give us a call:
О.В. Дворников, главный научный сотрудник,
В.Л. Дятлов, младший научный сотрудник
В.А. Чеховский, старший научный сотрудник
Создание специализированных аналоговых микросхем – перспективное направление обеспечения конкурентоспособности радиоэлектронной аппаратуры. Часть 1. Концепция развития аналоговых микросхем в ОАО «МНИПИ»
Введение
В современной радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) часто применяют цифровую обработку сигналов. В то же время информация, поступающая из окружающего нас мира, имеет непрерывную (аналоговую) природу, что обуславливает необходимость осуществления аналого-цифрового преобразования сигналов. В большинстве случаев непосредственное соединение датчика, преобразующего внешние физические воздействия в электрические сигналы, с серийно выпускаемым аналого-цифровым преобразователем (АЦП) приводит к потере части информации. Это связано с тем, что АЦП проектируются максимально универсальными и не учитывается специфика параметров реальных источников сигналов. Таким образом, высококачественная система обработки информации должна содержать прецизионный аналоговый интерфейс между датчиком и цифровыми устройствами. Аналоговый интерфейс осуществляет предварительную обработку поступающей информации, увеличивает отношение сигнал/шум, вырабатывает управляющие сигналы [1-3]. Реализация аналоговых интерфейсов на основе универсальных интегральных схем (ИС) малой степени интеграции: операционных (ОУ) и дифференциальных усилителей (ДУ), компараторов, источников опорного напряжения, фильтров и др., - увеличивает энергопотребление, массу, габариты, снижает надежность, требует сложной настройки и в конечном итоге может существенно повысить себестоимость аппаратуры. Кроме того, при применении универсальных ИС возможно несанкционированное повторение оригинальных конструктивно-схемотехнических решений, а некоторые высококачественные импортные ИС просто недоступны. Указанные причины приводят к тому, что разработчики РЭА стремятся реализовать аналоговый интерфейс на одной полупроводниковой пластине с цифровой системой или в виде специализированной аналоговой ИС.
Целью докладов является анализ проблем проектирования аналоговых ИС и рассмотрение концепции развития специализированных аналоговых микросхем в ОАО «МНИПИ».
Способы и проблемы реализации аналоговых микросхем
В настоящее время не существует метода проектирования, гарантирующего одновременно высокий уровень технических характеристик ИС, их малую себестоимость при серийном производстве и простоту, сжатые сроки, невысокие затраты на выполнение разработки. Каждый из методов проектирования имеет свои преимущества и недостатки, и конкретный выбор метода в значительной степени зависит от предполагаемых объемов производства ИС.
Можно выделить три основных направления реализации специализированных аналоговых ИС [4]:
- заказные ИС, разрабатываемые на уровне активных и пассивных элементов с привлечением, при необходимости, ранее апробированных узлов и блоков или функционально-завершенных блоков и макроблоков, так называемых IP-компонентов;
- полузаказные ИС (программируемые изготовителем) на базовых матричных кристаллах (БМК) и базовых структурных кристаллах (БСК);
- программируемые (потребителем) аналоговые ИС (ПАИС).
При создании заказных ИС проектируют полный комплект шаблонов, что позволяет наиболее полно использовать возможности полупроводниковой технологии с целью получения требуемых параметров и максимально плотной упаковки, обеспечивающей минимальную площадь и себестоимость кристалла при массовом производстве. Однако такой процесс проектирования требует значительных невозвратных затрат на разработку, которые окупаются только при большой серийности продукции или при изготовлении высококачественных ИС для дорогостоящей РЭА.
Для уменьшения материальных затрат на подготовку производства и изготовление заказных микросхем часто применяют следующие методы [5]:
- размещение на одном фотошаблоне и одновременное изготовление нескольких ИС, включая изделия, предназначенные для разных потребителей (Multy Project Wafer, MPW- метод);
- размещение на одном фотошаблоне топологий нескольких слоев и поочередное использование разных участков фотошаблона при формировании разных слоев (Multy Layer Mask, MLM - метод).
К сожалению, применение MPW- и MLM- методов приводит к зависимости срока начала изготовления микросхем от наличия заказов других предприятий и недопустимо для ряда отраслей промышленности (ракетно-космической и военной техники, ядерной энергетики и др.).
