Развитие схемотехники и методов проектирования контроллеров интеллектуальных датчиков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Матвеенко, Ольга Сергеевна

• Матвеенко, Ольга Сергеевна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Матвеенко, Ольга Сергеевна

Введение.

Глава 1. Развитие схемотехники и технологии полупроводниковых микросхем для информационных систем.

1.1. Развитие информационных систем.

1.2 Требования к элементной базе информационных систем и их влияние на схемотехнику контроллеров интеллектуальных датчиков.

1.3. Новые технологии для информационных систем.

1.4. Новые отношения производителей и заказчиков.

1.5. Выводы к главе 1.

Глава 2. Маршрут проектирования контроллеров интеллектуальных датчиков.^

2.1. Структура интеллектуального датчика.

2.2. Специфика проектирования контроллеров интеллектуальных датчиков.^

2.3. Физическое проектирование чувствительных элементов для контроллеров интеллектуальных датчиков.^

2.4. Задача энергосбережения.

2.5. Этапы проектирования контроллеров интеллектуальных датчиков.

2.6. Выводы к главе 2.

Глава 3. Унифицированные сложные функциональные блоки для контроллеров интеллектуальных датчиков.^

3.1. Унифицированные аналоговые блоки.

3.1.1. Операционные усилители.

3.1.2. Усилитель сигналов фотоприемников, совмещенный с фильтром верхних частот, для систем оптическои связи.

3.1.3. Усилитель сигналов фотоприемников для контроллера дымового пожарного извещателя.^

3.1.4. Термокомпенсированный релаксационный генератор.

3.2. Блоки управления потенциальными и токовыми ключами.

3.2.1. Проблема коммутации больших токов.

3.2.2. Драйвер для токового ключа на биполярном п-р-п-транзисторе.

3.2.3. Драйвер для потенциального ключа (электронного реле).

3.3. Эффективные преобразователи напряжения питания.

3.3.1. Энергосберегающий аналоговый преобразователь напряжения питания.

3.3.2. Эффективный преобразователь напряжения питания на переключаемых конденсаторах.

3.4. Выводы к главе 3.

Глава 4. Примеры контроллеррв интеллектуальных датчиков.

4.1 Контроллер акселерометра.

4.2 Контроллер емкостной клавиатуры.

4.3 Контроллер дымового пожарного извещателя.

4.4 Выводы к главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие схемотехники и методов проектирования контроллеров интеллектуальных датчиков»

Актуальность проблемы

При создании информационных систем наиболее сложная организационная и производственная задача связана с разработкой и производством интеллектуальных датчиков (ИД). Основная проблема заключается в разнообразии требований к используемой элементной базе и сравнительно небольших для микроэлектроники объемах выпуска. До настоящего времени большая часть электронных блоков в датчиках комплектуется универсальными микросхемами и дискретными полупроводниковыми приборами.

Однако, развитие информационных систем идёт не только качественно, но и количественно. Повсеместно нас окружают средства связи, системы безопасности, Интернет и др. Количество разнообразных датчиков исчисляется многими миллионами. Кардинально меняются и требования к датчикам. Датчики должны быть дешёвыми, надежными, компактными и энергосберегающими. Обеспечить эти требования можно только используя специализированные аналого-цифровые микросхемы контроллеров для интеллектуальных датчиков.

Современная электронная промышленность осваивает новые формы организации производства, ориентированные на удовлетворение разнообразных требований заказчиков. Новая форма организации получила название «Smart foundry» (разумное контрактное производство.) Новая форма взаимодействия производителей и заказчиков предполагает активное участие заказчиков в модификации производственного маршрута и элементной базы проекта.

Проблема подготовки элементной базы для разработки специализированных аналого-цифровых микросхем контроллеров в системе «разумного контрактного производства» является актуальной.

Объектом диссертационного исследования являются микросхемы контроллеров для интеллектуальных датчиков.

Предметом диссертационного исследования являются методы проектирования и схемотехника специализированных контроллеров для интеллектуальных датчиков.

Пели и задачи диссертации

Цель диссертации заключается в разработке маршрута проектирования унифицированных аналоговых блоков для контроллеров интеллектуальных датчиков, выпуск которых осуществляется в системе «разумного контрактного производства».

