автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Развитие схемотехники и методов проектирования контроллеров интеллектуальных датчиков

□и «э — - На правах рукошси

МАТВЕЕНКО ОЛЬГА СЕРГЕЕВНА

РАЗВИТИЕ СХЕМОТЕХНИКИ И МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНТРОЛЛЕРОВ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 МЕН 2009

Москва-2009 г.

003488316

Работа выполнена в Московском физико-техническом институте и в ООО «Юник Ай Сиз», г. Москва

Научный руководитель:

Д.Т.Н., профессор Адамов Ю.Ф.

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Крупкина Т.Ю. к.т.н., Кобзев Ю.М.

Ведущая организация: ОАО «Ангстрем»

Защита состоится 2009 г. в /3 часов на заседании

диссертационного совета Д 850.012.01 при Государственном унитарном предприятии «Научно-производственный центр СПУРТ» по адресу: пМосква, Зеленоград, 1-й западный проезд д.4, ГУЛ НПЦ «СПУРТ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП НПЦ «СПУРТ».

Автореферат разослан « /УШ^а/ 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Петров В.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

При создании информационных систем наиболее сложная организационная и производственная задача связана с разработкой и производством интеллектуальных датчиков (ИД). Основная проблема заключается в разнообразии требований к используемой элементной базе и сравнительно небольших для микроэлектроники объемах выпуска. До настоящего времени большая часть электронных блоков в датчиках комплектуется универсальными микросхемами и дискретными полупроводниковыми приборами.

Однако, развитие информационных систем идёт не только качественно, но и количественно. Повсеместно нас окружают средства связи, системы безопасности, Интернет и др. Количество разнообразных датчиков исчисляется многими миллионами. Кардинально меняются и требования к датчикам. Датчики должны быть дешёвыми, надежными, компактными и энергосберегающими. Обеспечить эти требования можно только используя специализированные аналого-цифровые микросхемы контроллеров для интеллектуальных датчиков.

Современная электронная промышленность осваивает новые формы организации производства, ориентированные на удовлетворение разнообразных требований заказчиков. Новая форма организации получила название «Smart foundry» (разумное контрактное производство.) Новая форма взаимодействия производителей и заказчиков предполагает активное участие заказчиков в модификации производственного маршрута и элементной базы проекта.

Проблема подготовки элементной базы для разработки специализированных аналого-цифровых микросхем контроллеров в системе «разумного контрактного производства» является актуальной.

Объектом диссертационного исследования являются микросхемы контроллеров для интеллектуальных датчиков.

Предметом диссертационного исследования являются методы проектирования и схемотехника специализированных контроллеров для интеллектуальных датчиков.

Цели и задачи диссертации

Цель диссертации заключается в разработке маршрута проектирования унифицированных аналоговых блоков для контроллеров интеллектуальных датчиков, выпуск которых осуществляется в системе «разумного контрактного производства».

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие

задачи:

1. Рассмотрены возможности «разумного контрактного производства» на примере одного из ведущих мировых производителей специализированных микросхем - компании «БШегга» (Малайзия).

2. Выделены общие элементы модифицированных производственных маршрутов для их использования в универсальных аналоговых блоках.

3. Проведён анализ требований заказчиков микросхем для определения параметров и состава универсальных аналоговых блоков.

4. Сформулированы требования к подготовке описаний аналоговых блоков для использования их при проектировании контроллеров в соответствии с методологией «систем на кристалле».

5. Разработан список дополнений к правилам проектирования аналоговых блоков.

6. Предложен ряд новых технических решений, обеспечивающих улучшение характеристик аналого-цифровых микросхем.

7. Эффективность маршрута проектирования унифицированных аналоговых блоков показана на примерах разработки реальных микросхем контроллеров интеллектуальных датчиков.

8. Выполнена патентная защита новых технических решений.

Научная новизна полученных результатов

1. Установлено, что проблема разных масштабов времени в электронных устройствах и внешней среде при проектировании контроллеров интеллектуальных датчиков эффективно решается использованием унифицированных аналоговых узлов и блоков, а также поведешеским моделированием аналого-цифровых микросхем в составе информационной системы.

2. Разработана новая методика проектирования сложных аналоговых блоков, основанная на использовании более простых параметризованных узлов, позволяющая осуществить синтез схемы блока, его поведенческое моделирование и оптимизацию раньше, чем установлены параметры элементов и разработана топология.

3. Установлено, что подавление паразитной инжекции в подложку КМОП-структуры достигается созданием в Р-подложке скрытого слоя Р+-типа и ограничением скорости изменения выходного тока мощных транзисторов электронными средствами.

4. Разработаны новые технические принципы, улучшающие функциональные и эксплуатационные характеристики контроллеров интеллектуальных датчиков:

• уменьшение площади на кристалле и потребляемой мощности входного блока фотоприемника достигается совмещением в одном каскаде усилителя сигналов и фильтра верхних частот;

• стабилизация характеристик и высокая энергетическая эффективность релаксационного генератора обеспечиваются использованием источника вторичного электропитания с выходным напряжением, зависящим от температуры;

• энергосбережение в микроваттных микросхемах достигается использованием вторичных источников питания на переключаемых конденсаторах.

Практическая значимость результатов работы

1. Разработаны рекомендации по улучшению воспроизводимости и помехоустойчивости аналоговых блоков, разрабатываемых для субмикронных КМОП технологий.

2. Завершенные и аттестованные проекты контроллеров для интеллектуальных датчиков подтверждают эффективность новых технических принципов реализации аналоговых блоков в аналого-цифровых микросхемах, разрабатываемых в структуре «разумного контрактного производства».

3. Технические принципы, разработанные в диссертации, обеспечили создание ряда микросхем контроллеров интеллектуальных датчиков с параметрами на уровне мировых достижений. Результаты практических разработок отражены в Актах о внедрении.

4. Патент на изобретение обеспечивает патентную защиту новых изделий электронной техники.

5. Результаты диссертации используются в учебной программе по курсу «Основы микроэлектронной технологии» в Московском физико-техническом институте.

Положения, выносимые на защиту

1. Сокращение времени проектирования аналого-цифровых устройств достигается:

9 выбором для реализации аналоговых блоков транзисторных структур, одинаковых для нескольких модифицированных производственных маршрутов;

• разработкой и использованием единой библиотеки параметризованных функциональных блоков для нескольких проектов, для которых возможен выбор разных производственных маршрутов, совместимых по параметрам транзисторов в аналоговых блоках;

• использованием параметризованных поведенческих моделей аналоговых блоков на этапе синтеза и моделирования структурной схемы.

2. Улучшение воспроизводимости параметров и повышение помехоустойчивости аналоговых блоков в КМОП микросхемах обеспечивается использованием новых технических решений:

• выходные каскады с контролируемой скоростью изменения тока;

• защитные экраны в слое металлизации над аналоговыми блоками, снижающие паразитное воздействие оптического излучения в фоточувствительных микросхемах;

• термостабилизация параметров элементов в готовых микросхемах при длительном низкотемпературном отжиге.

3. Энергоэффективность микромощных микросхем повышается за счет использования преобразователей напряжения питания на основе переключаемых конденсаторов.

Внедрение результатов работы

1. Результаты диссертационной работы использованы при создании новых микросхем: контроллера акселерометра, контроллера дымового пожарного извещателя, контроллера ёмкостной клавиатуры, что подтверждено актом внедрения от ООО «Юник Ай Сиз».

2. Материалы диссертации использованы при подготовке учебного пособия «Основы микроэлектронной технологии» в рамках обеспечения инновационной образовательной программы для магистров кафедры «Микроэлектроника» факультета Физической и квантовой электроники в Московском физико-техническом институте.

Достоверность научных положений, результатов и выводов. Теоретические исследования, проведённые в данной работе, базируются на фундаментальных положениях физики полупроводников и полупроводниковых приборов.

Для решения поставленных задач использованы методы компьютерного моделирования, макетирования контроллеров в составе тестовых кристаллов и их экспериментального исследования.

Достоверность полученных теоретических результатов и разработанных моделей обусловлена их согласием с известными положениями физики полупроводниковых приборов и теории электрических цепей, а также подтверждается экспериментальными исследованиями. Достоверность новых схемотехнических решений подтверждена положительной экспертизой заявки на изобретение.

