Интегральные резисторы или О чем молчат в спорах про проектные нормы

Споры про проектные нормы, их необходимость или ненужность, их реалистичность и сравнение между собой нанометров разных фабрик всегда были частью микроэлектронного коммьюнити. В России эти споры еще острее, потому что в ход идут доводы про импортозамещение, технологическую независимость и много других очень важных и умных слов. В этих разговорах, правда, постоянно упускается, что размеры транзисторов действительно критичны только для современных цифровых микропроцессоров, а вот для других классов микросхем, “где тонкие нормы не нужны”, техпроцесс должен обладать рядом других полезных свойств, помимо факта своего наличия, чтобы быть нужным и успешным. В разработку и обновление “устаревших” техпроцессов фабриками вкладываются существенные деньги, и более навороченный «толстый» техпроцесс – серьезный довод для разработчика уговаривать начальство сменить фабрику для нового проекта.

Рыночных ниш, где востребованы “толстые” проектные нормы, очень много – это микроконтроллеры (которые, правда, прямо сейчас активно переезжают с 65 нм на 28), разнобразные промышленные микросхемы (от фронтенда датчиков до приводов электродвигателей), чипы для автомобилей (от блоков управления ДВС до сверхбыстрых высоковольтных зарядок и от драйверов стеклоподъемников до лидаров в автономных автомобилях), разнообразные радиочастотные схемы (например, обеспечивающие работу мобильных телефонов и их базовых станций), чипы для умного дома (где сейчас очень модно уметь питать микросхему напрямую от розетки) и многое-многое другое. Например, буквально на днях тайваньская фаундри VIS и нидерладский чипмейкер NXP объявили о создании совместного производства на пластинах 300 мм с проектными нормами от 130 до 40 нм для чипов управления питанием, аналоговых и аналого-цифровых схем. Аналогичные фабрики за последние несколько лет запустили Texas Instruments в Техасе, Bosch в Германии и Infineon в Австрии.

Описать в одной статье, как выглядят все эти технологии и чем они должны быть хороши, чтобы быть востребованными, совершенно невозможно, поэтому я ограничусь достаточно простым примером, показывающим технологическую сложность современных “устаревших” технологий – их резисторы. Действительно, что может быть проще резистора? Но что, если надо уместить этот резистор в десять квадратных микрон? Или сделать так, чтобы на него можно было подавать напряжение в 220 В? И сделать его совместимым в производстве с транзисторами?

Производственная совместимость с МОП-транзисторами – важнейшая проблема, которую приходится решать при разработке и обновлении техпроцессов. Экзотические материалы могут загрязнить установки и скомпрометировать весь чип, неудачные тепловые режимы могут изменить свойства уже произведенных слоев, наличие высоких напряжений в системе может угрожать пробоем уже существующим компонентам, слишком сложная конструкция потребует дополнительные литографические маски и может сделать прибор слишком дорогим. Вариантов, как что-то может пойти не так, очень много.

“Так давайте не будем делать новые приборы на основе КМОП-технологии!” – скажете вы и будете неправы. Во-первых, продлевая жизнь устаревающему оборудованию, далеко не всегда имеет смысл выбрасывать уже освоенные на нем процессы, а во-вторых, у КМОП-технологии сейчас уже не осталось никаких конкурентов, и, за редкими экзотическими исключениями, любая мало-мальски сложная интегральная схема просто не может не быть КМОП. Аналоговые схемы долго продолжали держаться за биполярную технологию, но разница в прогрессе и их заставила почти полностью перейти на КМОП. Сейчас, если какой-то техпроцесс не является КМОП, то он обычно или вообще не на кремнии, или КМОП с какими-то полезными дополнениями. Подробнее том, как КМОП захватил мир, можно почитать вот тут. А пока что давайте перейдем, собственно, к резисторам.

