cia lecture 1

Upload: michael-phaeton

Post on 08-Jul-2015

156 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

CIRCUITE INTEGRATE ANALOGICE

U. P. B.Anca Manuela Manolescu2006-2007

cuprinsCap.1. Introducere: istoric, dimensiune si complexitate, tehnologii , proiectare Cap.2 .Circuite integrate analogice de uz general si aplicatii Cap.3.Tehnologii de realizare a CI CMOS si bipolare Cap.4.Modelarea dispozitivelor Cap.5. Circuite elementare de baza: rezistoare active,surse de curent, oglinzi de curent, referinte de tensiune si curent Cap.6.Etaje de amplificare elementare: etaje corespunzand celor trei configuratii de baza, comportarea in frecventa, etaje inversoare, etaje cascod,etaje diferentiale Cap.7. Etaje de iesire:etaje clasa A, B, A-B si etaje prefinale Cap.8. Amplificatoare operationale Cap.9. Raspunsul in frecventa si stabilitatea circuitelor cu amplificatoare operationale Cap.10. Circuite integrate neliniare Anexa 1 Caracterisici Bode

Bibliografie1. Gray,P.R., Meyer, R.G., Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, Wiley, 1993 2. Gray,P.R.,Meyer, R.G., Circuite integrate analogice. Analiza si proiectare,Ed. Tehnica, 1997 3. Allen P.,Holberg D.,CMOS Analog Circuit Design, Oxford University Press,2002 4. Manolescu A.M., Manolescu A., Popa , Circuite integrate analogice. Culegere de probleme. Partea 1, Litografia UPB, 2006

5. Manolescu A.M.,Analog Integrated Circuits,Foton International, 19996. Manolescu A.M.s .a.,Circuite integrate liniare, Ed. Didactica si Pedagogica, 1983

1.INTRODUCEREDE FINITIE ( IEEE) Circuitele integrate-elemente de circuit interconectate electric DAR si inseparabil asociate pe ori in interiorul aceluiasi substrat continuu

Pentium IV

1.1 Scurt istoricTo remember us who our real heroes should be(The Wall Street Journal)1930 LILIENFELD si HEIL pun bazele teoretice ale tranzistorului cu efect de camp (FET) prematur din punct de vedere tehnologic Echipamentele electronice realizate cu tuburi electronice-vid, filament incalzit electric,electrozi suplimentari - amplificare si comutare Dar voluminoase,scumpe, fragile, mari consumatoare de energie,putin fiabile Primul calculator digital ENIAC (Universitatea Pennsylvania) ocupa camere intregi, consuma putere echivalent unei locomotive

ENIAC

Tranzistorul bipolar cu jonctiuni (BJT) Decembrie 1947, William Shockey,Walter Brattain, John Bardeen (Bell Laboratories)- tranzistorul bipolar cu contacte punctiforme Bazat pe fizica semiconductoarelor Realizeaza aceleasi functii de circuit (amplificare si comutare)prin deplasarea purtatorilor de sarcina in materialul semiconductor solid

AVANTAJE: nu necesita tub de sticla, vid, filament incalzit , timp pentru incalzire,elimina pericolul de intrerupere, nu mai consuma energie in excesDescoperirea tranzistorului bipolar mai usor, mai mic, mai rapid, mai fiabil,cu consum de putere mult mai mic, marcheaza inceputul Industriei de MICROELECTONICA

Milestones

The invention of the bipolar transistor in 1947 by John Bardeen (left), Walter Brattain (right) and William Shockley (seated) from the Bell Telephone Laboratories was an important event, which was rewarded 1956 with the Nobel Prize.

Primul tranzistor bipolar cu contacte punctiforme 1947

1956 Schockley, Bardeen , Brattain Premiul Nobel pentru fizica Subiect :Pentru studiile asupra semiconductorilor si descoperirea efectului tranzistor La a 25-a aniversare a tranzistorului Brattain The thing I deplore the most is the use of solid state electronics by rock and roll musicians to raise the level of sound to where it is both painful and injurious

In urmatorii 15 ani numar impresionant de variante de tranzistoare bipolare si alte dispozitive semiconductoare Inlocuiesc tuburile electronice in diverse echipamente

Tuburile cu vid devin piese de muzeuSpre jumatatea anilor 50 vanzarile de dispozitive semiconductoare-miliarde de dolari Noua tehnologie- considerata un miracol de presa populara iar electronistii adevarati magicieni

Dar tranzistorizarea se confrunta cu rezolvarea unei mari probleme..