Возможность применения рекомендаций по проектированию подтверждена их успешным использованием при разработке новых изделий электронной техники.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих научно-технических конференциях:

• 49-я научная конференция Московского физико-технического института «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Московская область, Долгопрудный, 2006 г.

• 50-я научная конференция Московского физико-технического института «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Московская область, Долгопрудный, 2007 г.

• 51-я научная конференция Московского физико-технического института «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Московская область, Долгопрудный, 2008 г (два доклада).

• Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии и наноматериалы», Москва, 2009.

• 52-я научная конференция Московского физико-технического института «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Московская область, Долгопрудный, 2009 г (два доклада).

Публикации

Результаты диссертации опубликованы в 5 научных статьях, 7 тезисах докладов на научных конференциях и одном отчете о научно-исследовательской работе. Получен патент на изобретение.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, содержащих акты внедрения результатов работы и списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность решаемой задачи, сформулированы цели и предмет исследования, определены основные вопросы, требующие рассмотрения и анализа в диссертации.

В первой главе диссертации охарактеризовано развитие схемотехники и технологии полупроводниковых микросхем для информационных систем. В обозримом будущем большое

распространение получат автоматические информационные сети, которые внедрятся почти во все сферы человеческой деятельности. Сети должны стать распределенными и отказоустойчивыми. Для этого многократно должны возрасти вычислительные возможности всех блоков сетевой аппаратуры. Наибольшие изменения коснутся датчиков и информациошгых терминалов. Датчики должны стать интеллектуальными.

Методы проектирования современных микросхем используются при разработке ИД. Наиболее сложные и многофункциональные микросхемы разрабатываются с использованием методологии «систем на кристалле» (СНК). Основная идея методологии - это использование в проекте уже готовых функционально законченных блоков без их доработки или настройки. Контроллеры интеллектуальных датчиков в своём большинстве являются аналого-цифровыми, а наиболее жесткие требования предъявляются к аналоговым блокам контроллеров.

Использование методологии СНК при разработке контроллеров ИД требует создания специальной системы проектирования СФ-блоков. Наиболее сложная задача - это подготовка технологически реализуемой спецификации. Разнообразие требований к элементам аналоговых блоков очень ограничивает возможности унификации схемотехнических и конструктивных решений. Задача подготовки спецификации должна решаться совместно с выбором технологии производства контроллеров.

Схемотехническое проектирование и верификация СФ-блоков выполняются в соответствии с требованиями спецификации и завершаются аттестацией поведенческой модели. Проблема моделирования ИД состоит в условиях их работы. События в контролируемой среде могут развиваться очень медленно в течении часов и суток. Переключения элементов схемы происходят за доли наносекунды. Несоответствие масштабов событий приводит к катастрофическому увеличению объемов вычислений и требуемых компьютерных ресурсов для моделирования процессов на транзисторном или логическом уровнях. Эффективные поведенческие модели должны обеспечить моделирование работы информационной системы с реализуемыми затратами времени и вычислительных ресурсов.

Проблема технологической совместимости аналоговых и цифровых СФ-блоков связана с разнообразием требований к контроллерам ИД и их элементной базе. Для создания всей номенклатуры контроллеров нужны технологии, позволяющие объединять в одном кристалле микросхемы очень большой состав полупроводниковых приборов. Таких универсальных технологий нет и не предвидится в обозримом будущем.

Решение проблемы состоит в создании производства нового тала.

«Разумное» производство (smart foundry) - это не только технологический участок, но и дизайн-центр, и служба поддержки заказчиков. При этом допускается согласованная модификация технологического процесса и правил проектирования для каждого проекта. Такое производство существенно дороже, но обеспечивает выпуск уникальных изделий с высокой добавленой стоимостью. Модель «разумного» производства реализуется несколькими крупными зарубежными технологическими компаниями (X-FAB, Silterra).

Во второй главе проводится исследование организации проектирования интеллектуальных датчиков. ИД должен быть расположен в том месте, где проводится измерение физических величин во внешней среде. Оптимальным является решение, когда все электронные компоненты ИД находятся в одной микросхеме контроллера. Несмотря на разнообразие датчиков они имеют очень схожую структуру. Блок-схема ИД приведена на рис. 1. Основные отличия связаны с функциями чувствительных элементов, алгоритмами обработки и протоколами связи. Унифицировать можно блоки регистрации и аналого-цифровые преобразователи.

Рис. 1 Блок-схема интеллектуального датчика.

В большинстве случаев чувствительные элементы изготовлены с использованием специальных технологий и материалов и реализованы в виде отдельных компонентов. Однако современные технологии позволяют изготовлять фоточувствительные, термочувствительные и магниточувствительные элементы на кристалле контроллера. Однако, разработка контроллера усложняется необходимостью обеспечить отсутствие влияния на ЧЭ блоков обработки сигнала.

Функции блоков связи определяются протоколом обмена информацией в информационной системе. Число используемых протоколов ограничено и функции их хорошо известны. Блоки связи в ИД унифицировать достаточно просто.

Аналого-цифровые преобразователи в контроллерах ИД в основном отличаются требуемой разрядностью. Можно разработать унифицированный ряд АЦП с разной разрядностью, но совместимых функционально, технологически и параметрически.

Блоки регистрации сигналов могут бьпъ достаточно разнообразны, но построены на ограниченном числе аналоговых узлов. К таким универсальным узлам можно отнести операционные усилители, компараторы, аналоговые ключи, источники опорных напряжений, частотные фильтры.

Основной целью работы является снижение себестоимости изделий за счет повышения производительности проектных работ, увеличения степени интеграции и применения новых технологий. На первый взгляд формулировка цели содержит и очевидные пути ее достижения. Однако, известные технические решения плохо совмещаются в одном проекте и приводят чаще к увеличению его стоимости. Поэтому, в работе проведен поиск новых технических решений и разработка нового маршрута проектирования.

Производительность проектных работ для контроллеров интеллектуальных датчиков ограничивается двумя факторами: почти полным отсутствием унификации интегрированных аналоговых блоков, плохой формализацией описаний чувствительных элементов и условий применения ИД.

Структура ИД содержит блоки, которые традиционно реализуются в разных технологических маршрутах. Объединение их в одной микросхеме требует как развития интегральной технологии, так и адаптации схемотехники.

Маршрут производства интегральных микросхем характеризуется не только составом и параметрами полупроводниковых приборов, но и наличием средств поддержки разработчиков. Базовые технологические маршруты обеспечены библиотеками логических элементов и функциональных блоков.

Модифицируемые технологические маршруты позволяют использовать в микросхемах оригинальные полупроводниковые структуры чувствительных элементов и высоковольтных транзисторов. Модифицируемые маршруты — это основной путь интеграции разнородных функциональных блоков. Основные издержки от применения модифицируемых маршрутов состоят в слабом обеспечении заказчиков библиотеками функциональных блоков. Наиболее эффективным является подход, в котором выполняется разработка нескольких микросхем на основе одного модифицированного маршрута. В этом случае имеется возможность подготовить и характеризовать серию функциональных блоков, общих для нескольких проектов. Поведенческая характеризация блоков дает возможность использовать прогрессивную методологию проектирования «систем на кристалле» .

В работе приведен пример модификации технологического

маршрута для интеллектуальных датчиков с инфракрасными (ИК) фотоприемниками диапазона 800+950 нм. Проблемы интеграции фотоприемников и контроллеров связаны с различием профилей легирования и негативным влиянием на спектральные характеристики системы многоуровневой металлизации микросхем. Требования к датчикам определяют требования к физической структуре контроллера.

1. Слабая чувствительность к видимому свету.

2. Высокая чувствительность к излучению диапазона 800+950 нм.

3. Возможность работы с модулированным источником излучения. Частота модуляции до ЮОкГц.

4. Низкая чувствительность к подложечным помехам и к инжекции носителей в подложку.

5. Минимальное энергопотребление.

6. Возможность работы от батареи с напряжением 9 В.

Требования определяют решения по модификации физической структуры микросхемы и ее производственного маршрута. Формирование спектральной характеристики фотоприемника достигается соответствующим профилем легирования его структуры. Фотоприемник должен быть двухдиапазонным. Носители, которые генерируются видимой частью спектра, должны отводиться в источник питания. Носители, генерируемые инфракрасной частью спектра, должны отводиться к усилителю считывания. Для быстродействующих фотоприемников отклик на оптический импульс не должен превышать 5 мксек.

