Integrierte analoge Schaltungstechnik: Technologie, Design, Simulation und Layout

272 Pages·2000·9.07 MB·German

by  Dietmar Ehrhardt (auth.)

Dietmar Ehrhardt
Integrierte analoge
Schaltungstechnik
Aus dem Programm _____________- -...
Elektronik
Elemente der angewandten Elektronik
von E. Bohmer
Rechenubungen zur angewandten Elektronik
von E. Bohmer
Digitaltechnik
von K. Fricke
Digitale Schaltungstechnik
von W. GroB
Integrierte analoge Schaltungstechnik
von D. Ehrhardt
Elektronik
von B. Morgenstern
Elektronik Aufgaben
von B. Morgenstern
Englisch fur Elektroniker
von A. und R. Jayendran
vieweg _________________- ---'
Dietmar Ehrhardt
Integrierte analoge
Schaltungstechnik
Technologie, Design, Simulation
undLayout
Mit 203 Abbildungen
Herausgegeben von Otto Mildenberger
~
vleweg
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Ein Titeldatensatz fUr diese Publikation ist bei
Der Deutschen Bibliothek erhaltlich.
Herausgeber:
Prof. Dr.-Ing. Otto Mildenberger lehrt an der Fachhochschule Wiesbaden in den Fachbereichen
Elektrotechnik und Informatik.
Aile Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 2000
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sondere fUr Vervielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und
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www.vieweg.de
Technische Redaktion: Hartmut Kuhn von Burgsdorff
Konzeption und Layout des Umschlags: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de
Gedruckt auf saurefreiem Papier
ISBN-13: 978-3-528-03860-1 e-ISBN-13: 978-3-322-89863-0
DOT: 10.1007/978-3-322-89863-0
v
Vorwort
Das vorliegende Buch befaBt sich mit dem Entwurf analoger integrierter Schaltungen. Es entstand
aus meiner Vorlesung "Analoge Schaltungstechnik" an der Universitiit Siegen und der dazuge
hOrigen Projektgruppenarbeit, in der die Studierenden anhand einer konkreten Schaltung an die
Thematik des Entwurfs analoger integrierter Schaltungen heran gefUhrt werden.
Eine wichtige Voraussetzung zum Entwurf analoger integrierter Schaltungen ist das Verstiindnis
tiber die Funktionsweise der Bauelemente. Die am hiiufigsten eingesetzten Bauelemente sind
Dioden, Bipolartransistoren, Sperrschichtfeldeffekttransistoren und MOS-Transistoren. Daher
beginnt das Buch nach einer kurzen Einftihrung mit dem Aufbau dieser Bauelemente, der
Beschreibung ihrer physikalischen Funktion und der Ableitung der Funktionsgleichungen.
1m niichsten Kapitel werden die tiblichen Herstellungsprozesse behandelt, da das Design und das
Layout analoger integrierter Schaltungen entscheidend yom Verstiindnis tiber den Herstellungs
prozeB und der Ahfolge der Technologieschritte beeinfluBt wird. Die daraus gewonnenen
Erken~tnisse bilden die Grundlage fUr die anschlieBende Darstellung giingiger Layouttechniken.
Da es heutzutage moglich ist, auch kleine Sttickzahlen eines individuellen Chipentwurfs preis
gtinstig fertigen zu lassen kann, findet sich zum AbschluB des Kapitels eine Beschreibung, wie
ein FertigungsprozeB bei MOSIS eingeleitet wird.
Der Behandlung ausgewiihlter Werkzeuge zum Entwurf analoger integrierter Schaltungen ist ein
eigenes Kapitel gewidmet. Exemplarisch wird auf das Problem der Schaltungssynthese eingegan
gen. Breiten Raum findet die Behandlung des Simulationsprogramms SPICE3F5 und des
Layoutwerkzeugs LAS I, weil diese Programme kostenlos von Internet ladbar sind und auf nahezu
jedem PC laufflihig sind.
Eine analoge integrierte Schaltung besteht im allgemeinen aus fundamentalen FuntionsblOcken,
wie Stromquellen, Spannungsquellen, Stromspiegel, Verstiirker, Endstufen und dergleichen. 1m
fUnften Kapitel des Buches werden diese Basiselemente ausfUhrlich behandelt.
