Навигация
Основные проблемы современной аналоговой микросхемотехники
35299
знаков
0
таблиц
1
изображение
Содержание
1. Эволюция СБИС. Системы на кристалле, в корпусе и на подложке
2. Базовые технологии и их ограничения
3. Проблемы проектирования микросхем с низковольтным питанием
4. Микросхемотехника аналоговых и аналого-цифровых СФ блоков
Библиографический список
1. Эволюция СБИС. Системы на кристалле, в корпусе и на подложке
Переход на субмикронную и частично глубокую субмикронную технологии наглядно показал, что эффективность применения БИС и СБИС микроконтроллеров любой архитектуры в радиоэлектронной аппаратуре определялась качеством и номенклатурой периферийных ИС, образующих интерфейс связи с датчиками и исполнительными устройствами соответствующей мини-системы. Низкая надежность и помехозащищенность внешних (внекристалльных) соединений, сложность тестирования и поиска неисправностей сделали экономически целесообразной замену плат и мини-блоков. Именно поэтому и произошел переход от мини-систем к микросистемам – системам на кристалле (СнК), где указанные соединения реализуются в кристалле или на побложке. Отметим, что первоначально для задач управления микро- и мини-роботов, а также для сверхточного управления традиционными объектами были разработаны микросистемы – относительно несложные микроизделия, реализующие весь цикл измерения и преобразования от сенсора до исполнительного механизма. Эта область (микросистемная техника) имеет самостоятельное развитие, где ограничивающими факторами в первую очередь являются материалы и технологические нормы изготовления микросенсоров и исполнительных механизмов.
Современные задачи связи, автоматического управления и техники специальных измерений требуют для обеспечения относительно высокой серийности изделий не только кардинального повышения надежности, но и возможности их программной адаптации к решаемой задаче. Именно поэтому такие системы должны иметь очень мощное программируемое ядро с набором быстродействующих областей памяти констант (программ) и данных. Реализовать указанное можно либо применением новых дорогостоящих материалов, либо за счет перехода в цифровой части системы на глубокую (≤ 0,35 мкм) субмикронную технологию. Однако даже для цифрового процессора в любом случае важнейшей задачей в процессе производства и эксплуатации остается тестирование.
В перспективе в рамках систем на кристалле могут быть решены многие проблемы интеграции аналоговых, цифровых, радиочастотных (RF) и даже более экзотических структур – микромеханические системы (MEMS), датчики, силовые приводы, химические преобразователи, оптические блоки и т.п. Поэтому в современной интерпретации СнК является сложной интегральной схемой, объединяющей на одном чипе или чипсете все основные функциональные элементы полного конечного продукта. В общем случае СнК как проект включает в себя как минимум один программируемый процессор, внутрикристалльную память и аппаратно реализованные ускоряющие функциональные элементы. В состав СнК также входят интерфейсы с периферийными устройствами и(или) с внешней средой, именно поэтому их базовым признаком являются аналоговые компоненты, узлы и устройства.
Следует подчеркнуть, что слово «система» в термине «система на кристалле» важней, чем слово «кристалл». Потребности практики всегда опережают технологические возможности, поэтому для многих наиболее наукоемких приложений оказывается целесообразным проектирование функциональных блоков как часть интегрированного целого, а физически они размещаются не в кристалле, а на одной подложке и корпусе. Такие системы – System in Package (SiP), System on Package (SoP) – оказываются более надежными, качественными и дешевыми, но при этом они проектируются как единое целое. Их составные части – сложно-функциональные блоки (СФ блоки) – являются также интегрируемыми проектами СнК (IP блоки) и основой повышения производительности и «живучести» проектирования за счет повторного использования этого интеллектуального продукта.
Важным фактором в развитии такого подхода явилось создание организации Virtual Socket Interface (VSI) Alliance, объединяющей ведущие электронные фирмы для разработки эффективных методов повторного использования IP, стандартных требований по их созданию и обмену. Деятельность ассоциации позволила установить необходимые «горизонтальные» связи между системными компаниями, дизайн-центрами и компаниями, занимающимися САПР. Можно утверждать, что без таких ассоциаций развитие современной микроэлектронной техники невозможно.
Указанное проектирование оказало решающее влияние на электронную промышленность в целом. Эволюция технологических процессов при-вела к резкому увеличению единовременных расходов. Например, стоимость шаблонов на уровне 0,13 мкм приближается к 1,0 млн долл. Но более быстрыми темпами росли затраты на проектирование отдельных устройств. Так, даже при значительных успехах в повторном проектировании (IP) стоимость СиК на уровне 0,13 мкм оценивается от 5,0 до 20,0 млн долл. Статистика последних лет показывает, что общее число проектов в классе специализированных интегральных схем (ASIC проектов) сократилась практически в 3 раза. Однако произошло увеличение проектов в сегменте стандартных ИС (ASSP) и полузаказных (FPGA) ИС (БМК, ПЛИС, ПАИС, ПЛМ), которые можно классифицировать как СнК в начальной форме.
