dsd13-gos / dsd-17=dacs and adcs / 16. Особенности проектирования входных-выходных цепей ЦАП и АЦП

Лекция 16. Особенности проектирования входных-выходных цепей ЦАП и АЦП.

В интегральной КМОП технологии существует потенциальная опасность взаимного расположения элементов, приводящего к образованию паразитных тиристорных структур. Типовой случай такой структуры приведен на рис. 16.1.

Ток в p–n–p–n структуре протекает от истока p–канального транзистора подключенного к питанию к истоку n–канального транзистора подключенного к земле. Эквивалентная схема паразитного тиристора и его вольтамперная характеристика приведены на рис. 16.2.

Рис. 16.1. Паразитная тиристорная структура в стандартной КМОП технологии

U_УД – напряжение удержания

I_УД – ток удержания

U_вкл – напряжение включения

U_П – напряжение питания

а)

б)

Рис. 16.2. Паразитный тиристор: а – эквивалентная схема; б – ВАХ

Опасность проявления паразитного тиристорного эффекта возникает в случае, если выполняются следующие условия:

– напряжение удержания паразитного тиристора менее максимального напряжения питания

U_уд < U_П .

– произведение коэффициентов усиления базового тока транзисторных p–n–p и n–p–n структур больше единицы

β_pnp  β_npn > 1 .

Основным механизмом, который приводит к возможности включения тиристора, является инжекция неосновных носителей в карман или в подложку. Инжекция возникает при прямом смещении p–n переходов, которое возможно в случаях:

– емкостной наводки на p–n переход или разряда/заряда емкости электрической схемы через p–n переход, а не канал открытого транзистора (особенно в моменты включения питания или при нестабильном питании (рис. 16.3));

– преднамеренного использования режима прямого смещения p–n перехода (в диодах источников опорного напряжения и т.п.);

– в случае перегрузки входных или выходных цепей, которые приводят к открыванию p–n переходов защитных структур и внутренних цепей, связанных с выводами ИМС.

Возникновению тиристорного эффекта способствует также генерация неосновных носителей вследствие внешнего воздействия (облучение светом, радиация).

Рис. 16.3. Паразитные емкостные элементы, способствующие возникновению тиристорной защелки при включении питания или его нестабильности

Тиристорного эффекта можно избежать, если не выполняются условия его возникновения, т.е.

U_уд > U_п или β_pnp  β_npn < 1.

Для выполнения этих условий используются следующие основные приемы:

• расположение элементов, подверженных тиристорному эффекту, на большом расстоянии друг от друга;

• расположение контактов к земле и питанию на минимальном расстоянии от активных элементов;

• размещение двойных n+/p+ – контактов на возможном пути протекания тока тиристора в местах подключения к земле и к источникам питания;

• размещение охранных колец вокруг и между структурами, которые в совокупности могут образовать паразитный тиристор;

• размещение структур, чувствительных к защелкиванию, вдали от источников, приводящих к их включению;

• зеркальное расположение транзисторов p и n – типа относительно друг друга;

• уменьшение токов, инжектируемых в подложку;

• применение технологических процессов повышающих устойчивость к тиристорному эффекту (использование дополнительных слоев, изоляция диэлектрическими канавками и т.д.).

Необходимая степень защиты от тиристорного эффекта во многом определяется местом его потенциального возникновения. Различают следующие случаи:

• схемы входа/выхода вокруг контактных площадок;

• внутренние схемы, расположенные вблизи контактных площадок, и внутренние схемы, имеющие непосредственную или емкостную связь с контактной площадкой;

• внутренние схемы, удаленные от контактных площадок и не имеющие с ними связей.

Тиристорный эффект является потенциально опасным для схем входа/выхода, так как на выводы ИС может быть подан потенциал, превышающий питание, что приведет к инжекции носителей в подложку (карман).

Для защиты схем входа/выхода от тиристорного эффекта, как правило, используются двойные охранные кольца, которые окружают структуры, образующие в совокупности паразитный тиристор (рис. 16.4).

Рис. 16.4. Использование двойных охранных колец вокруг выходных n МОП и p МОП транзисторов

Увеличение ширин W_xx и расстояния S между охранными кольцами уменьшает вероятность проявления тиристорного эффекта защелкивания.

Двойные охранные кольца защищают собственно выходные схемы от тиристорного эффекта. Для защиты окружающих и внутренних схем полезно применять дополнительные охранные кольца вокруг всей выходной структуры.

Цепи защиты выводов микросхемы от воздействия электростатического разряда

Цепи защиты пропускают избыточный заряд, препятствуя возникновению катастрофических для внутренних узлов микросхемы напряжений и токов (рис. 16.5) При проектировании цепей защиты важно обеспечить равномерное растекание избыточного тока, своевременное включение защитного элемента и быстрый отвод тока с наименьшим рассеиванием тепла. Элементы защиты должны иметь минимальные топологические размеры и небольшие паразитные сопротивления и емкости, чтобы минимизировать их влияние на динамические характеристики основной схемы.