Концепция БМК предполагает предварительное изготовление полупроводниковых пластин со сформированной матрицей несоединенных базовых ячеек, а также наличие библиотеки стандартных элементов и комплекса программ для схемотехнического и топологического проектирования полузаказных ИС [4, 6]. Каждая базовая ячейка состоит из несоединенных активных и пассивных элементов, соединения между которыми выполняют на предприятии-изготовителе ИС (в так называемой кремниевой мастерской). Программирование БМК осуществляется формированием дополнительных технологических слоев межсоединений (металлизации) и межслойных контактов. Для этого необходима разработка и изготовление дополнительных шаблонов, количество которых гораздо меньше, чем для заказных ИС. Библиотека элементов содержит всю необходимую для проектирования информацию, а именно: схему электрическую принципиальную, результаты измерений или моделирования параметров, топологические чертежи. В значительной степени состав библиотеки определяется экспертным путем и включает те элементы, которыми привыкли оперировать разработчики аналоговых систем на основе ИС малой и средней степени интеграции. Элементы библиотеки спроектированы для конкретного БМК, поэтому топологические чертежи содержат только слои специализации, и применение элементов библиотеки возможно в БМК с одинаковой структурой ячейки. Библиотека элементов и комплекс программ проектирования доступны потребителям. В результате проектирование полузаказной ИС может осуществляться как в центре проектирования (дизайн-центре), так и на предприятии, разрабатывающем РЭА, на уровне элементов БМК и/или элементов библиотеки, но изготовление всегда происходит в кремниевой мастерской.
Универсальность БМК обуславливает их широкое распространение. К сожалению, существующие БМК не в полной степени удовлетворяют разработчиков аналоговых микросхем, так как:
- содержат большое количество КМОП-элементов, применение которых в аналоговых устройствах ограничено из-за высокого уровня низкочастотных шумов и вносимых статических погрешностей [4];
- используют избыточные для ряда применений конструктивные решения, увеличивающие стоимость изготовления полупроводниковых кристаллов;
- во многих БМК отсутствуют активные элементы для синтеза малошумящих аналоговых устройств;
- все БМК российского производства характеризуются относительно низкой граничной частотой биполярных транзисторов (БТ).
Основное отличие БСК от БМК заключается в том, что в БСК некоторые соединения элементов выполнены заранее [7]. Таким образом, структурные ИС представляют собой спроектированную и изготовленную полупроводниковую пластину, обычно содержащую блоки памяти, интерфейс ввода-вывода, функциональные аналоговые блоки и матрицу несоединенных элементов. Для специализации БСК также используются дополнительные шаблоны, но проектирование выполняется на уровне блоков. При этом часто указывают, что БСК имеют архитектуру «море модулей» по сравнению с «морем вентилей» многих БМК.
Использование в БСК и БМК ранее апробированных блоков уменьшает риск проектирования и снижает требования к квалификации разработчиков ИС, а наличие до начала этапа проектирования почти полностью сформированных полупроводниковых пластин сокращает время изготовления полузаказных ИС. Исходные пластины БМК и БСК изготавливаются массовым способом, что уменьшает их себестоимость.
Существенное улучшение качества полузаказных ИС возможно только при создании новых технологических маршрутов их изготовления. Следует заметить, что в настоящее время основными направлениями совершенствования технологий изготовления аналоговых ИС являются [8]:
- увеличение граничной частоты (fT);
- уменьшение ширины эмиттера для уменьшения рабочего тока, соответствующего максимуму fT;
- формирование высококачественных пассивных элементов – конденсаторов с высокой удельной емкостью и малыми токами утечки, высокоомных резисторов с малой паразитной емкостью, индуктивностей с высокой добротностью;
- увеличение количества уровней межсоединений доступных при проектировании топологии;
- выработка новых критериев качества БТ вместо традиционных, включающих максимум fT, величину пробивного напряжения коллектор-эмиттер BVCEO и коллектор-база BVCBO;
- развитие, так называемого, «разумного производства», которое предполагает блочное построение технологического маршрута изготовления микросхем с возможностью выбора заказчиком определенного количества типовых блоков для реализации требуемого набора параметров ИС и исключения из маршрута избыточных блоков технологических операций.
Хотя в «дорожной карте» развития микроэлектронных технологий [8] запланировано увеличение граничной частоты транзисторов в 2014 г до сотен гигагерц при обеспечении рабочего напряжения коллектор-эмиттер около 1,5 В, в ряде устройств сотовой и беспроводной связи, операционных усилителях, датчиках, измерительных приборах целесообразно применение транзисторов с fT <10 ГГц при увеличенном до 10 В допустимом напряжении на промежутке коллектор-эмиттер.
Именно такие транзисторы рекомендуется применять в БМК, где фиксированное расположение на полупроводниковой пластине активных и пассивных элементов приводит к невозможности формирования соединений минимальной длины и согласующих высокодобротных LC-цепей и, таким образом, чрезвычайно затрудняет эффективное использование высокой граничной частоты транзисторов. Кроме того, применение в БМК транзисторов с очень высокой граничной частотой, но малым допустимым напряжением коллектор-эмиттер, ограничивает область применения, снижает универсальность БМК и значительно усложняет окупаемость затрат на разработку БМК и аналоговых ИС на нем.