Глубина поглощения электромагнитного излучения в кремнии быстро увеличивается с увеличением длины волны. Мелкозалегающий р-я-переход разделяет неосновные носители, порожденные видимым светом. Глубокий р-и-переход разделяет носители, порожденные ПК излучением. Измеренное время отклика фототока на импульс ИК излучения около 15 мксек. Для снижения времени отклика в Р-подложке формируется глубокий скрытый слой Р+- типа. Время отклика уменьшается более чем в десять раз, максимальный ток отклика практически не меняется.

Для формирования структуры ИК фотоприемника в составе микросхемы контроллера требуется только изменение энергии и дозы легирования имплантируемых слоев. Термический бюджет при этом не меняется, соответственно сохраняются и параметры КМОП-транзисторов. Требования к параметрам интегрированных ИК фотоприемников полностью удовлетворяется.

Освещение кристалла приводит к генерации неосновных носителей не только в фотоприемниках, но и в подложке под активными

приборами. Даже слабые подложечные токи модулируют проводимость канала МОП-транзисторов и увеличивают мощность низкочастотного шума. Для снижения влияния паразитной засветки кристалла поверхность над электронными блоками закрывается металлическим экраном.

Воздействие электронных блоков на фотоприемники связано с инжекцией электронов в подложку при переключении я-канальных мощных МОП-транзисторов в выходных блоках. Решением проблемы является гальваническая изоляция ТУМОП-транзистора от подложки. Для этого необходимо использовать скрытый слой //"-типа. Однако, в маршруте с фотоприемниками такой слой не предусмотрен. Вместо него можно использовать Л-слой для ИК фотоприемников, который имеет отличающиеся параметры. Моделирование и экспериментальные исследования показали, что замена изолирующего скрытого А^ слоя на Л^-слой для ИК фотоприемников не приводит к изменению параметров МЛОП-транзисторов или к появлению тиристорного эффекта в КМОП структуре.

Наиболее сложно решаются проблемы энергосбережения и повышения рабочего напряжения контроллера. Энергосбережение эффективно при понижении рабочих напряжений микросхемы. Высокие напряжения требуются для обеспечения помехоустойчивости проводных линий связи. Средняя мощность, потребляемая датчиком, должна находиться в микроваттном диапазоне. Для микромощных контроллеров требуется специализированный встроенный преобразователь напряжения питания.

На этапе выбора производственного маршрута для микромощных датчиков рассматривались два варианта. Первый — использование маршрута с высоковольтными КМОП-транзисторами. Второй -модификация физической структуры с ИК фотоприемниками с целью повышения рабочих напряжений полупроводниковых приборов.

Автономные датчики обычно питаются от одной батареи с номинальным напряжением 9В. Для преобразователя питания необходимы приборы с допустимым напряжением не менее 12В. Повышение рабочих напряжений КМОП-транзисторов ограничено толщиной подзатворного окисла и термическим бюджетом процесса, соответственно. Поэтому исследовались только структуры биполярных транзисторов. Разработано несколько структур биполярных п-р-п-транзисторов на основе маршрута с ИК фотоприемниками. Термический бюджет процесса при этом не изменился. Лабораторные образцы транзисторов изготовлены в тестовых кристаллах на тех же пластинах, что и микросхемы с фотоприемниками.

Исследования образцов «-/?-/г-транзисторов показали, что они характеризуются пробивным напряжением коллектор-эмиттер 13-И 4 В, коэффициентом усиления тока 20^25 и напряжением Эрли не менее 30 В. Транзисторы хорошо работают в микроамперном режиме и будут использованы для построения встроенных преобразователей электропитания и выходных каскадов систем связи.

Для реализации структуры л-р-и-транзистора потребовался только один дополнительный слой для легирования эмиттера.

В субмикронных технологиях значительное влияние на вариации параметров транзисторов оказывают термомеханические напряжения в структуре микросхемы. Для снижения их влияния правила проектирования рекомендуют разбивать МОП-транзисторы на одинаковые фрагменты, размещать фрагменты в виде равномерной матрицы и окружать их идентичными фиктивными фрагментами, которые в схеме не используются. Этот прием не столько снижает, сколько выравнивает величины термомеханических напряжений в структуре.

Кроме установления оригинальных правил проектирования «разумное» производство позволяет вводить новые технологические операции. Операция термостабилизации параметров проводится уже после сборки кристаллов в корпус. Режимы термостабилизации отработаны на образцах термодатчиков. После проведения термостабилизации разброс показаний термодатчиков уменьшился более чем в 2 раза.

Эффективность преобразования напряжения постоянного тока зависит от отношения входного и выходного напряжений и от отношения максимального и среднего токов нагрузки. Чем больше эти отношения, тем хуже эффективность. С ростом максимального выходного тока увеличивается и ток схемы управления преобразователя. С уменьшением среднего выходного тока мощность схемы управления используется неэффективно. Эффективные преобразователи для микроамперных выходных токов серийно не выпускаются. Оптимальным решением будет реализация преобразователя напряжения питания в составе контроллера ИД.

В реальном мире и мире электроники разные масштабы времени. В подавляющем большинстве случаев нет необходимости в непрерывной работе датчиков. Используются разные условия активации датчиков: периодически через равные промежутки времени, по запросу базовой станции, при появлении контрольно события (нажатия кнопки, срабатывания другого датчика). При активации датчика осуществляется регистрация сигналов чувствительного элемента, обработка информации

контроллером и, при необходимости, передача информации на базовую станцию. Большую часть времени ИД находится в режиме ожидания. Мощность, потребляемая датчиком в режиме ожидания, определяет и среднюю мощность ИД. Для снижения средней мощности необходимо обесточить все неиспользуемые блоки и ограничить потребление используемых в режиме ожидания. Например, если частота синхрогенератора ИД превышает 100 кГц, то в режиме ожидания его следует отключить, а в составе контроллера должен быть еще один низкочастотный маломощный генератор синхросигнала, обеспечивающий работоспособность датчика в режиме ожидания. Преобразователи напряжения питания должны иметь вход отключения нагрузки и перевода в энергосберегающий режим. Дежурный блок, естественно не должен отключаться от электропитания.

Типовые значения тока потребления в режиме ожидания лежат в диапазоне К10 мкА.

Так как интеллектуальные датчики являются частью сложной информационной системы, то их проектирование требует формализации отношений и тесного сотрудничества нескольких предприятий. Такое взаимодействие возможно путем создания и развития детальной спецификации и программной модели информационной системы, включающей интеллектуальные датчики. Такая системная модель должна включать характеристики регистрируемых процессов, внешних по отношению к системе. Спецификация должна отражать условия применения ИД и их возможные варианты, необходимость калибровки в реальном окружении и взаимодействии с другими частями информационной системы. Методология проектирования «сверху-вниз» по пути детализации моделей и описаний характерна для «систем на кристалле» (СНК). Другой отличительной особенностью этой методологии является использование при проектировании микросхем заранее разработанных и аттестованных сложнофункциональных блоков (СФ-блоков). Применение СФ-блоков в маршруте последовательной детализации модели интегрированной системы возможно только при условии, что для СФ-блоков разработаны программные поведенческие модели. Только методология «систем на кристалле» позволяет проектировать контроллеры интеллектуальных датчиков без многочисленных итераций проекта.

Глава 3 посвящена исследованию унифицированных сложных функциональных блоков для контроллеров интеллектуальных датчиков.

Описан разработанный унифицированный блок операционного усилителя (ОУ). Требования к интегральным ОУ определяются условиями применения. В аналоговой части контроллера ОУ может быть

более десяти. Поэтому следует стремиться к ограничению площади унифицированного блока. Площадь ОУ определяется требуемой выходной мощностью и наличием элементов коррекции частотной характеристики. Для интегральных блоков, не имеющих выхода за пределы микросхемы, большая выходная мощность не требуется. Выходной ток обычно не превышает 100 мкА. Цепи коррекции требуются в многокаскадных ОУ. Если ограничиться однокаскадными вариантами, то цепи коррекции не потребуются. Площадь однокаскадного ОУ можно ограничить величиной 1000 мкм2.

