МНВЧ

Лекция 12

Особенности конструирования полупроводниковых микросхем

Важное место при разработке микросхем занимают вопросы, связанные не только со схемотехническими решениями, но и с вы­бором типа согласующих цепей, способа размещения цепей смещения и таких элементов конструкции, как подложка (ее разме­ры), корпус. От решения этих вопросов зависят характеристики, их воспроизводимость и процент выхода микросхем. Поэтому ниже будут рассмотрены особенности, связанные со спе­цификой конструирования, производства и контроля параметров микросхем.

Цепи согласования и смещения

Пассивные согласующие цепи аналоговых СВЧ микросхем вы­полняются на линиях с распределенными параметрами и (или), на сосредоточенных элементах. Высокая разрешающая способ­ность фотолитографии позволяет задавать геометрические разме­ры согласующих цепей в обоих случаях с достаточной точностью. В зависимости от диапазона частот целесообразно применять ли­бо распределенные структуры, либо сосредоточенные элементы.

Для полупроводниковых микросхем площадь кристалла имеет важнoе значение, так как стоимость полупроводникового матери­ала значительно выше, чем подложек гибридных микросхем. Кро­ме того, с уменьшением размеров растет число микросхем, разме­щаемых на одной пластине, и их процент выхода. На относитель­но низких частотах СВЧ диапазона (до 4…6 ГГц) применение сосредоточенных элементов даст большой выигрыш в площади, занимаемой согласующими цепями, без значительного увеличения потерь. С повышением частоты потери таких элементов (с учетом излучения) резко возрастают, а размеры и потери на единицу длинны волны согласующих цепей с распределенными параметра­ми улменьшаются. На рис. 1 показано уменьшение длины волны в микрополосковой линии на подложке из GaAs с ростом частоты.

Рис. 1. Зависимость длины волны в МПЛ на подложке из GaAs от частоты

при Н = 300 мкм, W = 20 мкм

Соответственно уменьшаются и размеры отрезков линий в цепях согласования. Поэтому на высоких частотах предпочтительнее использовать цепи с распределенными параметрами. Верхняя гра­ничная частота применения сосредоточенных элементов зависит от топологии и не превышает 15…20 ГГц. При конструировании и использовании сосредоточенных элементов на таких частотах сле­дует тщательно учитывать влияние паразитных элементов. Необходимость уменьшения площади кристалла приводит к тому, что в ИС применяются в основном Г- или Т-образ­ные цепи согласования, состоящие из двух или трех элементов (рис. 2). Ис­пользование более сложных структур (например, фильтров с чебышевской характеристикой)­ не всегда оправдано, так как увеличиваются потери (следовательно, возрастают шумы) и площадь, занимаемая цепью согласования.

Рис. 2. Г- (а, б) и Т-образные (в) цепи согласования

При разработке топологии микросхем следует учитывать, что повышение плотности размещения элементов на кристалле при­водит к увеличению электромагнитного взаимодействия между ни­ми. При этом могут изменяться параметры линий передачи, индук­тивности и возникать паразитные обратные связи, ухудшающие характеристики микросхем и зависящие от положения элементов на кристалле. Поскольку влияние соседних элементов очень слож­но учесть в расчетах, целесообразнее снижать их плотность размещения для уменьшения взаимодействия.

Технология изготовления ИС позволяет создавать на кристалле полупроводника все необходимые для подачи напряжений сме­щения элементы, включая фильтры питания. Поэтому предпоч­тительнее размещать цепи смещения на том же кристалле, что и остальные элементы микросхемы. Это позволяет повысить воспро­изводимость характеристик ИС (уменьшается погрешность из-за распайки цепей подачи напряжений питания, влияющая на пара­метры устройства), делает микросхемы более универсальными при использовании в системах, уменьшает габаритные размеры и об­легчает корпусирование.

Небольшие размеры кристаллов, применяемых для изготовле­ния ИС, не позволяют размещать на них конденсаторы и катуш­ки индуктивности с большими номинальными значениями, необ­ходимыми для фильтров питания. Поэтому на кристалле обычно располагают только высокочастотную часть фильтра, а конденса­торы большой емкости и дроссели помещают за пределами кри­сталла. Кроме того, применение резисторов в цепях смещения, где протекают большие постоянные токи (в стоке или истоке транзи­сторов), приводит к увеличению рассеиваемой микросхемой мощ­ности. Иногда такие резисторы выносят за пределы кристалла. Не­обходимость присоединения к ИС дополнительных внешних эле­ментов усложняет процесе изготовления и корпусиро-вания уст­ройств.

Следует отметить возможность объединения цепей согласова­ния и смещения. На рис.3,а приведена часть топологии ИС, где индуктивность L2 и емкость С1 элементов согласования служат до­полнительным фильтром в цепи подачи постоянного напряжения на сток транзистора.

Рис. 3. Топология (а) и схема (б) совмещенных цепей согласования и фильтра для подачи смещения на сток ПТШ

При проектировании полупроводниковых микросхем для снижения геометрических размеров стремятся упростить цепи смеще­ния. При этом часто постоянные напряжения подают через резисторы, что приводит к возрастанию потерь ВЧ сигнала, который попадает в резисторы и рассеивается в них, и увеличению шумов (ре­зисторы являются дополнительным источником шума). Но пре­дельная простота такой цепи позволяет улучшить другие характе­ристики, а именно воспроизводимость параметров, габаритные раз­меры и процент выхода годных ИС.

Перспективным является использование активных приборов в цепях согласования (схем включений транзистора, обладающих индуктивной составляющей комплексного сопротивления) и в це­пях смещения (генераторов тока, имеющих большое сопротивление, для переменного сигнала).