43
дится предусматривать, кроме основной секции с неизменной емкостью, участок, емкость которого может изменяться. Конструктивные формы таких конденсаторов показаны на рис. 2.9. Подгонка может осуществляться как в сторону уменьшения(отрезанием секций, рис. 2.9, а), так и в сторону увеличения(подключения секций с помощью проволочных перемычек рис. 2.9,
б).
2.5 Пленочные индуктивности
Пленочные индуктивности выполняют в виде круглых или прямоугольных одновитковых петель или многовитковых спиралей (рис. 2.10). Индуктивность подобных пленочных спиралей на низких частотах ограничена значением примерно2…3 мкГн.
Более высокие значения индуктивностей требуют выделения значительной площади подложки микросхемы. Применяя специальные методы, например закрепление поверх спирали ферритовой пластинки, можно увеличить индуктивность до нескольких десятков микрогенри. Пленочные индуктивности используются в качестве элементов фильтров, в цепях коррекции частотных характеристик и т.д.
Индуктивность пленочной круглой одновитковой петли может быть рассчитана по формуле
L= 2p ×10-3 Délnæ 2pD
êç b + d ë è
ö |
ù |
, |
(2.22) |
÷ |
- 2,45ú |
||
ø |
û |
|
|
|
|
t |
D |
|
D |
b |
Dвн |
|
|
|
Dвн |
b |
|
|
|
|
Dнар |
|
|
Dнар |
Рис. 2.10 - Конструкции пленочных индуктивностей
где L – индуктивность, мкГн; D – диаметр по средней линии, см; b – ширина пленки, см; d – толщина пленки, см.
Индуктивность квадратной петли
44
L= 8×10-3 Délnæ 8D
êç b + d ë è
ö |
ù |
(2.23) |
÷ |
- 2,85ú . |
|
ø |
û |
|
Порядок расчета многовитковой спирали, имеющей индуктивность L, добротность Q и работающей на частотеf, может быть следующий. В начале выбирают форму спирали. Если необходимо обеспечить высокую добротность индуктивного элемента, то форму спирали выбирают круглой. Если же необходимо обеспечить минимальную площадь, занимаемую индуктивным элементом, то форму спирали выбирают квадратной.
Затем задаются значением внутреннего диаметра спирали Dвн. Данный диаметр зависит от размеров внутренней контактной площадки и, как правило, выбирается равным 0,5 мм. Зная диаметры Dвн и Dнар, определяют значение коэффициента k по
формуле k = 0,05[(Dнар/ Dвн) – 3] (для Dнар/ Dвн = 4¸10), а затем вычисляют шаг спирали t по следующей формуле:
|
D3 |
|
|||
t = k |
вн |
. |
|
(2.24) |
|
|
|||||
|
|
L |
|
||
Число витков N определяется как |
|
||||
N = |
Dнар - Dвн |
. |
(2.25) |
||
|
|||||
|
2t |
|
|||
Толщина проводящей пленки h определяется по формуле
h = (2 ¸ 4)h0 , (2.26)
где h0 - глубина проникновения электромагнитной волны в материал пленочного проводника, мкм:
h0 = k1 l , |
(2.27) |
где k1 – коэффициент, зависящий от материала пленки (для Al – 0,51, Ag – 0,37, Cu – 0,39); l – длина волны, см.
Ширина проводящей пленки b0, при которой можно обеспечить заданную добротность Q без учета скин-эффекта, определяется по формуле
|
æ |
D2 |
|
ö |
|
|
|
|
|
|
r ×t ×ç |
нар |
-1÷ |
×104 |
× Q |
|
|||
|
D2 |
|
|||||||
|
ç |
|
÷ |
|
|
|
|
|
|
b0 = |
è |
вн |
|
ø |
|
|
|
, |
(2.28) |
16 f × D |
|
× k 2 |
× h |
|
|||||
|
|
вн |
|
|
|
|
|
|
|
45
где r – удельное сопротивление материала пленки, Ом×см; f – рабочая частота, МГц.
