時(shí)間：2024-01-11 11:51:49
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【關(guān)鍵詞】集成電路版圖；SN7400；逆向解析
1.引言
隨著我國微電子產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，集成電路自主設(shè)計(jì)需求迅速增加[1][2]。集成電路設(shè)計(jì)分為正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)[3]。正向設(shè)計(jì)是根據(jù)芯片的功能要求設(shè)計(jì)電路，仿真驗(yàn)證后進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)，再進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢驗(yàn)、電路和版圖比較檢驗(yàn)，最后進(jìn)行后仿真檢驗(yàn)。逆向設(shè)計(jì)是首先對(duì)已有的芯片采用化學(xué)方法進(jìn)行分層拍照和提取縱向參數(shù)。從版圖照片上提取電路，仿真驗(yàn)證后，根據(jù)現(xiàn)有的工藝條件，借鑒解析版圖進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)，最終達(dá)到指標(biāo)要求[4]。集成電路版圖設(shè)計(jì)是科學(xué)性和藝術(shù)性的結(jié)合，需要長期的實(shí)踐才能設(shè)計(jì)出優(yōu)秀產(chǎn)品，為了節(jié)約成本和學(xué)習(xí)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)常需要研究性能優(yōu)良芯片的版圖結(jié)構(gòu)，相互借鑒，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
本文對(duì)SN7400芯片進(jìn)行了逆向解析，通過研究掌握了該芯片的設(shè)計(jì)思想和單元器件結(jié)構(gòu)，對(duì)于雙極型集成電路設(shè)計(jì)是十分有益的。
2.芯片分層拍照
本文解析的SN7400芯片是雙列直插式塑料封裝，共14個(gè)管腳，包含四個(gè)二輸入與非門。根據(jù)芯片編號(hào)規(guī)則判斷為雙極工藝制造。
首先將芯片放到濃硝酸中加熱去掉封裝，用去離子水沖洗、吹干后在顯微鏡下拍照鋁層照片。再將芯片放到鹽酸溶液中漂洗去掉鋁層，用去離子水沖洗、吹干后放到氫氟酸溶液中去掉二氧化硅層，經(jīng)去離子水沖洗、吹干后用染色劑染色，雜質(zhì)濃度高部分顏色變深，沖洗、吹干后在顯微鏡下對(duì)去鋁層（有源層）芯片拍照[5]。
采用圖形編輯軟件分別對(duì)兩層照片進(jìn)行拼接，獲得版圖照片。
3.單元結(jié)構(gòu)
有鋁層和去鋁層照片表明芯片四個(gè)二輸入與非門結(jié)構(gòu)相同，只要分析一個(gè)與非門即可。該芯片一個(gè)二輸入與非門無鋁版圖照片如圖1所示。其中1A和1B為輸入端，1Y為輸出端。
該芯片是P襯底和N外延層，與非門主要由NPN晶體管、電阻和二極管構(gòu)成。NPN晶體管結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2（a）和（b）分別為縱向NPN晶體管版圖和剖面圖。縱向NPN晶體管由于性能比PNP晶體管好，因此是雙極工藝的主要使用晶體管。隔離區(qū)為P+注入，采用結(jié)隔離技術(shù)，隔離區(qū)接低電平，保證隔離區(qū)反偏[6]。圖2（c）為二發(fā)射極NPN晶體管版圖，作為與非門的輸入端，這種設(shè)計(jì)既減少了面積又提高了輸入晶體管匹配度。圖2（d）為隔離島合并器件版圖，是由一個(gè)NPN晶體管、一個(gè)二極管和一個(gè)基區(qū)電阻構(gòu)成，該設(shè)計(jì)減少了版圖面積和寄生參數(shù)。
圖3為電阻和二極管版圖。圖3（a）為基區(qū)電阻的版圖，集成電路電阻的阻值是通過方塊電阻計(jì)算的，基區(qū)方塊電阻典型值為100～200Ω/，電阻越長阻值越大，電阻越寬阻值越小。圖3（b）為二極管版圖，外延層隔離島為N區(qū)，隔離區(qū)為P區(qū)。
4.電路圖和仿真
根據(jù)SN7400芯片的鋁層和去鋁層版圖照片提取了一個(gè)二輸入與非門電路如圖4（a）所示。采用Pspice軟件對(duì)電路圖進(jìn)行瞬態(tài)仿真，其中電源電壓為5V，輸入信號(hào)高電平為3.5V，低電平為0.2V，仿真結(jié)果如圖4（b）所示。結(jié)果表明該電路實(shí)現(xiàn)了與非門的邏輯功能，電路提取正確。
5.結(jié)論
本文采用化學(xué)方法對(duì)SN7400芯片進(jìn)行了分層拍照，提取了電路圖，仿真驗(yàn)證正確。從芯片的版圖分析，該芯片采用NPN晶體管、PN結(jié)二極管和基區(qū)電阻等器件單元，四個(gè)與非門版圖一致且對(duì)稱布局。該芯片采用典型的雙極工藝，為了節(jié)省面積采用共用隔離區(qū)方法，為提高匹配度采用多發(fā)射極晶體管。電路為典型的TTL與非門電路。該芯片的版圖布局體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的合理性和科學(xué)性。
參考文獻(xiàn)
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[6]Hastings，A.模擬電路版圖的藝術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.
作者簡介：
王健（1965—），男，遼寧沈陽人，碩士，沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院副教授，研究方向：微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：集成電路工程；專業(yè)學(xué)位研究生；培養(yǎng)實(shí)踐
中圖分類號(hào)：G643 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）29-0221-02
一、引言
2000年6月，國務(wù)院了《鼓勵(lì)軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干政策》（國發(fā)18號(hào)文），并陸續(xù)推出了一系列促進(jìn)IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)惠政策和措施。國家科技部在863計(jì)劃中安排了集成電路設(shè)計(jì)重大專項(xiàng)。在863計(jì)劃集成電路設(shè)計(jì)重大專項(xiàng)的實(shí)施和帶動(dòng)下，北京、上海、無錫、杭州、深圳、西安、成都等七個(gè)集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)化基地的建設(shè)取得了重要進(jìn)展。與此同時(shí)，為了適應(yīng)我國集成電路發(fā)展對(duì)高層次專門人才的大規(guī)模需要，改善工科學(xué)位比較單一的狀況，經(jīng)國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)批準(zhǔn)，在我國設(shè)置集成電路工程專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)，培養(yǎng)了一批“用得上”的工程技術(shù)人才。集成電路工程專業(yè)學(xué)位研究生自設(shè)置以來，取得了蓬勃的發(fā)展，受到用人單位的肯定和好評(píng)。由于其生源廣泛、數(shù)量巨大，培養(yǎng)方法和模式更需要一定的創(chuàng)新性。近年來，在集成電路工程專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)過程中，經(jīng)過多年的辦學(xué)積累，探討了一些辦學(xué)和培養(yǎng)集成電路工程專業(yè)學(xué)位研究生的經(jīng)驗(yàn)。
二、專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)過程中的關(guān)鍵事項(xiàng)
1.優(yōu)選導(dǎo)師，確保培養(yǎng)質(zhì)量。集成電路工程專業(yè)學(xué)位研究生教育形式較新，最初專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)在眾多地方借鑒了學(xué)術(shù)型研究生的辦學(xué)經(jīng)驗(yàn)，目前很多學(xué)者認(rèn)為，只要能夠勝任學(xué)術(shù)型學(xué)歷研究生教育的導(dǎo)師就能勝任專業(yè)學(xué)位教育。這恰恰忽視了專業(yè)學(xué)位的知識(shí)背景和面向的行業(yè)領(lǐng)域。專業(yè)學(xué)位研究生教育規(guī)律與學(xué)術(shù)型研究生存在相當(dāng)大的差異，首先，兩者專業(yè)基礎(chǔ)及學(xué)術(shù)背景不一樣，專業(yè)學(xué)位研究生的系統(tǒng)性方面不如學(xué)術(shù)型研究生。其次，兩者的治學(xué)環(huán)境不同，專業(yè)學(xué)位研究生與實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合。根據(jù)專業(yè)學(xué)位研究生特點(diǎn)有針對(duì)性地開展培養(yǎng)，應(yīng)該選拔具有較強(qiáng)工程背景的教師進(jìn)行指導(dǎo)。指導(dǎo)教師在進(jìn)行指導(dǎo)時(shí)，應(yīng)與學(xué)術(shù)型研究生指導(dǎo)工作有所不同，應(yīng)更加注重專業(yè)學(xué)位研究生工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的培養(yǎng)。而且在學(xué)生的課題研究中，指導(dǎo)教師與學(xué)生多溝通，將自身融入到學(xué)生的實(shí)踐研究中，帶領(lǐng)學(xué)生參與技術(shù)上的創(chuàng)新和解決實(shí)際工程技術(shù)難題，這樣才能確保學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。
2.做到課堂理論與工程實(shí)際相結(jié)合。專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)的多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)告訴我們，在指導(dǎo)過程中必須注重理論與工程實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，抽象概念與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使理論易于理解和掌握。因此，教師要了解專業(yè)學(xué)位研究生的本科學(xué)歷背景、知識(shí)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)在的工程方向等，在此基礎(chǔ)上，做到課程理論聯(lián)系工程實(shí)際，為專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)工作打下良好的基礎(chǔ)。為了滿足微電子領(lǐng)域內(nèi)不同行業(yè)的需求，在多年的專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)中進(jìn)行了積極的探索。首先，學(xué)生可以根據(jù)研究方向，在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行專題理論課程的選擇。例如，進(jìn)行SOC設(shè)計(jì)的可以選擇《SOC及IP技術(shù)講座》課程，研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可以選擇《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》或《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信》專題講座，研究空間通信的選擇《深空通信技術(shù)專題》等等。有針對(duì)性地，使學(xué)生不是單純盲目的學(xué)習(xí)，這樣的培養(yǎng)才能做到理論與工程實(shí)踐真正結(jié)合。實(shí)踐結(jié)果表明，那些課堂上刻苦學(xué)習(xí)，能夠?qū)⒗碚撚糜趯?shí)踐并努力鉆研的學(xué)生，將有更好的培養(yǎng)效果和未來發(fā)展空間。
