Лекция 3. Согласование интегральных элементов аналоговых ис.

Интегральная технология позволяет получить высокую степень согласованности однотипных элементов. Однако для этого требуется применение специальных топологических методов, которые минимизируют негативные рассогласующие факторы сопутствующие процессу изготовления и эксплуатации микросхемы.

Выражения для расчета показателей рассогласования

элементов

Рассогласование пары элементов рассчитывается по формуле

где x₁ и x₂ – измеренные значения, а X₁ и X₂ – предполагаемые (идеальные) значения.

Среднее рассогласование среди N – пар элементов рассчитывается как

где _i – рассогласование i – пары элементов.

Стандартное отклонение рассогласования определяется выражением

Использование специальных топологических методов позволяет достичь близких к нулю значений среднего рассогласования. Cтандартное отклонение рассогласования, определяемое неоднородностью материала и неравномерностью краев, можно оценить с помощью следующих выражений.

Для согласованной пары конденсаторов

(3.1)

где k_a и k_p – коэффициенты (постоянные для заданного технологического процесса и способа согласования), учитывающие вклад в рассогласование неоднородности поверхности и периферии, соответственно; С – емкость конденсатора с меньшим размером.

Для согласованной пары резисторов

(3.2)

где k_a и k_p – коэффициенты (постоянные для заданного технологического процесса и способа согласования), учитывающие вклад в рассогласование неоднородности поверхности и периферии, соответственно; W – ширина тела резисторов; R – сопротивление резистора c меньшими размерами.

Для порогового напряжения согласованных транзисторов

(3.3)

где A_Ut – коэффициент (постоянный для заданного технологического процесса и способа согласования), W_eff и L_eff – эффективные ширина и длина канала меньшего транзистора.

Для крутизны согласованных транзисторов

(3.4)

где B_k – коэффициент (постоянный для заданного технологического процесса и способа согласования); W_eff и L_eff, k – эффективные ширина, длина канала и крутизна меньшего транзистора, соответственно.

В табл. 3.1 приведены различные степени согласования элементов, в табл. 3.2 основные причины рассогласования и способы их устранения.

Т а б л и ц а 3.1. Степень согласования элементов

Согласование	Резисторы и конденсаторы		Транзисторы
	Максимальная степень рассогласования (3σ)	Типовое применение	Максимальная степень рассогласования (3σ)	Типовое применение
1	2	3	4	5
Минимальное	±1 % (разрешающая способность 6–7 бит)	Cхемы формирования статического смещения блоков	Рассогласование токов стоков не более нескольких процентов	Этот уровень соответствует смещениям напряжений в узлах схемы более ±10мВ
Среднее	±0,1% (разрешающая способность 9–10 бит)	Аналоговые схемы, обеспечивающие точность порядка 1%	Напряжения смещения ±5mV или рассогласование токов стоков меньше чем ±1%	Используется для построения входных каскадов операционных усилителей и компараторов, где допускается смещение нуля ±10mV
Точное	±0,01% (разрешающая способность 13–14 бит)	11–12 разрядные АЦП и ЦАП, инструментальные усилители	Напряжения смещения меньше чем ±1mV или рассогласование токов стоков меньше чем ±0,1%	Прецизионные схемы

Т а б л и ц а 3.2. Причины рассогласования элементов и способы их устранения

Причина	Источник	Способ устранения
1	2	3
Геометрические погрешности	Различная геометрия элементов	Разделение элементов на одинаковые сегменты
Механические напряжения	Внешнее механическое воздействие на кристалл, корпусирование	Оптимальное расположение и ориентация на кристалле. Оптимальная форма и размер кристалла. Применение корпусов с низкими механическими напряжениями
Градиент механических напряжений		Минимизация расстояния между элементами и их оптимальное расположение на кристалле. Использование топологии элементов с общим центром при размещении элементов
Изменение геометрии элементов	Зернистось и дефекты	Оптимальный выбор размеров, ориентации и формы элементов
	Смещение масок	Разделение согласованных элементов на сегменты одинаковой геометрии
	Неравномерность травления	Добавление фиктивных элементов по краям рабочих элементов
Генерация напряжения	Термоэлектрический и пьезоэлектрический эффекты	Элементы (резисторы) должны состоять из чётного числа сегментов с соединением в различных направлениях
Изменение параметров элементов	Наличие соседних структур	Оптимальное расположение на кристалле относительно соседних диффузионных и поликремниевых структур
	Присутствие контактов над рабочими областями	Избегать расположения контактов и проводников над затворами и телом резисторов или конденсаторов
Прочие	Электростатическое взаимодействие	Использование экранирования и др.
	Модуляция напряжением
	Инжекция заряда
	Диэлектрическая поляризация