Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1979/D19790215Elc044.shtml

Аналоговые интегральные схемы

Мокхофф (N.Mokhoff)
Редакция Electronics

N.Mokhoff. Perfomance barries fall to unique linear designs, pp.129-133

Взаимодействие современных сложных цифровых процессоров с миром аналоговых величин требует сложного оборудования для их сопряжения, и важность, которая придается этим вопросам, отражается в том, что на конференции нынешнего года организовано четыре полных заседания, не считая многочисленных сообщений, рассеянных по другим секциям. На двух заседаниях, посвященных сбору данных, например можно было услышать о множестве высококачественных аналого-цифровых и цифроаналого-вых преобразователей, а также о двух интерес- ных линейных схемах, предназначенных для работы с преобразователями. Другие аналоговые микросхемы нашли применение в электронных музыкальных инструментах и связном оборудовании, причем особенно большая активность наблюдается в области конструирования фильтров.


Рис.А. Современные 12-разрядные преобразователи. На рисунке показаны: (а) быстродействующий цифроаналоговый преобразователь фирмы Advanced Micro Devices содержащий резисторы, созданные диффузией на той же подложке, что и активные элементы, причем при 13 разрядах достигнуты полная монотонность и время установления 250 нс; (б) аналого-цифровой преобразователь фирмы Matsushifa Electrical Industrial Co., изготовленный с использованием трех видов технологии: инжекционной логики Биполярных транзисторов, получаемых на тех же операциях диффузии, и МОП-транзисторов; (в) интегрирующий аналого-цифровой преобразователь фирмы Nippon Electric Co с улучшенным отношением сигнал/шум, уменьшенной емкостью внешнего конденсатора и полосой 2 МГц

Объединение по оборонным и космическим системам фирмы TRW (Редондо-Бич, шт.Калифорния) работает над полностью параллельным 8-разрядным аналого-цифровым преобразователем с частотой выборки до 35 МГц. Традиционная схема дискретизации и хранения отсутствует, а ее функции выполняют 255 сложных стро-бируемых компараторов и связанная с ними логика. Опорные напряжения, различные для каждого компаратора, и входной сигнал подаются на все компараторы одновременно. Когда компараторы переводятся из режима дискретизации в режим хранения, каждый из них сохраняет свой результат сравнения. Логические вентили обрамления формируют код вида «1 из 256» и переводят его в 8-разрядное слово. Быстродействие, соответствующее частоте выборки 35 МГц, достигнуто благодаря применению во всех цепях токовых логических схем, изготовленных по оригинальной биполярной технологии фирмы TRW с трехкратной диффузией, которая дает также повышенный выход годных изделий. Кристалл размером 6,5*6,7 мм содержит 17000 активных элементов.

12 разрядов

При создании новой схемы 12-разрядного аналого-цифрового преобразователя, работающего методом последовательных приближений, исследователи Калифорнийского университета (Беркли), напротив, использовали лишь обычную технологию. Помимо стандартных n-канальных МОП-транзисторов с металлическими затворами, схема содержит цепной резистивный делитель, равномерно разбивающий опорное напряжение на ряд интервалов, и матрицу МОП-конденсаторов с взвешенными емкостями для последующего деления каждого из этих интервалов на 256 уровней (рис.1).

Преобразователь с резистивной и конденсаторной матрицами. Резисторы делят весь диапазон преобразуемых напряжений на 8 интервалов, каждый из которых де
Рис.1. Преобразователь с резистивной и конденсаторной матрицами. Резисторы делят весь диапазон преобразуемых напряжений на 8 интервалов, каждый из которых делится затем матрицей конденсаторов еще на 256 уровней. Коммутация конденсаторов в матрице производится по методу последовательного приближения.