1957problema interconexiunilor sau

bariera numerelor(numbers barrier)sau tirania numerelor

Rezolvarea implica1. Will to think 2. Will to spend Diverse firme

1978 Firma Texas Instruments din Dallas angajeaza pe Jack Kilby (34 ani) la programul de micromodule

-calm, domol, linistit, modest,introvertit -cea mai mare parte a activitatii creative a realizat-o singur -a facut parte din grupul de pionieri care in50 a trecut un tranzistor din faza de prototip in productie

Kilby a fost angajat pentru a fructifica in cadrul programului de micromodule cheltuielile facute in laboratorul de semiconductoare IDEEA MONOLITICA-realizarea tuturor elementelor de circuit direct in siliciu prin modul de aranjare a regiunilor de tip N si de tip P, fabricate simultan. Nu mai e necesara interconectarea lor, conexiunile fiind realizate intern.

Nu mai trebuiesc fire de legatura, nici lipituriDispare bariera numerelor mari Pentru verificarea ideii a realizat pe un chip un oscilator cu defazaj RC lung de 1,2 cm si lat de 0,5 cm, care a fost gata la 12 octombrie 1958 Firma TI aplica pentru a patenta primul circuit integrat (Miniaturized Electronic Circuit), incluzand desenul oscilatorului

The Integrated Circuit 1958: Jack Kilby, working at TI, dreams up the idea of a monolithic integrated circuit Components connected by hand-soldered wires and isolated by shaping, PN-diodes used as resistors (U.S. Patent 3,138,743)Diagram from patent application

Ideea monolitica Inseamna realizarea intregului circuit intr-un bloc

Include doua concepte noi: -integrarea -interconectarea

In primul chip Kilby ; -a integrat toate elementele de circuit pe chipul de siliciu -interconectarea a facut-o manual cu fire subtiri de aur Nemultumit in ultimul moment a adaugat in cererea de patent ca in locul firelor de aur se pot pot folosi trasee de aur peste un oxid. TI a depus cererea de patent la Oficiul de patente pe 6.02.1959 Pe 25 aprilie 1961 s-a acordat patentul pentru primul circuit integrat..

.. lui Robert Noyce de la compania Fairchild Semiconductors in San Francisco Bay, cunoscuta azi ca Valea Siliciului,fondata in1957

ROBERT NOYCE doctor in fizica, genial, impulsiv, logoreic, lucra in grup,,remarcabil talent managerial cofondator la 31 de ani al companiei care avea drept scop realizarea tranzistorului NPN dublu difuzat principala problema-contaminarea cu fire de praf, gaze, sarcina electrica 1958 Jean Hoerni -solutia teoretica de a sigila structura cu un strat de dioxid de siliciu ca o operatie chirurgicala in jungla proces planar-datorita suprafetei plane a oxidului depus peste siliciu Noyce se gandeste la alte aplicatii ale procesului planar- conectarea mai multor tranzistoare de pe aceeasi placheta de siliciu prin trasee metalice tiparite peste oxid, operatie mult mai simpla decat atasarea firelor, deoarece se poate face simultan pentru toate traseele realizeaza ca astfel se poate rezolva tirania numerelor ceea ce va aduce un profit extraordinar propune o structura cu doua tranzistoare, un rezistor si un capacitor interconectate prin trasee de cupru tiparite peste oxid pe 30 iulie 1959 Fairchild Instruments depune cererea de patent pentru o structura unitara de circuit in care interconexiunile se depun in acelasi timp si prin aceleasi procedee ca si componentele circuitului

PRIMUL CIRCUIT INTEGRAT AL COMPANIEI FAIRCHILD INSTRUMENTS

Kilby si Noyce Pornind pe cai diferite Kilby si Noyce au ajuns independent unul ce celalalt la ideea monolitica Kilby a avut primul ideea construirii tuturor elementelor de circuit in acelasi bloc de material semiconductor si apoi ca aceste elemente pot fi interconectate prin trasee pe suprafata semiconductorului Noyce a avut primul ideea interconectarii prin trasee metalice aderente pe stratul de oxid si de la acest nivel a pornit spre a realiza toate elementele de circuit in interiorul materialului semiconductor Kilby a fost mai rapid, utilizarea procesului planar a facut ca abordarea lui Noyce sa fie mai viabila