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

1. Рассмотрены возможности «разумного контрактного производства» на примере одного из ведущих мировых производителей специализированных микросхем - компании «Silterra» (Малайзия).

2. Выделены общие элементы модифицированных производственных маршрутов для их использования в универсальных аналоговых блоках.

3. Проведён анализ требований заказчиков микросхем для определения параметров и состава универсальных аналоговых блоков.

4. Сформулированы требования к подготовке описаний аналоговых блоков для использования их при проектировании контроллеров в соответствии с методологией «систем на кристалле».

5. Разработан список дополнений к правилам проектирования аналоговых блоков.

6. Предложен ряд новых технических решений, обеспечивающих улучшение характеристик аналого-цифровых микросхем.

7. Эффективность маршрута проектирования унифицированных аналоговых блоков показана на примерах разработки реальных микросхем контроллеров интеллектуальных датчиков.

8. Выполнена патентная защита новых технических решений.

Научная новизна полученных результатов

1. Установлено, что проблема разных масштабов времени в электронных устройствах и внешней среде при проектировании контроллеров интеллектуальных датчиков эффективно решается использованием унифицированных аналоговых узлов и блоков, а также поведенческим моделированием аналого-цифровых микросхем в составе информационной системы.

2. Разработана новая методика проектирования сложных аналоговых блоков, основанная на использовании более простых параметризованных узлов, позволяющая осуществить синтез схемы блока, его поведенческое моделирование и оптимизацию раньше, чем установлены параметры элементов и разработана топология.

3. Установлено, что подавление паразитной инжекции в подложку КМОП-структуры достигается созданием в Р-подложке скрытого слоя Р+-типа и ограничением скорости изменения выходного тока мощных транзисторов электронными средствами.

4. Разработаны новые технические принципы, улучшающие функциональные и эксплуатационные характеристики контроллеров интеллектуальных датчиков:

• уменьшение площади на кристалле и потребляемой мощности входного блока фотоприемника достигается совмещением в одном каскаде усилителя сигналов и фильтра верхних частот;

• стабилизация характеристик и высокая энергетическая эффективность релаксационного генератора обеспечиваются использованием источника вторичного электропитания с выходным напряжением, зависящим от температуры;

• энергосбережение в микроваттных микросхемах достигается использованием вторичных источников питания на переключаемых конденсаторах.

Практическая значимость результатов работы

• Разработаны рекомендации по улучшению воспроизводимости и помехоустойчивости аналоговых блоков, разрабатываемых для субмикронных КМОП технологий.

• Завершенные и аттестованные проекты контроллеров для интеллектуальных датчиков подтверждают эффективность новых технических принципов реализации аналоговых блоков в аналого-цифровых микросхемах, разрабатываемых в структуре «разумного контрактного производства».

• Технические принципы, разработанные в диссертации, обеспечили создание ряда микросхем контроллеров интеллектуальных датчиковс параметрами на уровне мировых достижений. Результаты практических разработок отражены в Актах о внедрении.

• Патент на изобретение обеспечивает патентную защиту новых изделий электронной техники.

• Результаты диссертации используются в учебной программе по курсу «Основы микроэлектронной технологии» в Московском физико-техническом институте.

Положения, выносимые на защиту

1. Сокращение времени проектирования аналого-цифровых устройств достигается:

• выбором для реализации аналоговых блоков транзисторных структур, одинаковых для нескольких модифицированных производственных маршрутов;

• разработкой и использованием единой библиотеки параметризованных функциональных блоков для нескольких проектов, для которых возможен выбор разных производственных маршрутов, совместимых по параметрам транзисторов в аналоговых блоках;

• использованием параметризованных поведенческих моделей аналоговых блоков на этапе синтеза и моделирования структурной схемы.

2. Улучшение воспроизводимости параметров и повышение помехоустойчивости аналоговых блоков в КМОП микросхемах обеспечивается использованием новых технических решений:

• выходные каскады с контролируемой скоростью изменения тока;

• защитные экраны в слое металлизации над аналоговыми блоками, снижающие паразитное воздействие оптического излучения в фоточувствительных микросхемах;

• термостабилизация параметров элементов в готовых микросхемах при длительном низкотемпературном отжиге.

3. Энергоэффективность микромощных микросхем повышается за счет использования преобразователей напряжения питания на основе переключаемых конденсаторов.