3.學(xué)位論文選題恰當(dāng)，工程背景好。選題重要性要放在首位，要求“論文選題來自于工程實(shí)踐，工程背景明確，應(yīng)用性強(qiáng)”，有的放矢，結(jié)合工程實(shí)際問題才是最好的選題。從現(xiàn)實(shí)意義上講，專業(yè)學(xué)位論文的選題是發(fā)現(xiàn)工程問題并確認(rèn)研究方向。當(dāng)前有些專業(yè)學(xué)位論文質(zhì)量不高、沒有創(chuàng)新性，一個(gè)重要原因就是選題不恰當(dāng)。因此，在選題時(shí)，學(xué)生應(yīng)急科研工作之所急，通過論文工作，使自己既能解決工程實(shí)際問題，又能提高科研工作能力。
集成電路工程專業(yè)學(xué)位論文的選題與學(xué)術(shù)型研究生的選題不同，其選題應(yīng)來源于工程實(shí)踐，應(yīng)有明確的應(yīng)用價(jià)值，其可以是一個(gè)完整的工程項(xiàng)目、技術(shù)改造或技術(shù)攻關(guān)專題，也可以是新工藝、新設(shè)備、新產(chǎn)品的研制與開發(fā)。論文是否合格不僅看其理論水平的高低，還要看是否有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。因此，由于論文選題時(shí)，應(yīng)該從以下幾點(diǎn)之一進(jìn)行把握。①研究性，是否在工程實(shí)際中有技術(shù)改進(jìn)和提高。如果是結(jié)合重大工程實(shí)際課題，在技術(shù)上的創(chuàng)新將具有研究性。②創(chuàng)造性，是否在工程領(lǐng)域中有所突破和有所創(chuàng)新，如果一般通過查新，能夠申請(qǐng)發(fā)明專利的都具有創(chuàng)造性。③實(shí)用性，是否能解決生產(chǎn)實(shí)際中的問題。
三、集成電路工程專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)過程中的方法和步驟
專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)過程包括課程學(xué)習(xí)、題目確定、開題報(bào)告、中期檢查、學(xué)位論文撰寫和論文答辯等環(huán)節(jié)。我校專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)年限一般為二年，原則上用0.75-1學(xué)年完成課程學(xué)習(xí)，用1-1.25學(xué)年完成碩士學(xué)位論文。這些環(huán)節(jié)是一個(gè)有機(jī)的整體，需要合理安排，搞好各個(gè)環(huán)節(jié)的鏈接，進(jìn)行一體化考慮。只有嚴(yán)格要求，才能夠保證專業(yè)學(xué)位研究生在兩年的時(shí)間內(nèi)保質(zhì)保量的達(dá)到國家碩士生培養(yǎng)的要求。作為集成電路工程專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)，其專業(yè)基礎(chǔ)相對(duì)學(xué)術(shù)型研究生存在一定的差距，不進(jìn)行合理的引導(dǎo)就會(huì)使得學(xué)生失去學(xué)習(xí)的興趣。專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)不能以單純拿到畢業(yè)證為目標(biāo)，應(yīng)更加嚴(yán)格管理、嚴(yán)格把關(guān)，保證培養(yǎng)質(zhì)量。通過近幾年的經(jīng)驗(yàn)積累，以專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)為例，一般按照下列的步驟進(jìn)行：第一學(xué)期，主要以課程學(xué)習(xí)為主，并在課堂學(xué)習(xí)中，定期安排相關(guān)教師對(duì)本實(shí)驗(yàn)室從事的科研項(xiàng)目進(jìn)行學(xué)術(shù)講座，讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)室開展的課題研究方向和從事的科研項(xiàng)目，從總體上進(jìn)行了解和把握，逐漸培養(yǎng)學(xué)生的鉆研興趣。開展教師或高年級(jí)學(xué)生關(guān)于研究課題的專題講座和基本軟件使用方法技能培訓(xùn)，使學(xué)生盡快掌握相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)和所需要的基本軟件操作方法，如從事ASIC接口電路的學(xué)生在第一學(xué)期就要求掌握Hspice和Candece等軟件。在學(xué)期末對(duì)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行摸底考核，對(duì)優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，末位學(xué)生進(jìn)行督促教育，使其盡快的減小自身差距。第二學(xué)期，在學(xué)習(xí)專業(yè)課程的同時(shí)，學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室參與科研工作，將從事科學(xué)研究的方法和經(jīng)驗(yàn)有針對(duì)的進(jìn)行訓(xùn)練。在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室期間，可以將科研任務(wù)進(jìn)行分解，將非核心技術(shù)部分交給學(xué)生獨(dú)立去完成，讓學(xué)生提前進(jìn)入科研狀態(tài)，完成一些力所能及的科研任務(wù)，堅(jiān)定他們從事科學(xué)研究的信心。定期通過實(shí)驗(yàn)室的學(xué)術(shù)活動(dòng)檢查學(xué)生課題的完成情況，從總體上把握學(xué)生的研究方向和研究方法。第三學(xué)期，根據(jù)專業(yè)學(xué)位研究生的學(xué)習(xí)情況和所掌握的知識(shí)水平，有針對(duì)性的指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課題實(shí)踐，讓學(xué)生根據(jù)自己的特長進(jìn)行課題研究。在學(xué)生進(jìn)入課題研究工作時(shí)，導(dǎo)師指導(dǎo)學(xué)生了解本研究領(lǐng)域國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力和獨(dú)立思考、解決問題的能力。培養(yǎng)學(xué)生閱讀國內(nèi)外文獻(xiàn)的能力，使其在科研工作中大膽實(shí)踐，理論聯(lián)系實(shí)際，使學(xué)生在科研工作中有所發(fā)明、有所創(chuàng)造。學(xué)生明確了課題目標(biāo)，知道為什么做、做什么、怎樣做，就能有目標(biāo)有方向地開展課題研究工作。第四學(xué)期，主要是督促檢查學(xué)生畢業(yè)論文工作，在其課題研究過程中應(yīng)當(dāng)定期進(jìn)行檢查，避免學(xué)生課題研究偏離方向，選擇錯(cuò)誤的方法。導(dǎo)師應(yīng)當(dāng)積極鼓勵(lì)學(xué)生在本學(xué)期多發(fā)表學(xué)術(shù)論文。發(fā)表學(xué)術(shù)論文不僅能夠提高學(xué)生的文字表達(dá)能力，還能夠讓學(xué)生勤于思考，提出自己的創(chuàng)新方法，對(duì)學(xué)生后期的畢業(yè)論文撰寫打下良好的基礎(chǔ)。因此，踏實(shí)的論文工作是提高個(gè)人學(xué)術(shù)素養(yǎng)和掌握綜合知識(shí)的最佳途徑，為學(xué)生畢業(yè)后從事科研實(shí)踐養(yǎng)成良好的工作作風(fēng)，培養(yǎng)自主從事科研工作的能力。
總之，通過加強(qiáng)基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能訓(xùn)練與能力培養(yǎng)的相融通；實(shí)踐與課程學(xué)習(xí)、業(yè)務(wù)培養(yǎng)與素質(zhì)提高有機(jī)結(jié)合，使集成電路工程專業(yè)學(xué)位研究生養(yǎng)成了較強(qiáng)的自我獲取知識(shí)的能力，自我構(gòu)建知識(shí)的能力及自我創(chuàng)新的能力。已經(jīng)畢業(yè)的專業(yè)學(xué)位研究生就業(yè)形勢一直是供不應(yīng)求。孔子曰：知之者不如好知者，好知者不如樂知者。學(xué)生只有好知并樂知，才能使集成電路工程專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)的質(zhì)量不斷穩(wěn)定和不斷提高。
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關(guān)鍵詞：變送器，熱噪聲，閃爍噪聲，微弱信號(hào)傳輸系統(tǒng)
Abstract: In this paper, the analysis and design optimization of 1/f noise are described. The noise of a typical transmitter is analyzed and calculated, including the 1/f noise, also verification with Hspice is done. Through the optimization of output resistance and tran-impedance of the amplifier, better performances were resulted.
Key words: transmitter, hot noise, 1/f noise, low level signal processing systems.
現(xiàn)今的模擬電路設(shè)計(jì)者經(jīng)常要考慮噪聲的問題，因?yàn)樵肼暿羌呻娐吩O(shè)計(jì)中重要的因素之一，它決定著微弱信號(hào)傳輸系統(tǒng)的性能。由于集成系統(tǒng)的噪聲由組成該系統(tǒng)的基本集成單元的噪聲特性決定，所以為了優(yōu)化電路的噪聲，了解每個(gè)基本單元所產(chǎn)生的噪聲是非常重要的。
本文首先對(duì)噪聲的特性、種類進(jìn)行了簡單描述，并給出了一些有關(guān)噪聲計(jì)算的公式。同時(shí)重點(diǎn)分析了一種變送器電路中的噪聲，計(jì)算出了電路中各端口的噪聲，以及總的輸出噪聲，并通過HSPICE仿真驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果。其次對(duì)產(chǎn)生較大噪聲的模塊進(jìn)行分析，最后提出了針對(duì)該電路的噪聲優(yōu)化的具體方法。
1噪聲的統(tǒng)計(jì)特性[1]
噪聲是一個(gè)隨機(jī)過程，也就是說噪聲的瞬時(shí)值在任何時(shí)候都不能被預(yù)測。但在很多情況下，噪聲的平均功率是可以被預(yù)測的。從基本電路理論可知，一個(gè)周期性電壓V（t）加在一個(gè)負(fù)載電阻RL上消耗的平均功率由下式給出：
T是周期。Pav可被形象地看作是V（t）在RL上產(chǎn)生的平均熱能。由于噪聲的隨機(jī)性，測量須在較長的一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。
其中x（t）表示電壓量。圖1.1表示對(duì)每個(gè)信號(hào)取平方，在較長時(shí)間T內(nèi)計(jì)算由此產(chǎn)生的波形下的面積，平均功率可通過將面積對(duì)T歸一化后得到。