Такой сдвиг в стилях проектирования привел к ряду последствий в электронной промышленности. Во-первых, если РЭА может технически ориентироваться на полузаказные ИС, то это оказывается эффективным при серийности от сотен до десятка тысяч экземпляров. Во-вторых, в этом же классе предпринимаются попытки превращения начальной формы СнК в гибкую платформу, которая может быть использована для различных инженерных приложений с помощью программируемости и многочисленных интерфейсов. Однако в любом случае опережающая разработка СФ блоков для конкретных технологий (IP) приобретает первостепенное значение. В этом отношении следует отметить, что технологические уровни менее 0,35 мкм существенно ухудшают качественные показатели аналоговых компонентов, определяющих динамический диапазон узлов, устройств и СФ блоков. Поэтому для многих инженерных приложений системы на подложке и в корпусе останутся основными.
Как отмечалось ранее, многие задачи построения РЭА требуют проектирования под конкретную технологию специальных аналоговых или цифро-аналоговых СнК. Также БИС и СБИС образуют специальный и во многом специфический класс электронных систем, которые условно называются смешанными – содержащими значительное число не только вспомогательных аналоговых узлов и устройств. Зарубежная классификация их отмечает как mixed-signal SoC и Analogue/mixed-signal (AMS) SoC. Однако работа в этой области только начинается. Так, Texas Instruments, явившаяся пионером в этом направлении, несмотря на первоначальные планы создания смешанной СнК, интегрирующей цифровую, аналоговую и радиочастотную части на одной кремниевой подложке, не имеет в настоящее время явных (рыночных) успехов.
Обсуждаемые СнК можно условно разделить на два основных типа. Во-первых, следует выделить AMS SoC с некоторыми специфическими аналоговыми блоками – модули фазовой автоподстройки частоты, АЦП, ЦАП, блоки периферийных интерфейсов, видеоаудиокодеки и т.п. Такие СнК образуют «D/а» класс – в основном цифровые, немного аналоговые. В таких системах аналоговые блоки можно рассматривать в качестве унифицированных СФ блоков. Их на этапе проектирования можно рассматривать в качестве «серых ящиков», и они могут успешно интегрироваться в общую систему на основе строгих правил, которые заранее оговорены их разработчиками. Ко второму типу следует отнести СнК «А/d» класса – в основном аналоговые и немного цифровые. Из этого не следует, что цифровая часть системы не требует мощного программируемого ядра. Скорее наоборот – особенность функционирования СнК предопределяет высокопроизводительные процессорный модуль и даже подсистему. Однако в этом классе СнК аналоговые модули нельзя рассматривать в качестве «черных ящиков». Здесь аналоговые узлы, а возможно, и СФ блоки обеспечивают основу функционирования системы (не только интерфейсы) и поэтому накладывают сложные и во многом специфические ограничения на их интеграцию. Специалисты Texas Instruments считают, что для обеспечения надежности проекта разработчики аналоговых блоков должны быть основными системными (СнК) интеграторами. С точки зрения РЭА конечного назначения AMS A/d класса обеспечивают взаимодействие СнК с «высшим миром». Указанная функция реализуется СФ блоками СнК, внешними микросенсорами и исполнительными устройствами.
Похожие работы
... ±ЕП, что принципиально недостижимо в преобразователях «напряжение-ток» на основе дифференциального каскада. Это особенно важно при проектировании низковольтных прецизионных аналоговых перемножителей напряжения. Наиболее существенный недостаток мостовой схемы – ее относительная сложность и наличие транзисторов p-n-p типа, однако возможность изготовления двухтактного повторителя по технологии « ...
... точности S должен решаться с учетом реализуемого шага и закона перестройки. 5. Влияние неидеальности электронных ключей на свойства базисных структур При построении ЦУП в качестве коммутаторов чаще всего используются МДП ключи (рис. 19, 20). Рис. 19. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы i-й ветви ЦУП Рис. 20. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы i-й ветви ЦУП ...
... усилителя от приведенного ко входу ЭДС смещения ОУ2. Приведенные результаты показывают, что дрейф нуля и коэффициент ослабления синфазного напряжения определяются только мультидифференциальным операционным усилителем. Соотношения (90), (94) показывают, что основным преимуществом классической структуры инструментального усилителя (рис. 12) является независимость коэффициента передачи синфазного ...
... постоянной времени усилителя и, следовательно, его граничной частоты определяется соотношениями (42)–(44). Завершая обсуждение найденных принципов собственной и взаимной компенсации влияния паразитных емкостей полупроводниковых компонентов, целесообразно отметить два обстоятельства, имеющих, возможно, самостоятельное значение в аналоговой микросхемотехнике. Во-первых, относительно хорошая ...
0 комментариев