Неизвестный чип без единой записи в справочниках: внутри фильтра 1985 года обнаружилось 72 одинаковых конденсатора

Автор оригинала: Ken Shirriff

Порой опознать микросхему под микроскопом удаётся легче, чем по справочникам.

Разбирая коробку со старыми микросхемами, CuriousMarc обнаружил несколько корпусов Harris с маркировкой «F1-10-5». Ни в одном каталоге такого обозначения не нашлось. Микросхема без опознанного назначения бесполезна, и он передал один экземпляр мне для вскрытия. Корпус был керамическим, поэтому достаточно было одного резкого удара зубилом, чтобы его раскрыть.

Под микроскопом первым делом привлекала внимание сетка из квадратных конденсаторов. Такое обилие конденсаторов на одном кристалле почти наверняка означает фильтр на переключаемых конденсаторах. Подтверждение нашлось на самом кристалле: на нём было выбито обозначение HF-10. Благодаря ему мы быстро определили, что перед нами версия Harris стандартного фильтра MF10 на переключаемых конденсаторах[1].

В 1980-х фильтры на переключаемых конденсаторах были одним из популярных способов построения аналоговых фильтров. Конденсаторы, которые стремительно подключаются к цепи и отсоединяются от неё, позволяли уместить весь фильтр в одном корпусе, сделав его удобным в применении и обеспечив хорошие характеристики. National Semiconductor выпустила MF10 в 1981 году: на кристалле размещены два универсальных фильтра, каждый из которых настраивается как фильтр нижних частот, полосовой или фильтр верхних частот. Параметры определяются несколькими внешними резисторами.

Поскольку микросхема уже лежала под микроскопом, я изучил её подробнее. Белые линии — металлические дорожки, которые связывают элементы схемы. Под металлом находятся два слоя поликремния (красноватый) и кремний подложки (серый). Верхняя и нижняя половины кристалла почти зеркально повторяют друг друга: это два фильтра микросхемы. Характерные красноватые квадраты в центре — 72 крошечных поликремниевых конденсатора. Над ними расположены КМОП-ключи: они открываются и закрываются с тактовой частотой, подключая конденсаторы к цепи и отключая их. В каждом фильтре по три операционных усилителя (на снимке обведены красным). Справа находятся три выхода этих усилителей: верхних частот, полосовой и нижних частот. Слева расположена управляющая часть: схема сдвига уровней тактового сигнала, формирователь тактовых импульсов, выбор отношения частот, цепь запуска и источники тока, задающие фиксированные токи для остальных узлов. По краям кристалла 20 тонких, как волос, проволочек соединяют его с 20 внешними выводами.

На кристалле есть и забавные рисунки: логотип Harris и контур Флориды (штаб-квартира Harris располагалась во Флориде, в Мелборне). Инициалы, судя по всему, принадлежат инженерам, которые проектировали микросхему.

Схемы на переключаемых конденсаторах

В ряде схем резистор допустимо заменить переключаемым конденсатором (см. рисунок ниже). Ключи управляются тактовым сигналом и замыкаются поочерёдно: в фазе 1 и в фазе 2 (ϕ1 и ϕ2). В фазе 1 конденсатор заряжается до входного напряжения, а в фазе 2 передаёт заряд на выход. При достаточно быстром переключении ключей на выход (почти) равномерно поступает заряд. Чем больше ёмкость, тем больший заряд передаётся, и чем выше частота, тем он тоже больше. Можно показать, что такая схема ведёт себя как резистор сопротивлением 1/(fC): с ростом ёмкости и частоты сопротивление падает.

Зачем менять простой резистор на столь сложную схему с переключением? В интегральной схеме резисторы неточны и неудобно велики, особенно высокоомные. Небольшой конденсатор вместо крупного резистора экономит площадь кристалла. К тому же очень точную тактовую частоту легко получить с помощью недорогого кварцевого резонатора, а значит, и частота фильтра оказывается очень точной. Наконец, эквивалентное сопротивление меняется простой подстройкой тактовой частоты, поэтому фильтр удобно перестраивать, в том числе плавно.