Den AbschluB des Buches bildet ein Kapitel tiber Applikationen, die aus den Basiselementen
hervorgehen. Darunter sind Operationsverstiirker, Current-Feedback-Verstiirker, AID-Wandler
und D/A-Wandler. Auf die Stabilitiitsproblematik bei Operationsverstiirkern und die Techniken
zur Kompensation des Frequenzgangs von Operationsverstiirker wird hier besonders eingegan
gen.
Viele der behandelten Schaltungen wurden durch Layouts oder Chipfotos ergiinzt, urn einen
Eindruck tiber Bauteilanordnung und Verdrahtung zu vermitteln.
Dieses Buch ist zur Vorlesungsbegleitung und als Handbuch bei der DurchfUhrung von Projekt
gruppenarbeiten fUr Studierende der Elektrotechnik gedacht. Daneben eignet es sich sowohl fUr
das Selbststudium, da einerseits aIle Zusammenhiinge ausfUhrlich beschrieben werden, als auch
ftir Praktiker zum Nachschlagen, da andererseits versucht wurde, moglichst umfassend die
fachspezifischen Informationen in das Buch aufzunehmen.
Zum Themenkreis des Entwurfs analoger integrierter SchaItungen konnte ich im Laufe der Zeit
eine Reihe ntitzlicher Puplic-Domain-Programme im Internet sammeln und durch eine
einheitlich gestaltete Dokumentation im PDF-Format erglinzen. Meinen Studierenden wird
diese Programmsammlung zu Beginn der Projektgruppenarbeit auf einer CD-ROM zur
Verfiigung gestellt. Der interessierte Leser kann diese CD-ROM kostenlos yom Autor
beziehen. Nliheres dazu im Anhang am Ende dieses Buches.
VI Vorwort
Mein besonderer Dank gilt Herrn Dr. Jiirgen Schulte fiir seine kritische Durchsicht der Kapitel.
Bedanken mochte ich mich auch bei den Studierenden der Projektgruppen, fiir die zahlreichen
Diskussionen und Erkenntnisse, die das Buch in dieser Form erst moglich gemacht haben. Ich
danke dem Verlag fiir die gute langjahrige Zusammenarbeit und die Herausgabe des Buches.
Mein Dank gilt auch meiner lieben Frau Karin, die den Werdegang dieses Buches mit viel
Unterstiitzung, Geduld und Verstandnis begleitet hat.
Siegen, im Marz 2000 Dietmar Ehrhardt
Gewidmet meinem Lehrer und Forderer, Herrn Prof. Dr. Ernst Froschle
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Einfiihrung .............................................................................................................
1.1 Historie.............................................................................................................. ............ 1
1.2 Stand der Technik und Ausblick .................................................................................. 3
2 Wirkungsweise und Aufbau der Bauelemente ................................................... 5
2.1 Dotierung und PN-Ubergang........................................................................................ 5
2.1.1 Blindermodell...................................................................................................... 5
2.1.2 Eigenleitung ......................................... ........................ ........................ ............... 6
2.1.3 Dotierung ............. ............................................................................................... 9
2.1.4 Der pn-Ubergang ......... .................... ............................................ ....................... 12
2.2 Bipolarer Transistor (NPN) .......................................................................................... 15
2.2.1 Stromgleichung des NPN-Transistors ................................................................ 17
2.2.2 EarJyspannung..................................................................................................... 19
2.2.3 Der Transistor im geslittigten Betrieb................................................................. 20
2.2.4 Der Transistor im inversen Betrieb .................................................................... 20
2.2.5 Mechanischer Aufbau des Transistors................................................................ 22
2.2.6 Ersatzschaltung des Transistors nach Gummel-Poon ........................................ 23
2.2.7 Kleinsignalersatzschaltung ................................................................................. 25
2.2.8 Abhlingigkeit der Stromverstlirkung yom Kollektorstrom................................. 25
2.2.9 Temperaturabhlingigkeit des Bipolartransistors ................................................. 27
2.3 Bipolarer Transistor (PNP) ........................................................................................... 27
2.3.1 Lateraler PNP-Transistor .................................................................................... 28
2.3.2 Substrat-PNP-Transistor ..................................................................................... 29
2.4 Sperrschichtfeldeffekttransistor......................................................................... ........... 30
2.4.1 Wirkungsweise............. ........ ............ ........................ ........ ................................... 30
2.4.2 Ersatzschaltung des Sperrschichtfeldeffekttransistors ....................................... 36
2.4.3 Kleinsignalersatzschaltung.. .................................................................... ........... 37
2.5 MOS-Grenzschicht ....................................................................................................... 39
2.6 MOS-Transistor ......... ................ .................... ............................................................... 40
2.6.1 Wirkungsweise.................................................................................................... 41
2.6.2 Kleinsignalverhaiten.... ............................................ ........................................... 45
2.6.3 Temperaturabhlingigkeit der Steuerkennlinie .................................................... 47
3 Herstellungsproze6................................................................................................ 49
3.1 Bipolartechnik............................................................................................................... 49
