Входные и выходные каскады микросхем. Типы корпусов микросхем

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных и импульсных сигналов, в структуре операционных усилителей, усилителей мощности и аналоговых интерфейсов различного функционального назначения.

В современных аналоговых микросхемах находят применение два типа входных каскадов - классический дифференциальный усилитель [1-3] и мостовой дифференциальный каскад (МДК) на основе двухтактных эмиттерных повторителей [4-15].

Мостовой дифференциальный каскад (МДК) стал основой построения практически всех быстродействующих операционных усилителей (ОУ) ведущих микроэлектронных фирм (Texas Instruments: патенты США №6710655, 6710654, 6492870, 6542032, 6249187, Analog Devices: патенты США №5150074, 6262633, Maxim: патенты США №6188281, 6429744, National Semiconductor: патенты США №5512859, 5399991, 5510754) [4-15].

Однако известные МДК имеют недостаточно высокое предельное быстродействие из-за нелинейных режимов работы его входных двухтактных эмиттерных повторителей при большом импульсном сигнале. Это не позволяет (из-за эффектов второго порядка) получить предельные (теоретические) значения максимальной скорости нарастания выходного напряжения (ϑ_{вых. max}), которая оказывается в 4-10 раз выше экспериментальных значений (ϑ_вых<<ϑ_{вых. max}). Проблема достижения предельно возможного быстродействия МДК и ОУ на их основе является одной из актуальных проблем современной аналоговой микросхемотехники.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является входной каскад операционного усилителя (фиг.1) (патент фирмы Maxim - РСТ №WO 00/19604 от 6.04.2000 г., фиг.2), содержащий первый 1 двухтактный эмиттерный повторитель, который имеет потенциальный вход 2 и потенциальный выход 3, а также токовый выход 4, согласованный с шиной положительного источника питания 5, и токовый выход 6, согласованный с шиной отрицательного источника питания 7, второй двухтактный эмиттерный повторитель 8, который имеет потенциальный вход 9 и потенциальный выход 10, а также токовый выход 11, согласованный с шиной положительного источника питания 5, и токовый выход 12, согласованный с шиной отрицательного источника питания 7, причем между потенциальным выходом 3 первого 1 двухтактного эмиттерного повторителя и потенциальным выходом 10 второго 8 двухтактного эмиттерного повторителя включен двухполюсник 13.

На фиг.2 показана схема входного каскада-прототипа при его включении в структуру операционного усилителя, содержащего повторители тока ПТ1, ПТ2.

На фиг.3 приведены графики временной зависимости выходного напряжения u₃(t) и выходного тока известного устройства фиг.1 - фиг.2.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что его архитектура не позволяет полностью исключить динамическую перегрузку его входных двухтактных эмиттерных повторителей и тем самым получить предельные значения максимальной скорости нарастания выходного напряжения для большого сигнала, т.е. обеспечить ϑ_вых≈ϑ_вых._max.

Рассмотрим работу дифференциального входного каскада-прототипа. Если на вход 2 (фиг.2) подать прямоугольный импульс большой амплитуды , то напряжение u₃(t) на потенциальном выходе Вых.u₃ начнет изменяться от статического (нулевого) значения до уровня U_max (фиг.3а). Так как коэффициент передачи двухтактного эмиттерного повторителя 1 близок к единице, то U_max=U_вх.max, где U_вх.max - амплитуда входного импульсного сигнала u_вх.2.

Двухтактный эмиттерный повторитель 1, имеющий в своей структуре транзисторы, транзисторные источники опорного тока, паразитные емкости на подложку и т.д., всегда характеризуется достаточно большой инерционностью, которая приводит к тому, что напряжение u₃(t) на его потенциальном выходе 3 имеет форму «пилы» (фиг.3а), т.е. конечную скорость нарастания. Как показывает анализ типовых структур двухтактных эмиттерных повторителей, угол γ₀ наклона кривой u₃=f(t) к оси времени tgγ₀≠90°, а время фронта t_ф.МДК лежит для современных биполярных технологий (НПО «Интеграл», ФГУП КПП «Пульсар») в пределах 10÷20 нс. Поэтому закон изменения импульсов тока через двухполюсник 13 и импульсов выходных токов повторяет закон изменения u₃(t):

где R₁₃ - сопротивление двухполюсника 13.

