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    2024年第54卷第1期
      动态与综述
    • 方胜利,任文君,赵淑景,王瑞麟,刘卫华,李昕,张国和,王小力,耿莉,韩传余

      2024,54(1):1-16, DOI:

      Abstract:

      近年来,随着人工智能技术和脉冲神经网络(SNN)的迅猛发展,人工脉冲神经元的研究逐渐兴起。人工脉冲神经元的研究对于开发具有人类智能水平的机器人、实现自主学习和自适应控制等领域具有重要的应用前景。传统的电子器件由于缺乏神经元的非线性特性,需要复杂的电路结构和大量的器件才能模拟简单的生物神经元功能,同时功耗也较高。因此,最近研究者们借鉴生物神经元的工作机制,提出了多种基于忆阻器等新型器件的人工脉冲神经元方案。这些方案具有功耗低、结构简单、制备工艺成熟等优点,并且在模拟生物神经元的多种功能等方面取得了显著进展。文章将从人工脉冲神经元的基本原理出发,综述和分析目前已有的各种实现方案。具体来说,将分别介绍基于传统电子器件和基于新型器件的人工脉冲神经元的实现方案,并对其优缺点进行比较。此外,还将介绍不同类型的人工脉冲神经元在实现触觉、视觉、嗅觉、味觉、听觉和温度等神经形态感知方面的应用,并对未来的发展进行展望。希望能够为人工脉冲神经元的研究和应用提供有益的参考和启示。

    • 张学峰,邓斌,张庆山

      2024,54(1):17-24, DOI:

      Abstract:

      铜互连阻挡层材料起到防止铜与介质材料发生扩散的重要作用。因此,阻挡层材料需要满足高稳定性、与铜和介质材料良好的粘附性以及较低的电阻。自1990年代以来,氮化钽/钽(TaN/Ta)作为铜的阻挡层和衬垫层得到了广泛的应用。然而,随着晶体管尺寸微缩,互连延时对芯片速度的影响越来越重要。由于TaN/Ta的电阻率高且无法直接电镀铜,已经逐渐难以满足需求。文章综述了铜互连阻挡层材料的最新进展,包括铂族金属基材料、自组装单分子层、二维材料和高熵合金,以期对金属互连技术的发展提供帮助。

    • 电路与系统设计
    • 李京羊,万辉,王定洪,刘兴辉

      2024,54(1):25-31, DOI:

      Abstract:

      设计了一种10 bit 120 MS/s高速低功耗逐次逼近模数转换器(SAR ADC)。针对功耗占比最大的CDAC模块,基于电容分裂技术并结合C-2C结构,提出了一种输出共模保持不变的双电平高能效开关控制策略;在降低CDAC开关功耗的同时,摆脱了CDAC开关过程中对中间共模电平的依赖,使得该结构适用于低电压工艺。在速度提升方面,控制逻辑使用异步逻辑进行加速;比较器采用一种全动态高速结构,在保证精度的前提下其工作频率达到3 GHz;CDAC中插入冗余位,以降低高位电容对充电时间的要求。所设计的SAR ADC使用40 nm CMOS 工艺实现,采用1.1 V低电压供电。在不同工艺角下进行性能仿真,结果显示,在120 MHz采样率下,有效位数为9.86 bit,无杂散动态范围为72 dB,功耗为2.1 mW,优值为18.9 fJ/(conv·step)。

    • 吴旭鹏,张理振,费宏欣,任静,周雅轩,方玉明

      2024,54(1):32-37, DOI:

      Abstract:

      利用分段式电阻串结构,基于CMOS工艺设计了一款12位3.4 MHz低功耗数模转换器(DAC)芯片。结合建立速度和静态性能的设计指标,确定“5+7”式分段结构,在保证建立速度的条件下考虑到电阻的失配性,实现良好的微分非线性(DNL)和积分非线性(INL)特性。后仿真结果表明,在3.4 MHz速度下,常温下DNL为0.14 LSB,INL为1 LSB,在-40~125 ℃下,DNL为0.6 LSB,INL为2 LSB,并且表现出-84 dB的总谐波失真(THD),以及在3 V电压下378 μW的极低功耗,版图面积缩小到1.09 mm×0.91 mm。

    • 彭蠡霄,汪东,李振涛,邓欢,龙睿

      2024,54(1):38-44, DOI:

      Abstract:

      基于55 nm CMOS工艺,设计了一种级间运放共享的级联噪声整形(MASH)结构Σ-Δ调制器。采用2-2 MASH结构对调制器参数进行了设计。对经典结构的开关电容积分器进行了改进,并应用到调制器电路的设计中,实现了两级调制器之间的运放共享,在达到高精度的同时减少了运放的数量,显著降低了MASH结构调制器的功耗。仿真结果表明,在3.3 V电源电压下,调制器信噪失真比为111.7 dB,无杂散动态范围为113.6 dB,整体功耗为16.84 mW。

    • 彭欢庆,王金婵,赵芃,张金灿,樊云航,张立文

      2024,54(1):45-53, DOI:

      Abstract:

      针对无线接收机需要对不同强度信号进行不同程度放大的要求,采用WIN公司的0.15 μm GaAs pHEMT工艺设计了一款工作频段为5G通信频段3~5 GHz的可变增益低噪声放大器。该放大器包含两级放大电路,均采用自偏置结构,降低了端口数量,通过调节第二级放大电路的控制电压在0至5 V之间变化,可实现系统增益的连续可调范围约39.3 dB(-3.5~35.8 dB)。放大器版图尺寸为0.94×1.24 mm2。控制电压为0 V时,系统噪声为0.53±0.01 dB,增益为35.5±0.35 dB,中心频点4 GHz处,OP1dB为13.2 dBm,OIP3达到32.7 dBm,表明系统具有良好的线性度。

    • 张祖静,冯全源,刘恒毓

      2024,54(1):54-59, DOI:

      Abstract:

      为了改善传统带隙基准中运放输入失调影响电压精度和无运放带隙基准电源抑制差的问题,设计了一款基于0.35 μm BCD工艺的自偏置无运放带隙基准电路。提出的带隙基准源区别于传统运放箝位,通过负反馈网络输出稳定的基准电压,使其不再受运算放大器输入失调电压的影响;在负反馈环路与共源共栅电流镜的共同作用下,增强了输出基准的抗干扰能力,使得电源抑制能力得到了保证;同时采用指数曲率补偿技术,使得所设计的带隙基准源在宽电压范围内有良好的温度特性;且采用自偏置的方式,降低了静态电流。仿真结果表明,在5 V电源电压下,输出带隙基准电压为1.271 V,在-40~150 ℃工作温度范围内,温度系数为5.46 ×10-6/℃,电源抑制比为-87 dB @ DC,静态电流仅为2.3 μA。该设计尤其适用于低功耗电源管理芯片。

    • 邓家雄,冯全源

      2024,54(1):60-65, DOI:

      Abstract:

      基于SMIC 0.18 μm CMOS工艺,设计了一种基于电容充放电的新型低功耗时钟发生器。为了减小温度变化引起的频率波动,设计了负温度系数偏置电路。采用了传统的占空比调节电路,可调节振荡波形的占空比。仿真结果显示,在3.3 V电源电压下,该振荡器可以稳定输出7.16 MHz频率的信号,相位噪声为-104.4 dBc/Hz,系统功耗为1.411 mW,其中环形振荡器功耗为0.811 mW。在-40 ℃~110 ℃温度变化范围内,振荡器的频率变化为7.116~7.191 MHz,容差在1.05%以内。同其他时钟发生器相比,该电路具有结构简单、功耗低,以及在宽温度范围内具有较高的频率稳定性等显著特点,能够满足芯片的工作要求,为芯片提供稳定时钟。

    • 赵俊杰,顾洺潇,徐宁,钟国强,周泽钊,常玉春

      2024,54(1):66-72, DOI:

      Abstract:

      提出了一种基于频差自校准的高精度RC振荡器。通过对PTAT高频环形振荡器时钟计数,得到RC振荡器和参考时钟的计数偏差。数字自校准电路通过电阻阵列校准参考电压,减小计数偏差,进而得到稳定的振荡频率。参考时钟仅在工作前校准,实际工作中不需要额外的参考时钟。该RC振荡器采用CSMC 0.18 μm工艺,工作电压为1.8 V。仿真结果表明,该电路可以产生2 MHz的稳定振荡频率,整个系统的功耗为48.4 μW,启动时间小于15 μs。在-40~125 ℃温度范围内,振荡频率变化率小于±0.2%。在1.70~1.98 V供电电压范围内,振荡频率变化率小于±0.25%/V。

    • 周朝阳,刘云涛,王立晶,方硕

      2024,54(1):73-78, DOI:

      Abstract:

      设计了一种采用0.18 μm CMOS工艺制作的基于斩波拓扑的高精度RC振荡器。该结构对比较器失调有较好的抑制效果,并补偿了比较器传输延时对输出时钟频率的影响,达到了较好的温度特性。同时使用LDO对振荡器的主体电路供电,有效抑制了电源电压波动对输出频率的影响。另外该振荡器使用电容修调网络,减小了工艺漂移对中心频率的影响。仿真结果表明,所设计的振荡器在不同工艺角下均可以通过修调将频率校准至典型值2 MHz。在-40~125 ℃的温度范围内,输出频率的波动仅为0.87%。在3~6 V的电源电压范围,输出频率的波动仅为0.21%。与同类型的片上RC振荡器相比,该电路对温度、电源电压和工艺的漂移有更好的抑制作用。

    • 罗山焱,罗丹,金雷,莫彦祎

      2024,54(1):79-84, DOI:

      Abstract:

      基于SMIC 40 nm CMOS工艺设计了一款工作频率覆盖5 ~20 GHz的超宽带6位移相器。该移相器采用矢量合成结构,核心电路包括输入巴伦、正交信号发生器、矢量合成器和数模转换电路。正交信号发生器采用三级多相滤波结构,拓展了带宽。采用低误差和电流阵列控制结构的矢量合成器,实现了高的移相精度。后仿真结果表明,该移相器输入和输出回波损耗分别小于8.85 dB和10.12 dB,RMS相位误差小于1.52°,RMS增益误差小于0.17 dB。在2.5 V电源电压下功耗为43.50 mW。芯片面积为1.06 mm×0.80 mm。

    • 郝欧亚,刘章发

      2024,54(1):85-91, DOI:

      Abstract:

      基于中芯国际40 nm CMOS工艺设计并实现了一种超宽带6位数字衰减器,其工作频率为10.4~28 GHz。该衰减器采用内嵌式开关型结构,6位衰减单元的设计采用T型、桥T型和π型三种拓扑结构。该6位衰减器可以实现0.5 dB的衰减步进,31.5 dB的动态衰减范围。采用大衰减量幅度补偿电路和高匹配特性的衰减位级联结构,衰减器在10.4~28 GHz的频段范围内具有平坦的64态衰减量,衰减器的整体前仿真插入损耗为1.73~2.08 dB,后仿真插入损耗为4.32~6.31 dB,64态的输入输出回波损耗均小于-10 dB。

    • 李楠星,张万荣,谢红云,金冬月,那伟聪,高文静,任衍贵,吴银烽

      2024,54(1):92-97, DOI:

      Abstract:

      提出了一种新型的品质因数(Q)与电感值(L)可相互独立调谐的低噪声有源电感。该电感主要由双回转器、调制支路、可调反馈电阻、跨导增强支路和噪声抑制单元构成。其中,双回转器是由第一回转回路和第二回转回路并联而成,获得了大电感值;调制支路不仅能减小等效并联电阻,提高Q值,还可实现对电感值的大范围调谐;可调反馈电阻不仅能增大Q值,还能实现对Q值的独立调节,也能补偿因调谐L值引起的Q值的变化;跨导增强支路和噪声抑制单元分别降低了第一回转回路和第二回转回路的噪声,从而降低有源电感的整体噪声。最终,通过上述电路模块的紧密配合及所配置的三个外部调控端电压的深度协作,实现了Q值与L值可相互独立调谐以及低噪声的优异特性。仿真结果表明,该有源电感在3.8 GHz频率下,Q峰值可从674调节到5 083,调谐率为153.2%,而L值变化率仅为0.3%;在3.65 GHz下,L值可由6.1 nH调节到15.5 nH,调谐率高达87%,而与之对应的Q值的变化率仅为3.7%;在2~6 GHz范围内,有源电感的最大和最小输入噪声分别为5.29 nV/Hz和1.75 nV/Hz。

    • 宋金达,张万荣,谢红云,金冬月,那伟聪,王雪,张辉,楚尚勋,曹健

      2024,54(1):98-103, DOI:

      Abstract:

      提出了一种Q-频率特性增强的低噪声压控有源电感(VCAI),电路主要由双反馈回路、前馈支路及两个电流镜共四个模块构成。其中,双反馈回路一方面用于构成回转器以实现电感特性,另一方面用于产生负阻以提高Q值,并为其配置两个调控端以实现对Q值和电感值的调节;而两个电流镜也配置了两个外部调控端,用来改变电路直流偏置以进一步对Q值和电感值进行调节;前馈支路与回转器的正跨导器相连,以改善VCAI的噪声。最终,通过四个模块相互配合以及四个调控端的协同调控,使得VCAI的Q-频率特性得到增强,即不但在同一频率下Q峰值可以相对于电感值独立调节,而且在不同频率下Q峰值可以基本保持不变,还具有低的噪声。验证结果表明,在3 GHz频率下,Q峰值可从135大范围调节到1 132,而电感值仅从43.50 nH到43.89 nH范围内微弱变化;在2 GHz、3.4 GHz和5 GHz不同频率下,Q峰值分别为682、659和635,变化率仅为6.8%;在1 GHz下,VCAI的输入参考噪声电压为3.2 nV/Hz,相比于未加入前馈支路的9.2 nV/Hz降低了6 nV/Hz。

    • 崔庆林,李永

      2024,54(1):104-109, DOI:

      Abstract:

      分析了Sepic和Flyback拓扑结构,根据DC/DC模块电源对辅助电源的需求,提出了Sepic和Flyback混合拓扑的辅助电源,能够输出多路不同幅值电压,并且可以实现各路输出电压之间的隔离。利用状态空间平均法建立了Sepic拓扑的小信号模型,设计了电压和电流双环控制的补偿器,并用Matlab仿真软件进行了分析。该辅助电源应用于一款非隔离的宽范围输入且输出可调的DC/DC模块电源,实现了三路互相隔离的12 V输出电压,一路非隔离的6 V输出电压,输出电压波形稳定,能够满足隔离悬浮供电,也能满足不同芯片对电压范围的要求。

    • 半导体器件与工艺
    • 钱图,代红丽,周春行,陈威宇

      2024,54(1):110-115, DOI:

      Abstract:

      近年来,随着汽车电子和电源驱动的发展,集成度较高的LDMOS作为热门功率器件受到了关注,如何提高其击穿电压与降低其比导通电阻成为提高器件性能的关键。基于SOI LDMOS技术,文章提出了在被4 μm的高K介质膜包围的SiO2沟槽中引入垂直场板的新型结构。与传统沟槽LDMOS相比,垂直场板和高K介质膜充分地将电势线引导至沟槽中,提高了击穿电压。此外垂直场板与高K介质和漂移区形成的MIS金属-绝缘层-半导体电容结构能增加漂移区表面的电荷量,降低比导通电阻。通过二维仿真软件,在7.5 μm深的沟槽中引入宽0.3 μm、深6.8 μm的垂直场板,实现了具有300 V的击穿电压和4.26 mΩ·cm2的比导通电阻,以及21.14 MW·cm-2的Baliga品质因数的LDMOS器件。

    • 肖蝶,冯全源,李嘉楠

      2024,54(1):116-121, DOI:

      Abstract:

      为了优化浮空P区IGBT结构的电磁干扰噪声(EMI)与开启损耗(Eon)的折中关系,提出一种假栅沟槽连接多晶硅阻挡层的浮空P区IGBT结构。新结构在浮空P区内引入对称的两个假栅沟槽,并通过多晶硅层连接。假栅沟槽将浮空P区分为三部分,减少了栅极沟槽附近的空穴积累,降低了栅极的固有位移电流。二维结构仿真表明,在小电流开启时,该结构与传统结构相比,栅极沟槽空穴电流密度减小90%,明显降低了集电极电流(ICE)过冲峰值和栅极电压(VGE)过冲峰值,提高了栅极电阻对dICE/dt和dVKA/dt的控制能力。在相同的开启损耗下,新结构的dICE/dt、dVCE/dt和dVKA/dt最大值分别降低32.22%、38.41%和12.92%,降低了器件的EMI噪声,并改善了器件EMI噪声与开启损耗的折中关系。

    • 高兰艳,冯全源,李嘉楠

      2024,54(1):122-126, DOI:

      Abstract:

      为了改善硅功率器件击穿电压性能以及改善IGBT电流的流动方向,提出了一种沟槽-场限环复合终端结构。分别在主结处引入浮空多晶硅沟槽,在场限环的左侧引入带介质的沟槽,沟槽右侧与场限环左侧横向扩展界面刚好交接。结果表明,这一结构改善了IGBT主结电流丝分布,将一部分电流路径改为纵向流动,改变了碰撞电离路径,在提高主结电势的同时也提高器件终端结构的可靠性;带介质槽的场限环结构进一步缩短了终端长度,其横纵耗尽比为3.79,较传统设计的场限环结构横纵耗尽比减少了1.48%,硅片利用率提高,进而减小芯片面积,节约制造成本。此方法在场限环终端设计中非常有效。

    • 朱洪强,邵如梦,赵郑豪,杨航,汤谨溥,蔡志匡

      2024,54(1):127-133, DOI:

      Abstract:

      求解椭圆方程的局部间断Galerkin(LDG)方法具有精度高、并行效率高的优点,且能适用于各种网格。文章提出采用LDG方法来求解IC版图中电势分布函数满足的Laplace方程,从而给出了一个提取互连线电容的新方法。该问题的求解区域需要在矩形区域内部去掉数量不等的导体区域,在这种特殊的计算区域上,通过数值测试验证了LDG方法能达到理论的收敛阶。随着芯片制造工艺的发展,导体尺寸和间距也越来越小,给数值模拟带来新的问题。文章采用倍增网格剖分方法,大幅减小了计算单元数。对包含不同数量和形状导体的七个电路版图,用新方法提取互连线电容,得到的结果与商业工具给出的结果非常接近,表明了新方法的有效性。

    • 朱越,王德波

      2024,54(1):134-140, DOI:

      Abstract:

      为了提高电容式MEMS微波功率检测芯片的性能,设计了一种GaAs基高性能MEMS微波功率传感芯片。通过建立双导固支梁电容模型,分析了传感芯片的传输特性、过载功率与灵敏度特性。在双导固支梁电容模型中提出了平行极板的两个等效条件;同时提出了一种新的梁宽等效方式,解决了双梁结构等效梁宽的失配问题,减小了模型的相对误差。双导固支梁电容模型很好地解释了导向梁的厚长比与初始高度对传感器过载功率和灵敏度的影响。测试结果表明,双导固支梁MEMS微波功率传感芯片在200 mW输入功率内的灵敏度为14.3 fF/W,而灵敏度的理论值为13.5 fF/W,两者的相对误差仅5.6%。因此,该理论模型对固支梁MEMS微波功率传感芯片的设计具有一定的借鉴意义。

    • 易波,徐艺,马克强,王思亮,蒋兴莉,胡强,程骏骥,杨洪强

      2024,54(1):141-144, DOI:

      Abstract:

      通过离子注入优化,成功研制了一款六角形元胞设计的1 200 V/20 A的具有低泄漏电流和高浪涌电流能力的SiC MPS芯片。在25 ℃和175 ℃下的测试结果表明,导通压降VF分别为1.48 V和2.03 V;归功于优化的离子注入和元胞设计,1 200 V耐压时,肖特基界面的最强电场强度仅为1.25 MV/cm。研制的MPS的泄漏电流仅为4.3 μA(@25 ℃)和13.7 μA(@175 ℃)。并且25 ℃和150 ℃下测试的浪涌电流高达258 A和252 A,约为额定电流的13倍。

    • 王新,丛凡超,罗明海

      2024,54(1):145-148, DOI:

      Abstract:

      采用磁控溅射“共溅射”方法,将Ar气作为溅射气体,高纯NiO和MgO双陶瓷靶作为溅射靶材。当控制NiO和MgO靶的溅射功率分别为190 W和580 W,溅射真空度为2 Pa,衬底温度为300 ℃时,得到了Mg掺杂的NiO(Ni0.61Mg0.39O)薄膜。该薄膜是一种具有(200)择优取向的晶态薄膜。薄膜表面比较平整,晶粒分布致密,晶粒尺寸约46.9 nm。(200)衍射峰位置相对未掺杂的NiO薄膜向小角度偏移约0.2°。合金薄膜在可见光波段具有较大的透过率,而在300 nm附近透过率陡然下降,其光学带隙向高能方向移动到了3.95 eV。该研究为采用磁控溅射制备高质量的Mg掺杂的NiO薄膜提供了技术支撑。

    • 郭静静,宁雪洁,蔡志匡

      2024,54(1):149-155, DOI:

      Abstract:

      在不同工艺角下,关键路径呈现显著差异,因此需要进行大量的静态时序分析,从而导致时序分析运行时间较长。与此同时,随着工艺尺寸的缩小,静态时序分析的精度问题变得不容忽视。本文提出一种基于机器学习的适用于众工艺角下的延迟预测方法,考虑工艺、电压和温度对时序的影响,利用基于自注意力Transformer模型对关键路径进行全局聚合编码,预测众工艺角下关键路径的统计延迟。在EPFL基准电路下进行验证,结果表明该方法的平均绝对误差范围为5.8%~9.4%,有良好的预测性能,可以提高时序分析的准确度和效率,进而缩短数字电路设计周期和设计成本。

    • 产品与可靠性
    • 雷婉,刘丹,王立辉,李清,俞军

      2024,54(1):156-164, DOI:

      Abstract:

      随着FPGA在商业、国防等领域的广泛应用,出现了很多针对FPGA的攻击方法,电路安全性面临着极大挑战。为了进一步研究FPGA的安全机制,文章介绍了一种新的侧信道分析(SCA)方法,并首次在Xilinx Virtex-7芯片上分析了加密位流在加载过程中存在的安全漏洞。相比之前的攻击目标,Virtex-7芯片规模更大,采集的信号信噪比更低,攻击难度更大。之前的研究使用的是SASEBO或SAKURA这类专为SCA设计的测试板,而该文的分析是第一个在Xilinx官方评估板上进行的实例,由于官方评估板不是针对侧信道信号采集设计的电路板,因此需要经过处理才能获得足够的信噪比。使用电磁辐射作为侧信道测量值,在80万条电磁曲线内就能够获得一组密钥。通过密钥解密,得到明文位流,攻击者就能够对FPGA进行逆向分析、克隆等操作,从而影响FPGA的安全。

    • 陈朝晖,张弛,徐鹏,曾维,吴家金,苏炜,陈宋郊,王强

      2024,54(1):165-170, DOI:

      Abstract:

      随着晶圆工艺节点的发展,封装集成度越来越高,封装有机基板的线宽和线距逐步减少,微通孔的数量增加,微通孔的孔径减少。球栅阵列(BGA)封装有机基板的微通孔失效一直是影响 高性能和高密度芯片封装可靠性的主要问题。针对有机基板微通孔失效的问题,通过温度循环可靠性试验、有限元分析方法、聚焦离子束、扫描电子显微镜以及能谱仪等表征手段,系统研究了-65 ℃~ 150 ℃与-55 ℃~125 ℃ 500次温度循环加载条件下倒装焊的失效模式。结果表明,在-65 ℃~ 150 ℃ 温度循环条件下,有机基板微通孔由温度循环疲劳应力而产生微通孔分层,仿真表明-65 ℃~ 150 ℃下基板平均等效应力增加约8 MPa;通过改善散热盖结构,等效应力降低了21.4%,且能通过-65 ℃~150 ℃ 500次温度循环的可靠性验证,满足高可靠性的要求。

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    2024年第54卷第1期
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    2024年第54卷第1期
      半导体器件与工艺
    • 李金龙,江凯,朱虹姣,邱盛

      2023,53(5):930-937, DOI:

      Abstract:

      针对采用10号钢为基材的K1-5型外壳的芯片裂纹问题,对其共晶应力进行了仿真,并尝试对工艺过程进行仿真优化。结果表明,无论采用何种缓慢或快速的散热方式,都不能从根本上改变10号钢与Si芯片因热膨胀系数的巨大差异而导致的热应力。通过比较三种不同的管壳材料可知,以可伐材料为基体的K1-5管壳的共晶热应力最低,为316 MPa,而以10号钢为基体的热应力最高,为19 800 MPa,远远超出了硅芯片的极限断裂强度544 MPa。根据应力的基本理论,可伐与Si芯片的热膨胀系数的差异最小,无氧铜次之,而10号钢为最大,这也是以10号钢为基体的K1-5管壳在共晶时芯片开裂的根本原因。将管壳基材更换为可伐材料,仿真分析和实际试验结果均证明该管壳能够有效解决芯片开裂的问题。

    • 电路与系统设计
    • 彭宣霖, 李航标, 陈剑洛, 王新宇, 付松林, 罗萍

      2014(5):601-605, DOI:

      Abstract:

      提出了一种应用于最小能量追踪系统的改进型高速低功耗动态比较器。通过在锁存比较器中引入额外的正反馈,使得动态比较器具有响应速度更快、功耗更小的优点,同时电路规模与版图面积基本保持不变。基于65 nm CMOS工艺的HSPICE仿真显示,所提出的动态比较器在输入电压差为1 mV时,传输延迟仅为1.82 ns,较未改进之前的3.57 ns,传输延迟大幅度减小。

    • 邓扬扬, 冯全源, 杨林才

      2014(5):592-596, DOI:

      Abstract:

      提出了一种高压Buck转换器自举供电电路。该电路直接由芯片外部电源对自举电容充电,具有快速响应和大驱动电流等特点,满足大尺寸N型功率开关管的驱动要求。本设计适用于具有轻载高效模式的高压Buck转换器,在高端和低端开关管不工作时,能较好地对自举电容充电,解决了传统自举电路在低端管不工作时,无法稳定调节自举电压的问题。采用0.25 μm UMC工艺库仿真,结果显示,只需满足输入电压要求,即使低端开关管不工作,且负载具有较高电压时,该电路也能将自举电压维持在3.6 V以上,提高了转换器的可靠性。

    • 动态与综述
    • 朱进宇,闫峥,苑乔,张少真

      2020,50(2):219-226, DOI:

      Abstract:

      目前,最先进的CMOS工艺逐渐逼近单原子尺度,单纯靠工艺进步来推动发展的时代即将结束,集成电路发展将进入“后摩尔时代”。在“后摩尔时代”,集成电路的发展不会随着“摩尔定律”失效而终结,相反,以应用为导向的需求将使集成电路呈现出更加旺盛的发展活力。在边缘计算、人工智能、5G/物联网等应用需求快速兴起的背景下,从集成电路涉及的材料、器件、工艺、设计、封装、新理论及方法学等方面,详细介绍了“后摩尔时代”集成电路最新进展,分析其发展趋势。最后,简要介绍了未来可能对集成电路当前技术路线产生颠覆性影响的二维器件、量子计算等前沿领域的进展,并进行了展望。

    • 电路与系统设计
    • 夏婷婷, 贺雅娟, 甄少伟, 甘武兵

      2014(5):597-600, DOI:

      Abstract:

      随着工艺技术的进步,基于CMOS工艺的全数字时间数字转换器(TDC)受到了广泛关注,在测量、测距、计量等领域得到了广泛应用。提出了一种具有自校准算法、结构简单、测量精度稳定的全数字TDC设计方案。可通过专用全数字集成电路设计流程进行快速设计并实现,电路具有面积小、功耗低、成本低、可移植性强等优点。使用Verilog HDL语言进行RTL级描述,运用Design Compiler进行综合,产生门级网表,通过VCS和Hspice进行仿真验证。应用自校准算法后,与现有的TDC设计方法相比,电路的INL得到了明显提高,满足大量程、稳定精度的测量要求。

    • 赵宁, 宋奎鑫, 童伟

      2014(5):634-639, DOI:

      Abstract:

      设计了一种快速瞬态响应LDO。采用缓冲级结构的增强电路,使功率器件在负载瞬态变化时,栅极能够及时响应,从而避免了较大的电压上冲与下冲。加入缓冲级电路以后,系统的稳定性变差,采用密勒补偿和前馈补偿对其进行频率补偿,增加系统的相位裕度,使系统稳定。采用CSMC 0.5 μm工艺,利用Cadence工具完成了整体电路的设计、前仿真、物理版图设计和后仿真,并进行了流片。测试结果表明,设计的LDO输出电压为2.5 V,负载电流在10 mA和300 mA之间变化时,电压最大变化48 mV,响应时间为12.4 μs。

    • 张俊安,肖怡,徐金贵,李新星,李铁虎

      2023,53(3):413-418, DOI:

      Abstract:

      设计了一种10位电阻串分压加6位内插结构的16位电压输出型D/A转换器。高10位采用1 024个电阻串分压网络,低6位采用64个运放输入级内插结构,均采用温度计的方式进行线性叠加,从结构上保证了16位D/A转换器的单调性。该D/A转换器的输出运放采用了PMOS输入折叠式共源共栅加Class AB输出缓冲结构、多级嵌套式密勒补偿(NMCNR),实现了高直流增益和大电容负载下的稳定性。该16位D/A转换器基于0.6 μm CMOS工艺设计,在5 V电源电压下,仿真结果表明,微分非线性误差为0.35 LSB,积分非线性误差为3.05 LSB,建立时间为6.12 μs,无杂散度动态范围(SFDR)为93.41 dB,功耗为1.84 mW。在接470 pF电容负载的条件下,输出运放直流增益为150.63 dB,单位增益带宽为1.59 MHz,相位裕度为65.84°。

    • 动态综述
    • 刘沛, 王健安, 赖凡

      2018,48(5):663-666, DOI:

      Abstract:

      目前,美国仍然占据世界国防军事微电子科学技术的主导地位,是军用微电子发展战略思想的引领者。长期以来,美国国防高级研究计划局(DARPA)策划并成功组织实施了许多先进军用集成电路发展项目。射频集成电路(RFIC)是实现通信、雷达、电子战系统的关键器件,是DARPA大力发展的重要技术之一。通过分析DARPA军用RFIC系列项目的现状和未来发展规划,提出了高速、高频、宽带、智能化的RFIC技术发展趋势。

    • 电路与系统设计
    • 范东风, 沈红伟, 王立芳, 王岩

      2017,47(4):451-456, DOI:

      Abstract:

      提出了一种基于开关电容的基准电压源,其输出基准电压低于1.25 V。通过增加输出级电路,保证了连续时间内输出稳定的基准电压。采用开关电容电路消除了运放输入失调电压的不利影响。采用SMIC 0.13 μm EEPROM工艺进行了流片,电路面积为0.007 mm2。测试结果表明,该基准电压源在常温下输出的基准电压为820 mV,在1.1~1.7 V电源电压范围内的电压调整率为2.336 mV/V,在-40 ℃~80 ℃范围内的温度系数为6.75×10-5/℃。

    • 余海生

      2014(5):629-633, DOI:

      Abstract:

      具有时序控制的开关电源正在毫米波系统中得到广泛应用。分析了时序控制的基本原理,对影响电源时序控制的各种因素进行了探讨,对现有的时序控制方案进行了分析,提出了开关电源时序控制的基本方法。基于以上方法,较全面地评估了时序控制电路的上电时序控制、掉电时序控制以及短路或过流保护控制。最后采用该方案设计了一个实验电路,仿真和实验电路测试结果表明,分析设计满足要求。

    • 李成, 赵野, 苗林, 杨林

      2019,49(5):643-647, DOI:

      Abstract:

      提出了一种高效率、具有较大电流驱动能力的负压电荷泵。该电荷泵采用三阱CMOS工艺,通过减小寄生电容和传输晶体管的导通电阻,消除了阈值电压损失和NMOS传输晶体管体效应,提高了电荷泵的每级增益。基于0.32 μm CMOS工艺对电荷泵进行了仿真验证。结果表明,相比传统负压电荷泵,该新型负压电荷泵具有较高的输出效率,最大输出效率可达82%。

    • 陈剑洛, 罗萍, 耿煜

      2014(5):644-646,650, DOI:

      Abstract:

      提出了一种用于DC-DC的双模控制功率管分段驱动电路。该电路通过检测负载电流的变化,优化功率管大小,从而提高转换效率;提出根据负载电流大小自动切换至PSM控制模式的解决方案,进一步提高极轻负载下的效率。电路基于标准0.13 μm CMOS工艺进行设计与仿真,仿真结果表明,与传统不分段DC-DC变换器相比,提出的双模控制分段驱动电路在15 mA负载时效率提升5.3%。

    • 刘亚泽, 张万荣, 金冬月, 谢红云, 陈吉添, 黄鑫, 刘硕, 赵馨仪

      2017,47(3):341-346, DOI:

      Abstract:

      提出了一种增益高且增益可调谐的1~3 GHz宽带低噪声放大器(HTG-LNA)。在输入级,采用带有RC串联负反馈的共基-共射电流镜结构,实现了良好的输入匹配,并提高了电路的稳定性;在中间级,采用以有源电感作为负载的共基-共射达林顿电路结构,在保证宽带的同时实现了较高的增益与增益的可调谐;在输出级,采用带有电流镜的射极跟随器结构,获得了较大的输出功率和良好的输出匹配。基于稳懋0.2 μm GaAs HBT工艺进行验证,结果表明,该HTG-LNA的电压增益大于37 dB,最高可达50.7 dB;功率增益大于37.4 dB,最高可达51 dB;最大增益可调谐幅度为2.2 dB;输入回波损耗小于-7.11 dB;输出回波损耗小于-11.97 dB;噪声系数小于3.23 dB;稳定因子大于5.61;在5 V工作电压下,静态功耗小于65 mW。

