| |
О. Дворников, В. Чеховский
Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями
Для проектирования многоканальных ИС ядерной электроники по биполярно-полевой технологии
разработан специализированный БМК. Оригинальная топология макрофрагмента, универсальные конструкции
активных элементов и контактных площадок, хорошие частотные и шумовые характеристики n-p-n (Ft > 3 ГГц,
Rbb < 35 Ом,) и p-JFET транзисторов (Up = 2–3 В, Ft > 120 MГц) позволяют реализовать на БМК широкий спектр
аналоговых ИС: импульсные усилители с RC-CR фильтрами, каскодные усилители, операционные усилители с входными
каскадами на n-p-n, p-n-p, p-JFET транзисторах, трансимпедансные усилители с малым входным сопротивлением,
широкополосные токовые усилители.
Рис. 1
БМК (рис. 1) включает 4 идентичных канала, каждый из которых состоит из двух макрофрагментов (рис. 2).
По периферии БМК размещены сложно-функциональные контактные площадки, которые либо выполняют функции контактных
площадок ИС, либо используются как схемные элементы. Всего сложно-функциональных контактных площадок — 54, они
могут быть следующих типов:
- PAD2Q — два многоэмиттерных малошумящих n-p-n транзистора (обозн. цифрой 2 на рис. 2). Малошумящий n-p-n
транзистор, входящий в элемент PAD2Q, представляет собой 9-ти эмиттерный транзистор с сопротивлением базовой
области менее 35 Ом. Возможно частичное масштабирование параметров транзистора, направленное на уменьшение
емкости эмиттерного перехода и сдвига максимума зависимости коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером
b в область малых токов.
Pspice модель малошумящего n-p-n транзистора следующая:
.MODEL PAD2Q9 npn IS=9.9e-17 xti=3 BF=104 VAF=24 IKF=63m ISE=9.9e-17
+ xtb=1.5 NE=1.2 BR=0.7 VAR=20 IKR=.99m ISC=2.38E-13 NC=2 RB=28.6
+ IRB=.105m RBM=9.52 RE=0.476 RC=15.1 CJE=1.52p MJE=88m VJE=0.75
+ EG=1.11 CJC=1.92p MJC=88m VJC=0.82 XCJC=0.2 CJS=2.24p MJS=0.5
+ VJS=0.75 tr=10n tf=15p itf=10.5m vtf=20 xtf=2
|
Рис. 2
PADJ — малошумящий p-JFET (обозн. 3 на рис. 2), который имеет 8 полосковых затворов, максимальный ток стока
10–14 мА при напряжении отсечки 2,1–2,7 В и граничную частоту усиления более 120 МГц. Возможно частичное масштабирование
параметров транзистора за счет подключения разного количества затворов.
Pspice модель малошумящего p-JFET транзистора:
.MODEL PADJ8 pjf Vto=-3.16 beta=.94m lambda=0.01 Is=1E-16 Rd=12 Rs=12
+ Cgd=4.165p Cgs=4.165p FC=0.5 PB=1
|
- PADJDG — два двухзатворных p-JFET (обозн. 4 на рис. 2). р-JFET транзистор, входящий в элемент PADJDG,
представляет собой полевой транзистор, управляемый p-n переходом с каналом р-типа и двумя затворами n-типа,
каждый из которых может быть соединен со схемой.
Рис. 3
PADC — МОП конденсатор величиной 2,12 пФ (обозн. 5 на рис. 2). МОП конденсаторы БМК (PADC, C0_9P) имеют
одинаковую конструкцию, которая позволяет использовать в схеме барьерную емкость полупроводниковой обкладки, и
отличаются только величиной. На рис. 3 вывод С1 принадлежит металлической, а вывод С2 — полупроводниковой обкладке
конденсатора, вывод С3 — контакт к изолирующему n-карману, который можно использовать для подключения к схеме
барьерной емкости Dp+n или необходимо соединить с самым высоким потенциалом схемы. Вывод Sub — это контакт к
подложке p-типа, на который подают самый отрицательный потенциал схемы.
Элементы Dp+n и Dn-sub описываются следующими Pspice моделями:
.MODEL Dp+n (D IS=? RS=Rn- Xti=3 Cjo=? M=0.33 Vj=0.85 Fc=0.5)
.MODEL Dn-sub (D IS=? RS=Rsub Xti=3 Cjo=? M=0.5 Vj=0.74 Fc=0.5) |
|
Заметим, что последовательные сопротивления электрической схемы Rn- и Rsub входят в модели диодов и поэтому не
описываются в схеме электрической принципиальной, а сопротивления Rp+ и Rn+ необходимо обязательно подключить.
Величина сопротивлений и Pspice параметры диодов приведены в табл. 1. Сопротивление подложки (Rsub) для
конденсатора C0_9P зависит от его удаления от контакта к подложке, поэтому в таблице указан наихудший случай для
самого отдаленного конденсатора при одном контакте к подложке. В реальной схеме эта величина в среднем составит
200–300 Ом.