Рис. 16.5. Схема расположения элементов защиты ИС от воздействия электростатических разрядов

При активизации элементов защиты от воздействия СЭ, обеспечивается минимальный импеданс в пути протекания избыточного тока. Элементы защиты предохраняют все выводы микросхемы от разрушительного воздействия электрического разряда любой полярности. Схема защиты должна быть устойчива к отклонениям технологического процесса. Необходимо обеспечить стойкость к воздействию СЭ по всем известным моделям (HBM, MM, CDM).

Обычно элементы защиты не обеспечивают в равной степени возможность протекания зарядов в двух направлениях. В этом случае путь протекания заряда от вывода к выводу усложняется. Пунктирная линия на рис. 16.6 показывает путь протекания заряда от входа к выходу микросхемы. Схема на рис. 16.6 обеспечивает протекание заряда между любой парой выводов (вход, выход, земля, питание) в обоих направлениях, но при этом заряд последовательно будет протекать через несколько элементов защиты. Упрощенная схема практической реализации элементов защиты изображена на рис. 16.7.

Рис. 16.6. Вариант включения элементов защиты в момент воздействия статического электричества

Рис. 16.7. Упрощенная электрическая схема включения элементов защиты от воздействия СЭ

В случае использования нескольких питающих напряжений (например, в схемах смешанного сигнала) необходимо устанавливать элементы защиты от воздействия СЭ между различными источниками (рис. 16.8). Упрощенная электрическая схема защиты микросхемы с раздельным цифровым и аналоговым питанием приведена на рис. 16.9.

Рис. 16.8. Структурная схема включения элементов защиты микросхемы с различными источниками питания

Рис. 16.9. Упрощенная электрическая схема включения элементов защиты от воздействия СЭ цифроаналоговой микросхемы

В качестве элементов защиты входов ИС, как правило, используют диодно–резистивные элементы (рис. 16.10, а), или структуры с использованием МОП–транзисторов (в качестве МОП–диодов) и резисторов (рис. 16.10, б).

а)

б)

Рис. 16.10. Элементы защиты входов ИС от электростатического разряда: а – диодно – резистивный; б – с использованием МОП–транзисторов и резистора

Диодные схемы используются так же для защиты от разряда СЭ выходов микросхем. Степень защищенности выводов микросхем от воздействия электростатического разряда зависит от размеров активных элементов и конструктивно–технологического исполнения элемента защиты.

Динамический элемент защиты состоит из резистора, конденсатора, инвертора (М1,М2) и n – канального транзистора (М3) (рис. 16.11). При подаче положительного воздействия СЭ инвертор открывает транзистор М3. Ток отрицательного воздействия СЭ протекает через диод транзистора М3.

Рис. 16.11. Динамическая схема защиты шин земли и питания

При протекании больших токов электростатического разряда через контакты между металлом контактной площадки и диффузией температура контакта может достичь критического уровня, после которого существенное количество алюминия начинает диффундировать в кремний. При дальнейшем повышении температуры алюминий и кремний сплавляются, образуя хорошо проводящий твердый раствор алюминия и кремния. Если температура будет повышаться, сплав быстро пересечет p–n–переход, образуя цепь короткого замыкания на подложку.

Для уменьшения вероятности прокола переходов, вызванных воздействием СЭ, используется несколько способов увеличения интервалов между краями контактов к диффузионной области; увеличение площади контактов для уменьшения плотности токов; круглые контакты для избежания неравномерного распределения токов; глубокие диффузионные области (кармана) под контактами. Контакты, спроектированные по перечисленным правилам называются «горячими контактами».

Металлические шины являются одним из основных узлов элементов защиты от воздействия СЭ. На безотказность алюминиевых шин влияют плотность протекающего тока и продолжительность приложенного импульса напряжения. При превышении температурой допустимого значения шина начинает разрушаться. Чтобы этого избежать, необходимо тщательно рассчитать ширину металлических шин. При этом нужно учитывать, что толщина металлического слоя уменьшается на ступеньках, а развороты шин под прямым углом приводят к повышенным плотностям токов в этих местах.

В цепях защиты предпочтительнее использовать диффузионные резисторы, чем поликремневые. Поликремневые резисторы более восприимчивы к тепловым перегрузкам во время протекания избыточного тока. С другой стороны, диффузионный резистор может быть интегрирован с диодом в одну распределенную структуру, что уменьшает вероятность возникновения тепловой перегрузки. При построении резистора следует избегать углов и поворотов на 90º в целях обеспечения равномерного растекания избыточного тока. Не рекомендуется использование в цепях защиты элементов с тонким окислом.