Интегральные резисторы

Итак, интегральные резисторы. Для чего они могут быть нужны? Да для практически любой аналоговой схемы. Необходимо задать опорное напряжение или ток? Нужен резистор! Сделать АЦП или ЦАП? Есть разные варианты, но практически все они построены на конденсаторах или резисторах. Задать задержку распространения сигнала или сделать несложный фильтр? RC-цепь! Обеспечить частотную коррекцию операционного усилителя? RC-цепь! В общем, без резисторов никуда, и даже в чисто цифровых устройствах резисторы есть во вспомогательных схемах, таких как ESD-защита, блоки управления питанием, интерфейсные схемы (а все приемопередатчики современных скоростных интерфейсов – это аналоговые схемы).

Конденсатор как эмулятор резистора

Справедливости ради необходимо отметить, что множество аналоговых схем постепенно отказывается от резисторов в сложных приложениях в пользу схем на переключаемых конденсаторах. Идея там довольно простая: при протекании через резистор сопротивлением R тока i за время t мы переместим Q заряда. Q = i*t = t*V/R. Эти же Q заряда можно перенести, если зарядить конденсатор с емкостью C и переключить его с места на место. Q = C*V. Проведя нехитрые преобразования, мы получим, что R = t/(C) или R = 1/(C*f).

Схемы на переключаемых конденсаторах очень популярны, потому что их можно сделать несколько компактнее, чем на резисторах, а контролировать частоту можно точнее, чем сопротивление – о проблемах с точностью которого во многом и написана эта статья.

Чтобы разобраться в том, как выглядят интегральные резисторы, для начала давайте вспомним, как выглядит разрез КМОП-технологии.

Что мы видим на рисунке? Кроме двух транзисторов, разумеется. Контакты и несколько вариантов разных слоев полупроводника с разными уровнями легирования, а значит, и с разным сопротивлением. Можно ли эти слои использовать как резисторы? Разумеется!

Диффузионные резисторы

Такие резисторы называются диффузионными, и раньше их действительно делали при помощи диффузии (а сейчас – при помощи гораздо более точной ионной имплантации). Как видно из рисунка, для этих резисторов использованы те же самые слои, которые уже используются для реализации транзисторов. Это просто и удобно, ведь даже дополнительные литографические маски не нужны, нужно просто нарисовать транзисторы там, где нужны транзисторы, и резисторы там, где нужны резисторы.

Чем мы платим за это удобство? Тем, что параметры этих слоев оптимизируются, исходя из требований к транзисторам, и они могут не очень хорошо подходить для резисторов. Для транзистора чем меньше сопротивление слоев n+ и p+ – тем лучше. Это сопротивление ограничено снизу диффузионной длиной носителей заряда, которая не может быть слишком маленькой и быстро падает у сильнолегированных полупроводников. Такая оптимизация означает, что у транзисторов стоит учитывать размеры стока и истока при больших токах, а для резисторов получается, что реалистично можно рассчитывать на цифры порядка 50-100 Ом на квадрат, то есть даже для скромного резистора в 10 кОм длина должна быть в сто раз больше ширины.

Впрочем, иногда маленькое сопротивление – это не баг, а фича

Сейчас это уже не актуально, но в седой древности часто был доступен всего один уровень металла. Когда разработчику нужно было перекрестить линии, соединяющие разные элементы, сделать это можно было только при помощи вот такого диффузионного резистора, пропущенного под металлом. И тут, разумеется, чем меньше сопротивление, тем лучше. Сейчас, к счастью, разработчикам доступно гораздо больше слоев металла, и резисторы используются исключительно по прямому назначению.

Другая, не менее важная проблема диффузионных резисторов – сопротивление легированного слоя зависит от многих плохо контролируемых факторов. Важны точность задания уровня легирования, его равномерность, а также точность и равномерность предыдущих легирований, происходивших в том же месте.

