Jak projektuje się analogowe układy scalone?

Czy układy analogowe kojarzą Ci się z zamierzchłymi czasami, kiedy telefony miały tarczę, a kaseta magnetofonowa była źródłem muzyki? Czy takie układy ktoś dzisiaj wykorzystuje? Tak, wszyscy, tylko niekoniecznie są tego świadomi. Jest ich mnóstwo dookoła, tylko że są ukryte pod czarnym plastikiem.

Gdzie znajdziemy współczesne układy analogowe? Obecnie układy analogowe znajdują się zazwyczaj w większych układach, które uznajemy za cyfrowe. Samodzielne układy analogowe to domena dużych mocy, dla małych mocy są rzadkością. Dobrym przykładem układu, który powszechnie uważany jest za cyfrowy, a zawiera układy analogowe to mikrokontroler (μC). Oczywiście najważniejsza część mikrokontrolera – rdzeń (lub rdzenie) wykonujące rozkazy są cyfrowe, ale mikrokontrolery zazwyczaj mają zintegrowane układy peryferyjne, które już takie cyfrowe nie są. Dodatkowo do pracy samego cyfrowego rdzenia potrzebujemy układów, które go ożywią, jak na przykład regulatora napięcia czy generatora sygnału zegarowego, resetu itp. Kiedyś te układy znajdowały się poza strukturą procesora, teraz bardzo lubimy gdy wszystko jest scalone, jednoukładowe i nie potrzebujemy żadnych dodatkowych układów czy elementów. Współczesne mikrokontrolery zwykle mają dwa napięcia zasilające: wewnętrzne i zewnętrzne (ang. core & I/O). Napięcie zewnętrzne dostarczane jest do pinów układów z zewnątrz i taki sam poziom napięcia występuje na pinach sygnałowych. Często zakres takiego napięcia jest dość szeroki, np. od 2 do 5 V. Napięcie wewnętrzne natomiast służy do zasilania wewnętrznej struktury logicznej, czyli np. procesora i jest ono niższe niż napięcie zewnętrzne. Dla przykładu może to być 1,8 V bądź 1,2 V. Dlaczego używa się dwóch napięć? Otóż dlatego, że tranzystory na niższe napięcie mogą być mniejsze i zużywają mniej prądu. Dlatego prawie cała struktura logiczna układu zasilana jest niskim napięciem i tylko do komunikacji z otoczeniem używa się wyższych napięć. To rodzi dodatkowy problem: skąd wziąć drugie napięcie zasilania? Można zmusić użytkownika do dostarczenia dwóch (albo więcej) napięć do układu, ale to kosztuje dodatkowe piny i dodatkowy regulator napięcia, który trzeba umieścić na płytce drukowanej. Dlatego w małych układach wbudowuje się układ regulatora do mikrokontrolera. Jest to zwykle liniowy układ LDO, który jest klasycznym układem analogowym. Drugim układem, który zwykle znajdujemy w μC, jest generator przebiegu zegarowego. Może to być układ generatora kwarcowego, gdzie kwarc jest dołączany z zewnątrz, może też być całkowicie wewnętrzny generator RC albo oba. Czasem też takich generatorów jest kilka w jednym μC. Dla szybkich μC potrzebujemy dość wysokich częstotliwości taktowania, a rezonatory kwarcowe wytwarza się do ok. 50 MHz. Aby wytworzyć stabilny „zegar” o wysokiej częstotliwości, do generatora kwarcowego dodaje się układ pętli fazowej PLL z generatorem wyjściowym wytwarzającym częstotliwości rzędu setek MHz czy GHz. Układy PLL mogą być bardzo złożonymi układami analogowo-cyfrowymi i są wbudowane w strukturę krzemową mikrokontrolera. Dalej, w μC zwykle są wbudowane układy resetu (POR – Power-on Reset) i monitorowania napięcia (BOR – Brown-out Reset), które są komparatorami napięcia z pomocniczymi układami analogowymi. Dużo μC posiada przetworniki A/C czy C/A, a to kolejne układy analogowo-cyfrowe. W mikrokontrolerach możemy też znaleźć komparatory, referencyjne źródła napięciowe typu bandgap, wzmacniacze operacyjne czy układy AFE (Analog Front-End) dla interfejsów USB, Ethernet, CAN, itp. Oddzielną grupą są układy radiowe, np. Wi-Fi, które też mogą trafić do takiego mikrokontrolera. Po dodaniu tych wszystkich układów analogowych, może się okazać, że większą powierzchnię naszego „cyfrowego” mikrokontrolera stanowią układy analogowe.

Proces projektowania układów CMOS

Jak wygląda proces projektowania takich układów analogowych trafiających do μC?

Sam proces jest dość złożony i długotrwały, wymagający dużego nakładu pracy.

Jednak dla prostych układów, podbloków analogowych można go dość zwięźle opisać, co spróbuję poniżej uczynić.

1. Określamy wymagania dla układu, do czego go potrzebujemy, jaką ma mieć funkcję.
2. Wybieramy, tworzymy jego architekturę, ogólny schemat.
3. Określamy jego warunki pracy (napięcia, prądy, częstotliwości, itp.).
4. Tworzymy wirtualne stanowiska testowe (ang. testbench), w których umieścimy nasz układ i będziemy później sprawdzać jak się zachowuje.
5. Stanowiska testowe i „pomiary” wykonujemy i symulujemy symulatorem SPICE.
6. Poprawiamy układ, aż uzyskamy zadowalające nas wyniki.
7. Układ rysujemy na krzemie, tworzymy jego topografię (ang. layout).
8. Wykonujemy sprawdzenie poprawności rysunku z regułami technologii i schematem (ang DRC, LVS).
8. Po narysowaniu przeprowadzamy tzw. ekstrakcję elementów pasożytniczych (rezystancje i pojemności ścieżek) i dodajemy je do schematu.
9. Testujemy układ ponownie w symulatorze SPICE z elementami pasożytniczymi.
10. Poprawiamy układ, jeśli jest taka potrzeba.
11. Układ jest gotowy do produkcji i użycia, często produkowana jest najpierw mała seria układu testowego.
12. Po wyprodukowaniu przeprowadza się testy laboratoryjne potwierdzające jego działanie i parametry.
13. Jeśli wszystko jest zgodnie z wymaganiami następuje start produkcji masowej.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w grudniowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 12/2025). Pełną wersję czasopisma znajdziesz pod tym linkiem. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 12/2025 znajduje się tutaj.

Maciej Luty
macl@op.pl

Uwaga! Wskazówki, jak nabyć pełne wersje dowolnych numerów ZE znajdują się na stronie:
https://piotr-gorecki.pl/n11.