Ёмкость конденсаторов на кристалле определяется довольно неточно: из-за разброса условий производства она может отличаться от микросхемы к микросхеме примерно на 20%. Для MF10 это не помеха, поскольку схема рассчитана на отношение ёмкостей, а оно стабильно. Конкретно, в MF10 применены 72 одинаковых квадратных конденсатора с практически идентичной ёмкостью. Присмотревшись, можно заметить, что часть конденсаторов самостоятельные, а часть объединена в группы по 8 и образует конденсаторы большего номинала[2]. Поэтому отношение ёмкостей 8:1 между сгруппированными и одиночными конденсаторами выдерживается очень точно, хотя абсолютное значение ёмкости от кристалла к кристаллу меняется. Каждый конденсатор состоит из двух слоёв поликремния[3], образующих обкладки, между которыми находится тонкий слой изолирующего оксида — диэлектрик. По моей оценке, ёмкость каждого квадрата составляет 5 пикофарад.

В микросхеме применён и другой приём с переключаемыми конденсаторами: схема, действуя как резистор, одновременно инвертирует напряжение. На схеме ниже четыре ключа. Как и прежде, в фазе 1 конденсатор заряжается до входного напряжения. Но в фазе 2 верхняя обкладка заземляется, а выход снимается с нижней. Допустим, конденсатор заряжен до 1 В, тогда верхняя обкладка на 1 В выше нижней. Если верхнюю заземлить, нижняя окажется на −1 В. (По тому же принципу работает зарядовый насос.) Подобная схема делает фильтр точнее, так как часть паразитных ёмкостей взаимно компенсируется.

Интегратор на операционном усилителе

Основой большинства аналоговых схем служит операционный усилитель (ОУ). Он принимает два входных сигнала и многократно усиливает их разность. Как правило, ОУ охватывают отрицательной обратной связью, которая вынуждает оба входа иметь практически одинаковое напряжение. Применяются ОУ не только для усиления, но и для фильтрации, буферизации, суммирования и решения других задач.

В микросхеме фильтра ОУ работают как интеграторы, то есть интегрируют входное напряжение по времени. На схеме выше изображён простой интегратор на ОУ. Входное напряжение создаёт ток, который протекает через резистор и заряжает конденсатор, поэтому конденсатор накапливает интеграл входного напряжения по времени. Можно было бы ожидать, что при зарядке левая обкладка конденсатора станет положительной. Однако обратная связь ОУ удерживает оба входа на уровне земли, и потому отрицательной становится правая обкладка. В итоге на выходе получается отрицательный интеграл[4].

MF10 использует именно такую схему, только вместо резистора в ней стоит переключаемый конденсатор. Конденсатор в цепи обратной связи ОУ не переключается: он набран из 8 или 16 конденсаторов сетки.

КМОП-ключи

КМОП-ключ — технология, благодаря которой возможен фильтр на переключаемых конденсаторах. У замкнутого КМОП-ключа сопротивление довольно низкое (порядка десятков ом), у разомкнутого — огромное (сотни мегаом). Поэтому заряд не утекает из конденсаторов.

КМОП-ключ образуют NMOS- и PMOS-транзисторы, действующие как противоположности. NMOS хорошо подтягивает выход к низкому уровню, а PMOS — к высокому, так что вместе они дают качественный ключ. NMOS открывается высоким напряжением на затворе, PMOS — низким. Поэтому для КМОП-ключа требуются два управляющих сигнала противоположной полярности, что несколько неудобно.

На схеме выше ключ собран из параллельно включённых NMOS- и PMOS-транзисторов. Когда управляющий сигнал высокий, а инвертированный низкий, оба транзистора открыты и пропускают сигнал. Когда управляющий сигнал низкий (а инвертированный высокий), транзисторы закрыты, и ключ разомкнут.

В микросхеме ключи работают парами: один открыт, другой закрыт. Получается аналог переключателя, который соединяет выход либо с точкой A, либо с точкой B. По сути это два КМОП-ключа с раздельным управлением, как показано ниже. В MF10 такой переключатель срабатывает с тактовой частотой: в одной фазе он подключён к A, в другой — к B. Правая схема ниже — та же цепь, но перерисованная так, чтобы повторять раскладку на кристалле.

На фото ниже показан КМОП-ключ на кристалле из двух PMOS- и двух NMOS-транзисторов. Четыре управляющие линии проходят горизонтально в поликремнии, а в местах пересечения с легированным кремнием образуются затворы транзисторов. Верхние PMOS- и NMOS-транзисторы управляются сигналами фазы 1 (Φ1), нижние — сигналами фазы 2.