1.1 噪聲譜
噪聲譜,也稱為“功率密度譜”（PSD），表示在每個(gè)頻率上，信號(hào)具有的功率大小。
1.2 幅值分布
通過長時(shí)間的觀察噪聲波形，可以構(gòu)造出噪聲幅值的分布，表示出每個(gè)值出現(xiàn)多么頻繁，x（t）的分布，也被稱為“概率密度函數(shù)”（PDF），被定義為
PX（X）dx=x
的概率.式中X是在一些時(shí)間點(diǎn)上測量出的x（t）值。
2噪聲的類型[2]
集成電路處理的模擬信號(hào)主要會(huì)受兩種不同類型的噪聲影響：熱噪聲和閃爍噪聲。
2.1 熱噪聲
導(dǎo)體中電子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)盡管平均電流為零，但是它會(huì)引起導(dǎo)體兩端電壓的波動(dòng)。因此，熱噪聲譜與絕對(duì)溫度成正比。
如圖1.2所示，電阻R上的熱噪聲可以用一個(gè)串聯(lián)的電壓源來模擬，其單邊譜密度為：
Sv （f）=4kTRf≥0 （1.5）
式中k=1.38e-23J/K是玻爾茲曼常數(shù)。Sv（f）的單位是V2/Hz
2.2 閃爍噪聲
在MOS晶體管的柵氧化層和硅襯底的界面處出現(xiàn)許多“懸掛”鍵，產(chǎn)生額外的能態(tài)。當(dāng)電荷載流子運(yùn)動(dòng)到這個(gè)界面時(shí)，有一些被隨機(jī)地俘獲，隨后又被釋放，結(jié)果在漏電流中產(chǎn)生“閃爍”噪聲。
閃爍噪聲可以更容易地用一個(gè)與柵極串聯(lián)的電壓源來模擬，近似地由下式給出
式中K是一個(gè)與工藝有關(guān)的常量，我們的表示法假設(shè)了1Hz的帶寬。與懸掛鍵相關(guān)的俘獲―釋放現(xiàn)象在低頻下更常發(fā)生，正因如此，閃爍噪聲也叫1/f噪聲。式（1.6）與WL的反比關(guān)系表明要減小1/f噪聲的方法，就是必須增加器件面積。
3變送器中的噪聲[3]
本文以一種變送器電路為例，分析其噪聲。該電路中既存在熱噪聲也存在閃爍噪聲，熱噪聲主要是由電阻產(chǎn)生的。由于該電路是一種主要工作在低頻狀態(tài)下的變送器，根據(jù)式（1.6）可知，閃爍噪聲與頻率成反比，所以電路中的噪聲以1/f噪聲為主。圖1.3為該變送器的功能結(jié)構(gòu)圖。其中A1,A2是差分輸入的放大器, A3是實(shí)現(xiàn)19倍電流放大關(guān)系的放大器，IREF1,IREF2是兩個(gè)1mA的電流源。該變送器是一個(gè)精密、低漂移的雙線變送器，它可以把微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行放大并變換成4mA～20mA的電流信號(hào)后進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送。輸入輸出的關(guān)系式為：Io=4mA+（0.016 由于噪聲會(huì)影響電路的線性度，而該電路對(duì)線性度的要求很高，所以我們要盡量降低其噪聲。
（1）總體噪聲的分析
我們先根據(jù)公式估算一下電路的總體閃爍噪聲. 噪聲公式為：
作頻率，該電路工作在低頻狀態(tài)，本文設(shè)f=100 Hz, fH為帶寬，本設(shè)計(jì)將整體電路的帶寬設(shè)為118 Hz, fL為低頻截止點(diǎn)，設(shè)為100 Hz。因此由公式得：
通過HSPICE仿真可以驗(yàn)證該電路的總的輸出噪聲。仿真時(shí)本文用到的是上海貝嶺工藝廠提供的PNP管, NPN管,以及電阻和電容的模型。為了接近實(shí)際情況，根據(jù)廠家測試數(shù)據(jù)本仿真將模型中的兩個(gè)噪聲參數(shù)設(shè)定為AF=2,KF=5e-03然后利用.AC DEC 100 1 100k的交流卡和.NOISE OUTV INSRC NUMS 的噪聲卡語句對(duì)電路進(jìn)行交流仿真，結(jié)果如圖1.4所示。橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為噪聲值。它表示的是圖1.3中Io處的總的電壓輸出噪聲。由圖 （2）各結(jié)點(diǎn)噪聲的分析
IREF1,IREF2結(jié)點(diǎn)處的噪聲為
本文計(jì)算的是閃爍噪聲，而仿真結(jié)果還包含熱噪聲及其它噪聲。可以看出輸出級(jí)的噪聲比前一級(jí)低很多，下面具體分析一下降噪的方法。
4本設(shè)計(jì)采用的降噪方法
本設(shè)計(jì)主要是通過降低輸出電阻和采用差分輸入的電路結(jié)構(gòu)來降低噪聲的。
1. 由式（1.5）給出的噪聲表達(dá)式可知，它與電阻值成正比。在電路中噪聲值也與該電路的等效輸出電阻成正比。利用HSPICE元件卡中的電阻仿真語句，進(jìn)行交流仿真并對(duì)很短的頻率進(jìn)行掃描分別得出了兩個(gè)電流源的等效輸出電阻和電路中總的輸出電阻。如圖1.6和圖1.7所示。 從仿真結(jié)果中可以看出，電流源的等效輸出電阻為2.6kΩ，電路總的等效輸出電阻為17.7Ω。它們的比例與噪聲的比例相近。因此電流源的輸出噪聲與其等效輸出電阻是密切相關(guān)的。可見本設(shè)計(jì)是通過降低等效輸出電阻降低了輸出噪聲。
2.如圖1.8，1.9所示，為跨導(dǎo)放大器的示意圖和電路結(jié)構(gòu)圖。INN3,SPAN5,INP4,SPAN6分別是跨導(dǎo)放大器的兩個(gè)輸入端。兩個(gè)跨導(dǎo)放大器構(gòu)成了一個(gè)大的差分結(jié)構(gòu)。由于差分結(jié)構(gòu)對(duì)稱點(diǎn)上的增量（交流）接地，因而不會(huì)受到電流源接地回路中寄生參數(shù)的影響。差分結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是它有抑制共模干擾的能力。這一考慮在混合信號(hào)應(yīng)用別重要，差分結(jié)構(gòu)的放大器對(duì)抑制噪聲也有顯著的作用。由于MOS晶體管的溝道電阻產(chǎn)生熱噪聲，所以選擇雙極差分輸入會(huì)得到一個(gè)相對(duì)好的噪聲系數(shù)。
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如果要對(duì)該電路進(jìn)行進(jìn)一步的噪聲優(yōu)化，可以考慮采用增加器件面積的方法去減小1/f噪聲。因?yàn)槠骷娣e的增加，會(huì)使流過器件的電流密度減小，使得電荷載流子被“懸掛”鍵俘獲的數(shù)量減少，從而降低漏電流中產(chǎn)生的閃爍噪聲。
5總結(jié)
噪聲現(xiàn)象及其在模擬電路中的影響越來越受到關(guān)注，因?yàn)樵肼暸c功耗、速度和線性度之間是互相制約的。本文對(duì)一種變送器產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行了分析，提出了利用減小輸出電阻和采用差分電路結(jié)構(gòu)以及加大器件面積的方式來降低噪聲的方法，噪聲計(jì)算和仿真的結(jié)果均符合產(chǎn)品的設(shè)計(jì)指標(biāo)。
參考文獻(xiàn)
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[9]H. A. Haus et al.. Representation of Noise in Linear Twoports. Proc. IRE, vol.48, pp.69-74,Jan. 1960.
作者簡介
盧劍，碩士研究生，研究方向：集成電路的設(shè)計(jì)與研究;
律博，碩士研究生，研究方向：集成電路的設(shè)計(jì)與研究;
劉峻，碩士研究生，研究方向：集成電路的設(shè)計(jì)與研究;
王鴻鵬，碩士研究生，研究方向：集成電路的設(shè)計(jì)與研究;
郭宇，高級(jí)工程師，研究方向：集成電路的設(shè)計(jì)與研究;
蘇建華，碩士研究生，研究方向：集成電路的設(shè)計(jì)與研究;
吳春瑜，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事集成電路及半導(dǎo)體器件的教學(xué)與研究;
關(guān)鍵詞：低噪聲放大器；熱噪聲
Abstract: A low-noise-amplifier is designed with low thermal noise, its thermal noiseis calculated theoretically and validated with HSPICE . This circuit is optimized effectively to decrease the thermal noise.
Key words: low-noise-amplifier；thermal noise
噪聲限制了一個(gè)電路能夠正確處理的最小電平信號(hào).由于噪聲會(huì)嚴(yán)重影響電路的功耗、速度以及線性, 當(dāng)代模擬電路設(shè)計(jì)者經(jīng)常要解決噪聲的問題.
本文主要分析各種噪聲機(jī)制產(chǎn)生的白噪聲以及計(jì)算這些噪聲的方法，同時(shí)引入一種低噪聲放大器的結(jié)構(gòu)，并對(duì)該電路的各個(gè)功能模塊的噪聲進(jìn)行計(jì)算，利用HSPICE仿真軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并提出了優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)以減小噪聲的方案。
1 噪聲源
1.1 沖擊噪聲[1]
沖擊噪聲又稱為散彈噪聲，它總是出現(xiàn)在二極管、MOS晶體管和雙極型晶體管中。三極管中每個(gè)通過節(jié)點(diǎn)的載流子都可視為隨機(jī)事件，所以，穩(wěn)定的外部電流I事實(shí)上是由大量的隨機(jī)獨(dú)立的電流脈沖組成的。I的波動(dòng)稱為沖擊噪聲，如果電流I由一系列平均值為ID的隨機(jī)獨(dú)立脈沖組成，則產(chǎn)生的噪聲電流的均方差值為
其中q是電子電荷（1.6×10-19C）,Δf為帶寬，單位為Hz，ID由產(chǎn)生噪聲的電路決定。
1.2 熱噪聲
熱噪聲由與沖擊噪聲完全不同的機(jī)制產(chǎn)生。在一般的電阻中，是由電子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)引起的，并不受直流電流的影響。導(dǎo)體中電子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)盡管平均電流為零，但是它會(huì)引起導(dǎo)體兩端電壓的波動(dòng)。因此，熱噪聲譜與絕對(duì)溫度成正比。
1.2.1 集成電路中元件的熱噪聲
（1） 電阻的熱噪聲
如圖1.1所示，電阻R上的熱噪聲可以用一個(gè)串聯(lián)的電壓源或并聯(lián)的電流源來模擬，頻譜密度的形式為
其中k是波爾茲曼常數(shù)，在室溫下4kT=1.66×10-20VC
（2）雙極型晶體管的熱噪聲
晶體管基極電阻rb是物理電阻所以產(chǎn)生熱噪聲。集電極串聯(lián)電阻rc同樣有熱噪聲，但是因?yàn)樗c集電結(jié)串聯(lián)，所以噪聲可忽略掉，模型中通常不包含這個(gè)噪聲。
包括噪聲的雙極型晶體管完整的小信號(hào)等效電路圖如圖1.2。因?yàn)樗麄冇瑟?dú)立分開的物理機(jī)制引起，所以噪聲源互相獨(dú)立，白噪聲的均方值各為
（3）MOS晶體管的熱噪聲[2]
MOS晶體管也有熱噪聲，最大的噪聲源是在溝道中產(chǎn)生的。對(duì)于工作在飽和區(qū)的長溝道MOS器件的溝道噪聲可以用一個(gè)連接在源漏兩端的電流源來模擬，如圖1.3，其頻譜密度為
其中的系數(shù)γ對(duì)于長溝道晶體管可由推導(dǎo)得到，為2/3；而對(duì)于亞微米MOS晶體管，γ可能需要一個(gè)更大的值來代替。
2低噪聲放大器的功能及噪聲計(jì)算
2.1 低噪聲放大器的功能介紹
如圖2.1所示，低噪聲放大器（LNA）處于射頻接收機(jī)的最前端。低噪聲放大器的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號(hào)，降低噪聲干擾，在克服噪聲的條件下為后級(jí)提供足夠高的增益，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)，所以低噪聲放大器的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)接收機(jī)來說是至關(guān)重要的。本文中的低噪聲放大器工作頻率范圍為76MHz至108MHz。
