Автор оригинала: Ken Shirriff
Иногда проще опознать микросхему под микроскопом, чем по документации.
Разбирая коробку со старыми микросхемами, CuriousMarc наткнулся на несколько корпусов Harris с маркировкой «F1-10-5». Такого обозначения не было ни в одном справочнике. Неопознанная микросхема бесполезна, поэтому он отдал одну мне на вскрытие. Корпус оказался керамическим, так что его хватило открыть коротким ударом зубила.
Под микроскопом сразу бросалась в глаза сетка квадратных конденсаторов. Столько конденсаторов на одном кристалле — это, скорее всего, фильтр на переключаемых конденсаторах. Подсказку дал и сам кристалл: на нём было выбито обозначение HF-10. С ним мы быстро выяснили, что перед нами версия Harris стандартного фильтра MF10 на переключаемых конденсаторах[1].
Фильтры на переключаемых конденсаторах были в 1980-х популярным способом строить аналоговые фильтры. Конденсаторы, которые быстро подключаются к цепи и отключаются от неё, позволяли собрать фильтр в одном корпусе, причём простой в применении и с хорошими характеристиками. MF10 National Semiconductor выпустила в 1981 году: на кристалле два универсальных фильтра, и каждый можно настроить как фильтр нижних частот, полосовой или фильтр верхних частот. Параметры задаются несколькими внешними резисторами.
Раз уж микросхема лежала под микроскопом, я разобрал её подробнее. Белые линии — это металлические дорожки, соединяющие схему. Под металлом лежат два слоя поликремния (красноватый) и кремний подложки (серый). Верхняя и нижняя половины кристалла почти зеркальны: это два фильтра микросхемы. Характерные красноватые квадраты в середине — 72 крошечных конденсатора из поликремния. Над ними расположены КМОП-ключи, которые открываются и закрываются с тактовой частотой и подключают конденсаторы к цепи и отключают их. В каждом фильтре по три операционных усилителя (на снимке обведены красным). Справа — три выхода этих усилителей: верхних частот, полосовой и нижних частот. Слева — управляющая часть: сдвиг уровней тактового сигнала, формирование тактовых импульсов, выбор отношения частот, схема запуска и источники тока, которые задают фиксированные токи для остальных узлов. По краям кристалла 20 тонких, как волос, проволочек соединяют его с 20 внешними выводами.
На кристалле есть забавные рисунки: логотип Harris и контур Флориды (штаб-квартира Harris находилась во Флориде, в Мелборне). Инициалы, судя по всему, принадлежат инженерам, которые проектировали микросхему.
Схемы на переключаемых конденсаторах
В некоторых схемах резистор можно заменить переключаемым конденсатором (см. рисунок ниже). Ключи управляются тактовым сигналом и замыкаются по очереди: в фазе 1 и в фазе 2 (ϕ1 и ϕ2). В фазе 1 конденсатор заряжается до входного напряжения, в фазе 2 отдаёт заряд на выход. Если переключать ключи достаточно быстро, на выход (почти) равномерно течёт заряд. Чем больше ёмкость, тем больше заряда передаётся, и чем выше частота, тем тоже больше. Можно показать, что такая схема ведёт себя как резистор сопротивлением 1/(fC): чем больше ёмкость и частота, тем меньше сопротивление.
Зачем заменять простой резистор такой сложной схемой с переключением? В интегральной схеме резисторы неточны и неудобно велики, особенно высокоомные. Конденсатор небольшого размера вместо большого резистора экономит место на кристалле. Кроме того, очень точную тактовую частоту легко получить с помощью недорогого кварцевого резонатора, а значит, частота фильтра тоже получается очень точной. Наконец, эквивалентное сопротивление меняется простой подстройкой тактовой частоты, так что фильтр легко перестраивать или плавно перестраивать по частоте.
Ёмкость конденсаторов на кристалле довольно неточна: из-за разброса условий производства она может отличаться от микросхемы к микросхеме примерно на 20%. В MF10 это не проблема, потому что схема рассчитана на отношение ёмкостей, а оно стабильно. Конкретно, MF10 использует 72 одинаковых квадратных конденсатора с практически идентичной ёмкостью. Если присмотреться, видно, что часть конденсаторов отдельные, а часть соединена группами по 8 и образует конденсаторы побольше[2]. Поэтому отношение ёмкостей 8:1 между сгруппированными и отдельными конденсаторами получается очень точным, хотя абсолютное значение ёмкости от кристалла к кристаллу плавает. Каждый конденсатор — это два слоя поликремния[3], образующие обкладки, между ними тонкий слой изолирующего оксида в роли диэлектрика. По моей оценке, ёмкость каждого квадрата — 5 пикофарад.
