автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка радиационно-стойкого цифро-аналогового преобразователя на основе КМОП-технологии

На правах рукописи

СМУРОВ Константин Владимирович

а,

РАЗРАБОТКА РАДИАЦИОННО-СТОИКОГО ЦИФРО-АНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ КМОП-ТЕХНОЛОГИИ

Специальность 05 27 01 - Твердотельная электроника,

радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ии3 177421

Воронеж - 2007

003177421

Работа выполнена в Воронежском государственном техническом университете

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор

Рембеза Станислав Иванович

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор

Бормонтов Евгений Николаевич, Воронежский государственный университет,

кандидат технических наук Глебов Сергей Савельевич, ОАО «ВЗПП-С», г Воронеж

Ведущая организация

ФГУП «Научно-исследовательский институт электронной техники», г Воронеж

Защита состоится «25» декабря 2007 г в 14— часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212 037 06 Воронежского государственного технического университета по адресу 394026, г Воронеж, Московский просп , 14

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежского государственного технического университета

Автореферат разослан «23» ноября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Горлов М И

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время в области отечественных разработок цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) назрели проблемы, связанные с тем, что большинство ИС не отвечают современным требованиям как по разрядности, так и по точностным характеристикам, например нелинейным искажениям и шумам Существуют также технологические сложности, связанные с использованием тонкопленочных резисторов, которые ограничивают возможность технологических процессов и приводят к большой трудоемкости из-за необходимости подгонки номиналов этих резисторов Новые разработки направлены на увеличение скорости преобразования и улучшения точностных характеристик ЦАП Кроме того, исключается необходимость использования тонкопленочных резисторов

В настоящее время в коммуникационных каналах используют высокоскоростные ЦАП со встроенными интерполяционными фильтрами Такие ЦАП отечественная промышленность не выпускает Имеющиеся в продаже зарубежные ЦАП ИС для коммерческого и промышленного использования не отвечают специальным требованиям (в первую очередь требованиям по стойкости к гамма-излучению), предъявляемым к РЭА с длительным сроком активного использования Поэтому основной целью являлась разработка 10-разрядного высокоскоростного ЦАП со встроенным интерполяционным фильтром и стойкостью к гамма-излучению

В качестве основных принципов при разработке такого изделия использовались следующие

- использование базового КМОП-технологического процесса с 0,6-мкм проектными нормами с двумя слоями алюминиевой металлизации и с одним слоем поликремния, отработанного в условиях серийного и опытного производства коммерческих ИС,

- использование сертифицированных правил проектирования электрической схемы (ERC) и топологии (DRC), в том числе применение стандартных конструктивно-топологических решений отдельных элементов и блоков, адаптированных к выбранному технологическому процессу,

- использование современных программно-аппаратных средств для проектирования новых функциональных элементов, макроблоков и в целом кристалла ИС с учетом реальных технологических разбросов слоев полупроводниковой структуры кристалла и электрических характеристик основных элементов (транзисторов, резисторов и т д ),

- использование современного метрологического оборудования и технических средств для измерения, испытания и анализа изделий

Такой подход к разработке новых образцов ИС в настоящее время преобладает в мировой практике и позволяет достичь наилучших показателей надежности по сравнению с подходами, основанными на адаптации режимов проведения технологических операций к каждой конкретной ИС В данной работе представлены основные результаты, полученные в процессе проектирования и изготовления опытных образцов, описаны особенности проектирования ИС, приведены результаты моделирования и испытаний ИС на радиационную стойкость

Диссертация выполнена на кафедре полупроводниковой электроники Воронежского государственного технического университета в

рамках госбюджетной программы ГБ-04 34 «Исследование полупроводниковых материалов (Si, А3В5 и др ), приборов и технологии их изготовления», номер гос регистрации 0120 0412888

Цель работы

Целью работы является создание высокоточного радиационно-стойкого ЦАП с возможностью изготовления по стандартной КМОП-технологии с одним уровнем поликремния