Выборка входного напряжения для запоминания его на конденсаторах матрицы выполняется путем замыкания ключа между входом и выходом компаратора. Затем отыскивается отвод резистивного делителя, соответствующего величине выборки, и после того, как этот отвод найден, осуществляется процедура последовательного приближения. Исследователи заявляют, что им удалось устранить погрешности смещения путем использования ключей на МОП-транзисторах для коммутации матриц.

Что касается изготовления, то 9-кОм резистивный делитель формируется в ходе обычной диффузии в области стока и истока n-МОП-интегральной схемы, а конденсаторы матрицы емкостью по 50 пФ образованы между металлом и дуффузионными стоковыми и истоковы-ми областями, причем площади, занимаемые ими, заданы танкой окисной пленкой. Для 12-разрядного преобразования отведено 25 мкс — этого достаточно для прекращения переходных процессов во всех RC-цепях.

Комбинированная технология

В двух докладах из Японии детально освещены конструкции 13-разрядного преобразователя, предназначенного для применения в устройствах импульсно-кодовой модуляции, и 12-разрядного аналого-цифрового интегрирующего К/МОП-преобразователя с одновременным интегрированием сигнального и опорного токов. Чтобы разместить на кристалле все элементы, необходимые для осуществления полного 13-разрядного преобразования (рис.2), фирма Matsushita Electric Industrial Co. воспользовалась новым технологическим процессом, который сочетает три технологии: р-канальную МОП-технологию для схемы дискретизации и хранения, интегральную инжекционную логику (И2Л) для компаратора и схем управления и процесс имплантации ионов для высококачественных npn-транзисторов выходных логических буферов. На самом же деле р-МОП-схемы тоже сформированы ионным легированием, чтобы влияние на характеристики биполярных транзисторов было минимальным, а И2Л-схемы изготовлены на тех же этапах диффузии, что и биполярные транзисторы.

Три процесса в одной технологии. Предложен новый способ изготовления ИС, при котором на одной пластине формируются высокочастотные npn-транзисторы, ин
Рис.2. Три процесса в одной технологии. Предложен новый способ изготовления ИС, при котором на одной пластине формируются высокочастотные npn-транзисторы, инжекционные логические элементы и схема выборки и хранения на n-МОП-транзисторах. Одна интегральная схема содержит 1200 активных элементов.

Устройство состоит из двух соединенных друг с другом кристаллов, размещенных в корпусе типа DIP с 40 выводами. На одном кристалле расположена хромоникелевая матрица резисторов, осажденная в вакууме, чтобы обеспечить разрешающую способность 13 бит. Другой кристалл содержит 1200 активных элементов аналого-цифрового преобразователя. Все устройство позволяет получить время преобразования 16 мкс при потребляемой мощности всего 1,05 Вт.

12-разрядный монолитный аналого-цифровой преобразователь фирмы Nippon Electric Co. построен на токовых аналоговых схемах. Вместо общеупотребительного метода двойного (двух-шагового) интегрирования здесь использован метод одновременного интегрирования, когда состояние выхода компаратора, приобретенное в конце некоторого заранее установленного интервала времени, задает в каждом последующем интервале либо одновременное интегрирование сразу входного и опорного токов, либо только опорного. Среди важных преимуществ этого метода — много больший эквивалентный диапазон напряжений интегратора, малая емкость внешнего интегрирующего конденсатора и увеличенное на порядок отношение сигнал/шум. Структура схемы обеспечивает также относительно малое время преобразования, равное 500 мкс, и рассеиваемую мощность всего 15 мВт. Преобразователь фирмы NEC питается от одного источника напряжения 5 В, построен на основе стандартных К/МОП-структур с кремниевыми затворами и, как утверждается, имеет ту же нелинейность, что и внутренние усилители, — всего 0,02%.

В области цифроаналогового преобразования всем требованиям, предъявляемым цифровыми выходами систем, отвечает 12-разрядный преобразователь фирмы Advanced Micro Devices (Саннивейл, шт.Калифорния). Уже пользуясь известностью как изготовитель быстродействующих преобразователей, эта фирма создала ИС, которую она называет принципиально монотонной на том основании, что диффузионные резисторы в ней, не требуя подстройки, обеспечивают тем не менее дифференциальную нелинейность +0,01% в пределах всех 13 разрядов.