Внедрение результатов работы

1. Результаты диссертационной работы использованы при создании новых микросхем: контроллера акселерометра, контроллера дымового пожарного извещателя, контроллера ёмкостной клавиатуры, что подтверждено актом внедрения от ООО «Юник Ай Сиз».

2. Материалы диссертации использованы при подготовке учебного пособия «Основы микроэлектронной технологии» в рамках обеспечения инновационной образовательной программы для магистров кафедры микроэлектроника факультета Физической и квантовой электроники в Московском физико-техническом институте.

Достоверность научных положений, результатов и выводов. Теоретические исследования, проведённые в данной работе, базируются на фундаментальных положениях физики полупроводников и полупроводниковых приборов.

Для решения поставленных задач использованы методы компьютерного моделирования, макетирования контроллеров в составе тестовых кристаллов и их экспериментального исследования.

Достоверность полученных теоретических результатов и разработанных моделей обусловлена их согласием с известными положениями физики полупроводниковых приборов и теории электрических цепей, а также подтверждается экспериментальными исследованиями. Достоверность новых схемотехнических решений подтверждена положительной экспертизой заявки на изобретение. Возможность применения рекомендаций по проектированию подтверждена их успешным использованием при разработке новых изделий электронной техники.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих научно-технических конференциях:

• 49-я научная конференция Московского физико-технического института «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Московская область, Долгопрудный, 2006 г.

• 50-я научная конференция Московского физико-технического института «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Московская область, Долгопрудный, 2007 г.

• 51-я научная конференция Московского физико-технического института «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Московская область, Долгопрудный, 2008 г (два доклада).

• Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии и наноматериалы», Москва, 2009.

• 52-я научная конференция Московского физико-технического института

Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук»,

Московская область, Долгопрудный, 2009 г (два доклада).

Публикации

Результаты диссертации опубликованы в 5 научных статьях, 7 тезисах докладов на научных конференциях и одном отчете о научно-исследовательской работе. Получен патент на изобретение.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, содержащих акты внедрения результатов работы и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Матвеенко, Ольга Сергеевна

Основные результаты диссертации

Из результатов исследований, описанных в диссертационной работе, можно сделать следующие выводы:

1. В маршруте «разумного» контрактного производства конкурентные преимущества нового изделия создаются применением новых полупроводниковых приборов или их сочетаний. Для использования «разумного» контрактного производства маршрут проектирования должен включать этап физико-технологического моделирования полупроводниковых приборов и их характеризацию.

2. Показана эффективность «разумного» контрактного производства для контроллеров интеллектуальных датчиков на примерах реализации быстродействующих инфракрасных фотодиодов и биполярных транзисторов с рабочим напряжением до 14В в структуре микросхем контроллеров.

3. Разница в масштабах времени электронных процессов в микросхеме и регистрируемых физических процессов во внешнем мире не позволяет моделировать алгоритм функционирования контроллера на транзисторном или вентильном уровне. Функциональную верификацию контроллера можно осуществить только на уровне поведенческих моделей для сложных функциональных блоков.

4. Использование параметризованных поведенческих моделей для простых аналоговых узлов позволяет осуществить синтез схем более сложных блоков, моделирование и их оптимизацию раньше, чем будут установлены параметры полупроводниковых приборов.

5. Повышение помехоустойчивости микросхем с фоточувствительными элементами достигается использованием металлических защитных экранов над аналоговыми блоками и ограничением скорости изменения тока в мощных выходных транзисторах.

6. Новые технические решения обеспечивают улучшение характеристик контроллеров для интеллектуальных датчиков:

- усилитель сигналов фотоприемников, совмещенный с частотным фильтром;

- термокомпенсированный релаксационный генератор;

- блоки преобразователей напряжения питания.

7. Новые технические решения, полученные в диссертации, использованы при разработке трех микросхем контроллеров для интеллектуальных датчиков, что подтверждено Актами о внедрении.

8. Получен один патент на изобретение.

9. Результаты диссертации, отражающие особенности «разумного» контрактного производства, используются в курсе лекций «Основы микроэлектронной технологии», читаемой на кафедре «Микроэлектроника» в Московском физико-техническом институте.