Для достижения поставленной цели были определены следующие

задачи

1 Исследование основных архитектур ЦАП Выбор структуры ИС, обоснование целесообразности построения ЦАП на источниках тока

2 Разработка и схемотехническое моделирование аналоговых и цифровых блоков с проектными нормами 0,6 мкм и учетом влияния радиационных воздействий

3 Обобщение результатов исследований и разработка рекомендаций по обеспечению радиационной стойкости КМОП-блоков с проектными нормами 0,6 мкм

4 Проведение испытаний ЦАП ИС на устойчивость к воздействию гамма-излучения в диапазоне температур —60°С - +85°С

Научная новизна работы

В работе получены следующие новые научные и технические результаты

1 Разработаны основные блоки ЦАП (источник опорного напряжения, генератор смещения источников тока и матрица источников тока на основе сегментированной архитектуры)

2 Проведено схемотехническое и топологическое проектирование блоков ЦАП с использованием латеральных и паразитных вертикальных р-п-р транзисторов на основе стандартной КМОП-технологии Такое решение открывает новые возможности при создании современных АЦП и ЦАП с высокими скоростными и точностными характеристиками и минимальными затратами на изготовление кристаллов

3 Предложена методология анализа и выбора архитектуры радиационно-стойких ЦАП посредством оценки влияния воздействия радиации с помощью схемотехнического моделирования наиболее критичных блоков (источника опорного напряжения, источников тока, р-МОП-ключей)

Практическая значимость работы

1 Разработаны оригинальные схемотехнические блоки (источник опорного напряжения, обладающий высокой стабильностью выходного напряжения, и генератор смещения источников тока, устойчивый к разбросу технологических параметров и радиационным воздействиям), позволившие получить 10-разрядный ЦАП со скоростью преобразования 40 МГц и высокими точностными характеристиками, используемый в квадратурных модуляторах

2 Конструкция ЦАП позволяет сделать его независимым от завода-изготовителя из-за отсутствия элементов выходящих за рамки стандартного КМОП-процесса

3 Разработаны и изготовлены опытные образцы кристаллов ЦАП на основе КМОП-технологии Испытания опытных образцов ЦАП на устойчивость к воздействию гамма-излучения показали, что они бесперебойно работают при мощности Р=1,1*107 рад/с и накопленной дозе 0=4,8*105 Испытания ИС при повышенной (+85 С) и пониженной (-60°С) температурах показали соответствие основных электрических параметров нормам ТУ

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

] Схемотехнические особенности разработанного радиационно-стойкого ЦАП, в частности использование р-МОПТ в источниках тока и ключах, использование латеральных и паразитных вертикальных р-п-р-транзисторов, устойчивых к воздействию дестабилизирующих факторов, таких как радиация и температура

2 Обоснование целесообразности построения ЦАП на источниках тока По сравнению с архитектурами на базе резисторов и конденсаторов, ЦАП на источниках тока обладает более высокими точностными характеристиками и возможностью компенсации разброса технологических параметров Кроме этого, ЦАП на источниках тока можно спроектировать на базе стандартного КМОП-процесса, что уменьшает стоимость ИС

3 Результаты моделирования аналоговых блоков ИС Температурные зависимости характеристик источников тока и опорного напряжения Температурные зависимости тока младшего разряда, напряжений смещения источника тока при различных напряжениях питания

4 Основные электрические характеристики разработанной ИС По результатам испытаний ИС получены типовые зависимости электрических параметров (внутреннего опорного напряжения от температуры, токов потребления аналоговой и цифровой части ИС от температуры, интегральной и дифференциальной нелинейности от напряжения питания и тд) Результаты испытаний ИС на стойкость к воздействию гамма-излучения Зависимости интегральной и дифференциальной нелинейностей от цифрового кода на входе при мощности гамма-излучения Р=Т,1*107 рад/с и накопленной дозе 0=4,8*105

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международном научно-техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах " (Москва, 2006), научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 2007)