В микросхеме использован ещё один приём с переключаемыми конденсаторами: схема, работая как резистор, заодно инвертирует напряжение. На схеме ниже четыре ключа. Как и раньше, в фазе 1 конденсатор заряжается до входного напряжения. Но в фазе 2 верхняя обкладка заземлена, а выход берётся с нижней. Допустим, конденсатор заряжен до 1 В, тогда верхняя обкладка на 1 В выше нижней. Если верхнюю заземлить, нижняя окажется на −1 В. (Тот же принцип работает в зарядовом насосе.) Такая схема даёт более точный фильтр, потому что часть паразитных ёмкостей взаимно компенсируется.
Интегратор на операционном усилителе
Основа большинства аналоговых схем — операционный усилитель (ОУ). Он берёт два входных сигнала и усиливает их разность в огромное число раз. Обычно ОУ охватывают отрицательной обратной связью, которая заставляет оба входа принимать практически одинаковое напряжение. ОУ годятся не только для усиления, но и для фильтрации, буферизации, суммирования и других задач.
В микросхеме фильтра ОУ работают интеграторами, то есть интегрируют входное напряжение по времени. На схеме выше — простой интегратор на ОУ. Входное напряжение создаёт ток, который течёт через резистор и заряжает конденсатор, поэтому конденсатор хранит интеграл входного напряжения по времени. Можно ожидать, что левая обкладка конденсатора при заряде станет положительной. Но обратная связь ОУ удерживает оба входа на уровне земли, поэтому отрицательной становится правая обкладка. Выходит, на выходе — отрицательный интеграл[4].
MF10 использует именно эту схему, только резистор в ней заменён на переключаемый конденсатор. Конденсатор, включённый в обратную связь ОУ, не переключается: он собран из 8 или 16 конденсаторов сетки.
КМОП-ключи
КМОП-ключ — это технология, которая делает возможным фильтр на переключаемых конденсаторах. У замкнутого КМОП-ключа довольно низкое сопротивление (порядка десятков ом), у разомкнутого — огромное (сотни мегаом). Благодаря этому заряд не утекает из конденсаторов.
КМОП-ключ получается из NMOS-транзистора и PMOS-транзистора, которые работают как противоположности. NMOS хорошо подтягивает выход к низкому уровню, а PMOS — к высокому, так что вместе они образуют хороший ключ. NMOS открывается высоким напряжением на затворе, PMOS — низким. Поэтому для КМОП-ключа нужны два управляющих сигнала противоположной полярности, что слегка 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 подключает к выходу либо точку A, либо точку B. Это просто 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 самая цепь, но перерисованная так, чтобы повторять раскладку на кристалле.
На фото ниже — КМОП-ключ на кристалле из двух PMOS- и двух NMOS-транзисторов. Четыре управляющие линии идут горизонтально в поликремнии, и в местах, где они пересекают легированный кремний, образуются затворы транзисторов. Верхние PMOS- и NMOS-транзисторы управляются сигналами фазы 1 (Φ1), нижние — сигналами фазы 2.
Проблема фильтров на переключаемых конденсаторах в том, что тактовый сигнал создаёт коммутационные помехи, которые попадают на выходы микросхемы. В MF10 с ними борются несколькими способами. Каждую группу транзисторов окружают два изолирующих кольца, положительное и отрицательное: они не пускают шум через кремниевую подложку. Заметьте, что у колец для NMOS- и PMOS-транзисторов полярность противоположная. Светло-коричневая область на фото выше — второй слой поликремния. Он соединён с землёй и работает как экран над переключающимися схемами.
Чтобы получить это фото, я удалил слой металла кислотой[5], так транзисторы лучше видны. Фото ниже показывает 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 использована схема под названием «фильтр на переменных состояния» (state variable filter), изобретённая 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. В ней три ОУ: один суммирует сигналы, два интегрируют. Меняя способ суммирования, можно менять характеристики фильтров. Ниже упрощённая схема такого фильтра. Математика за ним сложна, поэтому в неё я вдаваться не буду. 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 схему выше: те же три ОУ. Но суммирующие цепи вынесены отдельно, а цепи обратной связи не нарисованы явно. Вместо этого между внешними выводами микросхемы (квадраты) подключают резисторы, которыми фильтр настраивают как нужно. Переключатель режима вверху позволяет управлять обратной связью по нижним частотам с внешнего вывода (SA/B).