    • 吴唱, 王菡, 胡刚毅, 苏丹, 杨皓元, 罗凯, 王川

      2014(5):640-643, DOI:

      Abstract:

      通过对传统LDO频率补偿电路的极点、零点进行分析,提出一种新型动态补偿技术,显著改善了电路的性能指标。采用0.6 μm BiCMOS工艺模型进行仿真,结果表明,当负载电流由1 mA变化至300 mA时,非主极点能跟随负载电流的增加向高频移动,系统环路单位增益带宽在195~555 kHz之间,相位裕度保持在50°以上,保证了LDO在全负载范围内均能稳定工作。

    • 高笛, 张家豪, 明鑫, 甄少伟, 陈萍, 张波

      2018,48(1):82-87, DOI:

      Abstract:

      设计了一种快速瞬态响应的无片外电容型LDO。采用高增益高带宽的超级跨导结构(STC)的误差放大器,利用动态偏置技术与电容耦合技术,极大地增强了摆率。引入额外的快速响应环路,进一步提升了瞬态响应速度。基于0.18 μm CMOS工艺进行设计。结果表明,该LDO的最低供电电压为1 V,漏失电压仅为200 mV,可提供最大100 mA的负载电流,能在最大输出电容为100 pF、最低负载为50 μA的条件下保证电路稳定。负载电流在0.5 μs内由50 μA跳变至100 mA时,LDO输出导致的过冲电压和下冲电压分别为200 mV和306 mV。

    • 半导体器件与工艺
    • 罗俊, 郝跃

      2019,49(1):119-124, DOI:

      Abstract:

      为提高器件的阈值电压,提出了一种带电介质/P-AlGaN叠栅结构的增强型AlGaN/GaN HEMT。分析了器件阈值电压提高的机理,优化了电介质的介电常数和厚度。结果表明,该增强型AlGaN/GaN HEMT的阈值电压高达8.6 V。这个很高的阈值电压值能满足功率电子系统的安全性需要。

    • 电路与系统设计
    • 郭玮, 冯全源, 庄圣贤

      2017,47(4):495-498, 504, DOI:

      Abstract:

      针对恒定导通时间(COT)控制架构Buck变换器的开关频率随输入与输出电压变化较大的问题,在COT架构的基础上,引入输入电压前馈,使开关管导通时间与输入电压成反比,同时引入输出电压反馈,使开关管导通时间与输出电压成正比,从而使系统开关频率保持恒定,简化了输出滤波器的设计,减小了电磁干扰。Hspice软件仿真结果表明,导通时间随输入与输出电压的变化而变化,开关频率基本保持恒定。采用此结构的Buck变换器具有极佳的瞬态响应性能。

    • 刘虹, 庞佑兵, 何开全, 李科

      2014(5):647-650, DOI:

      Abstract:

      提出一种实用的基于软件和硬件相结合的晶振频率微调方法。该方法能够对晶振输出频率进行精确调节,实现对系统晶振频率的在线校准,无需拆卸系统硬件,能够极大地提高频率校准的效率。该方法的频率校准精度较高,由校准软件和硬件带来的误差可低至1.5×10-13,能够满足大部分通信系统的使用要求,可广泛用于通信、雷达、频率合成器等领域。

    • 半导体器件与工艺
    • 邓菁, 陈星弼

      2018,48(5):686-689, DOI:

      Abstract:

      为了改善LIGBT的关断特性,已有一种采用PMOS管来控制LIGBT阳极空穴注入的方法。在此基础上,提出了一种具有载流子存储效应的高速SOI-LIGBT结构。采用二维仿真软件MEDICI,对器件P-top区的剂量、载流子存储层的长度、掺杂浓度等参数进行优化设计。结果表明,SOI-LIGBT的击穿电压为553 V,正向压降为1.73 V。关断时,引入的PMOS管可以阻止LIGBT阳极向漂移区注入空穴,使器件的关断时间下降到13 ns,相比传统结构下降了87.6%。

    • 电路与系统设计
    • 马庆培, 张长春, 陈德媛, 郭宇锋, 刘蕾蕾

      2014(5):651-655,660, DOI:

      Abstract:

      采用0.18 μm CMOS工艺,设计了一种连续速率时钟与数据恢复(CDR)电路。该CDR电路主要由全速率鉴频鉴相器、多频带环形压控振荡器、电荷泵等模块组成。其中,全速率鉴频鉴相器不但具有很好的鉴频鉴相功能,而且结构简单,减小了功耗和面积。多频带环形压控振荡器不但调谐范围很宽,而且引入到环路中的调谐增益较低,解决了高振荡频率和低增益之间的矛盾问题。采用自举基准和运放的电荷泵减小了各种非理想因素的影响。仿真结果表明,该CDR电路版图尺寸为265 μm×786 μm,功能正常,且能恢复622~3 125 Mb/s之间的伪随机数据;在1.8 V电源电压下,输入伪随机速率为3 125 Mb/s时,功耗为100.8 mW,恢复出的数据和时钟的抖动峰峰值分别为5.38 ps和4.81 ps。

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