Таблица 1. Pspice параметры МОП конденсаторов
| |
|
RP+, Om |
Rn-, Om |
RP+, Om |
Rsub, Om |
CJO, pF |
IS, e-16 A |
| CO_9P, 0,9 pF |
Dp+n
Dn-sub |
150
|
4,2
|
71,5
|
<1200 |
1,83
1,86 |
7,42
10,0 |
| PADC, 2,12 pF |
Dp+n
Dn-sub |
43
|
1,7
|
19
|
37 |
4,33
3,85 |
17,6
20,7 |
Если сложнофункциональные контактные площадки не используются в схеме, то барьерные емкости их p-n переходов можно
использовать для фильтрации сигнала.
Каждый макрофрагмент имеет один изолированный карман, в котором размещены резисторы номиналом от 550 Ом до 12,7 кОм,
выполненные на слое р-базы, и номиналом 35 – 44 кОм, выполненные на слое р-канала полевого транзистора.
Особенностью последних является высокий разброс параметров (до ±25%) и сильный температурный уход, поэтому их
применение в схемах ограничено. Низкоомные резисторы имеют только один номинал 95 Ом и выполнены на слое n+
глубокого коллектора. Помимо резисторов макрофрагмент содержит малосигнальные n-p-n транзисторы генераторов
стабильного тока (элемент NPNC обозн. цифрой 10 на рис. 2), МОП конденсаторы емкостью 0,9 пФ (элемент C0_9P
обозн. 7 на рис. 2) и полупроводниковые структуры следующих типов:
- PNPJF — функционально-интегрированный элемент (ФИЭ), представляющий собой каскодное включение p-n-p
транзистора и p-JFET (обозн. 8 на рис. 2), который можно использовать как p-n-p транзистор, p-JFET транзистор
или каскодное включение p-n-p транзи-стора и p-JFET.
P-JFET транзистор, входящий в элемент PNPJF, описывается параметрами:
.MODEL JF1 pjf Vto=-2.99 beta=19.7u lambda=0.01 Is=2.31E-16 Rd=520 Rs=520
+ Cgd=80f Cgs=40f FC=0.5 PB=1 |
P-n-p транзистор, входящий в элемент PNPJF, описывается параметрами:
.MODEL PJF LPNP Is=5.67E-18 Bf=68.5 Ne=1.338 Ise=60E-18 Ikf=34.1u
+ VAF=14 BR=3.63 VAR=20 IKR=0.078 ISC=6.1E-16 RB=58.8 IRB=2.9u
+ RBM=1.44 RE=26.9 RC=291 CJE=140f MJE=0.353 CJC=156f MJC=0.31
+ CJS=252f XCJC=0.99 MJS=0.5 TR=160N TF=2.6n ITF=.418 xti=3 VTF=40.0
+ XTF=2 NF=1.011 FC=0.5 xtb=1.5 Nc=2 vjc=0.69 vje=0.69 |
- GC — два n-p-n транзистора (обозн. 9 на рис. 2) с объединенными коллекторами (ячейка Джильберта).
Ячейку Джильберта удобно использовать в дифференциальных каскадах с перекрестными коллекторными связями,
а также как двухэмиттерный или умощненный транзистор. Рабочий ток по каждому из эмиттеров составляет 2,9 мА.
Каждый из транзисторов ячейки Джильберта можно применить в качестве стабилитрона.
Pspice модель элемента NPNGC:
.MODEL NPNGC npn IS=5.92e-17 xti=3 BF=104 VAF=24 IKF=4.5m ISE=5.92e-17
+ xtb=1.5 NE=1.2 BR=0.7 VAR=20 IKR=107u ISC=2.56E-14 NC=2 RB=200
+ IRB=7.5u RBM=6.67 RE=6.67 RC=140 CJE=109f MJE=88m VJE=0.75 EG=1.11
+ CJC=207f MJC=88m VJC=0.82 XCJC=0.2 CJS=336f MJS=0.5 VJS=0.75 tr=10n
+ tf=15p itf=.75m vtf=20 xtf=2 |
Модель элемента GC как стабилитрона:
.MODEL NPNGCST (D IS=5.92e-17 Rs=6.67 Ikf=15.56u N=1 Xti=3 Eg=1.11
+ Cjo=109f M=0.27 Vj=0.75 Fc=0.5 Isr=795f Nr=2 Bv=5.288 Ibv=58.92m
+ Tt=15p TBv1=0.18m) |
- TW — четырехслойная полупроводниковая структура (обозн. 11 на рис. 2), позволяющая за счет
различного выполнения межсоединений областей получить двухэмиттерный n-p-n или p-n-p транзистор. Элемент TW
расположен с одной стороны макрофрагмента и предназначен в основном для реализации токозадающих блоков смещения.