Недостаток фильтров на переключаемых конденсаторах в том, что тактовый сигнал порождает коммутационные помехи, проникающие на выходы микросхемы. В MF10 с ними борются несколькими способами. Каждую группу транзисторов окружают два изолирующих кольца, положительное и отрицательное: они не позволяют шуму распространяться через кремниевую подложку. Обратите внимание, что у колец для NMOS- и PMOS-транзисторов полярность противоположная. Светло-коричневая область на фото выше — второй слой поликремния. Он соединён с землёй и служит экраном над переключающимися схемами.

Чтобы получить этот снимок, я удалил слой металла кислотой[5], благодаря чему транзисторы видны лучше. На фото ниже — исходный кристалл с металлом, который соединяет транзисторы. Маленькие чёрные кружки — контакты между металлом и кремнием или поликремнием.

Собираем всё вместе: фильтр на переменных состояния

Фильтры можно строить по-разному. В MF10 применена схема под названием «фильтр на переменных состояния» (state variable filter), предложенная в 1967 году. Она работает сразу как три фильтра: верхних частот, полосовой и нижних частот. Кроме того, схема гибкая: частоту, коэффициент усиления и добротность фильтра (Q) можно менять независимо друг от друга. В ней три ОУ: один суммирует сигналы, два других интегрируют. Меняя способ суммирования, можно изменять характеристики фильтров. Ниже приведена упрощённая схема такого фильтра. Математика за ним непроста, поэтому углубляться в неё я не стану. Если коротко, сигнал, его интеграл и двойной интеграл — это три переменные состояния, определяющие состояние системы.

На блок-схеме ниже показано, как фильтр представлен в даташите MF10[6]. Она похожа на предыдущую схему: те же три ОУ. Но суммирующие цепи вынесены отдельно, а цепи обратной связи явно не нарисованы. Вместо этого между внешними выводами микросхемы (квадраты) подключаются резисторы, с помощью которых фильтр настраивается как требуется. Переключатель режима вверху позволяет управлять обратной связью по нижним частотам с внешнего вывода (SA/B).

Схема ниже — принципиальная схема фильтра, которую я восстановил в том виде, в каком он реализован на кристалле. Она близка к блок-схеме, но показывает детали. На блок-схеме суммирующая цепь (круг) один сигнал складывает и два вычитает. На кристалле это выполнено тремя переключаемыми конденсаторами слева, которые играют роль суммирующих резисторов. Один ключ заземляется в фазе 1, остальные — в фазе 2: смена полярности превращает сложение в вычитание. На верхний вход сумматора подаётся либо обратная связь с выхода нижних частот, либо земля — это определяется одним из выводов. Здесь стоит КМОП-ключ, но статический, без тактирования, поэтому защитных колец и экранирования, как у остальных ключей, у него нет.

На входах интеграторов стоят переключаемые конденсаторы, заменяющие резисторы. Интегрирующий конденсатор — это 8 или 16 «квадратов» ёмкости, в зависимости от вывода выбора отношения. Этим задаётся отношение тактовой частоты к частоте фильтра: 50:1 или 100:1[7]. Интегрирующие конденсаторы подключены через КМОП-ключ, но он статический, поэтому конденсаторы работают как обычные, не переключаемые.

Операционные усилители

ОУ в микросхеме — вполне стандартные КМОП-усилители примерно на 35 транзисторах. (Если попытаетесь пересчитать транзисторы на фото ниже, у вас может получиться меньше: некоторые блоки состоят из нескольких транзисторов.) Транзисторы ОУ значительно крупнее транзисторов КМОП-ключей (те видны внизу по центру). На кристалле каждый ОУ делится на две части: дифференциальный каскад слева и дополнительный каскад усиления справа. Между ними расположен крупный (розоватый) конденсатор. Сначала я принял его за интегрирующий, но выяснилось, что это просто конденсатор частотной коррекции, как во многих ОУ, который стабилизирует выход. Рядом с выводами выходов стоят крупные транзисторы: функционально они часть ОУ, но размещены у выводов, чтобы снизить сопротивление.

Источник