雙極型放大器是低噪聲放大器中最常見的選擇。在射頻范圍內(nèi)，MOS管的主要噪聲源為溝道熱噪聲、柵感應(yīng)噪聲與柵分布電阻熱噪聲。由于MOS晶體管的溝道電阻產(chǎn)生比較大的熱噪聲，所以選擇雙極輸入會(huì)得到一個(gè)相對(duì)好的噪聲系數(shù)。低噪聲雙極型放大器，可提供極低的輸入電壓噪聲密度和相對(duì)較高的輸入電流噪聲密度。本文主要研究雙極型低噪聲放大器的熱噪聲。
2.2 低噪聲放大器的噪聲計(jì)算
低噪聲放大器主要放大部分如圖2.2所示，VCCA和RFGND分別為2.5V的電源和0V的地。整個(gè)電路的增益主要靠第一級(jí)由Q3、Q4組成的共基輸入放大器，射頻信號(hào)RFI1和RFI2分別為Q3和Q4的射極輸入。第二級(jí)為由Q5和Q6組成的射隨驅(qū)動(dòng)電路，Q3和Q4的在集電極的輸出信號(hào)分別由Q5和Q6的基極輸入，由OUT1和OUT2輸出。射隨器具有高輸入電阻，低輸出電阻和近似為單位1的電壓增益，對(duì)增益基本沒有貢獻(xiàn)。下面主要以低噪聲放大器電路的輸入電阻和輸出電阻來估算電路的熱噪聲。
（1） 輸入電阻及輸入噪聲
通過對(duì)電路仿真，可知流過輸入端晶體管Q3、Q4的集電極電流為340μA。β0為晶體管小信號(hào)電流增益，本電路中β0值為187。
第一級(jí)共基放大結(jié)構(gòu)中由RFI1和RFI2看進(jìn)去的輸入電阻為
其中，gm為晶體管小信號(hào)跨導(dǎo)，表達(dá)式為
rπ為晶體管小信號(hào)輸入電阻，表達(dá)式為
將式（2.2）和式（2.3）代入式（2.1）中，得
則電路輸入端在帶寬為76MHz至108MHz之間的總熱噪聲電壓為
即
（2） 輸出電阻及輸出噪聲
Rs為前一級(jí)的共基極放大器等效輸出的電阻,由電路可知, Rs為1.9044 kΩ，根據(jù)式（2.8）可得
則電路輸出端在帶寬為76MHz至108MHz之間的總熱噪聲電壓為
即
3低噪聲放大器熱噪聲的仿真分析
3.1輸入噪聲仿真分析[4]
用HSPICE仿真軟件對(duì)低噪聲放大電路的噪聲進(jìn)行仿真，對(duì)電路進(jìn)行交流小信號(hào)分析，同時(shí)進(jìn)行噪聲分析。由仿真結(jié)果可知，如圖3.1，低噪聲放大器的在頻率為76MHz時(shí)的輸入噪聲譜密度的均方根值為1.3934，頻率為108MHz時(shí)的輸入噪聲譜密度的均方根值1.3935。
在76MHz～108MHz帶寬范圍內(nèi)，利用仿真得出頻率為76MHz和頻率為108MHz時(shí)的輸入噪聲譜密度均方根值，利用兩個(gè)值求平均值可得出頻帶內(nèi)的平均噪聲譜密度均方根值，則計(jì)算得出頻帶內(nèi)低噪聲放大器的輸入噪聲為
×（108-76）×106=6.18×10-11V2（ 3.1）[5]
viN =7.86μV rms （3.2）
所得到的輸入噪聲7.86μV rms與利用輸入電阻估算的輸入噪聲6.36μV rms基本一致。
3.2 輸出噪聲仿真分析
如圖3.1由仿真結(jié)果得，低噪聲放大器在頻率為76MHz時(shí)輸入噪聲譜密度的均方根值為2.486，頻率為108MHz時(shí)輸入噪聲譜密度的均方根值為2.365。
可以計(jì)算得出頻帶內(nèi)低噪聲放大器的輸出噪聲為[6]
×（108-76）×106＝18.83×10-11V2（3.1）
voN =13.72μV rms （3.2）[6]
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所得到的輸出噪聲13.72μV rms與利用輸出電阻估算出的輸入噪聲10.89uV rms基本一致。
由以上分析可以得出，計(jì)算得到的低噪聲放大器的輸入熱噪聲和輸出熱噪聲基本上與仿真得到的結(jié)果一致，由于HSPICE測得的噪聲中除了熱噪聲還包括閃爍噪聲，散彈噪聲等其他的噪聲，所以計(jì)算的熱噪聲小于測得的總噪聲值，基本符合電路特性。
4 本設(shè)計(jì)中采用的降低熱噪聲方法
及電路設(shè)計(jì)的優(yōu)化
本設(shè)計(jì)中主要采用了共基極輸入及射隨器作為輸出端的方法來降低熱噪聲。
低噪聲放大器模塊采用兩級(jí)放大，第一級(jí)為共基極輸入放大器，共基極有時(shí)用作低輸入阻抗的電流放大器，低輸入阻抗與輸入的熱噪聲成正比，所以決定了電路的輸入熱噪聲較小。除此之外雙極型LNA共基極結(jié)構(gòu)相對(duì)于共射極電路還具有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：更為簡單的輸入匹配、更高的放大線性度和更大的逆向隔離[7]。
射隨器具有近似的單位電壓增益，跟隨級(jí)的等價(jià)輸入噪聲電壓不改變地傳入到輸入端，但是由于跟隨級(jí)的輸出是在射極輸出的，而射極是低阻抗的，由射極的負(fù)載電阻產(chǎn)生的噪聲相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)的輸出熱噪聲明顯減小。
通過對(duì)以上結(jié)構(gòu)的熱噪聲特性的分析，對(duì)電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。如果要進(jìn)一步降低電路的熱噪聲，則需要采用增大晶體管β值以降低電路的輸入、輸出電阻的方法來優(yōu)化電路，但此方法并不是減小熱噪聲的主要方法[8]。如在仿真中將晶體管的β值由187增大為300，則可以得出，電路的輸入噪聲為7.858 μV rms，輸出噪聲為13.65μV rms，輸入噪聲與輸出噪聲都有所減小，但變化的幅度很小。減小熱噪聲的主要方法可以通過在版圖上增大晶體管的發(fā)射區(qū)面積來實(shí)現(xiàn)。比如，仿真中將兩個(gè)輸入管的發(fā)射區(qū)面積增加一倍，則可以得出電路的輸入噪聲減小為7.265 μV rms，輸出噪聲減小為10.45 μV rms，熱噪聲減小的幅度為7%。
5結(jié)論
本設(shè)計(jì)基于Jazz Semiconductor 0.35μm雙極工藝SPICE模型對(duì)一種低噪聲放大器電路進(jìn)行仿真。通過對(duì)本設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)的理論估算和利用HSPICE仿真軟件的仿真驗(yàn)證，可以看到共基極輸入結(jié)構(gòu)與射隨的輸出結(jié)構(gòu)可以有效地降低電路的熱噪聲。本文采用的低噪聲放大器的結(jié)構(gòu)能夠降低低噪聲放大器的輸入和輸出熱噪聲，達(dá)到無線調(diào)頻接收機(jī)中低噪聲放大器的電路設(shè)計(jì)要求。
參考文獻(xiàn)
[1] 池保勇，余志平，石秉學(xué) 著《CMOS射頻集成電路分析與設(shè)計(jì)》，清華大學(xué)出版社 2003。
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作者簡介
劉峻，碩士研究生，研究方向：集成電路的設(shè)計(jì)與研究。
盧劍，碩士研究生，研究方向：集成電路的設(shè)計(jì)與研究。
郭宇，高級(jí)工程師，研究方向：集成電路的設(shè)計(jì)與研究。
蘇建華，碩士研究生，研究方向：集成電路的設(shè)計(jì)與研究。
李新，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事集成電路及微機(jī)電系統(tǒng)的教學(xué)與研究。
【關(guān)鍵詞】數(shù)字 FPGA集成 電路驗(yàn)證
對(duì)于數(shù)字集成電路而言，其涉及到的工作都是比較復(fù)雜的，自身的功能也比較多樣，為了在驗(yàn)證方面獲得較高的提升，必須在驗(yàn)證指標(biāo)、驗(yàn)證手段上進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于數(shù)字集成電路FPGA驗(yàn)證而言，其本身就是重要的組成部分，而在參數(shù)的驗(yàn)證和功能的分析方面，都表現(xiàn)出了一定的復(fù)雜特點(diǎn)，傳統(tǒng)的模式無法滿足現(xiàn)階段的需求。所以，我們要針對(duì)數(shù)字集成電路FPGA驗(yàn)證的特點(diǎn)、目的、要求，完成各項(xiàng)工作的不斷提升。在此，本文主要對(duì)數(shù)字集成電路FPGA驗(yàn)證展開討論。
1 FPGA概述
在數(shù)字集成電路當(dāng)中，F(xiàn)PGA所發(fā)揮的作用是非常積極的，現(xiàn)如今已經(jīng)成為了不可或缺的重要組成部分。從應(yīng)用的角度來分析，F(xiàn)PGA是一種現(xiàn)場編程門陣列，它主要是在可編程器基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。可編程器主要包括PAL、GAL、CPLD等等。FPGA在具體的應(yīng)用過程中，具有較強(qiáng)的針對(duì)性，其主要是作為專用集成電路領(lǐng)域的服務(wù)，并且自身所代表的是一種半制定的電路。從客觀的角度來分析，F(xiàn)PGA的出現(xiàn)和應(yīng)用，不僅在很多方面解決了定制電路所表現(xiàn)出的不足，同時(shí)又在很大程度上克服了原有的問題，主要是克服了編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。由此可見，數(shù)字集成電路在應(yīng)用FPGA以后，本身所獲得的進(jìn)步是非常突出的，并且在客觀上和主觀上，均創(chuàng)造了較大的效益，是非常值得肯定的。
2 FPGA器件介紹
隨著數(shù)字集成電路的不斷發(fā)展，F(xiàn)PGA的應(yīng)用效果也越來越突出。目前，關(guān)于數(shù)字集成電路FPGA驗(yàn)證，業(yè)界內(nèi)展開了大量的討論。對(duì)于FPGA驗(yàn)證而言，需從客觀實(shí)際出發(fā)。FPGA器件，是驗(yàn)證數(shù)字集成電路的主要工具，因此首先要在該方面做出足夠的努力。在芯片流片之前，對(duì)數(shù)字集成電路的整體設(shè)計(jì)，開展有效的FPGA驗(yàn)證，能夠針對(duì)數(shù)字集成電路的實(shí)際工作情況，進(jìn)行深入的了解和分析；針對(duì)遇到的問題，可以采取有效的方案來解決，避免造成較大的損失。
相對(duì)而言，采用FPGA進(jìn)行驗(yàn)證的過程中，硬件環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)是比較高的。首先，我們?cè)隍?yàn)證工作之前，必須設(shè)計(jì)出相應(yīng)的PCB板，完成相關(guān)系統(tǒng)的驗(yàn)證和構(gòu)建。其次，在驗(yàn)證的過程中，必須充分考慮到成本的問題，與芯片的流片費(fèi)用相比較，F(xiàn)PGA的驗(yàn)證成本較低，是主流的選擇。第三，數(shù)字集成電路FPGA驗(yàn)證過程中，多數(shù)情況是由兩個(gè)部分組成的，分別是FPGA和器件。器件主要包括開關(guān)、存儲(chǔ)器、LED、轉(zhuǎn)接頭等等。
數(shù)字集成電路FPGA驗(yàn)證時(shí)，需針對(duì)不同的電路實(shí)施有效的驗(yàn)證。例如，在實(shí)際工作當(dāng)中，如果是要驗(yàn)證EPA類型的芯片，必須對(duì)成本因素進(jìn)行充分的考量。建議選擇Spartan3 XC3S1500 FPGA進(jìn)行驗(yàn)證處理。選擇該類型的FPGA，原因在于，其芯片為150萬門級(jí)，能夠滿足EPA的客觀需求。同時(shí)，在FPGA的利用率方面，超過了90%，各方面均取得較好成果。
3 基于FPGA的驗(yàn)證環(huán)境
數(shù)字集成電路在目前的發(fā)展中，獲得了社會(huì)上廣泛的重視，并且在很多方面都表現(xiàn)出了較強(qiáng)的高端性。為了在FPGA驗(yàn)證方面取得更多的進(jìn)展，必須針對(duì)驗(yàn)證環(huán)境進(jìn)行深入的分析。本文認(rèn)為，一個(gè)比較完整的驗(yàn)證方案，其在執(zhí)行過程中，必須充分的考慮到芯片的實(shí)際工作環(huán)境，考慮到理想的驗(yàn)證環(huán)境，考慮到二者的具體差別。尤其是在網(wǎng)絡(luò)的工作環(huán)境方面，其包含很多復(fù)雜的數(shù)據(jù)包，將會(huì)對(duì)最終的驗(yàn)證造成不利的影響。例如，我們?cè)陂_展EPA芯片的驗(yàn)證工作中，可嘗試使用OVM庫類驗(yàn)證芯片的基本通信系統(tǒng)、功能，再利用FPGA的輔助驗(yàn)證，與時(shí)鐘進(jìn)行同步處理，從而選擇合理的驗(yàn)證方式，針對(duì)數(shù)字集成電路完成比較全方位的驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)客觀工作的較大進(jìn)步。
