Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19880203Elc031.shtml

Первое семейство би-КМОП ИС компании TI

УДК 621.3.049.774.2

Самьюэл Уэбер (Samuel Weber)
Редакция Electronics

Samuel Weber. TI to roll out its first family of products made with BiCMOS, pp.81,82.

Описывается первое семейство интерфейсных би-КМОП ИС компании TI, в котором свойственная КМОП-схемам малая мощность потребления сочетается с присущим биполярным схемам высоким быстродействием и токовой нагрузочной способностью.

Компания Texas Instruments Inc. (Даллас, шт.Техас) готова начать поставки нового семейства интерфейсных ИС, обладающих двумя важными особенностями: во-первых, способностью работать при меньших по сравнению с любыми другими быстродействующими интерфейсными ИС уровнях потребляемой мощности, обеспечивая при этом свойственное биполярным схемам высокое быстродействие при мощностях КМОП-схем, и, во-вторых, что еще важнее (по крайней мере для компании TI), это — первое семейство изделий упомянутой полупроводниковой компании, созданное по ее оригинальной би-КМОП-технологии, которая, по мнению специалистов компании, будет ведущей технологией 1990-х годов. Компания TI не одинока: хотя пока на рынке относительно мало поставщиков и заказчиков би-КМОП-схем, изготовители ИС чрезвычайно активно ведут работы над созданием и освоением этой технологии.

ИС изготавливаются с помощью нового технологического процесса, базирующегося на серийной высококачественной биполярной технологии Impact компании TI, которая была модифицирована таким образом, чтобы обеспечить изготовление КМОП-схем на той же подложке. В результате была разработана технология Impact CS (рис.1). Компания TI связывает со своей би-КМОП-технологией большие планы: она намерена широко использовать ее в производстве ИС, в том числе ЗУ, вентильных матриц, специализированных ИС и даже линейных схем.

В технологии Impact-CS компании TI достигнуто сочетание свойственных биполярным схемам высоких быстродействия и выходной нагрузочной способности, а та
Рис.1. В технологии Impact-CS компании TI достигнуто сочетание свойственных биполярным схемам высоких быстродействия и выходной нагрузочной способности, а также совместимости с ТТЛ-схемами по входам и выходам с присущим КМОП-схемам малым потреблением мощности питания.

«Преимущества такой технологии для изготовления интерфейсных логических ИС двояки,— говорит Уильям Томпсон-мл., ответственный за стратегический маркетинг в отделении перспективных биполярных и КМОП логических ИС объединения полупроводниковых приборов компании TI.— Такая ИС одновременно обладает свойственной КМОП-схемам малой рассеиваемой мощностью и присущими биполярным схемам высокими скоростями переключения и токовой нагрузочной способностью».

Появление приборов с таким сочетанием свойств исключительно своевременно для разработчиков, создающих сейчас следующее поколение 32-разрядных микропроцессорных систем, для которых требуется намного больше интерфейсных ИС по сравнению с любыми ранее существовавшими системами. При этом следует учесть и все ускоряющуюся тенденцию к переходу на монтаж на поверхность платы, так что весьма легко предсказать, что разработчикам, заинтересованным в снижении тепловыделения в своих схемных платах, потребуются маломощные и быстродействующие интерфейсные кристаллы.

В составе семейства SN74BCT интерфейсных би-КМОП ИС будут выпускаться 8-, 9- и 10-разрядные шинные формирователи, управляющие формирователи для ЗУ, регистры-фиксаторы и другие виды регистров, а также приемопередатчики. Уже в октябре 1987г. в продажу поступят четыре 8-разрядных шинных приемопередатчика и четыре 8- или 9-разрядных (с битом четности) приемопередатчика. К концу 1987г. в составе нового семейства будет выпускаться уже 37 приборов, а к концу 1988г. их число возрастет до 98.

Преимущества би-КМОП-технологии перед чисто биполярной выходят далеко за пределы простого сопоставления рабочих характеристик отдельных формирователей или приемопередатчиков. В состав типовой 32-разрядной микропроцессорной системы может входить 10 и более интерфейсных ИС. В каждый момент времени в активном режиме работает всего один шинный формирователь, так что типовой формирователь в таких системах находится в пассивном (выключенном) состоянии почти 90% общего времени. Если интерфейсные ИС выполнены по чисто биполярной технологии, то все такие «выключенные» формирователи потребляют полную мощность, хотя и находятся в состоянии с высоким выходным импедансом, ожидая своей очереди срабатывания.