Монотонность характеристики достигнута сочетанием преимуществ матрицы типа R-2R и матрицы из 2n резисторов равного сопротивления (рис.3) при обычной биполярности технологии. Если при использовании только матрицы типа R-2R для 12-разрядного цифроаналогового преобразования необходимо 37 резисторов, а для матрицы одинаковых резисторов их нужно 4096, то в этой ИС всего 24 резистора. Восемь из них входят в источники тока трех старших разрядов, разбивающих весь диапазон на восемь интервалов, каждый из которых делится на 512 токовых уровней, суммируемых соответствующим образом при формировании аналогового выходного сигнала. Как видно на рис.3, ни один резистор не формирует ток, превышающий 1/8 предельного тока преобразования, поскольку каждый интервал задается одним из восьми прецизионных согласованных источников тока. Поэтому полная монотонность сохраняется в пределах допуска сопротивлений диффузионных резисторов, который составляет здесь ±0,2%. Кристалл ИС размером 2,35*3,39 мм размещен в корпусе типа DIP с 20 выводами и потребляет от 230 до 290 мВт в зависимости от напряжения питания.

12-разрядный цифроаналоговый преобразователь. Монотонность передаточной характеристики обеспечивается точностью изготовления резисторов на одном крист
Рис.3. 12-разрядный цифроаналоговый преобразователь. Монотонность передаточной характеристики обеспечивается точностью изготовления резисторов на одном кристалле, составляющей ±0,01%. Последующая подстройка не требуется. Первичная разбивка диапазона на 8 интервалов при работе преобразователя производится при участии 8 резисторов с рассогласованием не более ±0,2%.

Среди других прецизионных аналоговых приборов одним из самых оригинальных является регулируемый стабилизатор на 5 А фирмы National Semiconductor Corp. (Санта-Клара, шт.Калифорния). Хорошая стабильность, наблюдаемая даже в том случае, если мощность, рассеиваемая при переходных процессах, достигает 100 Вт, обеспечена благодаря учету температурных градиентов. Они измеряются парой транзисторов, что позволяет повысить допустимую мощность, не ухудшая защиты от перегрузок. Нестабильность из-за изменения нагрузки при токе 5 А составляет 0,05%. Выходное напряжение устройства может лежать в пределах от 1,2 до 33 В.

Температурная стабильность

Такие параметры получены благодаря тому, что эмиттер мощного транзистора сформирован в базовой области из индивидуально 'нагруженных полос; базовые области семи эмиттеров в свою очередь нагружены одним резистором, используемым в качестве датчика тока. Такая конструкция в сочетании с глубокой n+-диффузией коллекторных контактов обеспечивает типовое пробивное напряжение транзистора 50 В. Датчики выходного тока представляют собой n+-диффузионные резисторы с положительным температурным коэффициентом 0,2%/°С, согласованным с напряжением срабатывания транзисторов, ограничивающих ток по градиенту, что гарантирует быструю отсечку предельного тока.

Еще один прибор, в котором приняты специальные меры для устранения влияния температурных градиентов, — ИС повторителя напряжения фирмы Precision Monolithics Inc. (Санта-Клара, шт.Калифорния). Здесь геометрия ква-эи-счетверенного полевого транзистора позволила снизить рабочую емкость до такой степени, что стала достижимой скорость нарастания, превышающая 400 В/мкс. Вместо двух групп по четыре отдельных канальных сегмента1{Так в оригинале. Ср. с подписью под рис.4. — Прим. ред.}, между которыми происходит распределение тока, транзистор разбит на четыре группы по четыре четырехканальных сегмента. Эта структура обладает достоинством (common centroid), и в то же время создаваемые ею емкости намного меньше емкостей при полностью счетверенной структуре, поскольку вносимые емкости не лежат на пути сигнала, так что ими можно пренебречь. В результате получен монолитный повторитель напряжения с полосой 90 МГц, скоростью нарастания 300 В/мкс и напряжением сдвига уровня 1,5 мВ.