Второй важный показатель — технологическая совместимость СФ-блоков. В нашем случае библиотека СФ-блоков создавалась для базового производственного маршрута фирмы ЗШегга и совместимых с ним по термическому бюджету модифицированных маршрутов. Для таких маршрутов используется общая библиотека моделей МОП-транзисторов. В маршруте реализуются две группы МОП-транзисторов: приборы с длиной затвора 0,35 мкм и номинальным напряжением питания 3,3 В; а также приборы с длиной затвора 0,18 мкм и напряжением питания 1,8 В. В подавляющем большинстве случаев в аналоговой схеме требуется увеличение динамического диапазона сигнала. Поэтому для построения ОУ были выбраны только транзисторы с напряжением питания 3,3 В. В аналого-цифровых схемах часто используется ^-канальные МОП-транзисторы с гальванической изоляцией «Р-кармана» от Р-подложки. Мы рассчитываем на применение именно таких транзисторов, допускающих подключение «кармана» к истоку и обеспечивающих лучшую изоляцию от помех в подложке.

В нашей библиотеке используется одна базовая электрическая схема ОУ. Варианты схемы отличаются коэффициентом усиления на низкой частоте и частотой единичного усиления. Схема модифицируется кратным изменением соотношения длины и ширины канала всех транзисторов. На рисунке 2 изображены зависимости коэффициента усиления, частоты на усилении -ЗдБ и выходного сопротивления от длины канала и пропорционального изменения длины и ширины канала.

Моделирование сложных аналоговых блоков значительно ускоряется при использовании поведенческих моделей ОУ. В диссертации разработана параметризованная поведенческая модель унифицированного ОУ. Оптимизацию сложного аналогового СФ-блока можно провести автоматически меняя только параметры поведенческой модели ОУ в соответствии с зависимостями на рис. 2. Такая поведенческая оптимизация одновременно является и схемотехнической.

а) б)

Рис. 2 Зависимость коэффициента усиления, частоты на усилении -ЗдБ и выходного сопротивления от а) пропорционального изменения длины и ширины канала (\у - к-1мкм, 1 ~ к-1мкм); б) от длины

канала.

Все операционные усилители скомпонованы в одинаковые по габаритам топологические фрагменты с одинаковыми координатами выводов. Это позволяет создавать план кристалла до того как будут закончены оптимизация и функциональная верификация электрической схемы контроллера.

База данных включает несколько законченных вариантов электрической схемы и топологии ОУ. Однако, главными элементами унификации являются зависимости параметров и параметризуемая поведенческая модель. Если в результате оптимизации схемы потребуется ОУ, которого в базе данных нет, то разработка топологии требуемого варианта займет всего несколько часов.

Далее описывается разработанный блок усилителя сигналов фотоприемников, совмещенного с фильтром верхних частот, для систем оптической локации и систем безопасности.

Мощность фонового освещения многократно превышает мощность сигнала (до 10" раз). Сигнал на выходе фотоприемника содержит две составляющих: низкочастотную от фоновых источников излучения и высокочастотную от источника информации.

В качестве фотоприемника используется интегрированный диод с большим внутренним сопротивлением. Для регистрации сигнала применяется операционный усилитель с отрицательной обратной связью и низким входным сопротивлением. Выходной сигнал ОУ можно

значительно усилить по мощности, но не по напряжению, так как низкочастотная фоновая составляющая и так уже велика, а напряжение выходного сигнала ограничено напряжением электропитания. Фоновый сигнал от люминисцентных ламп содержит переменные составляющие с частотами до 1 кГц. Разделение частотных составляющих простым фильтром верхних частот затруднительно, так как соотношение мощностей фонового и полезного сигналов больше соотношения частот.

Предложенный фильтр (рис. 3) включает два канала усиления тока фотоприемника с равными коэффициентами усиления и разными направлениями выходного тока. В одном из каналов в цепи обратной связи включен фильтр нижних частот, ослабляющий полезную составляющую сигнала. Разнонаправленные токи складываются в нагрузке, причем, низкочастотная составляющая уменьшается многократно, а высокочастотная незначительно. Технический результат достигается за счет того, что емкости в ЯС-фильтре для уменьшения высокочастотного сигнала требуются меньшей величины, чем в фильтре, для выделения высокочастотного сигнала на фоне мощных низкочастотных помех. Размеры конденсаторов в КС-фильтрах определяют площадь всего аналогового блока. Дальнейшая фильтрация и усиление информационного сигнала уже не представляют серьезных проблем.

Рис. 3 Усилитель сигналов фотоприемников, совмещенный с фильтром

верхних частот

Термокомпенсированные генераторы используются как формирователи синхросигналов в цифровых устройствах без кварцевых

V

пит

резонаторов и в преобразователях емкость-код. Номинальная частота генератора устанавливается в диапазоне 50+150 КГц и определяется величиной конденсатора в обратной связи. Номинальное напряжение питания 2,5 В при температуре 25°С. Компенсация изменений параметров элементов генератора в диапазоне температур достигается за счет управления напряжением питания. Для компенсации температурной зависимости частоты используется встроенный источник питания с заданным температурным коэффициентом 4,8 мВ/град.

Кроме температуры на частоту генератора влияет технологический разброс параметров элементов. Для компенсации технологического разброса в схеме генератора предусмотрена электронная коррекция опорного резистора. Опорный резистор разделен на три секции, включенные последовательно, две из которых шунтированы проходными ключами. Номинальное значение опорного резистора соответствует двум включенным последовательно секциям, одному замкнутому и одному разомкнутому ключам. Замыкая или размыкая ключи можно увеличить или уменьшить частоту генератора на 10%. Состояние электронных ключей программируется при загрузке программы в системе.

В структуре ИД присутствуют блоки управления внешними элементами (светодиодами, токовыми ключами, твердотельными резонаторами и др.). Проблема коммутации больших токов связана с индуктивными эффектами в проводниках на печатной плате и в корпусе микросхемы. При быстром переключении тока внешней цепи со значительной индуктивностью в схеме появляются колебания напряжения с амплитудой несколько вольт. Отрицательные выбросы напряжения в общей шине приводят к инжекции изолирующих р-п-переходов в ЛМОП-транзисторах и возникновению тиристорного эффекта в КМОП-структуре. Даже если удается побороть тиристорный эффект, инжекция неосновных носителей в подложку отрицательно влияет на характеристики чувствительных аналоговых блоков в контроллерах ИД. Замедление переключения выходных каскадов контроллера с использованием емкостных цепей коррекции частотной характеристики приводит к многократному увеличению сквозного (бесполезного) тока в выходных каскадах. Энергопотребление контроллера значительно возрастает.

Предложенное нами новое решение состоит в разделении выходного каскада контроллера на несколько секций и последовательном (конвеерном) переключении этих секций с заданной задержкой. При распределении сигналов в конвеере соблюдается условие, чтобы не было одновременно открытых 7ШОП- и РМОП- транзисторов, рис. 4.

Рис. 4 Логическая схема блока конвеерного распределения сигнала управления мощным КМОП ключом для моделирования индуктивных

эффектов.

Рассмотрен, пример драйвера для токового ключа на биполярном п-р-п транзисторе. Биполярные транзисторы широко используются в качестве токовых ключей. Они не требуют высокого напряжения управления, имеют низкое сопротивление в открытом состоянии и потребляют небольшую мощность. Рассмотрим пример биполярного транзистора, управляемого КМОП микросхемой и коммутирующего ток около 1 А. Резистивная нагрузка 30 Ом подключена к источнику питания 32 В. Напряжение на ключе в открытом состоянии должно быть не более 1 В. Максимальный ток управления должен быть не менее 100 мА для обеспечения насыщения транзистора и низкого сопротивления биполярного транзистора в открытом состоянии.

Допустим, что шины питания на плате и конструкция биполярного транзистора обеспечивают значения паразитной индуктивности в цепях коллектора и эмиттера не более 3 нГн. При включении тока 1 А за 10 нсек падение напряжения на паразитных индукторах в биполярном транзисторе оценивается величиной 0,3 В. Переключение МОП-транзисторов в контроллере происходит за время менее 1 не. Коммутация выходного тока 100 мА за 1 не на индуктивной нагрузке в 30 нГн в контроллере невозможна, так как падение напряжения на каждом из индукторов составит 3 В. Реально ток достигнет

поминального значения за 5*7 не.