В заключении автор считает своей приятной обязанностью выразить искреннюю благодарность своему научному руководителю д.т.н., профессору Юрию Фёдоровичу Адамову за постоянное внимание и творческий интерес к работе и д.т.н., профессору Юрию Ивановичу Тишину за поддержку на всех этапах работы над диссертацией.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Матвеенко, Ольга Сергеевна, 2009 год

1.1 Гуреева О. Датчики изображения // Современная электроника. — 2007.-Ч. 1. — № 3. - С. 8-11.-Ч. 2.-№4.-С. 8-11.-Ч. 3.-№ 5. - С. 1013

2. Хоровиц П., Хилл У., Искусство схемотехники. Изд 5-е, перераб. -М.: Мир, 1998.-358с.

3. Матвеенко О.С. Интегрированный преобразователь напряжения питания // Труды 51-й научной конференции МФТИ. Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук, 2008. с. 170-172.

4. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Кн.1. Перевод с английского. Под ред. Суриса Р.А. 2-е перераб. и доп. Изд. - М.: Мир, 1984.456с.

5. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Кн.2. Перевод с английского. Под ред. Суриса Р.А. 2-е перераб. и доп. Изд. - М.: Мир, 1984. -456с.

6. Шур М. Физика полупроводниковых приборов. Кн.1. Перевод с английского. М.: Мир, 1992. 479 с.

7. Шур М. Физика полупроводниковых приборов. Кн.2. Перевод с английского. М.: Мир, 1992. 495 с.

8. Матвеенко О.С. Блоки управления потенциальными и токовыми ключами // Труды 52-й научной конференции МФТИ. Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук, 2009. с. 173-175.

9. Эннс В. И., Кобзев Ю. М. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем. Под ред. к.т.н. Эннса В.И. — М.: Горячая линия—Телеком. 2005. -454 с.1. Литература к главе 4

10. Rob O'Reilly, Alex Khenkin, Kieran Harney, Analog Devices. Sonic Nirvana: MEMS Accelerometers as Acoustic Pickups in Musical Instruments, Sensors Magazine, Jun, 2009.

11. Aszkler C., The Principles of Acceleration, Shock, and Vibration Sensors , Sensors Magazine, May, 2005.

12. Маргелов А. Инерциальные МЭМС-датчики Freescale Semiconductor, // Chip News, 2006. № 5. - c. 41-44.

13. Бойко А., Симонов Б., Тимошенков С., Чувствительные элементы МЭМС: технология определяет параметры // Электроника: НТБ. 2008. № 1. -с. 80.

14. Распопов В .Я. Микромеханические приборы. Изд. Тула: Изд-во Тульского Государственного университета, 2002. — 392 с.

15. Сысоева С. Автомобильные акселерометры. Часть 1. // Компоненты и технологии , 2005. №8.

16. Кривченко И. Современные интегральные микросхемы для построения емкостных сенсоров // Компоненты и тенологии. 2006. - №9.

17. Baxter L.K., Capacitive Sensors: Design and Applications. New York: IEEE Press, 1997.

18. Guide to Intelligent Fire Systems. System Sensor Europe, 2004.

19. Д. Драйздейл. Введение в динамику пожаров. М.: Стройиздат, 1990. с. 424.

20. Неплохов И. Дымовые пожарные извещатели для пыльных зон // БДИ. 2007. - № 1. - с. 52-59.

21. System Smoke Detectors. APPLICATIONS GUIDE. System Sensor,2002.

22. Генеральный^дидектрр ООО "Юник Ай Сиз'я., профессо!1. Ю.И. Тишиь 2009 г

23. АКТ ВНЕДРЕНИЯ результатов диссертационной работы Матвеенко Ольги1. Сергеевны

24. Председатель, Технический ди ООО «Юник Ай Сиз», к.т.н.

25. Члены комиссии: Руководитель отдела ООО «Юник Ай Сиз», к.т.н.

26. Руководитель сектора ООО «Юник Ай Сиз», к.т.н.1. О.А. Сомов1. АКТ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ Врезультатов диссертационной работы Матвеенко Ольги Сергеевны выполненной на тему "Развитие схемотехники и методов проектирования контроллеров интеллектуальных датчиков "

27. Председатель, зав. кафедрой «Микроэле

28. Члены комиссии: д.т.н., профессорд.т.н., профессор1. Ю.И. Тишин1. Ю.Ф. Адамовк.ф.-м.н., доцент1. С.А. Кокин