Повторитель напряжения без обратной связи. Полевые транзисторы представляют собой квазисчетверенные структуры, в которых вместо двух восьмиканальных т
Рис.4. Повторитель напряжения без обратной связи. Полевые транзисторы представляют собой квазисчетверенные структуры, в которых вместо двух восьмиканальных транзисторов применены четыре четырехканальные сегмента. Такая геометрия транзисторов позволила уменьшить емкости и добиться скорости нарастания сигнала 300 В/мкс.

Та же фирма, Precision Monolithics, дает пример радикального улучшения характеристик приборов при использовании смешанной технологии. Ее ИС счетверенного аналогового ключа с температурной компенсацией изготовлена по технологии, предусматривающей формирование биполярных и полевых транзисторов. В отличие от аналогичных К/МОП-ключей и ключей на полевых транзисторах с управляющим переходом, у которых сопротивление в открытом состоянии сильно зависит от приложенного напряжения и (или) температуры, сопротивление замкнутого ключа этой микросхемы (85 Ом) остается при малых токах практически постоянным, а его дрейф составляет около 400*10-6 1/°С при температуре 125°С. Схема защиты предотвращает повреждение прибора при пропадании напряжения питания и при превышении входным напряжением заданного уровня на величину до 20 В.

Электронная музыка

Несколько нетипичных интегральных схем предназначено для специальных применений. Японская фирма Matsushita Electric Industrial Со. разработала аналоговый кристалл большой степени интеграции, который генерирует звуковые тональные сигналы с четными и нечетными гармониками и дает гиперболическую огибающую затухания, подобную наблюдаемой у обычных музыкальных инструментов. Кристалл этой аналоговой БИС содержит МОП-приборы с ре-зистивным истоком и делители с пилообразным выходным сигналом, получаемым посредством модифицированной матрицы резисторов типа R-2R. МОП-приборы с резистивным истоком служат элементами с изменяемым нелинейным сопротивлением, позволившим увеличить управляемое время затухания с 25 мс до 2 с, что необходимо для электронных органов.

Пилообразный сигнал делителей содержит четные и нечетные гармоники, которые придают музыкальным тонам окраску и мягкость. Каждая ИС содержит генератор трех отдельных музыкальных нот в пределах пяти и шести октав. Для построения электронного органа с клавиатурой, охватывающей 61 ноту, достаточно четырех БИС.

Преобразователь частоты

Еще одна БИС для бытовой аппаратуры, представленная исследовательским центром фирмы Toshiba Corp., — монолитный прибор для широкополосных преобразователей частоты СВЧ-селекторов телевизионных каналов. Использовав биполярную технологию с пассивацией нитридом кремния, инженеры фирмы Toshiba оказались в состоянии разместить на одном кристалле кремния смеситель, гетеродин и усилитель промежуточной частоты. Эта технология позволила создать высокочастотные биполярные транзисторы с эмиттером шириной 2 мкм, граничной частотой 5 ГГц и напряжением коллектор — эмиттер 20 В. В результате кристалл, дающий усиление 34 дБ, вместе с усилителем радиочастоты на полевых транзисторах дает возможность построить твердотельный СТК и, таким образом, миниатюризовать и удешевить обычный телевизионный переключатель каналов.

Отделение микроэлектроники фирмы General Instrument Corp. (Хиксвилл, шт.Нью-Йорк) тоже выступило с сообщением об изделии из области бытовой техники — модели БИС сложного программируемого звукового генератора. Кристалл БИТ с n-канальными транзисторами с металлическими затворами имеет размеры 3,64*3,92 мм и поставляется в корпусе типа DIP с 40 выводами. Его можно сопрягать с большинством микропроцессоров, и для генерирования звука он не требует внешних времяза-дающих элементов. Все необходимые данные хранятся в ПЗУ программы и в необходимых случаях в ОЗУ данных. Это полностью программно-управляемое устройство содержит на одном кристалле множество регистров, преобразователей данных и буферов, а также периферийные логические схемы.