Если в схеме конвеерного переключения транзисторов в контроллере мы установим число каскадов конвеера равным 10, а задержку их переключения равной 1 не, то при каждом переключении падение напряжения на индукторе не превысит 0,3 В, а полное включение выходного тока произойдет за 10 не. Заряд выходного тока уменьшится в 2 раза от максимального. Полная перезарядка нагрузочной ёмкости произойдет за 15 не.

Расчеты показали, что в случае переключения транзисторов без конвеера за один период равный 300 нсек через диод протекает заряд 43 • 10'12 Кл. Таким образом, через диод течет ток инжекции в подложку 43 • 10'12 Кл ■ 3,3 • 106 сек1 ~ 142 мкА.

Для цифровых блоков контроллеров требуются отдельные источники электропитания. Напряжение питания цифровых блоков может быть значительно ниже, чем аналоговых. Средняя потребляемая мощность составляет единицы микроватт. Важная функция вторичного источника питания — это подавление импульсных помех в общих цепях микросхемы.

Рассмотрен пример проектирования вторичного источника электропитания для цифрового блока контроллера дымового извещателя. Схема преобразователя использует входное напряжение 3,3 В в качестве опорного. Выходное напряжение поддерживается схемой с внутренней обратной связью. Размеры транзисторов рассчитывались из условий, что ток потребления преобразователя в отсутствие тока нагрузки не должен превышать 1 мкА, а выходное сопротивление для тока нагрузки не более 1 кОм.

При проектировании преобразователей с внутренней обратной связью необходимо учитывать их важные особенности: возможность возбуждения и необходимость использовать дополнительные элемента для автозапуска. Величина тока для автозапуска не более ОД мкА. Начальный ток преобразователя без нагрузки менее 1 мкм, выходное напряжение 1,80 В. Выходное напряжение под воздействием импульсной токовой нагрузки снижается не более чем на 100 мВ.

В планах развития продукции российских заказчиков есть задачи, требующие освоения технологии компании БШегта с минимальными размерами элементов 110 нм. Это контроллеры с батарейным электропитанием и восьмиразрядным микропроцессором в цифровой части.

В технических требованиях установлены следующие параметры микропроцессора:

- частота синхросигнала в активном режиме — 100 кГц;

- частота синхросигнала в пассивном режиме — 10 кГц;

- напряжение питания ядра микропроцессора в активном режиме — 1 В ±10%;

- напряжение питания ядра микропроцессора в пассивном режиме — 0,5 В±10%;

- ток ядра в активном режиме — не более 50 мкА;

- ток ядра в пассивном режиме — не более 0,1 мкА;

- напряжение питания первичного внешнего источника питания (аккумулятора или батареи) — 3,0 В±0,1 В.

Основное время микропроцессор находится в пассивном режиме. Переход в активный режим происходит по команде с базовой станции или по сигналу таймера. Все блоки, активные в режиме энергосбережения, питаются непосредственно от батареи. Блоки преобразования питания также работают от батареи и реализованы на транзисторах с номинальным напряжением 3,3 В.

Нами разработаны блоки вторичного питания для активного и пассивного режимов. Для пассивного режима использован линейный аналоговый блок по типу, описанному в предыдущем разделе. Для активного режима разработан понижающий преобразователь напряжения на переключаемых конденсаторах, рис.5.

В схеме преобразователя использованы два внешних накопительных конденсатора, проходные КМОП-юпочи, выходной фильтр, компаратор с источником опорного напряжения и цифровой блок синхронизации. Синхросигнал частотой 100 кГц поступает от встроенного генератора контроллера. В пассивном режиме синхросигнал отсутствует и тока на выходе нет. Выходное сопротивление в пассивном режиме очень велико и не нагружает линейный аналоговый преобразователь. Аналоговый компаратор и источник опорного напряжения в пассивном режиме отключаются от электропитания аналоговым ключом.

В активном режиме цифровой блок коммутирует накопительные конденсаторы так, что заряжаются они в последовательном включении, а разряжаются в параллельном. Максимальное напряжение в каждом конденсаторе равно половине напряжения первичного источника питания, т.е. 1,5 В. При разряде конденсаторов требуется отдать цепь питания не менее 0,5 нК. При выходном напряжении фильтра 1 В суммарная емкость конденсаторов не может быть менее 1 нФ. В реальной схеме планируется использовать два внешних конденсатора с емкостью 1 нФ каждый. Для подключения конденсаторов микросхема контроллера должна иметь три дополнительных вывода. Еще один вывод контроллера требуется для подключения внешнего конденсатора

фильтра.

Рис. 5 Преобразователь напряжения питания на переключаемых конденсаторах

Синхросигналы от цифрового блока поступают на проходные ключи в такой последовательности, что цепи заряда и разряда конденсаторов никогда не открываются одновременно. Стробируемый компаратор сравнивает выходное напряжение преобразователя с опорным. При превышении порогового уровня 1.05 В отключает подачу синхросигнала в цифровой блок. При снижении ниже уровня 0,95 В включает синхросигнал. На компаратор синхросигнал подается в активном режиме непрерывно.

При подаче синхросигнала на цифровой блок средний потребляемый преобразователем ток не превышает 5 мкА. Причем, выходной ток вдвое больше тока от первичного источника питания. В отсутствие синхросигнала блок преобразователя потребляет 2 мкА в активном режиме. В пассивном режиме ток определяется только утечками и находится в диапазоне менее 1 нА.

Техническое решение для понижающего преобразователя напряжения питания запатентовано.

В главе 4 описываются примеры контроллеров интеллектуальных датчиков, разработанных в компании ООО «Юник Ай Сиз».

Проектирование датчиков осуществлялось с использованием методологии СНК и унифицированных аналоговых блоков, описанных в 3 главе.

В контроллере акселерометра изменяющаяся емкость влияет на период колебаний релаксационного генератора.

Тгсн~ЯС, (1)

где Л - эквивалентное сопротивление, С - измеряемая емкость.

Для проведения точных измерений ускорения контроллер акселерометра должен точно измерять периоды колебаний двух идентичных релаксационных генераторов. Причем, абсолютные значения периодов на точность измерений не влияют.

Контроллер должен регистрировать чрезвычайно незначительные изменения емкости. Максимальное значение измеряемой емкости 20 пФ. Максимальное изменение емкости при смещении инерционного блока -±10%. Таким образом, точность измерений определяется точностью контроллера акселерометра.

Для учета изменений параметров чувствительного элемента с изменением температуры контроллер содержит в своем составе температурный датчик. В результате разработки контроллера акселерометра получена топология кристалла размерами 1290 х 1160 мкм2.

Далее описывается принцип работы датчика ёмкостной клавиатуры. Он основан на зависимости периода колебаний релаксационного генератора от собственной ёмкости клавиши. Величина емкости между двумя объектами обратно пропорциональна расстоянию между ними и прямо пропорциональна их геометрическим размерам. Прикосновение пальца к клавише клавиатуры изменяет собственную емкость клавиши, что влияет на период колебаний релаксационного генератора. Если период колебаний генератора превышает установленный порог, контроллер регистрирует факт нажатия клавиши. На работу устройства могут влиять внешние факторы, например, капли воды или других загрязняющих веществ, попавшие на клавиши, электростатические разряды, различные радиочастотные компоненты. Для решения этих проблем проводится периодическая автоматическая калибровка контроллера, позволяющая расширить области применения устройства. Контроллер может использоваться в домофонах, пультах управления, бытовой технике, а так же как устройство для измерения уровня жидкости.

Микросхема состоит га 12 СФ-блоков: 1. девять идентичных блоков преобразования значений емкостей в цифровой сигнал, каждый из которых включает релаксационный

генератор на основе унифицированного ОУ и стробируемый счетчик

импульсов;

2. унифицированный блок вторичного источника электропитания;

3. блок 8(агШр - схема начальной установки при включении питания;

4. цифровой алгоритмический блок;

Восемь блоков преобразования значений емкости используются для подключения к емкостным датчикам клавиатуры. Девятый блок подключен к эталонной емкости и используется для калибровки контроллера. Показан вариант схемы применения контроллера для 16-ти клавишной клавиатуры. Прикосновение к одной из клавиш меняет частоты двух генераторов, и контроллер фиксирует код выбранной клавиши.

