Курс “САПР в микроэлектронике”

ВВЕДЕНИЕ (2-2)
Содержание курса (темы и вопросы к экзамену)
По смыслу данный курс предполагает, наряду с представлениями о САПР в микроэлектронике, практический выход – умение применять САПР для решения расчетных задач. Поэтому на практических занятиях (ПР в расписании) мы будем рассматривать примеры таких решений, а для получения практических навыков убедительно рекомендуется выполнение домашних заданий в среде САПР OrCAD, которую можно установить на домашнем компьютере.

ТЕМА 1. Элементная компонентная база (ЭКБ) микроэлектроники (1-5)
Компоненты ИС делятся на пассивные и активные, способные усиливать входные сигналы по мощности.
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D0%BE%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D1%82%D1%8B
Общее свойства компонентов (или приборов) в традиционных ИС: 1. они не преобразуют вид энергии, входные и выходные сигналы – электрические токи и напряжения; 2. не являются полностью независимыми из-за влияния связей в общем кристалле.
Программируемая логическая ИС (ПЛИС, FPGA).
Миним. размеры компонентов на кристалле могут быть меньше 10 нм (1 нм = 10-9 м ). Степень интеграции (число транзисторов на кристалле) может быть больше 107-109.

ТЕМА 1. Элементная компонентная база (ЭКБ) микроэлектроники (2-5)
Особенности интегральных компонентов:
А. Планарное расположение выводов
Б. Соединения в схемах слоями металла или поликремния
В. Сильное взаимное влияние, особенно на высоких частотах
и необходимость изоляции (типовое решение-изоляция с помощью обратно-смещенных pn-переходов, диодов)
Г. Необходимость защиты от пробоя компонентов, подключаемых к внешним выводам кристалла
ИС без корпуса (А, Б)
Фрагмент кристалла ИС в разрезе (В)
(Г)

ТЕМА 1. Элементная компонентная база (ЭКБ) микроэлектроники (3-5)
Диод (при U12 разных знаков)
Биполярный npn транзистор (БТ, BT)
Резистор
Конденсатор (при
U12 = U1 - U2<0 – диод закрыт)
Вольт-амперная характеристика pn-перехода (диода): запертый диод – не разрыв!
Транзисторы со структурой металл-окисел-полупроводник (МОП,MOS) с n- и p-каналом
Третий способ изоляции компонентов на кристалле: технология кремний на изоляторе (КНИ, SOI)

ТЕМА 1. Элементная компонентная база (ЭКБ) микроэлектроники (4-5)
Другие критерии классификации ЭКБ:
Быстродействие (полоса рабочих частот)
Мощность/напряжение питания
Приведенный ко входу уровень шума
Примеры применения ЭКБ:
a) Аналоговые устройства: ОУ
Другие устройства: компараторы, фильтры,
логарифмические усилители, устройства выборки/
хранения,…
Б) Цифровые устройства: инвертор
Другие устройства: логические элементы, триггеры, п/п память, процессоры,…
В) Смешанные устройства: АЦП/ЦАП
Задачи, решаемые проектировщиками с использованием САПР:
Построение, отладка и оптимизация схемы
Разработка топологии
Пересчет схемы с учетом паразитных параметров топологии
Разработка печатной платы
Методы и средства решения:
Регулирование размеров и режимов работы транзисторов в схеме
Анализ и оптимизация/устранение критичных по быстродействию трактов
Многопараметрические и автоматизированные расчеты
Анализ влияния температуры, напряжения питания и технологических разбросов

ТЕМА 1. Элементная компонентная база (ЭКБ) микроэлектроники (5-5)
ВОПРОСЫ:
Какие из зарубежных фирм являются лидерами в субмикронных технологиях изготовления ИС?
https://en.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_device_fabrication
2. Что ограничивает дальнейшее масштабирование технологий (снижение размеров компонентов на кристалле)?
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D0%BC%D0%B0%D1%81%D1%88%D1%82%D0%B0%D0%B1%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D0%94%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%80%D0%B4%D0%B0
3. Дайте корректный перевод техническим терминам, используемым на слайдах: well, bond pad, substrate, breakdown, oxide.
4. Какие эквивалентные схемы используются для учета паразитных параметров корпусов ИС?
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.116.8655&rep=rep1&type=pdf
Electrical Analysis of IC Packaging with Emphasis on Different Ball Grid Array Packages
5. Что означают сокращения: русские - СБИС, СнК, КНИ/КНС, английские - BT, CMOS, SOI, ADC/DAC ?
6. По каким причинам вместо встроенных (интегральных) компонентов могут использоваться внешние (навесные, дискретные) элементы (резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды, транзисторы) ?

ТЕМА 2. Разновидности ИС по функциям, степени интеграции, типу используемых активных элементов и способам проектирования
“
Состав активных элементов/технология изготовления ИС:
МОП транзисторы/КМОП (CMOS) технология
Биполярные транзисторы/биполярная технология
Биполярные и МОП транзисторы/смешанная БиКМОП (BiCMOS) технология
Большая часть транзисторов на кристалле (до 90% и более) – МОП. Большая часть используемых технологий – объемные КМОП технологии, которые позволяют строить системы на кристалле.
Способы проектирования, поддерживаемые САПР, должны быть адаптированы для разных по функциональному назначению блоков, а для сложных и составных ИС их реализация должна отличаться высокой вычислительной эффективностью при сохранении высокой точности (достоверности) результатов расчетов. Эффективность зависит от используемых в САПР алгоритмов, поддержки автоматизированных и параллельных вычислений. Точность зависит от поддержки моделей субмикронных транзисторов и заданных пользователем параметров
алгоритмов (чем больше точность, тем больше время расчетов).

ТЕМА 2. Разновидности ИС по функциям, степени интеграции, типу используемых активных элементов и способам проектирования
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0_%D0%BD%D0%B0_%D0%BA%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B5
ИС типа система-на-кристалле
Пример логической организации
Пример физической организации
Аналоговые устройства обрабатывают аналоговые сигналы, обычно не дискретизированные по амплитуде и времени. Описываются множеством параметров (показателей качества) и часто требуют заказного проектирования для получения наилучших результатов.
Цифровые устройства обрабатывают цифровые сигналы, дискретизированные по амплитуде и времени. Описываются ограниченным числом показателей (задержки, фронты и срезы) и могут быть спроектированы полностью в автоматическом режиме (от выполняемой функции до принципиальной схемы и топологии).
Смешанный устройства занимают промежуточное положение.

ТЕМА 2. Разновидности ИС по функциям, степени интеграции, типу используемых активных элементов и способам проектирования
Пример представления и результаты расчетов операционных усилителей (ОУ) при проектировании в САПР OrCAD
А. Идеализированный ОУ
Б. Стандартный ОУ фирмы Analog Devices
В. Интегральный ОУ по технологии КМОП 0,25 мкм
Схема включения – повторитель напряжения. Во всех случаях эта функция реализуется,
но хуже всего – в случае Б (прецизионный ОУ ADL1702 с частотой единичного усиления 1,5 МГц)
out1
out3
out2