на правах рукописи
КОВБАСЮК Николай Васильевич
Архитектура и схемотехника
аналоговых микросхем
с собственной и взаимной
компенсацией импедансов
Специальность:
05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники
и систем управления
автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
ШАХТЫ 2009
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» (г. Шахты) на кафедре «Информационные системы и радиотехника» и Проблемной лаборатории перспективных технологий и процессов ЦИПБ РАН.
Научный руководитель: доктор технических наук,
профессор
Прокопенко Николай Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор
Лачин Вячеслав Иванович
кандидат технических наук,
доцент
Горячев Александр Вадимович
Ведущая организация: Федеральное государственное
унитарное предприятие
«Научно-исследовательский
институт микроэлектронной
аппаратуры «Прогресс» (г. Москва)
Защита состоится «9» октября 2009 г. в 1420 часов на заседании специализированного совета Д-212.208.21 по защите диссертаций при Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге (аудитория Д-406) по адресу: пер. Некрасовский, 44, ГСП-17А, г. Таганрог, Ростовская область, 347928.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таганрогского технологического института Южного федерального университета.
Автореферат разослан «4» сентября 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор Н.И. Чернов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Показатели уровня качества достаточно широкого класса устройств автоматики, приборостроения и связи существенно зависят от динамических параметров их базовых функциональных аналоговых узлов – операционных усилителей, широкополосных усилителей переменного тока, НЧ-усилителей мощности и драйверов линий связи, видеоусилителей и т.д. Совершенствованию микросхем данного класса уделяется большое внимание фирмами Maxim, Analog Devices, Philips, Harris, Texas Instruments и др., которые в настоящее время доминируют в России на рынке микроэлектронных изделий.
Внедрение дорогостоящей субмикронной технологии ведущими западными фирмами показало, что, в отличие от цифровых микросхем, где ужесточение технологических норм привело к существенному повышению производительности при практически неизменной потребляемой мощности, в аналоговых интегральных схемах этого результата достигнуть не удалось.
Обеспечить относительную независимость отечественных систем управления и технической диагностики изделий путем выпуска необходимой номенклатуры аналоговых микросхем можно и на уровне микронной технологии, которая имеет невысокую стоимость изделий и в настоящее время поддерживается рядом отечественных предприятий. Указанную проблему в ряде случаев удается решить 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. Актуальна эта задача и для новейших SiGe технологических процессов.
В этой связи исследования, направленные на разработку экономичных (с точки зрения энергопотребления) схемотехнических методов улучшения динамических параметров различных операционных преобразователей аналоговых сигналов по традиционным и новым технологиям, следует отнести к числу актуальных, имеющих большое значение для разработки аналоговых интерфейсов устройств автоматики и вычислительной техники нового поколения.
Теоретической основой этого направления являются результаты, полученные в работах С.Г. Крутчинского. Они позволяют создать принципиальные схемы с собственной и взаимной компенсацией влияния паразитных параметров полупроводниковых компонентов на характеристики и параметры аналоговых устройств: коэффициент усиления по напряжению, входное сопротивление, верхнюю граничную частоту, э.д.с. смещения нуля, входные токи и т.п.
Степень разработанности темы. Основы собственной и взаимной компенсации в аналоговых электронных схемах разрабатывались в трудах д.т.н., проф. С.Г. Крутчинского, прикладные вопросы применительно к построению широкополосных аналоговых и аналогово-цифровых устройств рассматривались в исследованиях научной школы д.т.н., проф. В.И. Анисимова (СПбЭТУ), д.т.н., проф. Н.Н. Прокопенко (ЮРГУЭС), а также зарубежных специалистов – О.В. Дворникова (НПО «Интеграл», Белоруссия) и др.
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 параметров.
Основные задачи исследования.
Для достижения указанной цели необходимо решение следующих частных задач:
Обосновать архитектурные решения и способы минимизации влияния на динамические параметры микросхем доминирующих паразитных параметров активных многополюсников в основных функциональных узлах аналоговых микросхем различного назначения.
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.
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.
Методы исследования. В работе использованы методы сигнальных графов, операторный метод анализа передаточных характеристик цепей, классические методы теории цепей. Экспериментальные исследования выполнены на ЭВМ с применением программ моделирования электронных схем в средах PSpice, Cadence и адекватных моделей компонентов ведущих фирм России (ФГУП НПП «Пульсар»), Белоруссии (НПО «Интеграл») и Германии (IHP).