3.2 CMOS-Technik............................................................................................................. 55
3.3 BiCMOS-Technik......................................................................................................... 58
3.4 Layouttechniken............................................................................................................ 60
3.4.1 Realisierung von Widerstlinden .......................................................................... 60
3.4.2 Realisierung von Kapazitliten ............................................................................. 61
VIII Inhaltsverzeichnis
3.4.3 Bondpad und Schutzschaltung............................................................................ 62
3.4.4 Paarung von Bauelementen (Matching) ............................................................. 64
3.4.5 Strombelastung ................................................................................................... 67
3.4.6 Design Rules ....................................................................................................... 67
3.5 Der MOSIS-Service ................... .... .... ........................ ................................................... 68
3.6 Der Service von EUROPRACTICE............................................................................. 72
4 Designwerkzeuge. .... .... ........ .... .... .... .................... .... .... .... .... ............ .... .... .............. 73
4.1 Symbolische Analyse..................................................... ........ ....................................... 73
4.1.1 Schaltplan und Netzliste .. .... .................................................... .... ....................... 74
4.1.2 Symbolische Dimensionierung ................................ ............ ................ ............ ... 75
4.1.3 Symbolische Analyse einer Verstarkerschaltung ............................................... 76
4.1.4 Symbolische Schaltungsdimensionierung ........... ............ ................................... 82
4.2 Numerische Analyse .................. ................................ ............................................ ....... 85
4.2.1 SPICE3 und seine M6glichkeiten....................................................................... 86
4.2.2 Schaltungsbeschreibung .................. ............ ........ ................ ............................... 87
4.2.3 Schaltungselemente und Modellbeschreibungen ............................................... 88
4.2.4 Analysen und Auswertungen .............................................................................. 103
4.2.5 Interaktiver Interpreter ..................................................................... ................... 108
4.2.6 Ermittlung von Modellparametern .............. ............ ................ ........................... III
4.2.7 Konvergenzprobleme.......................................................................................... 118
4.3 Layoutsystem (LAS I) ................................................................................................... 119
4.3.1 Installation ........................................................................................................... 119
4.3.2 Arbeitsverzeichnisse ........................................................................................... 119
4.3.3 Das Systemmenti................................................................................................. 120
4.3.4 Zellen .................................................................................................................. 120
4.3.5 TLC Dateien........................................................................................................ 121
4.3.6 Umschalten zwischen den Mentis ....................................................................... 123
4.3.7 Erzeugen einer Zelle ........................................................................................... 123
4.3.8 Steuerelemente .................................................................................................... 123
4.3.9 Hinzuftigen von Objekten ................................................................................... 124
4.3.10 Das Editieren von Objekten .............................................................................. 126
4.3.11 Die Eingabe von Text ....................................................................................... 126
4.3.12 Besonderheiten der Linienztige ........................................................................ 127
4.3.13 Das Arbeiten mit Zellen .................................................................................... 127
4.3.14 Sichern des Layouts .......................................................................................... 129
4.3.15 Oft auftretende Probleme .................................................................................. 129
4.3.16 Anzeigeoptionen ............................................................................................... 129
4.3.17 Netzlistenerstellung mit LasiCkt ...................................................................... 130
4.3.18 Uberprtifen des Layouts (Design Rule Check)................................................. 136
4.3.19 Konvertierung in das ODS-Format... ................................................................ 138
Inhaltsverzeichnis IX
5 Basiselemente ... .... .... .... .... .... ........ ..... ... ............ ........ .... ........................ .... .... ..... ..... 141
5.1 Stromquellen ................................................................................................................. 141
5.1.1 Stromspiegel ....................................................................................................... 141
5.1.2 Widlar-Stromquelle ............................................................................................ 145
5.1.3 Ausgangswiderstand des Stromspiegels .......... ........ .... ................ ................ .... ... 146