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе 2 -в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат [1, 2, 5] - разработка схемотехнических решений для отдельных блоков ИС ЦАП, [3] - поиск и разработка методов защиты ИС от радиационных эффектов, [4] - поиск и разработка методов электростатической защиты выводов ИС

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 80 наименований Основная часть работы изложена на 112 страницах, содержит 59 рисунков и 3 таблицы

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описаны основные проблемы, связанные с разработкой радиационно-стойких ЦАП Обоснована актуальность темы диссертации Поставлены цели и задачи исследования, их научная новизна и практическая значимость Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения о публикациях по теме диссертации, о личном вкладе автора в совместных работах, структуре и объеме диссертации

В первой главе приведены общие сведения о ЦАП их классификация и основные параметры Проведен анализ отечественной и зарубежной литературы о современном уровне развития ЦАП

При проектировании ЦАП основным требованием разработки является использование стандартной КМОП-технологии Для реализации радиационной стойкости необходимо использовать конструкцию с сильнолегированным р+-охранным кольцом Эта конструкция является лучшим вариантом для схем двойного назначения

Во второй главе описаны радиационные эффекты в КМОП интегральных схемах и методы защиты Известно, что воздействию радиации в большей степени подвержены п-МОПТ, поэтому основные элементы схемы (источники тока и ключи) построены на р-МОПТ

Доминирующие механизмы отказов КМОП ИС при воздействии стационарного ионизирующего излучения (ИИ) связаны с поверхностными ионизационными эффектами в МОП-структурах Данные эффекты оказывают непосредственное влияние на параметры МОПТ и в конечном счете на основные функциональные характеристики КМОП ИС в целом

Характерные постоянные времени поверхностных ионизационных эффектов существенно превышают типовые времена, характеризующие быстродействие КМОП ИС, что дает возможность рассматривать их как стационарные эффекты Типичным воздействием стационарного ИИ считается гамма-излучение с энергией около 1 МэВ и интенсивностью от 10 до 106 рад/с Для данного воздействия основным показателем радиационной стойкости (ПРС) КМОП ИС является Опор - пороговый уровень суммарной поглощенной дозы ИИ (максимальный уровень воздействия), при котором не наблюдаются параметрические и функциональные отказы

Основной причиной отказов МОП-элементов при воздействии стационарного ИИ является радиационная деградация их характеристик вследствие изменений параметров приповерхностных областей Эти изменения связаны, во-первых, с захватом и последующим отжигом свободных носителей на глубокие центры (ловушки) в объеме диэлектрика и, во-вторых, с образованием поверхностных состояний (ПС) на границе раздела диэлектрик - полупроводник Захват носителей заряда в объеме диэлектрика и на уровне ПС вызывает сдвиг пороговых напряжений, а увеличение плотности ПС приводит к дополнительному механизму рассеяния подвижных носителей заряда и к уменьшению крутизны сток-затворной характеристики МОПТ

Наличие двух различных механизмов захвата заряда может приводить к немонотонным зависимостям изменений параметров МОПТ от уровня стационарного ИИ (в случае «конкуренции» этих механизмов) Так, зависимость порогового напряжения и, МОПТ от поглощенной дозы стационарного ИИ обусловлена общей величиной накопленного заряда в окисле ио1 и заряда на быстрых поверхностных состояниях и, В случае п-МОПТ и, = ио,- иц, а для р-МОПТ и1 = ио, + ии Поэтому зависимости ЩО) для р-МОПТ всегда монотонны, а для п-МОПТ могут иметь немонотонный характер (рис 1)

Эффект защелкивания - это пороговый регенеративный эффект, связанный с активизацией паразитных многослойных (четырех и более взаимодействующих областей) структур при дестабилизирующих воздействиях

Эффект защелкивания проявляется в виде полной или частичной потери работоспособности КМОП ИС и сопровождается значительным увеличением тока потребления по питанию, входных или выходных токов При этом работоспособность после окончания дестабилизирующего воздействия не восстанавливается, то есть эффект имеет остаточный характер Восстановления работоспособности ИС можно добиться путем кратковременного отключения напряжения питания при условии, что за время защелкивания не произошло необратимого отказа ИС вследствие вторичных эффектов (перегорания металлизации, вторичного пробоя и т п)