Если мы посмотрим на разрез p+резистора, то увидим p+слой в n-кармане в p-подложке. Но не надо думать, что в процессе производства все эти слои делаются по отдельности. На практике вся пластина легируется небольшим количеством акцепторной (p-типа) примеси, или на поверхности всей пластины создается эпитаксией p-слой. Потом в нужных местах делаются карманы, уровень легирования которых должен быть существенно выше, чем у подложки, чтобы перекомпенсировать влияние ее примеси. И в последнюю очередь в карманах создаются p+слои, которые, в свою очередь, должны перекомпенсировать примесь кармана. Таким образом, наш резистор представляет собой бутерброд из трех легирований, у каждого из которых есть свои производственные погрешности.

Разбросы уровней легирования и эффекты перекомпенсации приводят к тому, что сопротивление легированного полупроводника имеет погрешность 20-30%. Для транзисторов это обычно не важно, а вот для резисторов – еще как. Если вдруг в описании техпроцесса написано что-то вроде «прецизионный резистор» – можно ожидать 10-20% разброса вместо 20-30%. Еще сопротивление сильно зависит от температуры (из-за которой меняется подвижность носителей заряда): температурный коэффициент сопротивления может составлять несколько сотен ppm/C в зависимости от типа и уровня легирования. В итоге разница между наименьшим и наибольшим сопротивлением, на которые надо закладываться разработчику микросхемы, легко может составлять полтора раза.

Eще есть погрешности , которые касаются не уровня легирования, а геометрии резистора – отдельно длины с шириной и отдельно глубины. Длина и ширина резистора, с одной стороны, определяются точностью литографии и имплантации, а с другой стороны – каждая последующая температурная обработка, из которых, собственно, и состоит производство чипа, немного «разгоняет» примесь в разные стороны за счет диффузии, искажая размеры и изменяя профиль легирования. Именно поэтому, в числе других причин, технологи в свое время и перешли от диффузии к ионной имплантации в процессе уменьшения проектных норм – она требует меньших температур и позволяет обеспечить достаточную точность размеров.

Но есть нюансы

Впрочем, у ионной имплантации есть и свои минусы, некоторые из которых приходится учитывать при дизайне микросхем. Один из таких минусов – так называемый «эффект близости края кармана».

Рисунок 4 показывает поперечный разрез нескольких близко расположенных резисторов. Получатся ли все они одинаковыми? Правильно, не получатся.

На рисунке 5 схематично показан процесс имплантации кармана, проходящий до создания резисторов. В идеальном мире ситуация выглядит так: там, где кремний не закрыт фоторезистом, проходит легирование, а там где закрыт – не проходит. В реальности же падающие ионы в процессе торможения об фоторезист могут рассеиваться и менять траекторию, и около краев фоторезиста (и, соответственно, кармана) они могут все же попадать в область имплантации, искажая ее профиль легирования и, соответственно, изменяя сопротивление. Этот же эффект влияет и на транзисторы. Его влияние обычно пренебрежимо мало для цифровых схем, но должно учитываться при проектировании аналоговых. Как именно – будет показано ближе к концу статьи.

Еще одна беда диффузионных резисторов – паразитные элементы. В физической структуре каждого из этих резисторов есть pn-переходы, а где есть pn-переходы, там есть емкости, токи утечки и ограничения на рабочие напряжения.

Рисунок 2 еще раз, для удобства чтения

Например, напряжения на контактах A1 и A2 всегда должны быть выше нуля, а напряжения на контактах B1 и B2 – ниже напряжения на B3 (которое, в свою очередь, не может быть ниже нуля). Если эти условия не соблюсти, имеющиеся в структуре pn-переходы начнут открываться, и ваш резистор превратится в открытый диод, ток которого потечет совершенно не туда, куда вы рассчитываете. А если даже соблюсти, то необходимо учитывать, что pn-переход – это обедненный слой переменной толщины, у которого есть емкость, и который может отнимать толщину от собственно резистора.

Картинка слева характерна для ситуации, когда и A1, и A2 существенно выше нуля, справа – когда на B1 ноль, а на B2 положительное напряжение. Величина паразитной емкости на землю в этих случаях существенно различается, и это может влиять на функционирование схемы, особенно малопотребляющей. Или, если напряжение на выводах резистора слишком велико, обратно смещенный pn-переход может даже пробиться и превратить ваш резистор в короткое замыкание на землю.