5.1.4 Wilson-Stromquelle ......... .... .... .... ........ .... .... ............ .................... .... ................ ... 149
5.1.5 Betriebsspannungsunabhiingige Stromquelle..................................................... 151
5.2 Lastelemente ................................................................................................................. 152
5.2.1 Widerstiinde ........................................................................................................ 152
5.2.2 Stromquelle ......................................................................................................... 153
5.3 Differenzverstiirker ....................................................................................................... 153
5.3.1 Grundschaltung ................................................................................................... 153
5.3.2 Eingangswiderstiinde .......................................................................................... 164
5.3.3 Offset................................................................................................................... 165
5.3.4 Aktive Last.......................................................................................................... 169
5.3.5 Kompensation der Eingangskapazitiit ................................................................ 170
5.3.6 Basiskopplung..................................................................................................... 172
5.3.7 Reduktion des Eingangsruhestroms.................................................................... 173
5.4 Pegelverschiebung ........................................................................................................ 177
5.4.1 Temperaturabhiingige Pegelverschiebung.......................................................... 177
5.4.2 Temperaturunabhiingige Pegelverschiebung...................................................... 177
5.5 Leistungsstufen ............................................................................................................. 178
5.5.1 Emitterfolger (Kollektorgrundschaltung) .... .... .... ........ ................ .... .... .... ........ ... 178
5.5.2 Emittergrundschaltung. .... ........ .... ........ .... ............ .... .... .... .... .... ........ ............ ....... 180
5.5.3 Komplementiirendstufe im B-Betrieb................................................................. 181
5.5.4 Komplementiirendstufe im AB-Betrieb .............................................................. 183
5.5.5 Uberlastschutz..................................................................................................... 184
5.6 Spannungsreferenzen .................................................................................................... 185
5.6.1 Temperaturspannung als Referenz ..................................................................... 185
5.6.2 Bandabstandsreferenz .......... ........ .... ............ .... .... ........................ .... .... .... .... .... ... 186
5.7 Addierer und Subtrahierer ............................................................................................ 191
5.7.1 Addition und Subtraktion von Stromen .............................................................. 192
5.7.2 Addition und Subtraktion von Spannungen ....................................................... 192
5.8 Multiplizierer ................................................................................................................ 193
5.8.1 Differenzverstiirker mit gesteuerter Stromquelle ............................................... 193
5.8.2 Die Gilbert-Zelle................................................................................................. 194
5.8.3 Linearisierung des Multiplizierers ... .... .... .... .... ............ .... .... .... ........................... 196
5.9 Oszillatoren ................................................................................................................... 198
5.9.1 Ringoszillator ...................................................................................................... 198
5.9.2 Astabiler Multivibrator ....................................................................................... 201
x
Inhaltsverzeichnis
6 Komplexere Funktionen ......... .... .... ........................................ ............ ........ .... ...... 203
6.1 Operationsverstarker.. .... .... .... ..... ... .... .... .... .... .... ............ ........ ........ ........ ..... ... .... .... .... ... 203
6.1.1 Autbau von Operationsverstarkern ..................................................................... 204
6.1.2 Frequenzgangkompensation ............................................ ................ ................... 207
6.2 Current Feedback Amplifier .......................... ............................................................... 222
6.3 Transconductance-Verstarker (Leitwertverstarker) .......................................... ........... 229
6.4 D/A-Wandler ................................................................................................................ 232
6.5 A/D-Wandler. .... .... .... ........ .... .... .... .... .... .... .... ............ .... .... .... .... ..... ... .... .... .... .... .... .... ... 234
A Anhang ................................................................................................................... 237
A.l Design Rules ................. ............................................ ........ ........................................... 237
A.2 CN20 SPICE-Parameter .............................................................................................. 247
A.3 CD-ROM ...................................................................................................................... 249
Literaturverzeichnis .................................................................................................. 253
Sachwortverzeichnis........ ..... ....................... ................................................ ..... ......... 257