Рис 1 Изменение порогового напряжения п-МОПТ (1) и р-МОПТ (2) транзисторов КМОП-инвертора, находящегося во включенном (сплошная линия) и выключенном (штриховая линия) состояниях

В настоящее время в основном применяются две конструкции п-МОПТ, показанные на рис 2 Наиболее часто используется конструкция с охранным р+-кольцом, вынесенным на поверхность кремния (рис 2 а) В отличие от п-МОПТ с р+-кольцом под полевым окислом (рис 2 б) такая конструкция проигрывает по плотности упаковки, так как между соседними п-МОПТ необходимо размещать по две области полевого окисла На самом деле этот проигрыш оказывается незначительным

Основным фактором, определяющим выбор в пользу конструкции (рис 2 а), является возможность сильного легирования охранных р+-колец Это происходит одновременно с легированием сток/истоковых областей р-МОПТ при изготовлении КМОП ИС Топология радиационно-стойкого транзистора приведена на рис 3 В результате положительный заряд в

окисле, образовавшийся под воздействием радиации, оказывается в реальных условиях недостаточным для инверсии поверхности охранных р+-колец. Таким образом предотвращается образование каналов утечки тока между соседними п-МОПТ, что является основным преимуществом конструкции.

( п - пленка

у и-»- -подложка /

б)

Рис. 2. п-МОПТ с охранными р+-кольцами, выходящими на поверхность (а) и расположенными под полевым окислом (б)

Рис. 3. Топология радиационно-стойкого п-МОПТ

В третьей главе описаны различные архитектуры ЦАП, а также приведены результаты моделирования аналоговых блоков 10-разрядного ЦАП с сегментированной архитектурой. Схемотехническое моделирование проводилось в САПР Cadence с использованием моделей BSlM3v30. Эти модели, разработанные в институте Беркли, учитывают короткоканальные эффекты в транзисторах с длиной канала 0,18 мкм и выше.

Токовые ЦАП включают в себя набор одинаковых источников тока, которые подключаются к одному из выходов в зависимости от кода на входе. Существует три различные архитектуры, а именно с

приоритетным (термометрическим) кодированием, с бинарно-взвешенным кодированием и сегментированная архитектура, которая использует приоритетное и бинарно-взвешенное кодирование.

Разрабатываемый ЦАП имеет сегментированную архитектуру. Источники токов двух младших разрядов отличаются по площади в 2 раза, и выдают бинарно-взвешенный код. Выходной ток 3-6 разрядов формируется пятнадцатью источниками, ток каждого из них 4 раза больше, чем в младшем разряде. Выходной ток 7-10 разрядов также формируется пятнадцатью источниками, ток каждого из них в 16 раз больше, чем в младшем разряде.

Рассмотрим источник тока младшего разряда. Его схема представлена на рис.4. На рис.5 представлены температурные зависимости тока младшего разряда при различных напряжениях питания.

| р^сотрД ]>(, 4511 \\"= 1 1п

\\'=11>Н

Рис. 4. Схема источника тока младшего разряда

Преимуществами такой схемы по сравнению с резисторным источником тока являются: более дешевый технологический процесс (без создания тонкопленочных резисторов), отсутствие лазерной подгонки, работа схемы при различных напряжениях питания. Напряжение сотр2, подаваемое на затвор транзистора источника тока, формируется в генераторе смещения источников тока и в зависимости от напряжения питания изменяет свое значение. Это требуется для того, чтобы при различных напряжениях питания значение тока было фиксированным. На подложки транзисторов подается напряжение сотрЗ, которое также формируется в генераторе смещения источников тока. Оно защищает источник тока от помех по шинам питания и земли. Два ключа на основе р-МОПТ работают в противофазе. Они обеспечивают правильное распределение данных в соответствующие каналы. Принципиальная схема ЦАП представлена на рис. 6.