Если даже короткого замыкания не происходит, и все напряжения на выходах поданы правильно, модуляция толщины резистора из-за изменяющейся толщины pn-перехода может иметь существенный эффект, особенно для средних и высоких напряжений. Типовые значения, на которые можно рассчитывать – 50-300 ppm/V для сильнолегированных резисторов и до десятых долей процента на вольт для низколегированных.

Впрочем, паразитные элементы тоже можно попробовать использовать во благо. Важный недостаток большинства диффузионных резисторов – низкое удельное сопротивление. У резисторов из стока/истока оно вызвано высоким уровнем легирования, а у резисторов из кармана – большой глубиной кармана. А что, если уменьшить глубину? Разумеется, никто не даст разработчику микросхемы возможность сделать карман помельче, но…

Слева на рисунке показан резистор, в котором значительную часть глубины кармана «съел» изолирующий диэлектрик. Резисторы такого типа – наиболее доступный вариант в процессах с низкими проектными нормами, особенно в FinFET-процессах. Никакие дополнительные слои не требуются, а сопротивление, в силу совсем маленькой толщины всех слоев в таких процессах, приличное. Разработчики цифровых чипов наверняка помнят, что в дизайне надо время от времени расставлять контакты к подложке и карману (так называемые tap cells), чтобы обеспечить правильное напряжение в подложке и карманах, а также защитить схему от тиристорного эффекта, излишних шумов и некоторых других неприятных эффектов. Так вот, мы сейчас используем паразитное сопротивление между этими tap cells как резистор. За счет толщины, съеденной изоляцией, у такого резистора более высокое удельное сопротивление, чем просто у кармана без изоляции в верхней части.

Справа на рисунке другой вариант – здесь мы уменьшаем глубину слоя n- за счет глубины слоя p+ над ним.Такой резистор требует третьего контакта, чтобы паразитный pn-переход точно был закрыт. Зато мы теоретически можем менять напряжение на выводе B2 и управлять шириной pn-перехода, а значит и сопротивлением резистора. Знаете, как называется управляемый резистор? Дада, мы только что в прямом эфире изобрели полевой транзистор с управляющим pn-переходом (JFET)! Собственно, в старых чисто биполярных процессах именно так и реализованы JFET и большие резисторы (их называют там пинч-резисторам), с той разницей, что вместо n+ и p+ там используют слои эмиттера и базы. Характеристики таких резисторов из-за влияния температуры на pn-переход получаются полностью катастрофическими, но в таких техпроцессах это, как правило, единственный способ сделать большое сопротивление на разумной площади. В КМОП ничего подобного обычно не делают, но в последнее время JFET и все, с ними связанное, получили новую жизнь в связи с бурным развитием силовой электроники на нитриде галлия (GaN), где в силу разных причин нельзя сделать МОП-транзистор.

Разработчики электронных систем, привыкшие к возможности использовать прецизионные дискретные приборы, наверняка уже словили пару инфарктов – и я вполне понимаю их чувства, особенно когда пытаюсь свести дизайн какого-нибудь источника опорного напряжения с учетом всех возможных разбросов. Но работать приходится с тем, что имеем, поэтому технологи придумали несколько разных способов сделать другие резисторы и не довольствоваться только диффузионными. Впрочем, диффузионные резисторы продолжают пользоваться популярностью, в том числе потому, что несмотря на все недостатки, низколегированные диффузионные резисторы имеют самое большое сопротивление на единицу площади. И все же, какие еще варианты есть?