4 關(guān)于數(shù)字集成電路FPGA驗(yàn)證的討論
數(shù)字集成電路FPGA的驗(yàn)證工作，在很多方面都表現(xiàn)出了較高的復(fù)雜性和較強(qiáng)的技術(shù)性，現(xiàn)階段的部分工作雖然得到了較大的進(jìn)步，但也有一些問題，還沒有進(jìn)行充分的解決，這對(duì)將來的發(fā)展，會(huì)產(chǎn)生一定的威脅和不良影響。例如，F(xiàn)PGA基于查找表結(jié)構(gòu)，有固定的設(shè)計(jì)約束和要求，以及定義明確的標(biāo)準(zhǔn)功能，而ASIC基于標(biāo)準(zhǔn)單元和宏單元，按照一般IC設(shè)計(jì)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用標(biāo)準(zhǔn)的工藝線進(jìn)行流片，在設(shè)計(jì)時(shí)存在的選項(xiàng)以及需要考慮的問題往往比FPGA多很多，所以在將FPGA設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為ASIC設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮如何轉(zhuǎn)化并了解這些轉(zhuǎn)化可能帶來的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。
5 總結(jié)
本文對(duì)數(shù)字集成電路FPGA驗(yàn)證展開討論，從目前的工作來看，F(xiàn)PGA在驗(yàn)證過程中，表現(xiàn)出的積極效果還是非常值得肯定的，各項(xiàng)工作均未出現(xiàn)惡性循環(huán)。今后，應(yīng)在數(shù)字集成電路以及FPGA驗(yàn)證兩方面，開展深入的研究，健全工作體系的同時(shí)，加強(qiáng)操作的簡潔性。
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作者簡介
于維佳 （1982-），男，廣西壯族自治區(qū)柳州市人。碩士學(xué)位。現(xiàn)為柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。研究方向?yàn)橹悄軝z測與控制技術(shù)。
作者單位
1.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)柳州市 545616
關(guān)鍵詞:節(jié)能;減排;功率半導(dǎo)體
Foundational Technology of Energy-Saving & Emission Reduction ――Power Semiconductor Devices and IC’s
ZHANG Bo
(State key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,
University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054,China)
Abstract: Power semiconductor devices and IC’s, an important branch of semiconductor technology, are a key and basic technology for energy-saving and emission reduction with the wide spread use of electronics in the consumer, industrial and military sectors. The development,challengeand market of power semiconductor devices are discussed in this paper. The future perspectives and key development areas of power semiconductor devices and IC’s in China are also described.
Keywords: Energy-saving; Emission reduction; Power semiconductor device
1引言
功率半導(dǎo)體芯片包括功率二極管、功率開關(guān)器件與功率集成電路。近年來,隨著功率MOS技術(shù)的迅速發(fā)展,功率半導(dǎo)體的應(yīng)用范圍已從傳統(tǒng)的工業(yè)控制擴(kuò)展到4C產(chǎn)業(yè)(計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)類電子產(chǎn)品和汽車電子),滲透到國民經(jīng)濟(jì)與國防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。
功率半導(dǎo)體器件是進(jìn)行電能處理的半導(dǎo)體產(chǎn)品。在可預(yù)見的將來,電能將一直是人類消耗的最大能源,從手機(jī)、電視、洗衣機(jī)、到高速列車,均離不開電能。無論是水電、核電、火電還是風(fēng)電,甚至各種電池提供的化學(xué)電能,大部分均無法直接使用,75%以上的電能應(yīng)用需由功率半導(dǎo)體進(jìn)行變換以后才能供設(shè)備使用。每個(gè)電子產(chǎn)品均離不開功率半導(dǎo)體器件。使用功率半導(dǎo)體的目的是使用電能更高效、更節(jié)能、更環(huán)保并給使用者提供更多的方便。如通過變頻來調(diào)速,使變頻空調(diào)在節(jié)能70%的同時(shí),更安靜、讓人更舒適。手機(jī)的功能越來越多,同時(shí)更加輕巧,很大程度上得益于超大規(guī)模集成電路的發(fā)展和功率半導(dǎo)體的進(jìn)步。同時(shí),人們希望一次充電后有更長的使用時(shí)間,在電池沒有革命性進(jìn)步以前,需要更高性能的功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行高效的電源管理。正是由于功率半導(dǎo)體能將 ‘粗電’變?yōu)椤姟?因此它是節(jié)能減排的基礎(chǔ)技術(shù)和核心技術(shù)。
隨著綠色環(huán)保在國際上的確立與推進(jìn),功率半導(dǎo)體的發(fā)展應(yīng)用前景更加廣闊。據(jù)國際權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測,2011年功率半導(dǎo)體在中國市場的銷售量將占全球的50%,接近200億美元。與微處理器、存儲(chǔ)器等數(shù)字集成半導(dǎo)體相比,功率半導(dǎo)體不追求特征尺寸的快速縮小,它的產(chǎn)品壽命周期可為幾年甚至十幾年。同時(shí),功率半導(dǎo)體也不要求最先進(jìn)的生產(chǎn)工藝,其生產(chǎn)線成本遠(yuǎn)低于Moore定律制約下的超大規(guī)模集成電路。因此,功率半導(dǎo)體非常適合我國的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀以及我國能源緊張和構(gòu)建和諧社會(huì)的國情。
目前,國內(nèi)功率半導(dǎo)體高端產(chǎn)品與國際大公司相比還存在很大差距,高端器件的進(jìn)口替代才剛剛開始。因此國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)在提升工藝水平的同時(shí),應(yīng)不斷提高國內(nèi)功率半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新力度和產(chǎn)品性能,以滿足高端市場的需求,促進(jìn)功率半導(dǎo)體市場的健康發(fā)展以及國內(nèi)電子信息產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)升級(jí)。
2需求分析
消費(fèi)電子、工業(yè)控制、照明等傳統(tǒng)領(lǐng)域市場需求的穩(wěn)定增長,以及汽車電子產(chǎn)品逐漸增加,通信和電子玩具市場的火爆,都使功率半導(dǎo)體市場繼續(xù)保持穩(wěn)步的增長速度。同時(shí),高效節(jié)能、保護(hù)環(huán)境已成為當(dāng)今全世界的共識(shí),提高效率與減小待機(jī)功耗已成為消費(fèi)電子與家電產(chǎn)品的兩個(gè)非常關(guān)鍵的指標(biāo)。中國目前已經(jīng)開始針對(duì)某些產(chǎn)品提出能效要求,對(duì)冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)等產(chǎn)品進(jìn)行了能效標(biāo)識(shí),這些提高能效的要求又成為功率半導(dǎo)體迅速發(fā)展的另一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)力。
根據(jù)CCID的統(tǒng)計(jì),從2004年到2008年,中國功率器件市場復(fù)合增長率達(dá)到17.0%,2008年中國功率器件市場規(guī)模達(dá)到828億元,在嚴(yán)重的金融危機(jī)下仍然同比增長7.8%,預(yù)計(jì)未來幾年的增長將保持在10%左右。隨著整機(jī)產(chǎn)品更加重視節(jié)能、高效,電源管理IC、功率驅(qū)動(dòng)IC、MOSFET和IGBT仍是未來功率半導(dǎo)體市場中的發(fā)展亮點(diǎn)。
在政策方面,國家中長期重大發(fā)展規(guī)劃、重大科技專項(xiàng)、國家863計(jì)劃、973計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等都明確提出要加快集成電路、軟件、關(guān)鍵元器件等重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,在國家剛剛出臺(tái)的“電子信息產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃”中,強(qiáng)調(diào)著重從集成電路和新型元器件技術(shù)的基礎(chǔ)研究方面開展系統(tǒng)深入的研究,為我國信息產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。在國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)中明確提出,功率器件及模塊技術(shù)、半導(dǎo)體功率器件技術(shù)、電力電子技術(shù)是未來5～15年15個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)技術(shù)。在目前國家重大科技專項(xiàng)的“核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品”和“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”兩個(gè)專項(xiàng)中,也將大屏幕PDP驅(qū)動(dòng)集成電路產(chǎn)業(yè)化、數(shù)字輔助功率集成技術(shù)研究、0.13微米SOI通用CMOS與高壓工藝開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化等功率半導(dǎo)體相關(guān)課題列入支持計(jì)劃。在國家973計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)和重大項(xiàng)目中,屬于功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件的基礎(chǔ)研究一直是受到大力支持的研究方向。