Контроллер емкостной клавиатуры имеет возможность подстраиваться под изменение температуры и напряжения питания. Калибровка осуществляется автоматически, в то время когда датчики не активны. Это обеспечивает защиту схемы от ложных срабатываний и позволяет не пропустить нажатие кнопки.

Разработана топология кристалла для технологии фирмы ЗШегга по проектным нормам 0.18 мкм. Размеры кристалла 1,5 мм х 1,5 мм.

Еще один контроллер интеллектуального датчика, разработанный с использованием методов, описанных в диссертации - это контроллер дымового пожарного извещателя. Пожарные извещатели измеряют величину контролируемого фактора пожара и передают информацию на приемно-контрольный прибор (ПКП).

Основной задачей проекта интегрированного контроллера дымового пожарного извещателя является снижение стоимости конечного изделия за счет объединения в одной микросхеме фотодиода, усилителя фототока и цифрового контроллера. Для снижения стоимости микросхемы выбран наиболее дешевый модифицированный производственный маршрут, который характеризуется тонким и прозрачным изолирующим диэлектриком, отсутствием МОП-транзисторов с минимальными размерами 0,18 мкм, скрытых слоев и высокоомных резисторов. Допускается применение МОП-транзисторов с размерами 0,35 мкм и более, низкоомных резисторов, конденсаторов и четырех уровней металлических соединений. Стоимость производства снижается более чем на 30 %.

В камере дымового пожарного извещателя используется эффект диффузного рассеяния излучения светодиода на частицах дыма.

Светодиод располагается таким образом, чтобы исключить прямое попадание его излучения на фотодиод.

При появлении частиц дыма часть излучения отражается от них и

попадает на фотодиод. Здесь наблюдается диффузное рассеяние. При незначительных уровнях задымления с увеличением оптической плотности среды происходит увеличение сигнала фотодиода. Оптическая плотность среды, при которой извещатель формирует сигнал «ПОЖАР», называется чувствительностью дымового извещателя. Чем меньший уровень задымления вызывает активизацию извещателя, тем выше его чувствительность.

Контроллер пожарного извещателя должен быть компактным, маломощным и иметь небольшую конечную стоимость. Статические электрические параметры:

• Напряжение питания 3,3 В;

• Ток в дежурном режиме 15-20 мкА;

• Энергопотребление в режиме срабатывания не более 20 Вт.

Для оценки работоспособности системы и ее устойчивости проводилось поведенческое моделирование, при этом использовались модели унифицированных аналоговых блоков на языках Уеп1о§ и Уеп^-А. Поведенческое моделирование на порядки ускорило время моделирования работы системы и уменьшило требующиеся для этого вычислительные мощности. Поскольку циклы работы микросхемы длятся секунды и даже часы, моделирование микросхемы на транзисторном уровне было бы невозможно.

В результате разработки контроллера дымового пожарного извещателя получена топология кристалла размером 1750х 1240 мкм.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ Из результатов исследований, описанных в диссертационной работе, можно сделать следующие выводы:

1. В маршруте «разумного» контрактного производства конкурентные преимущества нового изделия создаются применением новых полупроводниковых приборов или их сочетаний. Для использования «разумного» контрактного производства маршрут проектирования должен включать этап физико-технологического моделирования полупроводниковых приборов и их характеризацгоо.

2. Показана эффективность «разумного» контрактного производства для контроллеров интеллектуальных датчиков на примерах реализации быстродействующих инфракрасных фотодиодов и биполярных транзисторов с рабочим напряжением до 14В в структуре микросхем контроллеров.

3. Разница в масштабах времени электронных процессов в микросхеме и регистрируемых физических процессов во внешнем мире не позволяет моделировать алгоритм функционирования контроллера на

транзисторном или вентильном уровне. Функциональную верификацию контроллера можно осуществить только на уровне поведенческих моделей для сложных функциональных блоков.

4. Использование параметризованных поведенческих моделей для простых аналоговых узлов позволяет осуществить синтез схем более сложных блоков, моделирование и их оптимизацию раньше, чем будут установлены параметры полупроводниковых приборов.

5. Повышение помехоустойчивости микросхем с фоточувствительными элементами достигается использованием металлических защитных экранов над аналоговыми блоками и ограничением скорости изменения тока в мощных выходных транзисторах.

6. Новые технические решения обеспечивают улучшение характеристик контроллеров для интеллектуальных датчиков:

- усилитель сигналов фотоприемников, совмещенный с частотным фильтром;

- термокомпенсированный релаксационный генератор;

- блоки преобразователей напряжения питания.

7. Новые технические решения, полученные в диссертации, использованы при разработке трех микросхем контроллеров для интеллектуальных датчиков, что подтверждено Актами о внедрении.

8. Получен один патент на изобретение.

9. Результата диссертации, отражающие особенности «разумного» контрактного производства, используются в курсе лекций «Основы микроэлектронной технологии», читаемой на кафедре «Микроэлектроника» в Московском физико-техническом институте.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

1. Адамов Ю.Ф., Горшкова Н.М., Матвеенко О.С. Кремниевые гетероструктуры для наноразмерных транзисторов // Нано- и микросистемная техника, 2007. - №7. - с. 4-9.

2. Адамов Д.Ю., Матвеенко О.С. Дестабилизирующие факторы в нанометровых КМОП микросхемах и методы борьбы с ними // Нано- и микросистемная техника, 2007. - №12. - с. 51-57.

3. Адамов Д.Ю., Матвеенко О.С. Усовершенствование структур МОП транзисторов в нанометровых технологиях // Нано- и микросистемная техника, 2008. - №2. - с. 53-63.

4. Адамов Д.Ю., Матвеенко О.С., Элементная база нанометровых КМОП микросхем // Нано- и микросистемная техника, 2009. - №1. -с. 34-41.

5. Адамов Д.Ю., Матвеенко О.С., Новые технологии для контроллеров

интеллектуальных датчиков П Датчики и системы, 2009. - № 9. - с. 50-51.

6. Матвеенко О .С., Совин A.B. Интегрированный блок цифрового радиоприемника // Труды 49-й научной конференции МФТИ. Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук. 2006. - с. 68.

7. Матвеенко О. С. Неэпитаксиальные БиКМОП структуры с субмикронными размерами // Труды 50-й научной конференции МФТИ. Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук, 2007. - с. 111-112.

8. Матвеенко О.С. Особенности проектирования интеллектуальных датчиков // Труды 51-й научной конференции МФТИ. Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук, 2008. - с. 172-174.

9. Матвеенко О.С. Интегрированный преобразователь напряжения питания // Труды 51-й научной конференции МФТИ. Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук, 2008. - с. 170-172.

10. Гергель В.А., Горшкова Н.М., Матвеенко О.С., Энергосбережение в полупроводниковой наноэлектронике // Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии и наноматериалы», доклад опубликован в журнале «Нанотехнологии: Наука и производство» №4.(5), 2009. - с. 27-33.

11. Адамов Д.Ю., Матвеенко О.С. Интегрированный преобразователь напряжения питания. Решение о выдаче патента на изобретение от 02 декабря 2008 г по заявке № 2008114178/09(015534) от 15.04.2008.

12. Матвеенко О.С. Блоки управления потенциальными и токовыми ключами // Труды 52-й научной конференции МФТИ. Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук, 2009. - с. 173-175.

13. Матвеенко О.С., Сибагатуллин А.Г. Высокоинтегрированная интегральная микросхема контроллера оптоэлектронного дымового пожарного извещателя для систем пожарной безопасности // Труды 52-й научной конференции МФТИ. Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук, 2009. - с. 176-178.

14. Перминов В.Н., Кокин С.А., Аблогин В.В., Дубровин С.А., Белугин С.С., Осипов Е.О., Макаров С.В., Перминов Д.В., Тюрин A.B., Булах Д.А., Матвеенко О.С. Разработка математического, алгоритмического и программного обеспечения для моделирования специализированных интерфейсов наноэлектронных устройств // Отчет о НИР, госрегистрация № 01200853581, М., ФГУП «НИИФП им. Лукина», 2009. - 206 с.

Подписано в печать:

24.11.2009

Заказ № 3154 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-Й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Введение.

