CIRCUITE INTEGRATE ANALOGICE U. P. B.Anca Manuela Manolescu 2006-2007

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

Anexa 1 Caracterisici Bode

Bibliografie

Gray,P.R., Meyer, R.G., Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, Wiley, 1993

Gray,P.R.,Meyer, R.G., Circuite integrate analogice. Analiza si proiectare,Ed. Tehnica, 1997

Allen P.,Holberg D.,CMOS Analog Circuit Design, Oxford University Press,2002

4. Manolescu A.M., Manolescu A., Popa C. , Circuite integrate analogice. Culegere de probleme. Partea 1, Litografia UPB, 2006

5. Manolescu A.M.,Analog Integrated Circuits,Foton International, 1999

6. 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 istoric

To 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 exces

Descoperirea 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 tranzistorLa a 25-a aniversare a tranzistorului BrattainThe 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 muzeu

Spre 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..

problema interconexiunilor sau bariera numerelor(numbers barrier) sau tirania numerelorRezolvarea implica 1. Will to think 2. Will to spendDiverse 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 semiconductoareIDEEA 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 mariPentru 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 1958Firma TI aplica pentru a patenta primul circuit integrat (Miniaturized Electronic Circuit), incluzand desenul oscilatorului

The Integrated Circuit1958: Jack Kilby, working at TI, dreams up the idea of a monolithic integrated circuitComponents 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 monoliticaInseamna 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 NOYCEdoctor in fizica, genial, impulsiv, logoreic, lucra in grup,,remarcabil talent managerialcofondator la 31 de ani al companiei care avea drept scop realizarea tranzistorului NPN dublu difuzatprincipala problema-contaminarea cu fire de praf, gaze, sarcina electrica1958 Jean Hoerni -solutia teoretica de a sigila structura cu un strat de dioxid de siliciu ca o operatie chirurgicala in junglaproces planar-datorita suprafetei plane a oxidului depus peste siliciuNoyce 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 traseelerealizeaza ca astfel se poate rezolva tirania numerelor ceea ce va aduce un profit extraordinarpropune o structura cu doua tranzistoare, un rezistor si un capacitor interconectate prin trasee de cupru tiparite peste oxidpe 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 NoycePornind pe cai diferite Kilby si Noyce au ajuns independent unul ce celalalt la ideea monoliticaKilby 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 semiconductoruluiNoyce 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 semiconductorKilby 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 precedentDeceniul 7 introducerea pe scara larga in industrie a circuitelor integrate bipolareIn 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 tipic 5 m 1980-1990 tipic 2 m 1990-2000 0,75-0.35 m dupa 2000 0,1 m Dimensiunea verticala este si mai mica ex. proces de 5 m grosime oxid 1000A

Cateva consecinte ale reducerii dimensiunii minime

1.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 ori2.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 dimensiuniiminimeDeteriorare a imperecherii caracteristicilor tranzistoarelorCresterea costului echipamentului de procesare a plachetelorCerinte suplimentare pentru instrumentele software utilizate in proiectareCresterea 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 categoriiPMOS- 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 rezonabileCMOS- 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, 70Ofera: -premizele functionarii bune la inalta frecventa -panta mare -capabilitate mare in curent

AVANTAJE IMPORTANTE IN APLICATII ANALOGICE

T H A N K Y O U !