При изготовлении формирователей по би-КМОП-технологии картина в корне меняется. Если сравнить полный ток питания всех «выключенных» би-КМОП-формирователей с таким же током биполярных формирователей, то уменьшение тока питания при переходе на би-КМОП-технологию оказывается ошеломляющим. В некоторых случаях переход на би-КМОП-схемы позволяет снизить мощность потребления в системе почти на 100%.

Для ИС семейства SN74BCT потребляемая мощность в пересчете на вентиль остается достаточно малой даже при росте рабочих частот в системах. Например, мощность потребления для 8-разрядного шинного би-КМОП-формирователя примерно в четыре раза меньше, чем для аналогичного биполярного прибора в широком диапазоне рабочих мест — при переключении отдельных его выходов с частотой до 10 МГц. Исследования показывают, что на долю традиционных шинных интерфейсов в системах приходится около 30% общего тока питания.

Разработчики систем прекрасно знают, чем приходится расплачиваться за использование биполярных логических ИС в качестве шинных формирователей. Чтобы получить требуемые управляющие токи величиной от 48 до 64 мА, необходима высокая потребляемая мощность, так как биполярные усилители-формирователи потребляют очень большие токи питания даже в чисто статических режимах.

Би-КМОП-технология позволяет устранить эти непроизводительные потери энергии при помощи оригинальных методов реализации трех логических состояний. Для снижения потребляемой мощности специалисты компании TI ввели дополнительно в состав базового вентиля пару n-канальных МОП-транзисторов и два вентиля — инвертирующий и неинвертирующий (см. рис.2). Сделано это было, чтобы исключить ток через выходные биполярные транзисторы в выключенном состоянии вентиля. При нормальной работе вентиля в активном состоянии на его линию управления подается логическая 1, которая включает транзистор А и выключает транзистор В.

Ток через биполярные транзисторы в выключенном состоянии вентиля блокируется при помощи схемы из двух n-канальных МОП-транзисторов и двух вентилей — и
Рис.2. Ток через биполярные транзисторы в выключенном состоянии вентиля блокируется при помощи схемы из двух n-канальных МОП-транзисторов и двух вентилей — инвертирующего и неинвертирующего.

Ток от источника питания течет через транзистор А в базу биполярного составного транзистора выходного каскада. Ток также может течь в базу насыщающегося выходного биполярного транзистора, поскольку транзистор В в рассматриваемом режиме выключен. В состоянии с высоким выходным импедансом на линию включения вентиля подается противоположный логический сигнал (логический 0). При этом транзистор А выключен, а В включен. В этом режиме ни составной, ни насыщающийся выходной транзисторы не могут потреблять базовый ток, вследствие чего вентиль переходит в состояние с высоким выходным импедансом.

В результате существенно уменьшается потребляемый базовым вентилем ток питания. Би-КМОП-формирователь, потребляющий от источника питания в активном режиме ток 30 мА, в таком выключенном состоянии потребляет ток всего 10 мА. Более того, би-КМОП-формирователь потребляет намного меньший ток питания по сравнению со своим усовершенствованным биполярным аналогом, для которого этот ток равен 150 мА как в активном, так и в выключенном состоянии.

Хотя снижение потребления мощности в системах представляет собой главный довод в пользу производства интерфейсных би-КМОП-кристаллов, в этих приборах необходимо сохранить высокий уровень и других рабочих характеристик. По параметрам быстродействия и нагрузочной способности приборы семейства SN74BCT компании TI эквивалентны усовершенствованным биполярным логическим ИС. Задержки полных функциональных вентильных би-КМОП-элементов сравнимы с задержками аналогичных элементов, изготавливаемых по усовершенствованной биполярной технологии — от 3 до 5 нс.