Рис 5 Температурная зависимость тока младшего разряда при разных значениях напряжения питания 1 - Усс = 5 В, 2 - Усс = 4 В, 3 - Усс = 3 В

Рис 6 Принципиальная схема ЦАП

Выбор технологического процесса для производства ИС обусловлен следующими факторами Архитектура изделия, в основе которой лежит массив источников тока, позволяет использовать типовой КМОП-процесс Такой процесс позволяет в случае необходимости переносить производство изделия на различные кремниевые фабрики с минимумом издержек Минимальные проектные нормы определяются, с одной стороны, напряжением питания схемы, с другой — обеспечением необходимого быстродействия Количество трассировочных слоев металла определяется плотностью упаковки компонентов Для производства ЦАП ИС был выбран стандартный 0,6 мкм КМОП-процесс с одним поликремнием и двумя металлами

В соответствии с заданной структурной схемой все функциональные блоки, отвечающие за работу изделия, можно выполнить на базе КМОП-технологического процесса Дополнительно для повышения температурной стабилизации источника опорного напряжения можно использовать вертикальные подложечные р-п-р-транзисторы, для фильтрации питающего напряжения - конденсаторы на базе Ро1у1-8102-Резисторы выполняются на р - диффузий, формирующих активные области р-МОПТ Структура п-МОПТ и р-МОПТ представлена на рис 7

Рис 7 Структура п-МОПТ и р-МОПТ

Для подавления эффектов короткого канала используют различные конструктивные и технологические решения от наиболее простых -повышения концентрации примеси подложки или подлегирования подчатворной области, до более сложных, а именно создания сток/истока с п"-п+ структурой Включение в структуру слаболегированных п -областей (рис 7) подавляет распространение областей объемного заряда переходов стока и истока в канале МОП-транзистора и препятствует тем самым нарушению отсечки канала

В п-МОПТ используются два вида радиационной защиты р^-кольца располагаются вокруг п-МОПТ, а периферийные Ро1у-затворы являются продолжением основных (рабочих) затворов вплоть до охранных р'-колец по обе стороны от активных областей транзисторов

В четвертой главе приведена характеристика разработанного изделия Описано его функционирование, и основное назначение В данной главе также произведен анализ результатов испытаний на радиационную стойкость

Разработанная ИС - это двухканальный высокоскоростной 10-разрядный КМОП ЦАП ИС оптимизирована для применения в передатчиках широкополосных систем связи, в которых обрабатывается цифровая информация 1- и (^-составляющих в процессе передачи ИС содержит два 10-разрядных ЦАП, работающих с частотой до 40 МГц, два фильтра интерполяции «2*», источник опорного напряжения и цифровой интерфейс ИС принимает данные в каждый канал с частотой 20 МГц, затем данные интерполируются фильтрами «2*», благодаря чему число выборок удваивается (частота возрастает до 40 МГц), после чего оба ЦАП одновременно выполняют новое преобразование Чередующиеся во входной последовательности I- и О-данные поступают на вход цифрового интерфейса, который содержит 1-защелки, (^-защелки и управляющие

логические цепи. Схема цифрового автомата обеспечивает правильное распределение I- и (^-данных в соответствующие каналы. Выходные данные защелок обрабатываются цифровыми интерполяционными фильтрами «2х». Интерполированные данные от двух фильтров служат входными сигналами соответствующих ЦАП. Структурная схема ИС показана на рис. 8. На рис. 9 представлена топология ЦАП.