Pe 25 aprilie 1961 ROBERT NOYCE, prin U.S Patent No.2.981.877 , este declarat inventatorul circuitului integrat, desi cronologic a ajuns dupa JACK KILBY la ideea monolitica

Urmeaza un lung proces juridic Kilby v. Noyce Lui Kilby i se reproseaza firele de aur folosite pentru interconectare. In final, pe 6 noiembrie 1969,Curtea Suprema a SUA il confirma oficial pe ROBERT NOYCE drept inventator al circuitului integrat (microchip) Amandurora li se acorda Medalia Nationala pentru Stiinta, avand meritul de a fi rezolvat problema tiraniei numerelor, iar in lumea electronistilor amandoi sunt recunoscuti drept co-inventatori ai circuitelor integrate Apoi, dupa decesul lui Noyce in 1990..

In 1993 John Kilby primeste Premiul Kyoto, varianta japoneza a Premiului Nobel In 2000 John Kilby primeste Premiul Nobel in Fizica pentru Inventarea circuitului integrat

1962 se realizeaza primul tranzistor cu efect de camp pe substrat de siliciu

Lucrarile lui Noyce si Kilby marcheaza inceputul erei circuitelor integrate-dezvoltare fara precedent Deceniul 7 introducerea pe scara larga in industrie a circuitelor integrate bipolare In deceniul al 8-lea are loc revolutia CMOS in domeniul circuitelor integrate digitale iar spre sfarsitul deceniului al noulea tehnologia CMOS patrunde si in domeniul analogic

1.2 Dimensiunea si complexitatea circuitelor integrateClasificare dupa numarul de dispozitive(FET,BJT)

Moores Law - CPU

Clasificare dupa dimensiunea minim realizabila(lungimea L sau latimea w minim realizabile a unui FET)

Structura tridimensionala simplificata a unui MOSFET

Dimensiune minima realizabila 1970-1980 1980-1990 tipic 5

1990-2000

dupa 2000 Dimensiunea verticala este si mai mica ex. proces de 5 m grosime oxid 1000A

m tipic 2 m 0,75-0.35 m 0,1 m

Cateva consecinte ale reducerii dimensiunii minime1.Cresterea numarului N de dispozitive pe placheta N=Aria plachetei/Aria trazistor Aria plachetei/Aria portii

Ex:la trecerea dela 5 m la unul de 0,5 m pentru L=w , N creste de 100 de ori Ce inseamna ? Aria chipului scade de acelasi numar de ori 2.Scade pretul de cost=cost de prelucare placheta/nr chipuri bune deoarece: A .costul de prelucrare a unei plachete este independent de aria chipului B .creste randamentul de fabricatie=nr.chipuri/nr.chipuri bune -depinde de aria chipului -pierderile de la periferia plachetei sunt cu atat maimici cu cat aria chipului e mai mic

3.Creste viteza de lucru ca urmare a reducerii dimensiunilor (aproximativ liniar)-chipuri mai ieftine si mai rapide 4.Creste marimea si complexitatea circuitelor ce pot fi integrate care altminteri ar ocupa o arie prea mare

Limitari produse de reducerea dimensiunii minime Deteriorare a imperecherii caracteristicilor tranzistoarelor Cresterea costului echipamentului de procesare a plachetelor Cerinte suplimentare pentru instrumentele software utilizate in proiectare Cresterea densitatii de putere disipate Dar avantajele depasesc cu mult limitarile ceea ce justifica efortul investit in reducerea dimensiunii minime

1.3 Tehnologii utilizate in microelectronica

Tehnologia MOS se divide in 3 categorii PMOS- tehnologia care foloseste doar MOS cu canal P -putin folosita azi,tranzistoarele PMOS au caracteristici putin atractive (mobilitate goluri) NMOS- doar tranzistoare NMOS -densitate de componenteexcelenta -performante rezonabile CMOS- simultan PMOS si CMOS -flexibilitate marita in proiectare, circuite mai complexe -consum static de putere redus la valori extreme in cazul circuitelor digitale - pret de cost mai ridicat, arie ocupata mai mare.

Tehnologia bipolaraCea mai populara in anii 60, 70 Ofera: -premizele functionarii bune la inalta frecventa -panta mare -capabilitate mare in curentAVANTAJE IMPORTANTE IN APLICATII ANALOGICE

THANK YOU !