總體而言,從功率半導(dǎo)體的市場需求和國家政策分析來看,我國功率半導(dǎo)體的發(fā)展呈現(xiàn)以下三個(gè)方面的趨勢:① 硅基功率器件以實(shí)現(xiàn)高端產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化為發(fā)展目標(biāo);② 高壓集成工藝和功率IC以應(yīng)用研究為主導(dǎo)方向;③ 第三代寬禁帶半導(dǎo)體功率器件、系統(tǒng)功率集成芯片PSoC以基礎(chǔ)研究為重點(diǎn)。
3功率半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展趨勢
四十多年來,半導(dǎo)體技術(shù)沿著“摩爾定律”的路線不斷縮小芯片特征尺寸。然而目前國際半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)瓶頸:隨著線寬的越來越小,制造成本成指數(shù)上升;而且隨著線寬接近納米尺度,量子效應(yīng)越來越明顯,同時(shí)芯片的泄漏電流也越來越大。因此半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展必須考慮“后摩爾時(shí)代”問題,2005年國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)就提出了另外一條半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線,即“More than Moore-超摩爾定律”, 如圖1所示。
從路線圖可以清楚看到,未來半導(dǎo)體技術(shù)主要沿著“More Moore”與“More Than Moore”兩個(gè)維度的方向不斷發(fā)展,同時(shí)又交叉融合,最終以3D集成的形式得到價(jià)值優(yōu)先的多功能集成系統(tǒng)。“More Moore”是指繼續(xù)遵循Moore定律,芯片特征尺寸不斷縮小(Scaling down),以滿足處理器和內(nèi)存對(duì)增加性能/容量和降低價(jià)格的要求。這種縮小除了包括在晶圓水平和垂直方向上的幾何特征尺寸的繼續(xù)縮小,還包括與此關(guān)聯(lián)的三維結(jié)構(gòu)改善等非幾何學(xué)工藝技術(shù)和新材料的運(yùn)用等。而“More Than Moore”強(qiáng)調(diào)功能多樣化,更注重所做器件除了運(yùn)算和存儲(chǔ)之外的新功能,如各種傳感功能、通訊功能、高壓功能等,以給最終用戶提供更多的附加價(jià)值。以價(jià)值優(yōu)先和功能多樣化為目的的“More Than Moore”不強(qiáng)調(diào)縮小特征尺寸,但注重系統(tǒng)集成,在增加功能的同時(shí),將系統(tǒng)組件級(jí)向更小型、更可靠的封裝級(jí)(SiP)或芯片級(jí)(SoC)轉(zhuǎn)移。日本Rohm公司提出的“Si+α”集成技術(shù)即是“More Than Moore”思想的一種實(shí)現(xiàn)方式,它是以硅材料為基礎(chǔ)的,跨領(lǐng)域(包括電子、光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、生物、醫(yī)藥等等)的復(fù)合型集成技術(shù),其核心理念是電性能(“Si”)與光、力、熱、磁、生化(“α”)性能的組合,包括:顯示器/發(fā)光體(LCD、EL、LD、LED)+LSI的組合感光體、(PD、CCD、CMOS傳感器)+LSI的形式、MEMS/生化(傳感器、傳動(dòng)器)+LSI等的結(jié)合。
在功能多樣化的“More Than Moore”領(lǐng)域,功率半導(dǎo)體是其重要組成部分。雖然在不同應(yīng)用領(lǐng)域,對(duì)功率半導(dǎo)體技術(shù)的要求有所不同,但從其發(fā)展趨勢來看,功率半導(dǎo)體技術(shù)的目標(biāo)始終是提高功率集成密度,減少功率損耗。因此功率半導(dǎo)體技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)是圍繞提高效率、增加功能、減小體積,不斷發(fā)展新的器件理論和結(jié)構(gòu),促進(jìn)各種新型器件的發(fā)明和應(yīng)用。下面我們對(duì)功率半導(dǎo)體技術(shù)的功率半導(dǎo)體器件、功率集成電路和功率系統(tǒng)集成三個(gè)方面的發(fā)展趨勢進(jìn)行梳理和分析。
1) 功率半導(dǎo)體(分立)器件
功率半導(dǎo)體(分立)器件國內(nèi)也稱為電力電子器件,包括:功率二極管、功率MOSFET以及IGBT等。為了使現(xiàn)有功率半導(dǎo)體(分立)器件能適應(yīng)市場需求的快速變化,需要大量融合超大規(guī)模集成電路制造工藝,不斷改進(jìn)材料性能或開發(fā)新的應(yīng)用材料、繼續(xù)優(yōu)化完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝和封裝技術(shù)等,提高器件功率集成密度,減少功率損耗。目前,國際上在功率半導(dǎo)體(分立)器件領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向主要為器件新結(jié)構(gòu)和器件新材料。
在器件新結(jié)構(gòu)方面,超結(jié)(Super-Junction)概念的提出,打破了傳統(tǒng)功率MOS器件理論極限,即擊穿電壓與比導(dǎo)通電阻2.5次方關(guān)系,被國際上譽(yù)為“功率MOS器件領(lǐng)域里程碑”。超結(jié)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為半導(dǎo)體功率器件發(fā)展的一個(gè)重要方向,目前國際上多家半導(dǎo)體廠商,如Infineon、IR、Toshiba等都在采用該技術(shù)生產(chǎn)低功耗MOS器件。對(duì)于IGBT器件,其功率損耗和結(jié)構(gòu)發(fā)展如圖2所示。從圖中可以看到,基于薄片加工工藝的場阻(Field Stop)結(jié)構(gòu)是高壓IGBT的主流工藝;相比于平面結(jié)結(jié)構(gòu)(Planar),槽柵結(jié)構(gòu)(Trench)IGBT能夠獲得更好的器件優(yōu)值,同時(shí)通過IGBT的版圖和柵極優(yōu)化,還可以進(jìn)一步提高器件的抗雪崩能力、減小終端電容和抑制EMI特性。
功率半導(dǎo)體(分立)器件發(fā)展的另外一個(gè)重要方向是新材料技術(shù),如以SiC和GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料。寬禁帶半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場強(qiáng)度高、飽和電子漂移速度高、抗輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn),是高壓、高溫、高頻、大功率應(yīng)用場合下極為理想的半導(dǎo)體材料。寬禁帶半導(dǎo)體SiC和GaN功率器件技術(shù)是一項(xiàng)戰(zhàn)略性的高新技術(shù),具有極其重要的軍用和民用價(jià)值,因此得到國內(nèi)外眾多半導(dǎo)體公司和研究結(jié)構(gòu)的廣泛關(guān)注和深入研究,成為國際上新材料、微電子和光電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
2) 功率集成電路(PIC)
功率集成電路是指將高壓功率器件與信號(hào)處理系統(tǒng)及接口電路、保護(hù)電路、檢測診斷電路等集成在同一芯片的集成電路,又稱為智能功率集成電路(SPIC)。智能功率集成作為現(xiàn)代功率電子技術(shù)的核心技術(shù)之一,隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,一方面向高壓高功率集成(包括基于單晶材料、外延材料和SOI材料的高壓集成技術(shù))發(fā)展,同時(shí)也向集成更多的控制(包括時(shí)序邏輯、DSP及其固化算法等)和保護(hù)電路的高密度功率集成發(fā)展,以實(shí)現(xiàn)功能更強(qiáng)的智能控制能力。
3)功率系統(tǒng)集成
功率系統(tǒng)集成技術(shù)在向低功耗高密度功率集成技術(shù)發(fā)展的同時(shí),也逐漸進(jìn)入傳統(tǒng)SoC和CPU、DSP等領(lǐng)域。目前,SoC的低功耗問題已經(jīng)成為制約其發(fā)展的瓶頸,研發(fā)新的功率集成技術(shù)是解決系統(tǒng)低功耗的重要途徑,同時(shí),隨著線寬的進(jìn)一步縮小,內(nèi)核電壓降低,對(duì)電源系統(tǒng)提出了更高要求。為了在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下實(shí)現(xiàn)包括功率管理的低功耗SoC,功率管理單元需要借助數(shù)字輔助的手段,即數(shù)字輔助功率集成技術(shù)(Digitally Assisted Power Integration,DAPI)。DAPI技術(shù)是近幾年數(shù)字輔助模擬設(shè)計(jì)在功率集成方面的深化與應(yīng)用,即采用更多數(shù)字的手段,輔助常規(guī)的模擬范疇的集成電路在更小線寬的先進(jìn)工藝線上得到更好性能的電路。
4我國功率半導(dǎo)體發(fā)展現(xiàn)狀、
問題及發(fā)展建議
在中國半導(dǎo)體行業(yè)中,功率半導(dǎo)體器件的作用長期以來都沒有引起人們足夠的重視,發(fā)展速度滯后于大規(guī)模集成電路。國內(nèi)功率半導(dǎo)體器件廠商的主要產(chǎn)品還是以硅基二極管、三極管和晶閘管為主,目前國際功率半導(dǎo)體器件的主流產(chǎn)品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先進(jìn)的超結(jié)低功耗功率MOS尚無法生產(chǎn),另一主流產(chǎn)品IGBT尚處于研發(fā)階段。寬禁帶半導(dǎo)體器件主要以微波功率器件(SiC MESFET和GaN HEMT)為主,尚未有針對(duì)市場應(yīng)用的寬禁帶半導(dǎo)體功率器件(電力電子器件)的產(chǎn)品研發(fā)。目前市場熱點(diǎn)的高壓BCD集成技術(shù)雖然引起了從功率半導(dǎo)體器件IDM廠家到集成電路代工廠的高度關(guān)注,但目前尚未有成熟穩(wěn)定的高壓BCD工藝平臺(tái)可供高性能智能功率集成電路的批量生產(chǎn)。
由于高性能功率半導(dǎo)體器件技術(shù)含量高,制造難度大,目前國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)與國外先進(jìn)水平存在較大差距,很多中高端功率半導(dǎo)體器件必須依賴進(jìn)口。技術(shù)差距主要表現(xiàn)在:(1)產(chǎn)品落后。國外以功率MOS為代表的新型功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)占據(jù)主要市場,而國內(nèi)功率器件生產(chǎn)還以傳統(tǒng)雙極器件為主,功率MOS以平面工藝的VDMOS為主,缺乏高元胞密度、低功耗、高器件優(yōu)值的功率MOS器件產(chǎn)品,國際上熱門的以超結(jié)(Super junction)為基礎(chǔ)的低功耗MOS器件國內(nèi)尚處于研發(fā)階段;IGBT只能研發(fā)基于穿通型PT工藝的600V產(chǎn)品或者NPT型1200V低端產(chǎn)品,遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國際水平。(2)工藝技術(shù)水平較低。功率半導(dǎo)體分立器件的生產(chǎn),國內(nèi)大部分廠商仍采用IDM方式,采用自身微米級(jí)工藝線,主流技術(shù)水平和國際水平相差至少2代以上,產(chǎn)品以中低端為主。但近年來隨著集成電路的迅速發(fā)展,國內(nèi)半導(dǎo)體工藝條件已大大改善,已擁有進(jìn)行一些高端產(chǎn)品如槽柵功率MOS、IGBT甚至超結(jié)器件的生產(chǎn)能力。(3)高端人才資源匱乏,尤其是高端設(shè)計(jì)人才和工藝開發(fā)人才非常缺乏。現(xiàn)有研發(fā)人員的設(shè)計(jì)水平有待提高,特別是具有國際化視野的高端設(shè)計(jì)人才非常缺乏。(4)國內(nèi)市場前十大廠商中無一本土廠商,半導(dǎo)體功率器件產(chǎn)業(yè)仍處在國際產(chǎn)業(yè)鏈分工的中低端,對(duì)于附加值高的產(chǎn)品如IGBT、AC-DC功率集成電路,現(xiàn)階段國內(nèi)僅有封裝能力,不但附加值極低,還形成了持續(xù)的技術(shù)依賴。