«Основное различие состоит в том, что ИС компании TI в активном режиме имеют более чем вдвое меньший ток питания, чем усовершенствованные биполярные формирователи, а в выключенном состоянии этот ток меньше более чем в 10 раз»,— говорит Томпсон. Например, 8-разрядные шинные би-КМОП-приемопередатчики работают с такими же 7—8-нс задержками, что и аналогичные им ИС, изготовленные по усовершенствованным биполярным технологиям. Однако в выключенном (высокоимпедансном) состоянии эти би-КМОП-кристаллы потребляют ток всего 15 мА, тогда как для соответствующих биполярных аналогов эти цифры составляют 115 и 170 мА.

Impact-CS — это биполярная технология, дополненная возможностями изготовления КМОП-структур. Получаемые по ней приборы представляют собой по существу биполярные устройства; это означает, что они могут работать с входными ТТЛ-сигналами и управлять шинами, к которым подключены ТТЛ-схемы. Однако благодаря наличию КМОП-структур эти ИС как во включенном, так и в выключенном состояниях потребляют меньшую мощность.

Данная биполярная технология позволяет изготавливать выходные транзисторы, способные развивать токи от 48 до 64 мА, необходимые для управления емкостными входами МОП ЗУ и низкоимпедансными линиями на объединительных платах в быстродействующих биполярных системах. Другое преимущество выходных каскадов на биполярных транзисторах — их меньший по сравнению с КМОП-каскадами выходной перепад напряжения (от 0,5 до 3,5 В по сравнению с перепадом от 0 до Vcc). Уменьшение перепада напряжений снижает влияние переходных помех по напряжению на земляных контактах ИС.

По технологии Impact-CS можно изготавливать биполярные транзисторы с коэффициентами усиления по току 100. У типового n-канального МОП-транзистора нормализованная удельная крутизна составляет 39 мкА/В2, у типового р-канального прибора она равна 12 мкА/В2. Оба типа внутренних транзисторов имеют пороговые напряжения 1,0 В.

Схема выключения вентиля, выполненная на МОП-транзисторах, потребляет значительно меньший ток, чем чисто биполярная схема; КМОП-схемы в статическом режиме, т.е. в отсутствие тактирующих сигналов, практически не потребляют тока питания.

Impact-CS представляет собой комбинацию 2,0-мкм биполярной и 1,5-мкм КМОП-технологий, использующую два уровня соединительной металлизации. Шаг металлизации в первом уровне составляет 4,0 мкм, что обеспечивает высокую плотность упаковки транзисторов. Кроме того, такое уменьшение шага металлизации обеспечивает более быстрое переключение транзисторов, так как укорачивает соединительные линии между отдельными приборами.

Столь малый шаг металлизации получен, поскольку в технологии Impact-CS предусмотрено существенное сглаживание поверхности приборов. Обычно МОП-приборы содержат более значительные перепады высоты и разрывы на поверхности. Чем более гладкую поверхность имеет прибор, тем лучше осуществляется покрытие ступенек на ней, что, в свою очередь, повышает надежность ИС.

«Для дополнения этой по существу биполярной технологии КМОП-структурами требуются еще три технологические операции, — говорит Томпсон. — Так как в биполярной технологии используется эпитаксиальный слой n-типа, то для компенсирующей диффузии в отдельные области p-типа необходим один уровень маскирования. Второй уровень маскирования предусматривает формирование канавок и изолирующих областей. На третьей стадии маскирования формируются поликремниевые затворы для транзисторов КМОП-структур». Для подавления эффектов горячих электронов в технологии были также реализованы слаболегированные стоковые области, что к тому же облегчает будущую пропорциональную миниатюризацию n-канальных транзисторов. Для простейшей реализации би-КМОП-прибора требуется всего два МОП-транзистора, управляющие функционированием биполярного выходного каскада. Будущие варианты би-КМОП-схем, возможно, дополнятся рядом других МОП-транзисторов в важнейших частях схем. Особенно легко это можно сделать в ходе дальнейшего развития технологии Impact-CS с повышением доступного для нее уровня сложности и рабочих характеристик приборов.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 60, No.20 (778), 1987г - пер. с англ. М.: Мир, 1987, стр.47

Electronics Vol.60 No.20 October 1, 1987 A McGraw-Hill Publication

Samuel Weber. TI to roll out its first family of products made with BiCMOS, pp.81,82.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Интегральные схемы





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


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19880203Elc031.shtml