Положения, выносимые на защиту:
Способы параллельно-балансной, мостовой и многоканальной компенсации паразитных импедансов, позволяющие синтезировать принципиальные схемы аналоговых устройств различного функционального назначения с расширенным частотным диапазоном.
Архитектура и схемотехника функциональных узлов аналоговых микросхем, обеспечивающие повышение на 1-2 порядка их коэффициента усиления по напряжению и входного сопротивления за счет использования методов cобственной и взаимной компенсаций импедансов.
Способы построения составных транзисторных многополюсников аналоговых микросхем с компенсацией импеданса коллекторного перехода входного и выходного транзисторов.
Научная новизна работы определяется следующими теоретическими результатами:
Способы построения двухкаскадных дифференциальных усилителей, обладающих повышенным коэффициентом усиления по напряжению за счет эффекта компенсации проводимости нагрузки.
Схемно-топологические способы компенсации паразитных емкостей активных компонентов, способствующие расширению малосигнальной полосы пропускания в 5-6 раз для микронных технологий ФГУП НПП «Пульсар» и в 1,6 раз для SiGe технологий института IHP (Германия), внедряемых в России.
Архитектура дифференциальных усилителей, в которых применен способ взаимной компенсации выходных проводимостей применяемых токовых зеркал, повышающей предельный коэффициент усиления по напряжению на 15÷30 дБ.
Базовая схемотехника функциональных узлов аналоговых микросхем с собственной и взаимной компенсацией паразитных параметров транзисторов, ориентированных на микроэлектронное исполнение с использованием отечественных технологических норм.
Практическая значимость диссертационной работы определяется тем, что результаты проведенных исследований используются при проектировании аналоговых узлов устройств автоматики, вычислительной техники и систем управления.
Разработанные и теоретически обоснованные архитектурные решения и способы компенсации паразитных импедансов активных многополюсников могут стать основой для разработки аналоговых микросхем нового поколения с более высокими качественными показателями (5÷100 раз) по частотному диапазону, коэффициенту усиления, энергопотреблению и т.п. Применение рассмотренных приемов собственной и взаимной компенсации позволяет (за счет введения структурной избыточности в виде специальных компенсирующих каналов) разрабатывать аналоговые устройства, обеспечивающие улучшение их основных качественных показателей.
Использование результатов проведенных исследований на предприятиях микроэлектроники при проектировании аналоговых устройств различного назначения позволит улучшить технические характеристики изделий, сократить сроки их разработки и повысить потребительские качества.
Достоверность результатов исследования научных положений, выводов и результатов, сформулированных в диссертации, подтверждается результатами математического анализа, включая анализ практических схем, логическими выводами, компьютерным моделированием с применением сред типа PSpiсe и Cadence, экспериментальными исследованиями опытных образцов, публикациями, патентами, апробацией на конференциях, научно-технических выставках инновационных работ.
Реализация результатов работы. Основные исследования, которые представлены в диссертации, проводились в рамках следующих научно-технических проектов кафедры «Информационные системы и радиотехника» ЮРГУЭС и Проблемной лаборатории перспективных технологий и процессов ЦИПБ РАН и ЮРГУЭС в 2006–2009 гг.:
генерального соглашения о научно-техническом сотрудничестве ЮРГУЭС с ФГУП НПП «Пульсар» (г. Москва, 2008 г.);
контракта П507–НК–94П(3) ФЦП «Кадры» «Теоретические основы собственной и взаимной компенсации импедансов и их практические приложения в прецизионных аналоговых микросхемах для систем управления, технической диагностики и телекоммуникаций нового поколения» (2009 г.);
проекта РНП.2.1.2.75 АВЦП Рособразования «Теоретические основы проектирования прецизионных аналоговых микросхем и аналоговых функциональных узлов IP-модулей с предельными значениями динамических параметров» (2006–2009 гг.);
проекта 14.07.ХД по договору № SHKT/R&D/48/2007 от 1.04.07 г. с фирмой Intel (США) «Разработка сложных радиочастотных блоков на основе технологии SiGe для современных беспроводных систем связи» (2007 г.);
проекта РНП.2.1.2/1127 АВЦП Рособразования «Теоретические основы проектирования нелинейных и управляемых СФ-блоков для СВЧ систем связи и телекоммуникаций нового поколения» (2009 г.);
проекта 10.09.Ф. АВЦП Рособразования «Теоретические проблемы обеспечения радиационной стойкости аналоговых интегральных микросхем» (2009 г.).
Научные и практические результаты диссертации использовались при проектировании аналоговых микросхем нового поколения в лаборатории № 423 ФГУП НПП «Пульсар» (г. Москва, акт использования от 28.09.07 г.) и НТК ОАО «МНИПИ» (г. Минск, Республика Беларусь, акт внедрения от 28.08.09 г.).