Поликремниевые и тонкопленочные резисторы

На рисунке показан разрез нескольких слоев межсоединений в КМОП-технологии. Транзисторов здесь нет, но если сопоставить этот рисунок с самым первым, то будет видно, что поликремниевый резистор – это просто слой затвора транзистора, но без полупроводника под ним, чтобы не создавать большую паразитную емкость. Единственное различие между резисторами A1-A2 и B1-B2 – тонкий синий слой, который наиболее наблюдательные читатели могли заметить на самом первом рисунке, где он остался не объясненным. Этот слой – так называемый “салицид” или самосовмещенный силицид (Self-Aligned Silicide = “Salicide”). Это соединение вида MeSi, где Me – какой-то подходящий по свойствам металл (например, кобальт). Силицидами покрывают затворы транзисторов и их стоки и истоки для того, чтобы стабилизировать и уменьшить сопротивление – потому что большое сопротивление затвора вредно для транзистора, равно как и большое сопротивление последовательно со стоком и истоком. Для аналогового же дизайнера слой силицида означает, что у нас опять отобрали нормальные высокоомные резисторы.

Впрочем, резистор можно сделать без силицида и получить существенно большее удельное сопротивление, хоть и с большими разбросами. Во многих продивнутых аналоговых процессах доступны обе опции, потому что у силицидированных резисторов на самом деле тоже есть свои ниши. Например, у них обычно низкий температурный коэффициент сопротивления, что важно при дизайне источников напряжения и тока, а большая площадь не такая уж помеха, потому что площадь этих девайсов дизайнеры все равно сделают большой для уменьшения влияния погрешностей литографии.

И еще немножко о температурном коэффициенте и о том, что не показывают разрезы: затворы nMOS и pMOS не совсем одинаковые. Дело в том, что при производстве транзистора легирование стока и истока происходит после изготовления затвора. Это делается для того, чтобы уже готовый затвор служил маской для легирования, и переходы между стоком/истоком и подзатворной областью гарантированно были узкими и не создавали проблем. Следствием этого факта является то, что затвор nMOS – это поликремний с легированием n-типа, а затвор pMOS – поликремний с легированием p-типа. Для работы транзистора это не очень важно, потому что там сопротивление затвора пренебрежимо мало по сравнению с другими эффектами, а вот для резисторов это критично. У поликремниевых резисторов с легированием разного типа могут быть разные температурные коэффициенты (одного или разных знаков), а в самых хороших техпроцессах могут даже быть поликремниевые резисторы, специально оптимизированные под нулевой температурный коэффициент. И, разумеется, если в вашем процессе доступны резисторы с температурным коэффициентом разного знака, очень часто имеет смысл собрать из них франкенштейна с околонулевым ТКС.

Поликремниевые резисторы – хлеб и масло любого аналогового дизайнера, но бывают ситуации, когда хлеба с маслом недостаточно. Занятно, что эти ситуации характерны или для очень старых техпроцессов, или для очень новых: в совсем старых процессах затвор часто делался металлическим, и поликремнию там было взяться неоткуда, а в относительно новых процессах (28 нм и ниже) затвор снова металлический из-за перехода от оксида кремния в качестве подзатворного диэлектрика к high-K материалам, и поликремния снова нет.

Единственный вариант и в той, и в другой ситуации – тонкопленочные резисторы. Они буквально представляют собой тонкую пленку нужной формы, напыленную на подходящее диэлектрическое основание. Главный плюс таких резисторов и одновременно главный их минус – свобода в выборе материала. Так как эти резисторы не состоят из слоев, имеющих отношение к транзистору, их можно сделать из чего угодно, главное обеспечить адгезию и технологическую совместимость с окружающими слоями диэлектриков и металлов. Это, кстати, может быть не очень просто, и на красивой картинке выше могут оказаться сразу несколько служебных слоев, обеспечивающих адгезию разных материалов друг к другу, отсутствие диффузии из одного материала в другой, и прочие аспекты технологической совместимости.

Например, вы могли обратить внимание на то, что вертикальные столбики контактов к резистору (C1-C2) существенно короче, чем такие же контакты от одного металла к другому. Для технологов это значит, что надо подобрать для травления какой-то такой реагент, который хорошо травит диэлектрик, но совсем не травит материал резистора. Или, если такой реагент найти не удается (а это более, чем вероятно), можно попробовать делать контакты между металлами в два приема и надеяться, что резистивная пленка будет повреждена не очень сильно. Или попробовать другой диэлектрик, к которому проще найти травящие реагенты с высокой селективностью. Или поискать другой материал, а потом выяснить, что он разрушается из-за высокой температуры при создании следущих за ним слоев металлизации. Или… в общем, внедрение в производство таких резисторов может быть колоссальным технологическим челенджем.