Сравнительно большие значения фронта t_ф.МДК (фиг.3) не позволяют создавать на базе известных мостовых ДК быстродействующие ОУ с предельно высокими значениями максимальной скорости нарастания выходного напряжения ϑ_ВЫХ, которая определяется передним фронтом тока . Это объясняется тем, что быстродействие МДК должно быть значительно больше, чем быстродействие ОУ с МДК в целом, так как МДК «включается» в работу и форсирует процессы перезаряда самого инерционного элемента схемы (корректирующей емкости ОУ С_к) только во время фронта выходного напряжения ОУ t_ф.ОУ, которое связано с максимальной скоростью нарастания выходного напряжения (ϑ_вых) следующей приближенной формулой:

где Е_п - напряжение питания ОУ, t_ф.ОУ - время фронта выходного напряжения ОУ при 100% обратной связи. В быстродействующих ОУ должно быть

Если проектируемый ОУ имеет ϑ_дых=5000 В/мкс и Е_п=15 В, то должно быть t_ф.ОУ≈3,0 нс.

С учетом формул (1)-(3) можно найти, что при заданной величине ϑ_вых в схеме фиг.2 должно выполняться неравенство

Из формулы (4) следует, что при рассматриваемых параметрах элементов МДК-прототип не эффективен, если на его основе необходимо спроектировать ОУ, имеющий максимальную скорость нарастания выходного напряжения более 1000 В/мкс. Указанное обстоятельство становится еще более доминирующим при работе транзисторов двухтактных эмиттерных повторителей в микрорежиме, когда t_ф.МДК еще более возрастает.

Таким образом, невысокое предельное быстродействие известного устройства в режиме больших сигналов ограничивает быстродействие различных аналоговых устройств, в т.ч. операционных усилителей на его основе, НЧ-усилителей мощности с обратной связью и т.п.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении быстродействия входного каскада. Это позволит получить максимальную скорость нарастания выходного напряжения в ОУ на его основе (ϑ_вых) в диапазоне нескольких тысяч вольт на микросекунду при использовании отечественных микронных технологий (5000÷10000 В/мкс).

Поставленная цель достигается тем, что в известном дифференциальном усилителе-прототипе, содержащем первый 1 двухтактный эмиттерный повторитель, который имеет потенциальный вход 2 и потенциальный выход 3, а также токовый выход 4, согласованный с шиной положительного источника питания 5, и токовый выход 6, согласованный с шиной отрицательного источника питания 7, второй двухтактный эмиттерный повторитель 8, который имеет потенциальный вход 9 и потенциальный выход 10, а также токовый выход 11, согласованный с шиной положительного источника питания 5, и токовый выход 12, согласованный с шиной отрицательного источника питания 7, причем между потенциальным выходом 3 первого 1 двухтактного эмиттерного повторителя и потенциальным выходом 10 второго 8 двухтактного эмиттерного повторителя включен двухполюсник 13, предусмотрены новые элементы и связи - вход 2 первого двухтактного эмиттерного повторителя 1 соединен с потенциальным выходом 10 второго 8 двухтактного эмиттерного повторителя через первую группу встречно-параллельно включенных р-n переходов 14.

Типы корпусов. Корпус интегральной микросхемы (ИМС) — это герметичная несущая система и часть конструкции, предназначенная для защиты кристалла интегральной схемы от внешних воздействий и для электрического соединения с внешними цепями посредством выводов. Для упрощения технологии автоматизированной сборки (монтажа) РЭА, включающей в себя ИМС, типоразмеры корпусов ИМС стандартизованы.

В советских (российских) корпусах ИМС расстояние между выводами (шаг) измеряется в миллиметрах; для корпусов типа 1 и 2 2—2,5 мм, для корпуса типа 3 под углом 30 или 45° и для типа 4 — 1,25 мм.