筆者認(rèn)為,功率半導(dǎo)體是最適合中國發(fā)展的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),相對(duì)于超大規(guī)模集成電路而言,其資金投入較低,產(chǎn)品周期較長,市場關(guān)聯(lián)度更高,且還沒有形成如英特爾和三星那樣的壟斷企業(yè)。但中國功率半導(dǎo)體的發(fā)展必須改變目前封裝強(qiáng)于芯片、芯片強(qiáng)于設(shè)計(jì)的局面,應(yīng)大力發(fā)展設(shè)計(jì)技術(shù),以市場帶動(dòng)設(shè)計(jì)、以設(shè)計(jì)促進(jìn)芯片,以芯片壯大產(chǎn)業(yè)。
功率半導(dǎo)體芯片不同于以數(shù)字集成電路為基礎(chǔ)的超大規(guī)模集成電路,功率半導(dǎo)體芯片屬于模擬器件的范疇。功率器件和功率集成電路的設(shè)計(jì)與工藝制造密切相關(guān),因此國際上著名的功率器件和功率集成電路提供商均屬于IDM企業(yè)。但隨著代工線的迅速發(fā)展,國內(nèi)如華虹NEC、成芯8英寸線、無錫華潤上華6英寸線均提供功率半導(dǎo)體器件的代工服務(wù),并正積極開發(fā)高壓功率集成電路制造平臺(tái)。功率半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)也應(yīng)借鑒集成電路設(shè)計(jì)公司的成功經(jīng)驗(yàn),成立獨(dú)立的功率半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)公司,充分利用代工線先進(jìn)的制造手段,依托自身的銷售網(wǎng)絡(luò),生產(chǎn)高附加值的高端功率半導(dǎo)體器件產(chǎn)品。
設(shè)計(jì)弱于芯片的局面起源于設(shè)計(jì)力量的薄弱。雖然國內(nèi)一些功率半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)新近建設(shè)了6英寸功率半導(dǎo)體器件生產(chǎn)線,但生產(chǎn)能力還遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。筆者認(rèn)為其中的關(guān)鍵是技術(shù)人員特別是具有國際視野和豐富生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的高級(jí)人才的不足。企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)人才的培養(yǎng)與引進(jìn),積極開展產(chǎn)學(xué)研協(xié)作,以雄厚的技術(shù)實(shí)力支撐企業(yè)的發(fā)展。
我國功率半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展最終還應(yīng)依靠功率半導(dǎo)體IDM企業(yè),在目前自身生產(chǎn)條件落后于國際先進(jìn)水平的狀況下,IDM企業(yè)不能局限于自身產(chǎn)品線的生產(chǎn)能力,應(yīng)充分依托國內(nèi)功率半導(dǎo)體器件龐大的市場空間,用技術(shù)去開拓市場,逐漸從替代產(chǎn)品向產(chǎn)品創(chuàng)新、牽引整機(jī)發(fā)展轉(zhuǎn)變;大力發(fā)展設(shè)計(jì)能力,一方面依靠自身工藝線進(jìn)行生產(chǎn),加強(qiáng)技術(shù)改造和具有自身工藝特色的產(chǎn)品創(chuàng)新,另一方面借用先進(jìn)代工線的生產(chǎn)能力,壯大自身產(chǎn)品線,加速企業(yè)發(fā)展。
5結(jié)束語
總之,功率半導(dǎo)體技術(shù)自新型功率MOS器件問世以來得到長足進(jìn)展,已深入到工業(yè)生產(chǎn)與人民生活的各個(gè)方面。與國外相比,我國在功率半導(dǎo)體技術(shù)方面的研究存在著一定差距,但同時(shí)日益走向成熟。總體而言,功率半導(dǎo)體的趨勢正朝著提高效率、多功能、集成化以及智能化、系統(tǒng)化方向發(fā)展;伴隨制造技術(shù)已進(jìn)入深亞微米時(shí)代,新結(jié)構(gòu)、新工藝硅基功率器件正不斷出現(xiàn)并逼近硅材料的理論極限,以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件也正不斷走向成熟。
我國擁有國際上最大的功率半導(dǎo)體市場,擁有迅速發(fā)展的半導(dǎo)體代工線,擁有國際上最大規(guī)模的人才培養(yǎng)能力,但中國功率半導(dǎo)體的發(fā)展必須改變目前封裝強(qiáng)于芯片、芯片強(qiáng)于設(shè)計(jì)的局面。功率半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)力量的引進(jìn)和培養(yǎng),大力發(fā)展設(shè)計(jì)技術(shù),以市場帶動(dòng)設(shè)計(jì)、以設(shè)計(jì)促進(jìn)芯片,以芯片壯大產(chǎn)業(yè)。
關(guān)鍵詞:功率MOSFET;線性高壓;運(yùn)算放大器;功率驅(qū)動(dòng)
中圖分類號(hào):TN722.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
文章編號(hào):1004-373X(2010)02-010-02
Design of Linear High Voltage Amplifier Based on Power MOSFET
ZHANG Hao1,WANG Lixin1,LU Jiang1,LIU Su2
(1.The Institute of Microelectronics,Chinese Academiy of Sciences,Beijing,100029,China;
2.School of Physical Science and Technology,Lanzhou University,Lanzhou,730000,China)
Abstract:In order to achieve the linear control of high_voltage output in operational amplifier,based on the electrical properties of power MOSFET,a high_voltage operational amplifier is designed with new structure with power NMOS.Through simulation and experimental results,the linear output voltage is 0~50 V can be achieved,when the range of the input voltage is 0～5 V.And with the further improvement by utilizing power PMOS,the output voltage is -140～+140 V can be acquired,which indicates the high linearity,and with low cost,the needs of high voltage operational amplifier can be met.There is significance in the high power driving of modern communication.
Keywords:power MOSFET;linear high voltage;operational amplifier;power drive
0 引 言
高電壓放大器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、信號(hào)檢測、功率驅(qū)動(dòng)等方面\,并且已成為下一代無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。采用各種手段和方法實(shí)現(xiàn)放大器高效率且高線性度的工作,對(duì)于未來無線移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)有著十分重大的實(shí)際意義。
功率場效應(yīng)晶體管具有跨導(dǎo)高,漏極電流大,工作頻率高和速度快等特點(diǎn),線性放大的動(dòng)態(tài)范圍大,在有較大的輸出功率時(shí)也能有較高的線性增益。這里成功應(yīng)用功率場效應(yīng)晶體管設(shè)計(jì)出一種高壓運(yùn)算放大器。該放大器的制作成本低廉,輸出線性可控,適用范圍廣。
1 功率MOS器件結(jié)構(gòu)與分析
功率MOS場效應(yīng)晶體管是在MOS集成電路工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代電力開關(guān)器件,具有輸入阻抗高,驅(qū)動(dòng)電路簡單,安全工作區(qū)寬等優(yōu)點(diǎn)\。圖1給出功率MOS晶體管的結(jié)構(gòu)剖面圖及其電學(xué)特性曲線。采用雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)\制作適合用作功率器件的短溝道高壓晶體管,需要短的重?fù)诫s背柵和寬的輕摻雜漂移區(qū)。由于外延層厚度決定了漂移區(qū)的寬度,因此也決定了晶體管的工作電壓,其漏源電壓公式為\:
VDS=(RJEFT+RACC+RFP)IMOS+Vf(1)
式中:RJFET為結(jié)型場效應(yīng)管電阻;RACC為N-層表面電子積累層電阻;RFP為外延層電阻;IMOS為反型溝道電流;Vf為溝道壓降。
圖1 功率MOS結(jié)構(gòu)圖及電學(xué)特性
2 電路設(shè)計(jì)
高壓運(yùn)算放大器電路主要由運(yùn)算放大器和功率場效應(yīng)晶體管組成\,其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。
圖2 高壓運(yùn)算放大器電路圖
所設(shè)計(jì)的電路中使用價(jià)格低廉的運(yùn)放LM358和NMOS功率管IRF630構(gòu)成負(fù)反饋回路\,雙極晶體管C8050和電阻R4實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)\,防止流過IRF630的電流過大,整個(gè)電路為反比例放大電路,R2為反饋電阻,其輸入和輸出的關(guān)系式為:
Vout=-(VinR2)/R1(2)
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
根據(jù)圖2制作試驗(yàn)電路板如圖3所示。供應(yīng)電壓為60 V,R11.963 kΩ,R220 kΩ,放大倍數(shù)約為10.19。當(dāng)輸入電壓為0～5 V時(shí),先用EDA軟件對(duì)電路進(jìn)行模擬仿真,然后對(duì)電路板進(jìn)行測量,并進(jìn)行比較,結(jié)果如表1所示。
圖3 實(shí)驗(yàn)電路板
表1 輸出電壓的模擬結(jié)果與測量結(jié)果V
輸入電壓值仿真輸出測量輸出輸入電壓值仿真輸出測量輸出
0- 0.18- 1.52.5 -25.51-26.4
0.1 - 1.05- 2.13.0 -30.60-31.6
0.5 - 5.13- 6.23.5 -35.69-36.7
1.0 -10.22-10.94.0 -40.79-41.8
1.5 -15.32-16.14.5 -45.88-47.5
2.0 -20.41-21.35.0 -50.98-52.8