Никак не помогает технологам то, что регулярно для пленочных резисторов требуются экзотические материалы с уникальными свойствами – например, очень высоким удельным сопротивлением, низким температурным коэффициентом, фоточувствительностью или чем-то еще особенным. Некоторые материалы для резисторов пересекаются с тем, что используется для дискретных компонентов (например, нитрид тантала или нитрид хрома), некоторые – специфические, типа диборида гафния или графита. Материалы эти часто крайне неприятны в работе – насколько неприятны, что в моей практике были случаи, когда фабрики и исследовательские лаборатории просто отказывались обсуждать совместную работу, услышав, что именно мне от них нужно. Такое может происходить или из-за опасности материала для человека, или из-за опасности загрязнения производственных установок.

Несмотря на все сложности, в современных техпроцессах производства микросхем, заточенных под аналоговые или радиочастотные применения, пленочные резисторы встречаются довольно регулярно, дополняя диффузионные и иногда даже поликремниевые.

Проблемы пленочных резисторов в целом примерно такие же, как и у других видов приборов – разброс удельного сопротивления материала пленки, точность литографии и, разумеется, паразитные емкости на окружающие проводники. Например, если мы посмотрим на темный слой оксида под резистором на рисунке выше, то перед инженерами встанет дилемма: чем толще этот слой, тем меньше на резистор влияет находящийся под ним металл, но тем сложнее произвести контакты к резистору из-за разницы в высоте с контактами между металлами.

Итого

Итого ситуация с интегральными резисторами примерно такая: вариантов много, но они все очень плохие. В совсем старых техпроцессах были доступны (а кому-то и сейчас доступны, производства «КРЕНок» никуда не делись) только диффузионные и пленочные резисторы, в относительно старых процессах (они же лучшее, что сейчас есть в России) можно теоретически найти все виды – и диффузионные, и поликремниевые, и пленочные из экзотических материалов. В тонких процессах с high-K диэлектриками больше нет поликремния, и разработчикам с технологами приходится креативно переосмыслять хорошо забытое старое с учетом новых возможностей и ограничений.

Выбор техпроцесса для разработки чипа очень часто определяется не только и не столько техническими факторами, сколько экономическими (каждая сэкономленная маска – это конкурентное преимущество) или даже внеэкономическими (санкции? Кто сказал «санкции»?). Если вам как разработчику не повезло с техпроцессом, можно расстраиваться, можно жаловаться на жизнь, можно даже пытаться разработать и внедрить новые типы резисторов, подходящие именно вам. Но в подавляющем большинстве случаев вариант только один – извлекать максимум из того, что доступно, и именно это умение составляет важную часть мастерства разработчика микросхем.

Как чип-дизайнеры работают со всем этим безобразием?

Итак, вы – дизайнер аналоговых микросхем, перед глазами у вас сложное техзадание. Какие у вас есть варианты с точки зрения резисторов?

Подстройка

Первый путь – конечно же, не использовать их вовсе. Но это, к сожалению получается крайне редко, поэтому и обсуждать этот вариант мы не будем. Вторая возможность – воспользоваться прецизионным внешним резистором. Да, обычно «резистором», а не «резисторами», потому что внешние резисторы и занимают много места на плате, и стоят существенных денег, и, обычно, существенно наращивают потребляемую мощность. Однако, несмотря на эти недостатки, прецизионные внешние резисторы широко применяются, например, для задания опорной частоты или параметров компенсации в DC/DC преобразователях.