ПАИС [9, 10] по способам специализации подобны широко известным программируемым логическим ИС (ПЛИС). В ПАИС задание требуемых аналоговых функций осуществляется потребителем программным путем без участия кремниевой мастерской и дизайн-центра. ПАИС при минимальных затратах обеспечивают максимальную гибкость проектирования, в частности быструю специализацию требуемых функций, программное изменение характеристик, возможность неоднократного перепрограммирования. Это уменьшает риск проектирования, позволяет экспериментально апробировать несколько вариантов одного изделия, предоставляет уникальную возможность получения отличающихся функций и/или параметров в различные моменты времени на одной и той же ИС путем изменения управляющей информации.
Недостатком всех программируемых ИС является низкая экономическая эффективность при средней и большой серийности выпуска, что связано с 3–5-кратной избыточностью их элементов. Универсальность ПАИС затрудняет, а во многих случаях исключает реализацию прецизионных аналоговых характеристик. Даже основное преимущество (возможность многократного перепрограммирования) может ограничить их применение в жестких условиях эксплуатации, так как допускает появление дефектов самопроизвольного изменения внутренних связей.
Кроме того, необходимо учитывать, что стоимость зарубежных программируемых ИС для жестких условий эксплуатации в десятки-сотни раз превышает стоимость аналогичных ИС коммерческого исполнения, а их применение в ряде изделий специального назначения ограничено нормативными документами. Таким образом, на ПАИС можно быстро и эффективно провести макетирование аналогового интерфейса, пригодного только для обеспечения требуемого функционирования. В дальнейшем такое изделие рекомендуется оптимизировать и реализовать на отечественном БМК или в виде заказной ИС.
Концепция развития специализированных аналоговых микросхем
Проведенный специалистами ОАО «МНИПИ» анализ позволил выработать концепцию развития специализированных аналоговых ИС, в соответствии с которой необходимо:
I. Определить вид аналоговых микросхем, проектирование которых предполагается в рамках концепции, т.е. «рыночную нишу» создаваемой продукции.
С нашей точки зрения, наиболее экономически целесообразным для рынков России и Беларуси является разработка и поставка малых партий специализированных ИС для средств измерений и преобразователей физических величин, содержащих:
- радиационно-стойкие, малощумящие усилители;
- фотоприемники оптического излучения;
- детекторы частиц и ионизирующих излучений;
- чувствительные элементы датчиков.
II. На основе существующего технологического маршрута (БиПТП) изготовления БТ и полевых транзисторов с p-n-переходом и каналом p-типа (p-ПТП) разработать радиационно-стойкий БМК и библиотеку схемно-топологических решений основных аналоговых компонентов.
III. Исследовать изменение характеристик элементной базы при воздействии проникающей радиации, температуры, сформулировать подход к проектированию радиационно-стойких ИС и аналоговых микросхем, работающих при предельно низких температурах.
IV. Провести работы по созданию нового блочного технологического маршрута (КБТ), обеспечивающего формирование на одной пластине комплементарных высокочастотных БТ и p-ПТП.
V. На основе КБТ- технологического маршрута разработать БСК, ориентированный на изготовление аналоговых интерфейсов датчиков, и новый радиационно-стойкий БМК.
Литература
1. Дворников, О. Особенности аналоговых интерфейсов датчиков. Часть 1 / О. Дворников, В. Чеховский, В. Дятлов, Н. Прокопенко // Современная электроника. – 2013. – № 2. – С. 44–49.
2. Дворников, О. Особенности аналоговых интерфейсов датчиков. Часть 2 / О. Дворников, В. Чеховский, В. Дятлов, Н. Прокопенко // Современная электроника. – 2013. – № 3. – С. 58–63.
3. Дворников, О. Интерфейсы датчиков для систем на кристалле / О. Дворников, В. Чеховский, В. Дятлов, Н. Прокопенко // Современная электроника. – 2013. – № 8. – С. 40–47.
4. Абрамов, И.И. Проектирование аналоговых микросхем для прецизионных измерительных систем / И.И. Абрамов, О.В. Дворников. – Минск: Акад. упр. при Президенте Респ. Беларусь, 2006. – 286 с.
5. Адамов, Д. Эффективная разработка и производство мелкосерийных заказных СБИС / Д. Адамов // Современная электроника. – 2011. – № 4. – С. 10-12.
6. Прокопенко, Н.Н. Элементная база радиационно-стойких информационно-измерительных систем / Н.Н. Прокопенко, О.В. Дворников, С.Г. Крутчинский. ФГБОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т. экономики и сервиса». – Шахты: ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС». - 2011. – 208 с.
7. Дворников, О. Применение структурных кристаллов для создания интерфейсов датчиков / О. Дворников, В. Чеховский, В. Дятлов, Н. Прокопенко // Современная электроника. – 2014. – № 1. – С. 32–37.
8. International technology roadmap for semiconductors. 2011 Edition. RF and Analog Mixed-Signal Bipolar Technology Requirements.
9. http://www.anadigm.com.
10. Стешенко В.Б. Практика автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств. – М.: Нолидж, 2002. – 768 с.