На заседании этого года, посвященном линейным схемам, был представлен доклад об ИС, которая уже выпускается, как стандартное серийное изделие, но имеет ряд оригинальных черт. В аналоговом умножителе типа 4200 отделения полупроводниковых приборов фирмы Raytheon Corp. (Маунтен-Вью, шт.Калифорния) объединены хорошо известный принцип построения аналоговых умножителей-делителей и оригинальный метод коррекции нелинейности. Поскольку практически вся нелинейность, вызываемая сопротивлением эмиттеров транзисторов, устранена, погрешность нелинейности кристалла менее 0,03% в диапазоне частот, превышающем 3 МГц.

Обработка токовых сигналов производится при помощи трех быстродействующих дифференциальных усилителей, включенных таким образом, что они перемножают два входных тока, делят результат на величину третьего входного тока и представляют выходной сигнал также в виде тока. В основе разработки лежит принцип логарифмирования — антилогарифмирования с использованием логарифмической вольт-амперной передаточной характеристики биполярного транзистора.

Громко заявила о себе в этом году техника связи, главным образом монолитными активными фильтрами, предназначенными в основном для кодеков, которые на прошлогодней конференции были гвоздем программы. Интегральным фильтрам для средств связи было посвящено заседание под председательством Грея из Калифорнийского университета (Беркли). Кроме того, некоторые авторы ввели в практику довольно хорошо известный принцип — фильтры с коммутируемыми конденсаторами. Небольшой быстро переключаемый конденсатор напоминает по своим свойствам омный резистор, и это позволяет создавать фильтры, имитирующие поведение RC-схем и обладающие высокой стабильностью и параметрами, которые зависят лишь от отношения емкостей и частоты переключений. Нужные для этого ключи легко выполняются сейчас в виде малых МОП-трашисторов, а сигналы могут обрабатываться хорошо освоенными усилителями со входом на полевых транзисторах, изготовленных по n-МОП- или К/МОП-технологии.

Фильтр с коммутируемыми конденсаторами образует часть размещенного на двух кристаллах шифратора речи с импульсно-кодовой модуляцией фирмы American Microsystems Inc. (Санта-Клара, шт.Калифорния). Вся схема состоит из эллиптического фильтра нижних частот пятого порядка, моделирующего цепной фильтр, вновь разработанного фильтра верхних частот, синтезированного на базе переменных состояния, и эллиптического фильтра нижних частот, образованного из двух фильтров третьего порядка в тандемном включении. Новый фильтр верхних частот разработан на основе билинейного Z-преобразования и в отличие от конструкций с использованием аналогового моделирования не искажает частотной характеристаки.

На кристалле имеются n-канальные и К/МОП-транзисторы и получаемые в процессе формирования обеих структур конденсаторы с тонкопленочным диэлектриком из окиси кремния между слоями металла и поликристаллического кремния. Фильтр питается напряжениями ±5 В и частотой выборки 128 кГц.

В другой области испытала свои силы фирма Silicon Systems Inc. (Ирвин, шт.Калифорния), являющаяся новичком в технике связи. Эта фирма, выпускающая заказные схемы, изготовила К/МОП БИС двухтонального многочастотного приемника для телефонов с тастатурным набором типа «Тачтон» (см. раздел «Методы, схемы, аппаратура» настоящего номера). Существующие телефонные приемники такого рода еще слишком дороги, чтобы можно было применять их где-либо, помимо частных телефонных сетей с уплотнением или АТС, но эта новая монолитная схема дает возможность перейти на их широкое использование в каждом телефонном аппарате.