Или вот вечная классика – операционный усилитель µA741. Подробно останавливаться на его конструкции я не буду, обращу внимание только на два момента: во-первых, в нем на 22 транзистора 11 резисторов. Во-вторых, погрешность определения нуля (оффсет) этого усилителя корректируется внешним резистором, подключаемым к выводу OFFSET N1 или OFFSET N2. Эта погрешность может быть вызвана неидеальностью производства разных компонентов ОУ, в первую очередь транзисторов дифференциальной пары и ее же нагрузочных резисторов (слева внизу). Перед установкой в прибор усилитель включают в режим повторителя напряжения, измеряют получившуюся ошибку и корректируют ее при помощи внешнего резистора, подключаемого к N1 или N2 в зависимости от знака ошибки. Эта процедура, как вы можете себе представить, весьма утомительна и фактически перекладывает головную боль с разработчика на потребителя. Однако она позволяет при достаточно простой и дешевой технологии производства чипа добиться весьма достойных параметров.

Почему внешние дискретные резисторы точнее и лучше интегральных? Потому что их обычно подстраивают на производстве, чтобы добиться нужных параметров. Почему бы не подстраивать интегральные резисторы тоже? Действительно, это можно сделать, и многие наверняка слышали про лазерную подстройку. Собственно, она и перекочевала в дискретные резисторы из интегральных, где была популярна раньше, а сейчас совершенно вышла из употребления.

Выглядит лазерная подстройка примерно так, как показано на рисунке выше. Кусочек толстой пленки с сопротивлением заведомо несколько меньше нужного измеряется, чуть-чуть «подпиливается» лазером, снова измеряется, снова «подпиливается» – так пока сопротивление не станет в точности таким, как нужно. У разных методов нанесения разрезов разное соотношение точности и скорости. Почему важна скорость? Потому что время – деньги. Произвести кусочек тонкой пленки обычно дешевле, чем подключить его к лазеру и измерительной станции – а счет в такого рода продуктах идет на сотые доли цента себестоимости. Собственно, именно по этой причине лазерная подстройка и перекочевала из интегральных схем в дискретные приборы – подключать к тестеру сложный чип дороже, чем просто резистор, а подстроить много резисторов таким способом будет совсем уже неразумно дорого.

Тем не менее, подстройка и калибровка элементов аналоговых схем, в том числе и резисторов, применяется в современных аналоговых схемах достаточно широко – просто потому, что в прецизионных приложениях без нее никак не обойтись. Для того, чтобы делать подстройку быстрее и дешевле, чем лазером, применяют разные варианты энергонезависимой памяти, которую можно прошить нужным значением на производстве и не напрягать пользователя.

Как видно из рисунка выше, это достаточно широко распространенная практика. В качестве памяти для хранения конфигурации обычно используют NOR флэш-память (она же EEPROM) или более простые пережигаемые перемычки.

Пережигаемая перемычка – это…

Пережигаемые перемычки бывают разных видов (резистивные и диодные, нормально низкоомные и нормально высокоомные, и так далее), но все их объединяет одно – это структуры на чипе, имеющие два четко различимых состояния и программируемые большим током или высоким напряжением. Такое «программирование» обычно физически разрушает прибор (см. рисунок выше), поэтому изменить состояние такой перемычки можно только один раз.

Напряжение на выходе резистивного делителя, показанного на рисунке, зависит от резистора Rx. Подстраивается резистор с помощью подстроечных ячеек, которые могут быть или пережигаемыми перемычками (накоротко замкнутыми в свободном состоянии и разорванными в запрограммированном), или управляемыми подстроечной памятью ключами. Чем больше у нас таких пар из сегмента резистора и подстройки, тем точнее можно подстроить номинал всего резистора – и тем дольше и дороже будет этот процесс. Обратите внимание, что подстраиваемые резисторы на рисунке двоично взвешены – чтобы можно было набрать нужное напряжение за минимальное количество шагов.

И все же, из-за своей дороговизны подстройка резисторов, несмотря на принципиальную техническую доступность, остается последним средством, к которому прибегают тогда, когда остальные варианты исчерпаны. А что это за варианты?

Архитектурные способы избежать зависимости от номиналов резисторов

Два золотых правила аналоговой схемотехники гласят:

• Аналоговая схемотехника – это искусство усложнения схемы для достижения требуемых параметров.