Результаты проекта РНП 2.1.2.75, в котором автором диссертации подготовлены разделы № 1, 7.2, т. 1; № 2.1, 2.6, 5, 9, т. 2; № 1, 6, т. 3, решением Правления Российского союза разработчиков и производителей микроэлектронных систем (СПМ) от 12.11.07 г., а также руководством Межотраслевого центра проектирования ФГУП НИИМА «Прогресс» (г. Москва) рекомендованы для распространения среди предприятий – членов Союза (отзыв по проекту РНП 2.1.2.75 от 19.11.07 г. директора ФГУП НИИМА «Прогресс» д.т.н., проф. В.Г. Немудрова).
По заключению СПМ к числу результатов, представляющих наибольший практический интерес для предприятий СПМ, в частности, относятся:
1. Архитектура и схемотехника принципиальных схем усилителей и функциональных преобразователей с собственной компенсацией влияния паразитных емкостей полупроводниковых компонентов на граничные частоты сложных функциональных блоков.
2. Архитектура и схемотехника широкополосных дифференциальных усилителей с повышенным коэффициентом усиления, низким токопотреблением и малыми входными токами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на следующих конференциях, семинарах, выставках инновационных работ: «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем» (г. Москва, Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, 2006 г.); 2st IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communication, Moscau, Russia, June, 2004. – Moscau, 2004; «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (X Международная научная конференция и школа-семинар, г. Таганрог, ТРТУ, 2006); «Радиолокация, навигация, связь» (XIII международная научно-техническая конференция, Воронеж, 2007 г.); «Альтернативные естественно возобновляющиеся источники энергии и энергосберегающие технологии, экологическая безопасность регионов» (выездная сессия секции энергетики отделения энергетики, машиностроения и процессов управления РАН, 12–15 апреля 2005 г., научный руководитель академик РАН Я.Б. Данилевич); II и III специализированные выставки инноваций «Высокие технологии XXI века» (г. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 19–20 мая 2005 г. и 22–24 мая 2007 г.); ежегодных международных научно-практических семинарах «Актуальные проблемы аналоговой микросхемотехники» (г. Шахты, ЮРГУЭС, 2003–2009 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 66 печатных работ, из которых 51 статья в трудах всероссийских и международных научно-технических семинаров и конференций, 2 статьи и 11 патентов Российской Федерации в изданиях, рекомендуемых ВАКом, 2 монографии.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа изложена на 256 страницах. Список литературы включает 165 источников.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи, которые необходимо решить для ее достижения, приведено краткое содержание глав.
В первой главе рассматриваются свойства и архитектура известных и предлагаемых цепей собственной и взаимной компенсации паразитных импедансов и паразитных токовых координат (тока базы, тока утечки на подложку и т.д.) одиночных транзисторов и транзисторных каскадов. Для реализации принципов собственной и взаимной компенсации импедансов в транзисторных схемах (рис. 1а, б) вводится некоторая структурная избыточность (каналы компенсации) – усилитель напряжения (УН1) или усилитель тока (УТ1).
|
|
а)
|
б)
|
Рис. 1. Способы компенсации импеданса двухполюсника R1
|
Первый (рис. 1а) хорошо известный способ компенсации импеданса R1 основан на введении между его выводами 1 и 2 неинвертирующего компенсирующего усилителя напряжения УН1. Если его коэффициент передачи по напряжению Ku близок к единице, то эффективная (результирующая) проводимость между узлом 1 и общей шиной может принимать малые значения:
 . (1)
 Предлагаемый способ компенсации импеданса R1 реализуется с помощью усилителя тока УТ1 (рис. 1б), который выполняет прецизионное измерение координаты iR двухполюсника R1 и передачу iR во входную цепь (узел 1). В результате суммирования в узле 1 двух близких по величине, но противоположных по направлению токов iR и ioc=iRKi происходит их взаимная компенсация.
Обоснованы графики функций относительной эффективной проводимости  ,  в структурах рис. 1 при разных параметрах Ku=Ki=Ku(i)=0;0,5;0,8;0,9 (рис. 2), где  ,  .
Разработан способ взаимной компенсации импеданса многополюсника на основе использования его изолированной модели (рис. 3а), который основан на подключении к объекту компенсации (многополюснику М1), имеющему паразитный импеданс R1, двух идеальных неинвертирующих усилителей напряжения (УН1) и тока (УТ1). |