ЯЕЗЕТ/

ада

ало але

Vca> ах А&£>

Ичтзр'юпянионьи-

РЬэс^тр- |_

зэт^гкэ

г

$илытр 2~ *

"Г

I

; Ю-бит • 1 ЦЬП

ИОН

Гз^рвтэр

сл&иешя

исггснников тжа

■маяА /алв

-оНЯО

- <> яэчсы ■ ¿«эчо

- <хм>1 - ССМ=2 ■ ; ССМ=5

■ Ияг^рпаляционой ' * фипьпр Г

I Х>- бил " 1 ЦАП

■:<СШГВ

•ЛЯГТЕ о--1

БВЖТ О - 4_

Улразлякц&я лоеика

Рис. 8. Структурная схема ЦАП ИС

Рис. 9. Топология ЦАП ИС

Оба ЦАП построены на основе набора сегментированных источников тока и переключающих устройств (ключей), что позволило минимизировать выбросы энергии и максимизировать динамическую точность Каждый ЦАП имеет дифференциальный токовый выход Таким образом, выходной сигнал ИС может использоваться как дифференциальный, так и как недифференциальный Оба ЦАП обновляют выходной сигнал одновременно и обеспечивают выходной ток 10 мА (номинально) на полную шкалу Кроме того, каналы ЦАП согласованы в пределах 0,07 дБ (то есть, 0,75 %), что устраняет необходимость в дополнительных схемах калибровки усиления

ИС функционирует от двух источников питания (напряжение цифрового питания от 2,7 до 5,5 В, напряжение аналогового питания от 3 до 5,5 В), потребляемая мощность 490 мВт

Основные достоинства ИС

- два 10-разрядных ЦАП, функционирующих на частоте до 40 МГц Пара согласованных высокоскоростных ЦАП оптимизирована по характеристикам искажений для передачи составляющих компонент I и О,

- два цифровых фильтра-интерполятора «2х» Согласованные интерполяционные КИХ-фильтры с коэффициентом подавления в полосе блокировки равным 62,5 дБ предваряют каждый ЦАП, что смягчает требования к фильтрам реконструкции,

- выходной ток полной шкалы может быть снижен с целью уменьшения потребляемой мощности Кроме того, ИС имеет дежурный режим работы, в который ИС переводится в периоды простоя и в котором потребление снижается,

- встроенный источник опорного напряжения ИС содержит температурно-компенсированный источник опорного напряжения 1,2 В,

- единая 10-разрядная входная цифровая шина данных ИС имеет гибкий цифровой интерфейс, позволяющий реализовать различные варианты записи в регистры-защелки ЦАП, в том числе с различной скоростью

Как было сказано выше, ИС имеет внутренний источник опорного напряжения 1,2 В Внутренний источник опорного напряжения может легко быть блокирован (соответствующей коммутацией выводов), если предпочтительнее использование внешнего источника опорного напряжения Вывод ЯЕИЮ служит как вход или как выход в зависимости от того, какой источник опорного напряжения выбран, внутренний или внешний Если вывод 11ЕРЬО подключить к AGND, как показано на рис 10, то выбирается внутренний источник опорного напряжения 1,2 В, который подключается к выводу ЯЕРЮ В таком варианте к выводу ЯЕРЮ должен быть подключен фильтрующий керамический конденсатор (емкостью 0,1 мкФ или более) относительно вывода ЯЕРЕО Если предполагается какая-либо внешняя нагрузка для выхода ЯЕРЮ, то необходимо применять внешний буферный усилитель, имеющий малый входной ток ( < 1 мкА)

Рис. 10. Схема подключения ИС ЦАП для работы с внутренним источником опорного напряжения

Чтобы заблокировать внутренний источник опорного напряжения, надо вывод КЕРЬО соединить с Ус.сл- В таком варианте внешний источник опорного напряжения может быть подключен к входу Е1ЕР10, как это показано на рис. 11.

1)сса

Рис. 11. Схема подключения ИС ЦАП для работы с внешним источником опорного напряжения

В качестве внешнего источника опорного напряжения (ИОН) может быть использовано фиксированное напряжение высокой точности и малого дрейфа, а также изменяющееся опорное напряжение в случае необходимости управления усилением. Следует отметить, что фильтрующий конденсатор 0,1 мкФ в последнем случае не нужен, поскольку внутренний источник опорного напряжения отключен, а нагрузка внешнего источника опорного напряжения минимизирована высоким (1 МОм) входным сопротивлением по выводу ЯЕРЮ.