Зарубежные производители ИМС измеряют шаг в долях дюйма, милах (1/1000 дюйма) или используют величину 1/10 или 1/20 дюйма, что в переводе в метрическую систему соответствует 2,54 и 1,27 мм.

В современных импортных корпусах ИМС, предназначенных для поверхностного монтажа, применяют и метрические размеры: 0,8 мм; 0,65 мм и другие.

Выводы корпусов ИМС могут быть круглыми, диаметром 0,3—0,5 мм или прямоугольными, в пределах описанной окружности 0,4—0,6 мм.

ИМС выпускаются в двух конструктивных вариантах — корпусном и бескорпусном.

При монтаже ИМС на поверхность печатной платы необходимо принять все меры по недопущению деформации корпуса. С одной стороны, должна обеспечится механическая прочность монтажа, гарантирующая устойчивость к механическим нагрузкам, с другой — определённая «гибкость» крепления, что бы возможная в процессе нормальной эксплуатации деформация печатной платы не превысила допустимые пределы механической нагрузки на корпус ИМС, результатом чего может стать негативные последствия от растрескивания корпуса ИМС с последующей потерей герметичности до отрыва подложки от корпуса.

Кроме того, схема размещения корпусов ИМС на печатной плате, зависящая от конструкции платы и компоновки на ней элементов, должна обеспечить:

· эффективный отвод тепла за счёт конвекции воздуха или с помощью теплоотводов,

· возможность покрытия влагозащитным лаком, без попадания его на места, не подлежащие покрытию

· свободный доступ к любой ИМС для её монтажа/демонтажа.

Бескорпусная микросхема — это полупроводниковый кристалл, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку (возможен непосредственный монтаж на печатную плату). Обычно, после монтажа, микросхему покрывают защитным лаком или компаундом, с целью предотвратить или снизить влияние на кристалл негативных факторов окружающей среды. Большая часть выпускаемых микросхем предназначена для отправки конечному потребителю, и это вынуждает производителя предпринимать меры по сохранности кристалла и самой микросхемы. Для уменьшения действия окружающей среды на время доставки и хранения у конечного покупателя, полупроводниковые кристаллы разным способом упаковывают. Самые ранние интегральные схемы упаковывались в плоские керамические корпуса. Такой тип корпусов широко используется военными из-за его надежности и небольшого размера. Коммерческие микросхемы перешли к корпусам DIP (англ. Dual In-line Package), сначала изготавливаемым из керамики, а затем из пластика. В 1980-х годах количество контактов СБИС превысило возможности DIP корпусов, что привело к созданию корпусов PGA (англ. pin grid array) и LCC (англ. leadless chip carrier). В конце 80-х, с ростом популярности поверхностного монтажа, появляются корпуса SOIC (англ. Small-Outline Integrated Circuit), имеющие на 30-50 % меньшую площадь чем DIP и на 70 % более тонкие и корпуса PLCC (англ. Plastic leaded chip carrier). В 90-х начинается широкое использование plastic quad flat pack (PQFP) и TSOP (англ. thin small-outline package) для интегральных схем с большим количеством выводов. Для сложных микропроцессоров, особенно для устанавливаемых в сокеты, используются PGA-корпуса. В настоящее время, Intel и AMD перешли от корпусов PGA к LGA (англ. land grid array, разъем с матрицей контактных площадок).

Корпуса BGA (англ. Ball grid array) существуют с 1970-х годов. В 1990-х годах были разработаны корпуса FCBGA (BGA, собраннаяметодом перевернутого кристалла), допускающие намного большее количество выводов, чем другие типы корпусов. В FCBGA кристалл монтируется в перевернутом виде и соединяется с контактами корпуса через столбики (шарики) припоя. Монтаж методом перевернутого кристалла позволяет располагать контактные площадки по всей площади кристалла, а не только по краям.

В настоящее время активно развивается подход с размещением нескольких полупроводниковых кристаллов в едином корпусе, так называемая «Система-в-корпусе» (англ. System In Package, SiP) или на общей подложке, часто керамической, так называемыйMCM (англ. Multi-Chip Module).

Корпуса ИМС, производимых в СССР[править | править вики-текст]