элементного базиса с низким влияниемтехнологических погрешностей изготовления активных компонентов.
2. Созданиекомплекта принципиальных схем активных элементов для аналоговых портовввода-вывода.
3. Схемотехникаширокополосных экономичных аналоговых мультиплексоров, компараторов, источниковопорного напряжения и питания, операционных усилителей, преобразователейимпеданса и т.п.
4. Схемотехникапрецизионных функционально завершенных устройств аналогового интерфейса –инструментальные усилители, фильтры, блоки ФАПЧ, АЦП, ЦАП, балансные смесителии умножители, квадратурные модуляторы и демодуляторы, управляемые генераторыгармонических колебаний и мультивибраторы и т.п.
В классе первой проблемы необходимы предельные и теоретическиобоснованные ограничения, устанавливающие связь геометрии, технологических норми режимов работы активных компонентов и их комбинаций с параметрами,характеризующими широкополосность и усилительные свойства простейшихузлов-каскадов и блоков различного функционального назначения. Выполненныеисследования показывают, что влияние проходной паразитной емкости транзисторовна граничную частоту полосы пропускания можно существенно уменьшить за счетсобственной компенсации – цепи компенсирующей обратной связи, образованнойдополнительными транзисторами. Реализуемый в этом случае эффект широкополосностиможет быть использован для уменьшения потребляемой мощности (не только токапотребления, но и минимального напряжения питания). Так, для существующихсубмикронных биполярных транзисторов достаточно просто обеспечиваетсяуменьшение указанной мощности каскада примерно на порядок. Учитывая, что всхемотехнике операционных усилителей, преобразователей импеданса, компараторов,стабилизаторов и источников опорного напряжения количество каскадов усиления непревышает двух, а число активных компонентов составляет несколько десятковединиц, увеличение общего числа транзисторов оказывается незначительным иреализуемый эффект существенным для решения общей задачи. Следует отметить, чтоувеличение граничной частоты полосы пропускания каскада позволяет такжеповысить скорость нарастания выходного напряжения. Однако в случае уменьшенияпотребляемой мощности повышение скорости нарастания выходного напряжения бездополнительного увеличения потребляемого тока в статическом режиме обеспечиваетсяза счет применения цепей нелинейной коррекции, причем, как и в первом случае,рост числа транзисторов незначителен и в пересчете на активный элемент(например, операционный усилитель) не превышает 10 %. Теоретически показано,что отмеченные выше принципы являются единственными для создания широкополосныхкаскадов и усилителей. Именно поэтому они могут явиться основой построениякомплекта принципиальных схем активных элементов для аналоговых портовввода-вывода и ориентироваться на различный базис и технологию их производства.Указанная задача является одной из наиболее трудоемких и важных в обсуждаемойпроблеме. Такое утверждение базируется на естественном для микроэлектроникифакте принятия решения только после получения топологии узла или изделия, егопослойной совместимости, а также возможности контроля. Только библиотека такихэлементов позволит автоматизировать процедуру проектирования и принятия решенияо целесообразности развития той или иной архитектуры системы на кристалле.
Очередным важным этапом решения задачи является разработка схемотехникиширокополосных экономичных и адаптированных под конкретную технологию функциональнозавершенных узлов, являющихся важ-ной составной частью портов и аналоговых СФблоков. Комплекты разнообразных операционных усилителей, компараторов иисточников опорного напряжения позволяют в сочетании с новыми конфигурациямифункционально завершенных устройств, полученных, в частности, методомструктурного синтеза, достаточно точно определить предельные для решаемойзадачи реализационные возможности различных структур аналоговых портов,возможность построения не мультиплексированных архитектур или, в крайнемслучае, обоснование целесообразности создания мини-системы. Не менее важной впрактическом отношении является возможность совмещения различных функциональнонеоднородных узлов аналогового интерфейса. Такой подход может обеспечитьрешение ряда важных задач из многих сложных ситуаций. Например, созданиесхемотехники мультидифференциальных операционных усилителей, теоретическогобазиса для построения на их основе линейных аналоговых устройств позволилоразработать на одном активном элементе схему экономичного аналогового портаввода, совмещающего функции инструментального усилителя и фильтра.