В некоторых применениях требуется такое использование ИС, когда дифференциальный выходной сигнал подается к квадратурному

повышающему преобразователю, работающему от одного источника питания Большинство таких приборов имеют дифференциальные входы, но входной диапазон синфазного сигнала обычно не распространяется до уровня земли Это означает, что выходной сигнал ИС, диапазон которого начинается от уровня земли, должен быть смещен в заданный (специфицированный) диапазон синфазного сигнала конкретного квадратурного повышающего преобразователя На рис 12 показана дополнительная резисторная цепочка, которая обеспечивает сдвиг уровня

Vcca

Рис 12 Дифференциальная схема подключения выходов ЦАП ИС со связью по постоянному току и сдвигом уровня

Использование согласованных резисторных цепочек обеспечивает минимальное рассогласование смещений и усилений по каналам I и Q Отметим, что смещающая резисторная цепочка вносит ослабление сигнала приблизительно, на 6 дБ

Разработанная ИС используется в квадратурных модуляторах Квадратурная модуляция - это один из наиболее широко распространенных методов цифровой модуляции, используемых в цифровых системах связи Этот метод модуляции используется как в системах частотного уплотнения FDM, так и в системах CDMA с распределением спектра

Квадратурно-модулированный сигнал - это сигнал несущей частоты, модулированный по амплитуде (амплитудная модуляция) и по фазе (фазовая модуляция) Такой сигнал может быть генерирован путем двух независимых модуляций сигналов одинаковой несущей частоты, но со сдвигом фазы на 90 °С В результате имеется синфазная несущая компонента (I) и квадратурная несущая компонента (Q), сдвинутая на 90 °С по фазе относительно компоненты I Компоненты 1 и Q суммируются и продуцируют квадратурно-модулированный сигнал на заданной несущей частоте

На рис 13 показана осциллограмма выходного импульса для максимальной мощности гамма-излучения Р = 1,1*107 рад/с В таблице

приведены результаты испытаний ИС на стойкость к максимальной мощности гамма-излучения для 2-х образцов.

Рис. 13. Осциллограмма выходных импульсов по выводам ЮЬ'ТА (1) и ООиТА (2) ( I деление = 100 мкс по оси х, 5 деление = 100 мВ по оси у )

Видно, что синусоиды выходного напряжение не имеют резких выбросов. Это значит, при максимальной мощности гамма-излучения Р = 1,1*10' рад/с не происходит сбоя в работе ИС.

Результаты испытаний

Р, рад/с | ВПР | ТЭ | КО Р. рад/с | ВПР | ТЭ КО

Образец №1 1 Образец №32

3.1Е+04 0.0 нет нет 3.1Е+04 0.0 нет нет

5.5Е+04 10 не нет нет 5.5Е+04 10 не нет нет

1.1Е+05 20 не нет нет 1.1Е+05 20 не нет нет

2.1Е+05 50 не нет нет 2.1Е+05 50 не нет нет

4.2Е+05 150 не нет нет 4.2Е+05 170 не нет нет

7.5Е+05 250 не нет нет 7.5Е+05 300 не нет пет

1.5Е+06 1.5 мкс нет нет 1.5Е+06 1.9 мкс нет нет

2.7Е+06 2.5мкс нет нет 2.7Е+06 2.3 мкс нет нет

5.4Е+06 2.6 мкс нет нет 5.4Е+06 2.8 мкс нет нет

1.1Е+07 3.0 мкс нет нет 1.1Е+07 2.8 мкс нет нет

1.5Е+07 есть нет 1.5Е+07 есть нет

7.6Е+08 есть нет 7.6Е+08 есть нет

Из таблицы видно, что катастрофических отказов (КО) не наблюдается при Р=7 6*10 рад/с, тиристорный эффект (ТЭ) отсутствует при Р=1 1*10 рад/с, временная потеря работоспособности (ВПР) составляет примерно 3 мкс