Формирователь цветного видеосигнала

О некоторых еще более своеобразных однокристальных конструкциях для выполнения сложных функций можно было услышать на заседаниях, посвященных биомедицинской технике и обработке изображений с помощью твердотельных приборов. Центральная исследовательская лаборатория фирмы Hitachi выступила с МОП-видеоматрицей размером 484*384 элемента, предназначенной для цветных телевизионных камер и обладающей разрешающей способностью, достаточной для телевидения. 484 строки на расстоянии 20 мкм одна от другой и 384 столбца с расстоянием между ними 34 мкм обеспечивают разрешение в 260 телевизионных строк по горизонтали и в 350 строк по вертикали со схемой сопряжения и малошумящеи схемы развертки по горизонтали, в которой использованы бутстрепные конденсаторы. Частота развертки по горизонтали — 7,2 МГц.

Транзистор с присоединенным затвором. Если затвор полевого транзистора встроить в базу обычного биполярного транзистора, то становится возможным получ
Рис.5. Транзистор с присоединенным затвором. Если затвор полевого транзистора встроить в базу обычного биполярного транзистора, то становится возможным получение полупроводникового прибора с высоким пробивным напряжением и тонкой базой, обеспечивающей высокую граничную частоту.

Пытаясь создать близкий к идеальному транзистор, который обладал бы одновременно большим допустимым напряжением коллектор — эмиттер и высокой граничной частотой, исследователи из лаборатории полупроводниковых приборов японской фирмы Mitsubishi Electric Corp. предложили в буквальном смысле слова гибридный прибор — полевой транзистор, «привитый» к базе обычного биполярного. Область базы нового прибора поделена так, что часть ее работает, как обычная база, а другая легирована примесью большей концентрации и внедряется в область коллектора (рис. 5). Эта последняя часть действует, как затвор полевого транзистора в запертом состоянии, на основании чего прибор и получил название транзистора с присоединенным затвором (gate-associated transistor, GAT).

Затворы в области коллектора смыкаются при более низком напряжении, чем база. Как и в вакуумном триоде, область базы электростатически экранирована от коллектора, но более низкая напряженность электрического поля вблизи перехода база — коллектор приводит к отсутствию заметной взаимосвязи между пробивным напряжением и коэффициентом усиления. Ясно, что новая структура подходит для изготовления лавинных транзисторов с тонкой базой, необходимой в высокочастотных приборах. Эти транзисторы могут обладать одновременно высокой граничной частотой, до 380 МГц, и пробивным напряжением 250 В, т.е. параметрами, очень полезными там, для мощных устройств.

Лавинно-пролетные диоды являются твердотельным эквивалентом таких громоздких источников СВЧ-мощности, как лампы бегущей волны и магнетроны, но пока от них не удавалось получить мощность в имлульсе более 20 Вт. Теперь отделение полупроводниковых приборов фирмы Nippon Electric Co. изготовило диод, способный отдать «импульсную мощность 50 Вт в полосе частот 10 ГГц. К.п.д. прибора в режиме возбуждения равен 13% при длительности импульса 1 мкс и коэффициенте заполнения 10%. Диод представляет собой кольцо кремния, на котором методом вакуумного эпитаксиального выращивания создана пролетная p+pnn+-область. На обе стороны этого кольца толщиной 20 мкм напылена лленка из титана, платины и золота. Диод установлен на алмазном теплоот-воде и заключен в герметичный керамический корпус диаметром 3 мм, так что он разительно отличается от массивного магнетрона прошлого.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 52, No.04 (556), 1979г - пер. с англ. М.: Мир, 1979, стр.0

Electronics Vol.52 No.4 February 15, 1979 A McGraw-Hill Publication

N.Mokhoff. Perfomance barries fall to unique linear designs, pp.129-133

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Конференции




<<< Пред. Оглавление
Начало раздела
След. >>>

Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1979/D19790215Elc044.shtml