Четвертая задача общей проблемы аналоговой электроники, ориентированной на СБИС типа «система накристалле», связана с развитием схемотехники прецизионных функциональнозавершенных устройств как с фиксированными, так и с управляемыми параметрами.Методы их структурного синтеза позволяют создать принципиальные схемы с расширеннымичастотным и динамическим диапазонами, что достигается как структурной, так ипараметрической оптимизацией влияния частоты единичного усиления активныхэлементов на их основные характеристики и параметры. В рамках выполненныхисследований, в частности, показано, что при построении инициализируемыхдвоичным кодом устройств необходимо увеличивать число активных элементов(усилителей), которые совместно с цифроуправляемыми проводимостями позволяютсоздать на базе принципа собственной компенсации устройства с низкой суммарнойчувствительностью к частоте единичного усиления и другим параметрам операционныхусилителей. Указанное обстоятельство позволяет перевести в практическуюплоскость вопрос конкурентоспособности аналоговых портов с фиксированными иуправляемыми параметрами. Несмотря на относительную сложность последних ихэффективность в СБИС может оказаться решающим фактором в процедуре принятиярешения. По крайней мере, существующие алгоритмы цифровой обработки сигналовпоказывают, что за счет более полного использования разрядной сетки иисключения этапа частотной фильтрации можно не только повысить быстродействиесистемы, но и достоверность конечных результатов.
Наконец, и это самое важное на начальном этапе развития проблемно-ориентированныхсистем на кристалле, сложные в аппаратной (компонентной) реализацииинициализируемые, но эффективные аналоговые интерфейсы могут изменить стратегиюпостроения мини-систем. Двух- и трехкристалльные мини-системы будут состоять изпринципиально асимметричных решений – первая СБИС решает задачуаналого-цифрового преобразования на базе сложных портов ввода данных, ихпредварительную обработку, включая и оценку производных, сортировку входныхмасссивов, арбитраж прерываний и т.п. Что касается второй СБИС, то по своемуфункциональному назначению это может быть центральный процессорный элементсистемы. Возможны и другие, более сложные варианты их взаимодействия, но влюбом случае существенное упрощение процедуры синхронизации не только повыситпроизводительность системы в целом, но и снимет ряд проблем на пути повышенияих предельной сложности.
Однако, как и ранее, возможность технологической реализации такогоподхода будет непосредственно зависеть от глубины проработки схемотехническойреализации инициализируемых аналоговых устройств и создания соответствующейбиблиотеки IP модулей.
Следует также выделить задачи аналоговой микросхемотехники, ориентированныена СБИС аппаратуры связи. Здесь ввод данных (сигналов) в SoC-контроллер решается относительнопростыми аппаратными ресурсами. Сравнительно небольшой динамический диапазон,отсутствие необходимости усиливать медленно меняющиеся (близкие к постоянномутоку) аналоговые сигналы существенно упрощают схемотехнические решениясоответствующих узлов и модулей. Однако одновременно с этим обеспечение высокойскорости передачи обрабатываемых данных может заметно усложнить схемотехникупортов вывода, что связано с передачей в линию связи, включая и радиотракт,относительно большой мощности в диапазоне высоких частот. Именно здесьиспользование принципа собственной компенсации влияния проходных емкостейтранзисторов может дать хороший результат.
Сравнение существующих мини- и микроконтроллерных систем показывает, чтоэтот переход заметно сократил число функциональных и математических операций,выполняемых аналоговыми узлами. Несомненно, это сместило «центр тяжести» инегативным образом повлияло на предельные реализационные возможности СБИС врадиоэлектронной аппаратуре. В этой связи с определенной уверенностью можноутверждать, что создание экономичных широкодиапазонных элементов и устройств,образующих функциональный базис современных IP модулей, позволит в SoC-контроллерах, пусть и частично, сохранитьпреимущества гибридных мини-систем обработки аналоговых сигналов. Рассмотренныевыше задачи сведены в таблицу, показанную на рис. 1.