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В процессе выполнения работы был разработан 10-разрядный, 2-х канальный, радиационно-стойкий ЦАП с частотой преобразования 40 МГц Разработанная ИС состоит из двух частей аналоговой и цифровой Аналоговая часть содержит два согласованных 10-ти разрядных ЦАП, имеющих сегментированную архитектуру, источник опорного напряжения 1,20 В и управляющий опорный усилитель, с помощью которого задается диапазон полной шкалы Цифровая часть содержит два интерполяционных фильтра «2х», схемы декодирующей логики и некоторые дополнительные интерфейсные схемы Разработанная ИС предназначена для использования в квадратурных модуляторах В данной работе представлены схемотехнические и конструктивно-технологические методы обеспечения радиационной стойкости ЦАП

В диссертации получены следующие результаты

1 Разработаны и исследованы новые схемотехнические и топологические решения для обеспечения радиационной стойкости и высоких точностных характеристик ИС, разработанной по технологии 0,6 мкм с использованием источников тока и выходных ключей на р-МОПТ, которые менее подвержены влиянию радиационных воздействий, чем п-МОПТ

2 Проведено обобщение результатов моделирования аналоговых и аналого-цифровых блоков ИС На основе этого скорректированы параметры транзисторов, обеспечена температурная стабилизация опорного напряжения Разработаны рекомендации по обеспечению радиационной стойкости ЦАП, в частности использование охранных р+-колец вокруг n-МОПТ, подложек с эпитаксиальными пленками и расположение контактных" областей к карманам вплотную к соответствующим истокам транзисторов

3 ИС была изготовлена по стандартной КМОП-технологии с проектными нормами 0,6 мкм с двумя слоями алюминиевой металлизации и одним слоем поликремния Архитектура изделия, в основе которой лежит массив источников тока, позволяет использовать такой процесс Эта технология обеспечивает частоту преобразования ИС 40 МГц и высокие точностные характеристики в широком диапазоне температур

4 Проведены испытания опытных образцов ЦАП в диапазоне температур -60°С - +85°С Получены типовые зависимости значений электрических параметров ИС (внутреннего опорного напряжения, токов потребления аналоговой и цифровой части ИС, выходного сопротивления, нелинейности при различных напряжениях питания и тд) Проведены испытания на стойкость к воздействию гамма-излучения Результаты испытаний показали, чго ИС соответствует заданным параметрам и требованиям радиационной стойкости

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1 Оптимизация параметров латерального РЫР - транзистора для высоковольтных ОС-ОС преобразователей в составе «систем на кристалле» /СИ Рембеза, С М Кононов, В Я Нисков, А С Бережной, К В Смуров // Вестник Воронежского государственного технического университета 2007 Т 3 №4 С 109-110

2 Оптимизация параметров компонентов интегральных микросхем / С И Рембеза, А С Бережной, К В Смуров, В Ю Москалев // Вестник Воронежского государственного технического университета 2007 Т 3 №4 С 163-164

Статьи и материалы конференций

3 Кононов С М, Бережной А С, Смуров К В Воздействие радиационного излучения на КМОП - микросхемы и конструктивные способы повышения их радиационной стойкости // Твердотельная электроника и микроэлектроника межвуз сб науч тр Воронеж ВГТУ, <

2005 С 65-75

4 Электростатическая защита выводов интегральных микросхем /СИ Рембеза, С М Кононов, А С Бережной, К В Смуров // Твердотельная электроника и микроэлектроника межвуз сб науч тр Воронеж ВГТУ,

2006 С 131-138

5 Особенности получения тонкопленочных резисторов при изготовлении анапогово-цифровых микросхем / СИ Рембеза, С М Кононов, В Я Нисков, А С Бережной, К В Смуров // Твердотельная электроника и микроэлектроника межвуз сб науч тр Воронеж ВГТУ,

2007 С 57-61

Подписано в печать 22 11 2007 Формат 60x84/16 Бумага для множительных аппаратов Уел печ л 1,0 Тираж 90 экз Зак №£О9

ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп , 14