Глава 1. Развитие схемотехники и технологии полупроводниковых микросхем для информационных систем.

1.1. Развитие информационных систем.

1.2 Требования к элементной базе информационных систем и их влияние на схемотехнику контроллеров интеллектуальных датчиков.

1.3. Новые технологии для информационных систем.

1.4. Новые отношения производителей и заказчиков.

1.5. Выводы к главе 1.

Глава 2. Маршрут проектирования контроллеров интеллектуальных датчиков.^

2.1. Структура интеллектуального датчика.

2.2. Специфика проектирования контроллеров интеллектуальных датчиков.^

2.3. Физическое проектирование чувствительных элементов для контроллеров интеллектуальных датчиков.^

2.4. Задача энергосбережения.

2.5. Этапы проектирования контроллеров интеллектуальных датчиков.

2.6. Выводы к главе 2.

Глава 3. Унифицированные сложные функциональные блоки для контроллеров интеллектуальных датчиков.^

3.1. Унифицированные аналоговые блоки.

3.1.1. Операционные усилители.

3.1.2. Усилитель сигналов фотоприемников, совмещенный с фильтром верхних частот, для систем оптическои связи.

3.1.3. Усилитель сигналов фотоприемников для контроллера дымового пожарного извещателя.^

3.1.4. Термокомпенсированный релаксационный генератор.

3.2. Блоки управления потенциальными и токовыми ключами.

3.2.1. Проблема коммутации больших токов.

3.2.2. Драйвер для токового ключа на биполярном п-р-п-транзисторе.

3.2.3. Драйвер для потенциального ключа (электронного реле).

3.3. Эффективные преобразователи напряжения питания.

3.3.1. Энергосберегающий аналоговый преобразователь напряжения питания.

3.3.2. Эффективный преобразователь напряжения питания на переключаемых конденсаторах.

3.4. Выводы к главе 3.

Глава 4. Примеры контроллеррв интеллектуальных датчиков.

4.1 Контроллер акселерометра.

4.2 Контроллер емкостной клавиатуры.

4.3 Контроллер дымового пожарного извещателя.

4.4 Выводы к главе 4.

Актуальность проблемы

При создании информационных систем наиболее сложная организационная и производственная задача связана с разработкой и производством интеллектуальных датчиков (ИД). Основная проблема заключается в разнообразии требований к используемой элементной базе и сравнительно небольших для микроэлектроники объемах выпуска. До настоящего времени большая часть электронных блоков в датчиках комплектуется универсальными микросхемами и дискретными полупроводниковыми приборами.

Однако, развитие информационных систем идёт не только качественно, но и количественно. Повсеместно нас окружают средства связи, системы безопасности, Интернет и др. Количество разнообразных датчиков исчисляется многими миллионами. Кардинально меняются и требования к датчикам. Датчики должны быть дешёвыми, надежными, компактными и энергосберегающими. Обеспечить эти требования можно только используя специализированные аналого-цифровые микросхемы контроллеров для интеллектуальных датчиков.

Современная электронная промышленность осваивает новые формы организации производства, ориентированные на удовлетворение разнообразных требований заказчиков. Новая форма организации получила название «Smart foundry» (разумное контрактное производство.) Новая форма взаимодействия производителей и заказчиков предполагает активное участие заказчиков в модификации производственного маршрута и элементной базы проекта.

Проблема подготовки элементной базы для разработки специализированных аналого-цифровых микросхем контроллеров в системе «разумного контрактного производства» является актуальной.

Объектом диссертационного исследования являются микросхемы контроллеров для интеллектуальных датчиков.

Предметом диссертационного исследования являются методы проектирования и схемотехника специализированных контроллеров для интеллектуальных датчиков.

Пели и задачи диссертации

Цель диссертации заключается в разработке маршрута проектирования унифицированных аналоговых блоков для контроллеров интеллектуальных датчиков, выпуск которых осуществляется в системе «разумного контрактного производства».

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

1. Рассмотрены возможности «разумного контрактного производства» на примере одного из ведущих мировых производителей специализированных микросхем - компании «Silterra» (Малайзия).

2. Выделены общие элементы модифицированных производственных маршрутов для их использования в универсальных аналоговых блоках.

3. Проведён анализ требований заказчиков микросхем для определения параметров и состава универсальных аналоговых блоков.

4. Сформулированы требования к подготовке описаний аналоговых блоков для использования их при проектировании контроллеров в соответствии с методологией «систем на кристалле».

5. Разработан список дополнений к правилам проектирования аналоговых блоков.

6. Предложен ряд новых технических решений, обеспечивающих улучшение характеристик аналого-цифровых микросхем.

7. Эффективность маршрута проектирования унифицированных аналоговых блоков показана на примерах разработки реальных микросхем контроллеров интеллектуальных датчиков.

8. Выполнена патентная защита новых технических решений.

Научная новизна полученных результатов

1. Установлено, что проблема разных масштабов времени в электронных устройствах и внешней среде при проектировании контроллеров интеллектуальных датчиков эффективно решается использованием унифицированных аналоговых узлов и блоков, а также поведенческим моделированием аналого-цифровых микросхем в составе информационной системы.

2. Разработана новая методика проектирования сложных аналоговых блоков, основанная на использовании более простых параметризованных узлов, позволяющая осуществить синтез схемы блока, его поведенческое моделирование и оптимизацию раньше, чем установлены параметры элементов и разработана топология.

3. Установлено, что подавление паразитной инжекции в подложку КМОП-структуры достигается созданием в Р-подложке скрытого слоя Р+-типа и ограничением скорости изменения выходного тока мощных транзисторов электронными средствами.

4. Разработаны новые технические принципы, улучшающие функциональные и эксплуатационные характеристики контроллеров интеллектуальных датчиков:

• уменьшение площади на кристалле и потребляемой мощности входного блока фотоприемника достигается совмещением в одном каскаде усилителя сигналов и фильтра верхних частот;

• стабилизация характеристик и высокая энергетическая эффективность релаксационного генератора обеспечиваются использованием источника вторичного электропитания с выходным напряжением, зависящим от температуры;

• энергосбережение в микроваттных микросхемах достигается использованием вторичных источников питания на переключаемых конденсаторах.

Практическая значимость результатов работы

• Разработаны рекомендации по улучшению воспроизводимости и помехоустойчивости аналоговых блоков, разрабатываемых для субмикронных КМОП технологий.

• Завершенные и аттестованные проекты контроллеров для интеллектуальных датчиков подтверждают эффективность новых технических принципов реализации аналоговых блоков в аналого-цифровых микросхемах, разрабатываемых в структуре «разумного контрактного производства».

• Технические принципы, разработанные в диссертации, обеспечили создание ряда микросхем контроллеров интеллектуальных датчиковс параметрами на уровне мировых достижений. Результаты практических разработок отражены в Актах о внедрении.

• Патент на изобретение обеспечивает патентную защиту новых изделий электронной техники.

• Результаты диссертации используются в учебной программе по курсу «Основы микроэлектронной технологии» в Московском физико-техническом институте.

Положения, выносимые на защиту

1. Сокращение времени проектирования аналого-цифровых устройств достигается:

• выбором для реализации аналоговых блоков транзисторных структур, одинаковых для нескольких модифицированных производственных маршрутов;

• разработкой и использованием единой библиотеки параметризованных функциональных блоков для нескольких проектов, для которых возможен выбор разных производственных маршрутов, совместимых по параметрам транзисторов в аналоговых блоках;

• использованием параметризованных поведенческих моделей аналоговых блоков на этапе синтеза и моделирования структурной схемы.

2. Улучшение воспроизводимости параметров и повышение помехоустойчивости аналоговых блоков в КМОП микросхемах обеспечивается использованием новых технических решений:

• выходные каскады с контролируемой скоростью изменения тока;

• защитные экраны в слое металлизации над аналоговыми блоками, снижающие паразитное воздействие оптического излучения в фоточувствительных микросхемах;

• термостабилизация параметров элементов в готовых микросхемах при длительном низкотемпературном отжиге.

3. Энергоэффективность микромощных микросхем повышается за счет использования преобразователей напряжения питания на основе переключаемых конденсаторов.

Внедрение результатов работы

1. Результаты диссертационной работы использованы при создании новых микросхем: контроллера акселерометра, контроллера дымового пожарного извещателя, контроллера ёмкостной клавиатуры, что подтверждено актом внедрения от ООО «Юник Ай Сиз».