Приведенные выше соображения в области аналоговой микросхемотехники требуютдополнительных комментариев. По данным ведущих зарубежных фирм, занимающихся проектированиеми изготовлением СБИС «система на кристалле», в настоящее время сдерживающимфактором, влияющим на появление на рынке новых поколений этих изделий, являетсявремя разработки IP блоков и соответствующихчипов. И если для решения указанных проблем Texas Instruments и Burr-Brownобъединили свои усилия в единой корпорации, то другие фирмы создали открытые ассоциации,в рамках которых осуществляется обмен этим интеллектуальным продуктом,формирование портфеля заказов как на изготовление, так и на сопровождение СБИС.Основу таких ассоциаций составляют центры проектирования, занимающиесясистемным, схемотехническим и конструкторско-технологическим уровнямипроектирования под определенные производства – кремниевые мастерские.
/>
Рис. 1. Задачи аналоговой микросхемотехники СФ блоков
Указанные и во многом сложившиеся подходы диктуют ряд требований к глубинепроработки аналоговых узлов, блоков, портов и подсистем. В основе лежит принципзавершенности конечного продукта – принципиальная схема должна выполнятьнеобходимые для «системы на кристалле» функции, удовлетворять гамме ограниченийтехнологического характера и, что особенно важно, сопровождатьсясоответствующей топологией. Не только принятие окончательного решения, ноформулирование конкретных задач на схемотехническую модернизацию любогофункционального блока возможно только при условиях как сопоставительногоанализа качественных показателей альтернативных вариантов, так и особенностейих размещения в конкретном слое СБИС, возможности совмещения с другими узламипортов или вспомогательных устройств микросистемы.
Сказанное выдвигает следующие основные внутренние этапы развитияаналоговой микросхемотехники. Во-первых, теория построения экономичныхширокодиапазонных каскадов и блоков должна сопровождаться оценкой предельныхвозможностей и качественных преимуществ любой конфигурации для существующихтехнологий (КМОП, БиМОП, Si/Ge ….). Здесь в качестве доминирующегокритерия должна выступать площадь кристалла и ее процентное соотношение ктрадиционным схемным решениям. Во-вторых, на базе существующих принциповкомпенсации необходимо ответить на вопрос о возможности использования полевыхтранзисторов, используемых в цифровой электронике в их различных комбинацияхдля построения качественных усилительных каскадов. Только сопоставлениеплощадей подложек и потребляемой мощности позволит правильно ориентироватьсхемотехнику не только узлов, но и СФ блоков. Однако практика применения РЭАтребует создания ИС и БИС, функционирующих в условиях сильных дестабилизирующихфакторов. Решение этой задачи чаще всего целесообразно в рамках микронныхтехнологий. Именно здесь наиболее ярко проявляются принципы как собственной,так и взаимной компенсации. При этом сочетание этих подходов на компонентномуровне и на уровне функциональных устройств позволяет реализовать аналоговые ианалогоцифровые ИС с качественными показателями, не соответствующимисубмикронным аналогам.
В-третьих, все альтернативные варианты необходимо апробировать на принципиальныхсхемах базовых активных элементов, которые могут при определенных сочетанияхтехнических и технологических параметров получить самостоятельное для решенияконечной задачи значение. Наконец, развитие микросхемотехники на функциональномуровне должно в полной мере учитывать не только выявленные ранее ограничения напараметры активных элементов, но, что особенно важно, ограничения на номиналы икласс точности пассивных элементов или их части. Здесь уместно отметитьследующее. При построении активных фильтров аналоговых портов для эффективногоиспользования как активных, так и пассивных компонентов приходится использоватьдостаточно прецизионные внекристалльные конденсаторы, поэтому внешние выводы ихподключения должны характеризоваться небольшим внутренним сопротивлением, и ихсуммарная емкость должна удовлетворять вполне определенному неравенству. Однаковсегда необходимо провести анализ альтернативного варианта с низкойэффективностью использования полосы пропускания и порядка такого устройства. Вклассе развития функционального уровня аналоговой микросхемотехники необходимопродолжать поиск новых типов активных элементов, интегрально вписывающихся вфункциональное назначение СФ блока и позволяющих уменьшить число активных ипассивных компонентов цепи. Примером сказанного являются мультидифференциальныеоперационные усилители и соответствующие им устройства.