Рабочий ток по каждому из эмиттеров n-p-n составляет 1,9 мА.
Pspice модель элемента TW, соединенного как n-p-n:
.MODEL NPNTW npn IS=3.9e-17 xti=3 BF=264 VAF=24 IKF=1.1m ISE=3.95e-17
+ xtb=1.5 NE=1.2 BR=0.7 VAR=20 IKR=104u ISC=2.5E-14 NC=2 RB=300
+ IRB=5u RBM=10 RE=10 RC=144 CJE=73f MJE=88m VJE=0.75 EG=1.11
+ CJC=134f MJC=88m VJC=0.82 XCJC=0.2 CJS=233f MJS=0.5 VJS=0.75 tr=10n
+ tf=15p itf=.5m vtf=20 xtf=2 |
Pspice модель элемента TW, соединенного как p-n-p:
.MODEL PNPTW LPNP Is=5.1E-18 Bf=56.3 Ne=1.338 Ise=53E-18 Ikf=30.5u
+ VAF=14 BR=3.63 VAR=20 IKR=0.174 ISC=13.8E-16 RB=65.6 IRB=2.6u
+ RBM=1.6 RE=30 RC=320 CJE=261f MJE=0.353 CJC=134f MJC=0.31 CJS=233f
+ XCJC=0.99 MJS=0.5 TR=160N TF=2.6n ITF=.375 xti=3 VTF=40.0 XTF=2
+ NF=1.011 FC=0.5 xtb=1.5 Nc=2 vjc=0.69 vje=0.69 |
Модель элемента TW как стабилитрона:
.MODEL NPNTWST d IS=3.95e-17 Rs=10 Ikf=15.56u N=1 Xti=3 Eg=1.11
+ Cjo=73f M=0.27 Vj=0.75 Fc=0.5 Isr=795f Nr=2 Bv=5.288 Ibv=58.92m
+ Tt=15p TBv1=0.18m |
Макрофрагмент окружен экранирующим контактом, позволяющим устранить паразитное взаимодействие
через подложку разных блоков и соседних каналов.Суммарные характеристики БМК приведены в табл. 2, 3.
Размер кристалла БМК составляет 2,7х3,6 мм, на одной полупроводниковой пластине диаметром 100 мм находится
около 650 кристаллов.
Элементы БМК были изготовлены по биполярно-полевой технологии, наиболее важные характеристики элементной
базы показаны на рисунках:
- Выходная вольтамперная характеристика элемента PNPJF, включенного как p-n-p транзистор (Ic), и каскодное
включение (Id) p-n-p и p-JFET (рис. 4).
Рис. 4
- Измеренные значения статического (bdc) и дифференциального (bac) коэффициентов передачи тока в схеме с общим
эмиттером p-n-p транзистора элемента PNPJF (рис. 5). Точками обозначены значения, полученные при Pspice моделировании
характеристик.
Рис. 5
- Измеренные значения статического (bdc) и дифференциального (bac) коэффициентов передачи тока в схеме с общим
эмиттером n-p-n транзистора элемента TW с соединенными эмиттерами (рис. 6).
Рис. 6
- Выходные вольтамперные характеристики в схеме с общим истоком элемента PADJ (рис. 7) и JFET транзистора,
входящего в PNPJF (рис. 8).
Рис. 7
Рис. 8
Результаты измерений (линии) и моделирования (отдельные точки), приведенные на рис. 4–8, показывают достаточную
точность Pspice моделей.
Применение БМК возможно различными путями.
- Заказчик предоставляет схему электрическую принципиальную на уровне элементов БМК: транзисторов, резисторов,
конденсаторов. Исполнитель осуществляет входной контроль и, при необходимости, моделирование отдельных блоков,
разрабатывает топологию межсоединений, изготавливает комплект фотошаблонов металлизации и кристаллы ИС с
использованием ранее сформированной активной структуры.
- Заказчик изучает библиотеку базовых схемотехнических решений, выбирает блоки и узлы с требуемыми параметрами
и предоставляет схему электрическую функциональную на основе базовых решений. Исполнитель моделирует работу изделия
в целом, разрабатывает топологию межсоединений, изготавливает комплект фотошаблонов металлизации и пластины.
- Заказчик предоставляет схему электрическую функциональную на основе любых блоков, в том числе отсутствующих в
библиотеке. Всю остальную работу — моделирование, согласование с Заказчиком результатов моделирования, разработку
топологии межсоединений, изготовление комплекта фотошаблонов металлизации и пластин — выполняет Исполнитель.
Национальный научно-учебный центр
физики частиц и высоких энергий при БГУ, Минск
Тел. (017) 231-4679, факс (017) 232-6075
E-mail: tchek@hep.by, dvr@basnet.minsk.by
http://goliath.hep.by/~tchek
|
