Лекция 15. Особенности проектирования топологии АЦП и ЦАП.

В аналого-цифровых и цифроаналоговых интегральных схемах выдвигаются особые требования к разводке шин питания и общей шины («земли»), а также к взаимному размещению блоков, целью которых является минимизация взаимного влияния блоков.

При проектировании шин питания и общей шины рекомендуется выполнять следующие правила:

1. Общая шина и шина питания должны быть достаточно широкими и использовать, по возможности, слой с наименьшим поверхностным сопротивлением (как правило, это верхний слой металлизации). При ширине шин более 50мкм необходимо делать продольные разрезы шины.

2. Желательно минимизировать количество переходов с одного металлического уровня на другой. не допускается использование более высокоомных подныров (из поликремния и т.п).

3. необходимо разделять источники питания цифровых и аналоговых схем. по степени разделения можно выделить три способа: максимальное разделение – использование отдельных контактных площадок (КП) и отдельных выводов микросхемы (рис. 15.1, а); разделение с использованием отдельных КП и разводкой на одну ламель корпуса (рис. 15.1, б); минимальное разделение – подведение раздельных шин к одной КП (рис. 15.1, в).

4. желательно проводить питающие шины к различным аналоговым блокам схемы раздельно, объединять шины можно непосредственно у КП кристалла.

5. не допускается большая плотность тока. для предотвращения разрушения шин из–за электромиграции Al, плотность тока должна быть не более 1÷2 мА/мкм².

6. необходимо обеспечить одинаковый потенциал в точках контактирования питающих шин к согласованным элементам, что достигается соответствующим выбором длины и ширины шины.

а)

б)

в)

Рис. 15.1. Варианты разделения цифрового и аналогового питания в интегральной микросхеме

Аналоговые и цифровые шины рекомендуется разделять общей шиной.

При размещении схем на кристалле выделяют области расположения цифровых схем и аналоговых схем (Рис. 15.2).

Для минимизации шумов по подложке со стороны цифровых схем, между цифровыми и аналоговыми блоками используют разделительную полосу шириной 50÷100 мкм с контактированием к шине питающего подложку напряжения. Разделительная полоса состоит из трех линий, центральная из которых является глубокой диффузией (карман) и предназначена для разделения низкоомных слоев поверхности подложки.

Цифровые и аналоговые блоки должны быть окружены охранными кольцами с контактированием к отдельным цифровым и аналоговым шинам питания, соответственно.

При проектировании АЦП и ЦАП с использованием схем на переключаемых конденсаторах (ПК), необходимо разнести точные аналоговые блоки (операционные усилители) и шины тактовых сигналов. Пример построения топологии ИС на ПК приведен на рис. 15.3. Под конденсаторами лучше располагать область «кармана» для качественной изоляции их от «шумящей» подложки.

Полезным может оказаться также контактирование нижней стороны подложки кристалла к выводу питающему подложку.

Рис. 15.2. Пример компоновки на кристалле цифровых и аналоговых блоков

Для снижения перекрестных наводок по подложке между интегрированными на кристалле блоками используются дополнительные элементы. Как правило, в стандартной КМОП технологии для разделения блоков на кристалле используются диффузионные охранные кольца (рис. 15.4).

Рис. 15.3. Пример размещения элементов в блоке на переключаемых конденсаторах

На рис. 15.4 под генератором помех подразумевается схема – источник шумов по подложке, под датчиком помех – схема чувствительная к помехам по подложке. Охранные кольца (о/к) подсоединяются к контактным площадкам (КП), на которые подается “чистый” (без шумов) потенциал.

Рис. 15.4. Общий вид и характерные геометрические размеры охранных колец

Рис. 15.5. Охранные кольца в разрезе

Рис. 15.6. Эквивалентная схема распространения шума по подложке при наличии охранных колец

На рис. 15.5 показаны охранные кольца в разрезе для случая p – подложки, а также элементы эквивалентной схемы распространения шума по подложке. Вход и выход эквивалентной схемы распространения шума (рис. 15.6) соответствует локальным потенциалам подложки. Паразитная связь элементов схемы с подложкой (ее локальными местами), как правило, является емкостной.

Для оценки элементов эквивалентной схемы (рис. 15.6), а также расчета геометрических параметров диффузионных колец и расстояний с целью обеспечения требуемого подавления помех по подложке, можно использовать следующие полуэмпирические выражения

где L – это наименьшее из L_ГО и L_ДО ; остальные геометрические размеры, использованные в формулах, соответствуют обозначениям на рис. 15.4; a_i, b_i, c_i – константы, определяемые технологическим процессом. Для определения констант a_i, b_i, c_i необходимо изготовить и исследовать соответствующие тестовые структуры или воспользоваться результатами трехмерного моделирования с учетом реального распределения примесей по подложке.

Сравнительные данные по степени подавления

шумов по подложке

Н

а)

а рис. 15.7 схематично показаны в разрезе примеры основных элементов экранирования для различных технологических процессов.

а)

б)

в)

г)

д)

Рис. 15.7. Примеры основных элементов экранирования

На рис. 15.7, а показана структура для исследования распространения шумов по подложке без элементов экранирования (подавления). На рис. 15.7, б представлен метод экранирования при помощи охранных колец p – типа, эквивалентная схема которого приведена ранее. На рис. 15.7, в охранные кольца p – типа дополнены областями n – типа. Этот метод эффективен когда большая часть наводок протекает по высоколегированной приповерхностной области подложки. На рис. 15.7, г кольца n – типа заменены на щелевую изоляцию, которая эффективна при использовании высоколегированных скрытых слоев. В структуре на рис. 15.7, д для изоляции используется подслой оксида (структура SOI – кремний на изоляторе КНИ).

На рис. 15.8 приведены зависимости параметра рассеяния S₂₁ (отношение амплитуды волны в согласованной линии, прошедшей измеряемую структуру, к падающей волне на входе, (аналог коэффициента передачи)), от частоты. Параметр S₂₁ характеризует прямое прохождение сигнала по подложке от источника до датчика шума для структур с заземленной и незаземленной подложкой. Тестовые структуры выполнены по технологиям с топологическими нормами 0,8 мкм.

Рис. 15.8. Зависимость степени изоляции от частоты

На низких частотах (до 100 МГц) структуры КНИ имеют существенное преимущество по степени подавления шумов по подложке над структурами, выполненными по стандартной технологии.

Наличие дополнительных к p+ – кольцам n – карманов не приводит к существенному улучшению степени изоляции по подложке.

Заземление подложки с обратной стороны кристалла может дать заметное улучшение степени изоляции.

Для повышения степени экранирования шумов по подложке рекомендуется:

–  увеличение площади охранных колец;

– уменьшение расстояния между кольцом и источником (датчиком) шума;

Существенное (более 100 мкм) увеличение расстояния между источником и датчиком шума (между блоками) не является эффективным методом борьбы с шумами по подложке.

Уменьшение концентрации примеси в подложке в 10 раз приводит к повышению степени экранирования (подавления) изоляции на 16 дБ.