/>Конечно, приведенные соображения о месте аналоговоймикросхемотехники в решении задач создания СБИС типа «система на кристалле» неявляются исчерпывающими, но динамика развития этого важного направлениямикроэлектроники показывает, что без их детального анализа и поискаальтернативных направлений сложно надеяться на эффективное использованиедостижений субмикронной технологии.
Библиографический список
1. Айзерман, М.А. Онекоторых структурных условиях устойчивости систем автоматическогорегулирования [Текст] / М.А. Айзерман // Автоматика и телемеханика. – 2008. –Т. 9, № 2.
2. Айзинов, М.М.Избранные вопросы теории сигналов и теории цепей [Текст] / М.М. Айзинов. – М.:Связь, 2010. – 348 с.
3. Анисимов, В.И.Операционные усилители с непосредственной связью каскадов [Текст] / В.И.Анисимов, М.В. Капитонов, Н.Н. Прокопенко, Ю.М. Соколов. – Л.: Энергия, 2009.– 148 с.
4. Балабанян, Н.Синтез электрических цепей [Текст] / Н. Балабанян; под ред. Г.И. Атабекова. –М.: Госэнергоиздат, 2008. – 416 с.
5. Блажкевич, Б.И.Использование алгебры логики совместно с методом направленных графов длясинтеза трехполюсных подсхем [Текст] / Б.И. Блажкевич, А.Ю. Воробкевич, Е.Д.Михайлова // Теоретическая электротехника. – 2010. – Вып. 10. – С. 56–68.
6. Блажкевич, Б.И.Топологический метод поиска минимальных структур RLC-цепей [Текст] / Б.И.Блажкевич, Е.Д. Михайлова // Теоретическая электротехника. – 2006. – Вып. 14. –С. 14–19.
7. Блажкевич, Б.И.Физические основы алгоритмов анализа электронных цепей [Текст] / Б.И.Блажкевич. – Киев: Наукова думка, 2009. – 240 с.
8. Богатырев, В.Н.Проектирование и разработка ОУ на основе КМОП КНИ технологии [Текст] / В.Н.Богатырев [и др.] // Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем: материалы Всерос. науч.-техн. конф. – Подмосковье, 2007. – С. 290–297.
9. Бунза, Дж.Основные направления развития автоматизации проектирования в 1990-х годах[Текст] / Дж. Бунза, Г. Хоффман, Эд. Томсон // Электроника. – 2010. – № 2. – С.39–47.
10. Виляев, Л.Ю. Аналого-цифровой БМК«Рапира» и библиотека функциональных элементов на его основе [Текст] / Л.Ю.Виляев, Ю.Н. Владимиров, В.В. Полевиков, И.Н. Шагурин // Актуальные проблемымикроэлектроники и твердотельной электроники: труды IV Всерос. НТК с междунар.участием. – 2007. – С. 123–124.
11. Гадахабадзе, Н.Г. Оптимальноепроектирование электронных схем методом />-преобразований [Текст] / Н.Г.Гадахабадзе, Н.К. Джибладзе, В.К. Чичинадзе // Автоматика и телемеханика. –2007. – № 4. – С. 86–94.
12. Гантмахер, Ф.Р.Теория матриц [Текст] / Ф.Р. Гантмахер. – М.: Наука, 2006. – 576 с.
13. Гехер, К. Теория чувствительности идопусков электронных цепей [Текст] / К. Гехер. – М.: Сов. радио, 2008. – 315с.