PROJETO DE CIRCUITOS INTEGRADOS PCI

Transcrição

1 Componentes Passivos - Compatíveis com os passos de fabricação usados na construção dos elementos MOS Capacitores, Resistores e Indutores. Capacitores - Em projetos de circuitos integrados analógicos são necessários bons capacitores. São usados para compensação no projeto de amplificadores operacionais, em filtros Gm/C como determinantes da banda, filtros a capacitor chaveado, conversores D/A, etc. - As características desejadas para as aplicações anteriores são: 1- Boa exatidão no casamento 2- Coeficientes de tensão baixo 3- Alta relação entre o capacitor desejado com as capacitâncias parasitas 4- Alta capacitância por unidade de área - Os processos analógicos CMOS diferem dos processos digitais - Capacitores

2 Alguns tipos de capacitores: 1- Poli-Óxido-Canal - Capacitor formado usando uma das camadas de interconexão disponível (metal ou polisilício) sobre o silício cristalino separado pelo dielétrico. - Para atingir um coeficiente de tensão baixo é necessário que a placa base seja fortemente dopada (similar a dopagem do Dreno/Fonte). - Esta capacitância é inversamente proporcional a espessura do óxido. - Esta capacitância atinge valores elevados de capacitância por unidade de área e bom desempenho de casamento, mas tem uma significativa dependência das capacitâncias parasitas com o substrato. 0,35 a 0,5 ff/um 2 Capacitor polisilicio oxido canal.

3 2-O segundo tipo de capacitor é formado colocando um poço-n embaixo de um transistor canal-n. É similar ao primeiro exceto que sua placa base (poço-n) tem resistividade muito mais elevada. Por causa disto não é usado onde coeficiente de tensão baixa é importante. - É usado onde um terminal é conectado ao terra ou VSS. - Oferece capacitância por unidade de área muito elevada. - Fácil realizar casamento - Disponível em todos os processos CMOS não precisa passos adicionais. 0,3 a 0,4 ff/um 2 Capacitor MOS de acumulação.

4 3- Capacitor duplo poli. - Esta é uma das melhores escolha de capacitor. Capacitor polisilício óxido polisilício -Mais linearidade -Mais C/área, porém menos que o C ox -Processo CMOS analógico (mais caro)

5 Vários esquemas simbólicos para fabricar capacitores com uma, duas, e três camadas de metal no processo Digital (Quando não é possível duplo poli ou passos adicionais na fabricação). O exemplo de quatro camadas atinge razões muito mais elevadas das capacitâncias desejadas com as capacitâncias parasitas. - Capacitores verticais.

6 Capacitores horizontais. -Capacitâncias por unidade de área menores -Relações menores - capacitância desejada com capacitância parasita -Baixo coeficiente de tensão. Coeficiente de tensão para capacitores integrados de 0 a -200ppm/V Coeficiente de temperatura para capacitores integrados de 20 a 50ppm/ C.

7 Capacitâncias parasitas Depende do tamanho do capacitor, do leiaute e da tecnologia

8 Resistores -Temos basicamente três tipos de resistores: Difundidos, Polisilício, Implante iônico. a) Resistores Difundidos Formados usando difusão de dreno/fonte R SH = 10 a 100Ω/ - Difusão dreno/fonte como resistência complica coeficiente de tensão de 100 a 500ppm/V Capacitâncias parasitas dependentes da tensão.

9 b) Resistores de Polisilício Parasitas muito pequenos e independentes da tensão R SH = 30 a 200Ω/ - A resistência pode ser aumentada de 2 a 3 vezes se Poli protegido da implantação de dreno/fonte. (+ preciso). c) Resistores de implante iônico Obtido gastando-se mais uma máscara Parecido com resistor difundido grande coeficiente de tensão R SH = 500 a 2000Ω/

10

11 Indutores Qual é a faixa de valores para indutores integrados? - Considere um indutor usado com um capacitor de 5pF para ressonar em uma frequencia de 1000MHz. - Observe que conexões externas ao chip resultarão em indutâncias parasitas nesta faixa de valores.

12 Alguns indutores em tecnologia CMOS: 1) Bond wire (laço de fio) 2) Indutores em espiral 3) Espiral multi nível 4) Solenoide 1) Bond wire -É função da distância dos pad s d e do ângulo β do laço. -O valor típico é 1nH/mm, o que dá de 2nH a 5nH. -Fator de qualidade de 60 em 2GHz.

13 2) Indutor espiral -Indutor espiral sobre um substrato com perdas. -Parâmetros de projeto: - Indutância Fator de qualidade Freqüência de auto ressonância -Existe um compromisso entre Q e freq. de auto ressonância. -Valores típicos são L = 1-8nH e Q = 3-6 em 2GHz.

14 -Projeto do Indutor - Tipicamente 3 < N < 5 e S = S min para uma dada corrente - Escolha o diâmetro externo (OD), N e W tal que o diâmetro interno (ID) permita fluxo magnético suficiente para fluir através do centro. - Mecanismos de perda: Efeitos de borda, Perdas capacitivas com o substrato, Corrente Eddy (turbilhão) no silício. -Influência das perdas no substrato L indutância desejada R resistência série C 1 e C 2 capacitâncias do indutor para o plano de terra. R 1 e R 2 perdas com a corrente eddy no silício.

15 -Orientação para o uso do indutor espiral em CI s - As perdas no substrato degradam o Q em freqüências próximas a f self - Para obter um indutor, deve-se selecionar freqüências menores que f self - O Q dos capacitores associados aos indutores devem ser de valores elevados. -Comentários a respeito da implementação - Colocar um terra de guarda metálico entre o indutor e o silício para reduzir capacitâncias - Evitar resistências de contato para manter a resistência série baixa - Usar um metal com a menor resistência possível e mais distante possível do substrato - Tiras de metal paralelas, se outros níveis de metal estão disponíveis, para reduzir a resistência.

16 3) Indutor espiral multi nível -Uso de mais de um nível de metal para implementar o indutor. -Pode-se obter mais indutância por área. -Pode-se aumentar a capacitância entre fios, então os diferentes níveis são deslocados para o mínimo de overlap (sobreposição). -Indutores espiral multi niveis tem problemas com resistências de contato (deve-se ter muitos contatos paralelos para reduzir a resistência de contato). -O Fluxo magnético é menor devido a estrutura planar -Capacitores de acoplamento com o substrato ainda existem -Potencialmente melhor com núcleo de ferromagnético