Проектирование и исследование топологии источника опорного напряжения с использованием напряжения ширины запрещенной зоны.
Добрый день! Уважаемые студенты, Вашему вниманию представляется дипломная работа на тему: «Проектирование и исследование топологии источника опорного напряжения с использованием напряжения ширины запрещенной зоны.»
ВВЕДЕНИЕ
Среди работ по созданию электронного устройства проектирование аналоговых схем является наиболее сложным и трудоемким процессом. Обширный набор параметров, который постоянно нужно контролировать, и крайне высокая восприимчивость полученных результатов к изменению граничных условий делают аналоговое проектирование видом искусства, а не наукой. Источники опорного напряжения (ИОН) требуют обдуманного и тщательного физического проектирования с целью того, чтобы достичь от реализуемого нами устройства необходимых характеристик. Проектирование топологии блока также можно назвать физическим проектированием. Характеристики схемы сильно зависимы от реализации, именно поэтому дизайнеру необходимо обращать особое внимание на защиту блоков от негативных факторов, которые отрицательно влияют на работу всей схемы, таких как шумы, влияние механического напряжения и его градиента, помехи, температурный градиент, включение паразитного тиристора и так далее. Так же, важное значение имеет согласованность элементов.
Согласованные интегральные элементы (транзисторы, резисторы, конденсаторы, дифференциальные пары) являются неотъемлемой частью каждого ИОН, потому что оказывают большое влияние на характеристики всей схемы. И так как опорное напряжение непосредственно зависит от соотношения резисторов, топологу следует учитывать особенности построения интегральных резисторов и обеспечить их согласование. Источник опорного напряжения осуществляет выходное напряжение, которое не зависит от напряжения питания, температуры и прочих внешних факторов. Напряжение питания для него является входным напряжением. От точности и правильности работы ИОН зависит работа целиком всей схемы. Подобные параметры, как построение согласованных элементов, особенности построения интегральных резисторов, правила расположения аналоговых блоков относительно друг друга являются значимыми методы борьбы с шумами и помехами. Они зависят от большого числа различных факторов. Таким образом разработчику при проектировании топологии стоит уделять большое внимание на влияние большого количества эффектов на функциональность устройства, кроме того, грамотно оценивать изменение ключевых параметров схемы при выборе какой-то определенной топологической конструкции.
Для проведения практических этапов работы используется система автоматизированного проектирования Cadence IC 6.1.6.
В представленной дипломной работе разработано несколько вариантов топологии ИОН с использованием напряжения ширины запрещённой зоны. Целью работы является проведение исследования по влиянию топологических правил согласования элементов массива на характеристики устройства и выбор оптимальной топологии устройства.
CОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.. 4
ГЛАВА I. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И СОГЛАСОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ АИС. 6
1.1 Особенности построения интегральных резисторов. 6
1.2. Особенности построения интегральных конденсаторов. 8
1.3 Причины рассогласования. 10
1.4 Случайные статистические флуктуации. 11
1.5 Технологические искажения. 13
1.6 Вариации скорости травления поликремния. 13
1.7 Диффузия рядом с каналом. 14
1.8 N-канальный транзистор в сравнении с p-канальным транзистором. 15
1.9 Градиент толщины окисла. 15
1.10 Градиенты напряжения. 16
Выводы по главе I: 17
ГЛАВА II. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТОПОЛОГИИ ИСТОЧНИКА ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЁННОЙ ЗОНЫ. 18
2.1 Схема ИОН с использованием напряжения ширины запрещённой зоны.. 18
2.2 Разработка эскизной топологии ИОН с использованием напряжения ширины запрещённой зоны.. 19
2.3 Разработка топологии дифференциальной пары.. 19
2.4 Разработка топологии биполярных транзисторов. 20
2.5 Расположение спроектированных массивов элементов топологии ИОН с использованием напряжения ширины запрещённой зоны. 21
Выводы по главе II: 22
ГЛАВА III. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПАРАЗИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.. 23
3.1 Экстракция паразитных элементов топологии. 23
3.2 Моделирование схемы ИОН с использованием напряжения ширины запрещённой зоны с учётом паразитных элементов. 25
3.3 Моделирование эскизной топологии ИОН с использованием напряжения ширины запрещённой зоны с учётом паразитных элементов. 27
Выводы по главе III: 28
ГЛАВА IV. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОГЛАСОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ТОПОЛОГИИ ИОН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЁННОЙ ЗОНЫ НА РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРАЗИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ. 29
4.1 Разработка топологии резисторов. 29
4.2 Разработка топологии МОП-транзисторов. 30
4.3 Разработка топологии дифференциальной пары.. 32
4.4 Разработка топологии конденсаторов. 33
4.5 Разработка топологии биполярных транзисторов. 35
4.6 Расположение элементов устройства и их разводка. 37
4.7 Сравнение результатов. 39
Выводы по главе IV: 40
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.. 42
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 44
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. 46
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. 47
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Alan Hastings «The art of analog layout»/ New Jersey Prentice-Hall - 2001 - 539 с
2. Журавлев А.А. Диссертация на тему «Исследование и разработка методов топологии аналоговых СФ блоков на основе автоматически формируемых матричных структур»/Москва - 2017 - 162 с
3. Эннс В. И., Кобзев М. Ю. Проектирование аналоговых КМОП ИС (Краткий справочник разработчика). М.: Горячая линия ТЕЛЕКОМ - 2005.