• Схема не должна быть зависима от абсолютных значений параметров элементов.

Естественный вывод из этих двух правил состоит в том, что поведение схемы не должно зависеть от параметров элементов, но может зависеть от их соотношений – в случае, если эти параметры меняются под воздействим внешних факторов одинаково.

Простейший пример такого подхода – резистивный делитель. Напряжение на его выходе зависит от соотношения резисторов, а не от их значений. От них зависит протекающий через делитель ток, но если он нам не очень важен, то это не проблема. Итого, делитель, составленный из двух прецизионных внешних резисторов и делитель, составленный из двух диффузионных резисторов с точностью ±30%, будут для системы одинаковыми.

Резистивный делитель – самый простой (хоть и очень популярный) пример того, как микроэлектронные инженеры применяют дифференциальные архитектуры для того, чтобы обойти зависимость поведения схемы от номиналов компонентов. Кроме этого, у полностью дифференциальных систем при прочих равных выше помехоустойчивость, шире динамический диапазон и много других преимуществ. Единственное условие, которое надо соблюсти – чтобы параметры согласованных элементов менялись одинаково.

Разумеется, тут и зарыта собака. Для того, чтобы параметры двух элементов на чипе менялись одинаково, эти элементы должны быть, во-первых, как можно больше (чтобы абсолютные погрешности изготовления стали маленькими относительными погрешностями), а во-вторых, были расположены как можно ближе друг к другу. Желательно – существенно ближе, чем требуемые размеры элементов. Решается эта дилемма тем, что согласованные элементы разбиваются на несколько частей, а потом эти части перемешиваются между собой. Таким образом мы усредняем все возможные неидеальности и погрешности, а также влияние внешних факторов типа находящегося рядом с нашей парой резисторов силового транзистора, подогревающего свои окрестности и приводящего к тому, что температура двух соседних резисторов может различаться.

На рисунке 14 показаны два варианта простого массива для пары согласованных резисторов A и B. Элементы, помеченные буквой D – это dummy, заземленные «пустышки». Они, будучи расположены по краям массива, получаются хуже всего, и их просто не используют.

«Почему дамми стоят только справа и слева, но не снизу и сверху?» – спросит внимательный читатель и будет прав. Причин здесь несколько. Во-первых, сверху и снизу – куски резистивного материала, находящиеся за контактами. Ток через них не течет, и точность их изготовления нас не очень заботит. Во-вторых, это топология простого массива. В практическом дизайне обычно применяются более сложные конструкции. Например, ниже показан пример организации массива для четырех двоично взвешенных элементов.

Как видите, тут дамми стоят со всех сторон, а самый маленький по размеру элемент надежно упакован в центре массива. Разумеется, даже и такое расположение неидеально, и для полной симметрии надо бы, чтобы даже самый маленький резистор был разбит на две, а лучше даже на четыре части. Но нет предела совершенству, в отличие от объема текста, который живой человек может прочитать за один раз, поэтому давайте на этом закончим.

А что еще бывает?

Итак, мы посмотрели на то, как интегральном виде может выглядеть такой простой с виду компонент как резистор, и выяснили, что даже у резисторов очень много свойств и нюансов, влияющих на качество и сложность разработки микросхем, которые можно сделать на конкретной технологии. А ведь на чипе могут быть десятки видов самых разных компонентов: конденсаторы, индуктивности, диоды, транзисторы разных типов с разными свойствами и рабочими напряжениями, энергонезависимая память (опять же, ее есть много разных видов), мемристоры, встроенные фотодиоды или даже МЭМС-структуры. Разница в полезности техпроцесса с некоторыми проектными нормами, в котором есть только два типа транзисторов для создания КМОП-логики, и процессом с такими же проектными нормами и хотя бы половиной представленного выше великолепия – колоссальная.

P.S. И чуть-чуть самопиара: вот тут я пробую вести телеграм-канал со всякой всячиной про микроэлектронику.