由表1可畫出輸入/輸出關(guān)系變化圖形,如圖4所示。從表1和圖4中可以看出,模擬結(jié)果和測量結(jié)果存在誤差,誤差ε=-1.095,這是因?yàn)闇y量精度和器件自身精度的誤差所引起的。當(dāng)輸入電壓從0 V掃描到5 V時(shí),得到等比例的放大輸出電壓,且呈線性變化,能夠?qū)崿F(xiàn)輸入電壓對(duì)輸出電壓的線性控制,具有很好的驅(qū)動(dòng)能力。
圖4 電路輸入/輸出變化圖
根據(jù)以上分析,用PMOS功率管進(jìn)一步改進(jìn)電路,和用NMOS管構(gòu)成一種推挽結(jié)構(gòu)\的輸出電路,可以滿足輸入正負(fù)電壓的要求,如圖5所示。若選用耐壓350 V的NMOS功率管IRF713和耐壓300 V的PMOS功率管IRF9631,以及晶體管Q1,Q2和電阻R4,R5構(gòu)成過載保護(hù)電路,則選取R2=280 kΩ,R1=10 kΩ,對(duì)電路進(jìn)行仿真,輸入電壓范圍是-5～+5 V。當(dāng)輸入電壓為負(fù)壓時(shí),PMOS管導(dǎo)通,NMOS管截止,輸出為正電壓;當(dāng)輸入電壓為正壓時(shí),NMOS管導(dǎo)通,PMOS管截止,輸出為負(fù)電壓。輸入/輸出的線性關(guān)系如圖6所示,電壓輸出為+140～-140 V,可實(shí)現(xiàn)高壓的雙極性線性等比例放大輸出。
圖5 改進(jìn)的線性高壓運(yùn)算放大器
圖6 輸入/輸出線性關(guān)系圖
4 結(jié) 語
利用功率場效應(yīng)晶體管的電學(xué)特性,并運(yùn)用反饋運(yùn)放的基本原理成功設(shè)計(jì)了高壓運(yùn)算放大器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的電路輸出電壓線性度高,能夠?qū)Ω邏哼M(jìn)行有效的線性控制。選擇耐壓高的功率管,可以實(shí)現(xiàn)更高電壓的線性輸出,達(dá)到高壓驅(qū)動(dòng)的要求,電路結(jié)構(gòu)簡單,制作成本低,可以滿足不同領(lǐng)域的要求,且具有很高的實(shí)用價(jià)值。
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【關(guān)鍵詞】電子信息科學(xué)與技術(shù)微電子課程體系建設(shè)教學(xué)改革
【基金項(xiàng)目】大連海事大學(xué)教改項(xiàng)目：電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)工程人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)改革（項(xiàng)目編號(hào)：2016Z03）；大連海事大學(xué)教改項(xiàng)目：面向2017級(jí)培養(yǎng)方案的《微電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)體系研究與設(shè)計(jì)（項(xiàng)目編號(hào)：2016Y21）。
【中圖分類號(hào)】G42 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】2095-3089（2018）01-0228-02
1.開設(shè)《微電子技術(shù)基礎(chǔ)》的意義
目前，高速發(fā)展的集成電路技術(shù)產(chǎn)業(yè)使集成電路設(shè)計(jì)人才成為最搶手的人才，掌握微電子技術(shù)是IC設(shè)計(jì)人才的重要基本技能之一。本文希望通過對(duì)《微電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)體系的研究與設(shè)計(jì)，能夠提高學(xué)生對(duì)集成電路制作工藝的認(rèn)識(shí)，提高從事微電子行業(yè)的興趣，拓寬知識(shí)面和就業(yè)渠道，從而培養(yǎng)更多的微電子發(fā)展的綜合人才，促進(jìn)我國微電子產(chǎn)業(yè)的規(guī)模和科學(xué)技術(shù)水平的提高。
2.目前學(xué)科存在的問題
目前電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的集成電路方向開設(shè)的課程已有低頻電子線路、數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、單片機(jī)原理、集成電路設(shè)計(jì)原理等。雖然課程開設(shè)種類較多，但課程體系不夠完善。由于現(xiàn)在學(xué)科重心在電路設(shè)計(jì)上，缺少對(duì)于器件的微觀結(jié)構(gòu)、材料特性講解[1]，導(dǎo)致學(xué)生在后續(xù)課程學(xué)習(xí)中不能夠完全理解。比如MOS管，雖然學(xué)生們學(xué)過其基本特性，但在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)他們對(duì)N溝道和P溝道的工作原理知之甚少。
近來學(xué)校正在進(jìn)行本科學(xué)生培養(yǎng)的綜合改革，在制定集成電路方向課程體系時(shí)，課題組成員對(duì)部分學(xué)校的相關(guān)專業(yè)展開調(diào)研。我們發(fā)現(xiàn)大部分擁有電子信息類專業(yè)的高校都開設(shè)了微電子課程。譬如華中科技大學(xué)設(shè)置了固體電子學(xué)基礎(chǔ)、微電子器件與IC設(shè)計(jì)、微電子工藝學(xué)以及電子材料物理等課程。[2]又如電子科技大學(xué)設(shè)置了固體物理、微電子技術(shù)學(xué)科前沿、半導(dǎo)體光電器件以及高級(jí)微電子技術(shù)等課程。[3]因此學(xué)科課題組決定在面向2017級(jí)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程培養(yǎng)方案中，集成電路設(shè)計(jì)方向在原有的《集成電路設(shè)計(jì)原理》、《集成電路設(shè)計(jì)應(yīng)用》基礎(chǔ)上，新增設(shè)《微電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程。本課程希望學(xué)生通過掌握微電子技術(shù)的原理、工藝和設(shè)計(jì)方法，為后續(xù)深入學(xué)習(xí)集成電路設(shè)計(jì)和工程開發(fā)打下基礎(chǔ)。
3.微電子課程設(shè)置
出于對(duì)整體課程體系的考慮，微電子課程總學(xué)時(shí)為32學(xué)時(shí)。課程呈現(xiàn)了微電子技術(shù)的基本概論、半導(dǎo)體器件的物理基礎(chǔ)、集成電路的制造工藝及封裝測試等內(nèi)容。[4]如表1所示，為課程的教學(xué)大綱。
微電子技術(shù)的基本概論是本課程的入門。通過第一章節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)本課程有初步的認(rèn)識(shí)。
構(gòu)成集成電路的核心是半導(dǎo)體器件，理解半導(dǎo)體器件的基本原理是理解集成電路特性的重要基礎(chǔ)。為此，第二章重點(diǎn)介紹當(dāng)代集成電路中的主要半導(dǎo)體器件，包括PN結(jié)、雙極型晶體管、結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）等器件的工作原理與特性。要求學(xué)生掌握基本的微電子器件設(shè)計(jì)創(chuàng)新方法，具備分析微電子器件性能和利用半導(dǎo)體物理學(xué)等基本原理解決問題的能力。
第三章介紹硅平面工藝的基本原理、工藝方法，同時(shí)簡要介紹微電子技術(shù)不斷發(fā)展對(duì)工藝技術(shù)提出的新要求。內(nèi)容部分以集成電路發(fā)展的順序展開，向?qū)W生展示各種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和局限，以此來培養(yǎng)學(xué)生不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力。
第四章圍繞芯片單片制造工藝以外的技術(shù)展開，涵蓋著工藝集成技術(shù)、封裝與測試以及集成電路工藝設(shè)計(jì)流程，使學(xué)生對(duì)微電子工藝的全貌有所了解。
4.教學(xué)模式
目前大部分高校的微電子課程仍沿用傳統(tǒng)落后的教學(xué)模式，即以教師灌輸理論知識(shí)，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)為主。這種模式在一定程度上限制了學(xué)生主動(dòng)思考和自覺實(shí)踐的能力，降低學(xué)習(xí)興趣，與本課程授課的初衷相違背。[5]為避免上述問題，本文從以下幾個(gè)方面闡述了《微電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程的教學(xué)模式。
教學(xué)內(nèi)容：本課程理論知識(shí)點(diǎn)多數(shù)都難以理解且枯燥乏味，僅靠書本教學(xué)學(xué)生會(huì)十分吃力。因此，我們制作多媒體課件來輔助教學(xué)，將知識(shí)點(diǎn)采用動(dòng)畫的形式來展現(xiàn)。例如可通過動(dòng)畫了解PN結(jié)內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)情況、PN結(jié)的摻雜工藝以及其制造技術(shù)。同時(shí)課件中補(bǔ)充了工藝集成與分裝測試這部分內(nèi)容，加強(qiáng)課堂學(xué)習(xí)與實(shí)際生產(chǎn)、科研的聯(lián)系，便于學(xué)生掌握集成電路工藝設(shè)計(jì)流程。
教學(xué)形式：課內(nèi)理論教學(xué)+課外拓展。
1）課內(nèi)教學(xué)：理論講解仍需教師向?qū)W生講述基本原理，但是在理解運(yùn)用方面采用啟發(fā)式教學(xué)，課堂上增加教師提問并提供學(xué)生上臺(tái)演示的機(jī)會(huì)，達(dá)到師生互動(dòng)的目的。依托學(xué)校BBS平臺(tái)，初步建立課程的教學(xué)課件講義、課后習(xí)題及思考題和課外拓展資料的體系，以方便學(xué)生進(jìn)行課后的鞏固與深度學(xué)習(xí)。此外，利用微信或QQ群，在線上定期進(jìn)行答疑，并反饋課堂學(xué)習(xí)的效果，利于老師不斷調(diào)整教學(xué)方法和課程進(jìn)度。還可充分利用微信公眾號(hào)，譬如在課前預(yù)習(xí)指南，幫助學(xué)生做好課堂準(zhǔn)備工作。
2）課外拓展：本課程目標(biāo)是培養(yǎng)具有電子信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)科理論基礎(chǔ)，且有能力將理論付諸實(shí)踐的高素質(zhì)人才。平時(shí)學(xué)生很難直接觀察到半導(dǎo)體器件、集成電路的模型及它們的封裝制造流程，因此課題組計(jì)劃在課余時(shí)間組織同學(xué)參觀實(shí)驗(yàn)室或當(dāng)?shù)氐南嚓P(guān)企業(yè)，使教學(xué)過程更為直觀，加深學(xué)生對(duì)制造工藝的理解。此外，教師需要充分利用現(xiàn)有的資源（譬如與課程有關(guān)的科研項(xiàng)目），鼓勵(lì)學(xué)生參與和探究。
考核方式：一般來說，傳統(tǒng)的微電子課程考核強(qiáng)調(diào)教學(xué)結(jié)果的評(píng)價(jià)，而本課程組希望考核結(jié)果更具有前瞻性和全面性，故需要增加教學(xué)進(jìn)度中的考核。課題組決定采用期末筆試考核與平時(shí)課堂表現(xiàn)相結(jié)合的方式，期末筆試成績由學(xué)生在期末考試中所得的卷面成績按照一定比例折合而成，平時(shí)成績考評(píng)方式有隨堂小測、課后習(xí)題、小組作業(yè)等。這幾種方式將考核過程融入教學(xué)，能有效地協(xié)助老師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)狀況以及學(xué)習(xí)能力做出準(zhǔn)確評(píng)定。
5.結(jié)語