С учетом скин-эффекта ширина проводящей пленки уточняется по формуле
b = (1,5 ¸ 2)b0 . |
(2.29) |
2.6 Конструкции тонкопленочных распределенных RС-структур
В гибридных микросхемах находят применение некоторые типы пассивных цепей, в которых резистор и конденсатор распределены по всей пленке, а не сосредоточены в пределах -от дельных локальных областей. Цепи с распределенными параметрами позволяют конструировать пассивные схемы с такими электрическими характеристиками, которые не удается получить с помощью конечного числа сосредоточенных элементов. Вследствие интеграции конденсаторов и резисторов использова-
ние RС-структур позволяет экономить площадь подложки. Пленочные RС-структуры с распределенными параметрами получи-
ли широкое распространение при разработке избирательных усилителей, фильтров, генераторов и других устройств. В про-
1 |
|
2 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
1 |
2 |
3 |
|
|
а) |
|
4 |
б) |
|
|||
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Рис. 2.11 - RC-структура с распределенными параметрами:
а - топология; б – эквивалентная схема; 1 – контактные площадки; 2 – резистивный слой; 3 – диэлектрик;
4 – верхняя обкладка
стейшем случае конструкция RС-структуры с распределенными параметрами представляет собой тонкопленочный конденсатор, одна из обкладок которого заменена резистивным слоем(рис.
46
2.11). Таким образом, емкость будет распределена вдоль линии резистора. Практическая реализация RС-структур основана на использовании нескольких чередующихся пленок: резистивных, проводящих и диэлектрических материалов. Электрические параметры и характеристики RС-структур зависят от геометрических конфигураций и размеров пленок, их электрофизических параметров. Расчет подобного элемента выполняется следующим образом.
Располагая известными из электрического расчета значениями R и С, выбирают материалы резистора и обкладки конденсатора. Далее рассчитывают ширину резистивной полоски, принимая во внимание, что площади, занимаемые резистором и конденсатором, одинаковы, т.е. SR = b2(R/rкв); SС =(C/C0).
Затем определяют ширину резистора
b ³ Crs ,
C0 R
после чего рассчитывают длину резистора l = b×Кф.
Полученное значение ширины резистивной полоски необходимо сопоставить с шириной, определяемой из условия допустимой мощности рассеивания для данного резистивного материала, а также с минимальной шириной полоскиbтехн, обеспечиваемой технологией.
Приведенная конструкция RС-структуры (см. рис. 2.11) относится к однородным структурам, так как для всей линии сопротивление и емкость, отнесенные к единице длины, являются
постоянными. |
Кроме однородных RС-структур, |
в микросхемах |
применяются |
и неоднородные структуры. В |
пленочных RС- |
структурах |
необходимая неоднородность |
параметров может |
быть достигнута изменением ширины линии. Линии с умень- |
||
шающейся шириной соответствуют возрастанию сопротивления |
||
и пропорциональному уменьшению емкости, линии с увеличи- |
||
вающейся шириной – уменьшению сопротивления и возраста- |
||
нию емкости. Наиболее часто применяются полоски, ширина которых изменяется по экспоненциальному и линейному законам.
При выборе материалов для реализацииRС-структур необходимо выполнять те же требования, что и при реализации со-
47
средоточенных резисторов и конденсаторов. При этом особое внимание следует уделять совместимости материалов.
Многослойные RС-структуры с распределенными параметрами применяются для выполнения разнообразных схемных функций. Например, при определенном соотношении номиналов резисторов и конденсаторов в пятислойной структуре получается фильтр нижних частот.
В микросхемах распределенныеRС-цепи чаще всего -ис пользуют в четырехполюсном, трехполюсном или двухполюсном включении. При этом некоторые выводыn-полюсных структур могут оставаться свободными. В настоящее время наиболее исследованы и находят практическое применение трех- и четырехслойные RС-структуры, обозначаемые как R-C-NR и C-R-NC.
По аналогии с длинными линиями распределенные RС-цепи можно классифицировать на однородные и неоднородные цепи.
Однородной называют RС-цепь с постоянными значениями погонных сопротивления r и емкости с вдоль длины линии, т.е в направлении протекания тока. Если l – длина линии в относительных единицах, то r = R/l, c = C/l. Дифференциальные погонные сопротивление и емкость неоднородной линии являются функциями расстояния вдоль линии r = r(х) и с = с(х).
Полное сопротивление и емкость неоднороднойRС-цепи соответственно равны:
l |
l |
R = òr(x)d (x) ; |
C = òc(x)d (x). |
0 |
0 |
В обоих случаях считается справедливой одномерная модель распределенной RС-цепи, иначе говоря, предполагается, что удельные параметры зависят только от координатых. Это выполняется для однородных цепей прямоугольной конфигурации и для неоднородных цепей, в которых неоднородность формируется за счет изменения удельных параметров резистивных и диэлектрических пленок при сохранении прямоугольной конфигурации.
Более просто неоднородность можно получить изменением геометрической формы распределенной RС-цепи.