4. Кириллова Е. В. Методология проектирования прецизионных аналоговых блоков // Компоненты и технологии- 2006 - No 11
5. Кириллова Е. В. Физическое проектирование прецизионных аналоговых блоков в цифро-аналоговых ИМС // Компоненты и технологии – 2007 - No 6
6. Ricardo Martins, Nuno Lourenco, Ricardo Povoa «Engineering Applications of Artificial Intelligence»/Volume 98 – 2021 – 104102
7. H. Camenzind Designing Analog Circuits – Virtual book worm Publishing, 2005 - 244p. - ISBN 9781589397187.
8. Микросхемы для линейных источников питания и их применение. - 2-е изд.- Додэка, 1998 - ISBN 5878350211.
9. Gilbert, B. Monolithic Voltage and current references: theme and variations// Analog Circuit Design: Low-Noise, Low-Power, Low-Voltage; Mixed-Mode Design with CAD Tools; Voltage, Current and Time References / Huising, J. et al. - Springer, 1995. -P.269-352. - 432p. - ISBN 9780792396598.
10. А. В. Тучин, Е. Н. Бормонтов, К. Г. Пономарев Введение в системы автоматизированного проектирования интегральных микросхем, Учебно-методическое пособие Издательский̆ дом ВГУ, 2017. - 110 стр.
11. Pease The Design of Band-Gap Reference Circuits: Trials and Tribulations// IEEE Proceedings of the 1990 Bipolar Circuits and Technology Meeting, September 17-18 1990 in Minneapolis, Minnesota. – 1990 - P.214 - 218
12. B. Lojek History of semiconductor engineering. - Springer, 2007. - 387p.- ISBN 9783540342571.
13. L. Harrison, Current Sources & Voltage Reference - Newnes, 2005-569p.- (Electronics & Electrical) - ISBN 9780750677523.
14. Ismael Lomel-Illescas, Sergio A.Solis-Bustos, José E. Rayas-Sánchez, AIDA: Layout-aware analog circuit-level sizing with in-loop layout generation «Integration»//Volume 65 - March 2019 - Pages 81-87
15. Yingli Li, Xiaohong Dong, Hao Li, Song Yao, Hybrid multi-resonators elastic metamaterials for broad low-frequency bandgaps «International Journal of Mechanical Sciences»// Volumes 202–203 - 15 July 2021 - 106501
16. Amayikai A. Ishaku, Helena Gleskova, Potential of low-voltage organic transistors with high on-state drain current for temperature sensor development «Organic Electronics»//Volume 93 - June 2021 - 106152
17. Научная электронная библиотека «ANALOG INTEGRATED CIRCUITS AND SIGNAL PROCESSING» [Электронный ресурс]/Режим доступа: https://www.elibrary.ru/title_about.asp?id=1129
18. Научная электронная библиотека «IEEE JOURNAL OF SOLID STATE CIRCUITS» [Электронный ресурс]/Режим доступа: https://www.elibrary.ru/title_about.asp?id=17143