2. Материалы диссертации использованы при подготовке учебного пособия «Основы микроэлектронной технологии» в рамках обеспечения инновационной образовательной программы для магистров кафедры микроэлектроника факультета Физической и квантовой электроники в Московском физико-техническом институте.

Достоверность научных положений, результатов и выводов. Теоретические исследования, проведённые в данной работе, базируются на фундаментальных положениях физики полупроводников и полупроводниковых приборов.

Для решения поставленных задач использованы методы компьютерного моделирования, макетирования контроллеров в составе тестовых кристаллов и их экспериментального исследования.

Достоверность полученных теоретических результатов и разработанных моделей обусловлена их согласием с известными положениями физики полупроводниковых приборов и теории электрических цепей, а также подтверждается экспериментальными исследованиями. Достоверность новых схемотехнических решений подтверждена положительной экспертизой заявки на изобретение. Возможность применения рекомендаций по проектированию подтверждена их успешным использованием при разработке новых изделий электронной техники.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих научно-технических конференциях:

• 49-я научная конференция Московского физико-технического института «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Московская область, Долгопрудный, 2006 г.

• 50-я научная конференция Московского физико-технического института «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Московская область, Долгопрудный, 2007 г.

• 51-я научная конференция Московского физико-технического института «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Московская область, Долгопрудный, 2008 г (два доклада).

• Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии и наноматериалы», Москва, 2009.

• 52-я научная конференция Московского физико-технического института

Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук»,

Московская область, Долгопрудный, 2009 г (два доклада).

Публикации

Результаты диссертации опубликованы в 5 научных статьях, 7 тезисах докладов на научных конференциях и одном отчете о научно-исследовательской работе. Получен патент на изобретение.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, содержащих акты внедрения результатов работы и списка литературы.

Основные результаты диссертации

Из результатов исследований, описанных в диссертационной работе, можно сделать следующие выводы:

1. В маршруте «разумного» контрактного производства конкурентные преимущества нового изделия создаются применением новых полупроводниковых приборов или их сочетаний. Для использования «разумного» контрактного производства маршрут проектирования должен включать этап физико-технологического моделирования полупроводниковых приборов и их характеризацию.

2. Показана эффективность «разумного» контрактного производства для контроллеров интеллектуальных датчиков на примерах реализации быстродействующих инфракрасных фотодиодов и биполярных транзисторов с рабочим напряжением до 14В в структуре микросхем контроллеров.

3. Разница в масштабах времени электронных процессов в микросхеме и регистрируемых физических процессов во внешнем мире не позволяет моделировать алгоритм функционирования контроллера на транзисторном или вентильном уровне. Функциональную верификацию контроллера можно осуществить только на уровне поведенческих моделей для сложных функциональных блоков.

4. Использование параметризованных поведенческих моделей для простых аналоговых узлов позволяет осуществить синтез схем более сложных блоков, моделирование и их оптимизацию раньше, чем будут установлены параметры полупроводниковых приборов.

5. Повышение помехоустойчивости микросхем с фоточувствительными элементами достигается использованием металлических защитных экранов над аналоговыми блоками и ограничением скорости изменения тока в мощных выходных транзисторах.

6. Новые технические решения обеспечивают улучшение характеристик контроллеров для интеллектуальных датчиков:

- усилитель сигналов фотоприемников, совмещенный с частотным фильтром;

- термокомпенсированный релаксационный генератор;

- блоки преобразователей напряжения питания.

7. Новые технические решения, полученные в диссертации, использованы при разработке трех микросхем контроллеров для интеллектуальных датчиков, что подтверждено Актами о внедрении.

8. Получен один патент на изобретение.

9. Результаты диссертации, отражающие особенности «разумного» контрактного производства, используются в курсе лекций «Основы микроэлектронной технологии», читаемой на кафедре «Микроэлектроника» в Московском физико-техническом институте.

В заключении автор считает своей приятной обязанностью выразить искреннюю благодарность своему научному руководителю д.т.н., профессору Юрию Фёдоровичу Адамову за постоянное внимание и творческий интерес к работе и д.т.н., профессору Юрию Ивановичу Тишину за поддержку на всех этапах работы над диссертацией.

1.1 Гуреева О. Датчики изображения // Современная электроника. — 2007.-Ч. 1. — № 3. - С. 8-11.-Ч. 2.-№4.-С. 8-11.-Ч. 3.-№ 5. - С. 1013

2. Хоровиц П., Хилл У., Искусство схемотехники. Изд 5-е, перераб. -М.: Мир, 1998.-358с.

3. Матвеенко О.С. Интегрированный преобразователь напряжения питания // Труды 51-й научной конференции МФТИ. Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук, 2008. с. 170-172.

4. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Кн.1. Перевод с английского. Под ред. Суриса Р.А. 2-е перераб. и доп. Изд. - М.: Мир, 1984.456с.

5. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Кн.2. Перевод с английского. Под ред. Суриса Р.А. 2-е перераб. и доп. Изд. - М.: Мир, 1984. -456с.

6. Шур М. Физика полупроводниковых приборов. Кн.1. Перевод с английского. М.: Мир, 1992. 479 с.

7. Шур М. Физика полупроводниковых приборов. Кн.2. Перевод с английского. М.: Мир, 1992. 495 с.

8. Матвеенко О.С. Блоки управления потенциальными и токовыми ключами // Труды 52-й научной конференции МФТИ. Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук, 2009. с. 173-175.

9. Эннс В. И., Кобзев Ю. М. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем. Под ред. к.т.н. Эннса В.И. — М.: Горячая линия—Телеком. 2005. -454 с.1. Литература к главе 4

10. Rob O'Reilly, Alex Khenkin, Kieran Harney, Analog Devices. Sonic Nirvana: MEMS Accelerometers as Acoustic Pickups in Musical Instruments, Sensors Magazine, Jun, 2009.

11. Aszkler C., The Principles of Acceleration, Shock, and Vibration Sensors , Sensors Magazine, May, 2005.

12. Маргелов А. Инерциальные МЭМС-датчики Freescale Semiconductor, // Chip News, 2006. № 5. - c. 41-44.

13. Бойко А., Симонов Б., Тимошенков С., Чувствительные элементы МЭМС: технология определяет параметры // Электроника: НТБ. 2008. № 1. -с. 80.

14. Распопов В .Я. Микромеханические приборы. Изд. Тула: Изд-во Тульского Государственного университета, 2002. — 392 с.

15. Сысоева С. Автомобильные акселерометры. Часть 1. // Компоненты и технологии , 2005. №8.

16. Кривченко И. Современные интегральные микросхемы для построения емкостных сенсоров // Компоненты и тенологии. 2006. - №9.

17. Baxter L.K., Capacitive Sensors: Design and Applications. New York: IEEE Press, 1997.

18. Guide to Intelligent Fire Systems. System Sensor Europe, 2004.

19. Д. Драйздейл. Введение в динамику пожаров. М.: Стройиздат, 1990. с. 424.

20. Неплохов И. Дымовые пожарные извещатели для пыльных зон // БДИ. 2007. - № 1. - с. 52-59.

21. System Smoke Detectors. APPLICATIONS GUIDE. System Sensor,2002.

22. Генеральный^дидектрр ООО "Юник Ай Сиз'я., профессо!1. Ю.И. Тишиь 2009 г

23. АКТ ВНЕДРЕНИЯ результатов диссертационной работы Матвеенко Ольги1. Сергеевны

24. Председатель, Технический ди ООО «Юник Ай Сиз», к.т.н.

25. Члены комиссии: Руководитель отдела ООО «Юник Ай Сиз», к.т.н.

26. Руководитель сектора ООО «Юник Ай Сиз», к.т.н.1. О.А. Сомов1. АКТ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ Врезультатов диссертационной работы Матвеенко Ольги Сергеевны выполненной на тему "Развитие схемотехники и методов проектирования контроллеров интеллектуальных датчиков "

27. Председатель, зав. кафедрой «Микроэле

28. Члены комиссии: д.т.н., профессорд.т.н., профессор1. Ю.И. Тишин1. Ю.Ф. Адамовк.ф.-м.н., доцент1. С.А. Кокин