Схема ниже — это восстановленная мной принципиальная схема фильтра в том виде, как он реализован на кристалле. Она близка к блок-схеме, но показывает детали. На блок-схеме суммирующая цепь (круг) складывает один сигнал и вычитает два. На кристалле это сделано 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 выбирает один 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. Так 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 довольно стандартные КМОП-усилители примерно на 35 транзисторах. (Если попробуете пересчитать транзисторы на фото ниже, у вас может получиться меньше: некоторые блоки состоят из нескольких транзисторов.) Транзисторы ОУ намного больше транзисторов КМОП-ключей (они 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 решил, что это интегрирующий конденсатор, но оказалось, 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 уменьшить сопротивление.
Необычная особенность ОУ — режим пониженного энергопотребления. Если подтянуть один из выводов микросхемы к низкому уровню, она перестаёт фильтровать и переходит в экономичный режим, потребляя на 70% меньше. Это сделано отключением схем «токовых зеркал», которые задают фиксированные токи ОУ и других узлов микросхемы.
Генератор неперекрывающихся тактовых сигналов
MF10 управляется внешними тактовыми сигналами, по одному на каждый фильтр, и частота фильтра пропорциональна тактовой. На фото КМОП-ключей выше видно, что тактовый сигнал идёт на четыре управляющие линии ключей. Может показаться, что хватило бы двух линий: тактового сигнала и его инверсии. Проблема в том, что нельзя допускать, чтобы два ключа были замкнуты одновременно, даже на мгновение: это замкнёт входы и исказит сигналы. Поэтому у двух ключей раздельные управляющие линии, и между размыканием одного ключа и замыканием другого выдерживается небольшая пауза. Её обеспечивает схема ниже: она принимает входной тактовый сигнал и формирует четыре выхода для управления ключами.
Идея в том, что одна фаза ждёт, пока другая станет низкой, и только потом может подняться; пара инверторов добавляет ещё задержку. Подробнее: пусть входной такт перешёл с высокого уровня на низкий. Вентиль A закрывается, и выход фазы 1 (ϕ1) падает через несколько задержек вентилей (задержка A). Вентиль B не может открыться, пока ϕ1 не станет низким. После ещё нескольких задержек ϕ2 становится высоким. Когда такт переходит с низкого на высокий, всё симметрично. Вентиль B закрывается, и ϕ2 падает после задержки. Это позволяет открыться вентилю A, и ϕ1 включается после новой задержки. Значит, после выключения одной фазы проходит пауза, и только потом включается другая, поэтому фазы никогда не перекрываются.
На фото выше эта схема под микроскопом, слой металла снят. Прямоугольные блоки — легированный кремний, из которого сформированы транзисторы. Тёмные области слева — NMOS-транзисторы, светлые справа — PMOS. КМОП-вентиль состоит из NMOS- и PMOS-транзисторов, работающих вместе. PMOS-транзисторы крупнее, потому что они немного слабее NMOS. Тёмные круги — контакты между кремнием и верхним слоем металла. Линии медного цвета — это особый вид кремния, поликремний. Там, где поликремниевая линия пересекает легированный кремний, получается затвор транзистора. Розовые и зелёные тона появляются из-за интерференции света в тонкой плёнке оксида, который растворился не полностью. На самом деле кремний серый.
Трёхуровневый вход
Странная особенность микросхемы — вывод, которым выбирают отношение входной тактовой частоты к частоте фильтра. По сути это цифровой вход с тремя значениями. Если подключить его к высокому напряжению питания, выбирается отношение 50:1. Если к середине между напряжениями питания, выбирается 100:1. А если подтянуть вывод к низкому напряжению питания, фильтр останавливается и микросхема переходит в режим пониженного энергопотребления[8].
Для обработки трёхуровневого входа сигнал проходит через два разных буфера: один переключается при более низком напряжении, другой при более высоком. Так два буфера выделяют средний уровень сигнала. Каждый буфер состоит из специального инвертора и обычного инвертора после него.
Прежде чем объяснять специальные инверторы, напомню, как работает обычный КМОП-инвертор. Он собран из PMOS- и NMOS-транзисторов. Когда на входе высокий уровень, NMOS открывается и тянет выход к земле. Когда на входе низкий, открывается PMOS и подтягивает выход к высокому уровню. Так входной сигнал инвертируется.
На снимке кристалла видны четыре PMOS-транзистора (светло-серые) и четыре NMOS-транзистора (темнее), образующие четыре инвертора. Там, где поликремниевая линия (медного цвета) пересекает легированную область кремния, получается затвор транзистора. Для этого снимка я растворил слой металла кислотой, чтобы были видны транзисторы. Металл соединял транзисторы и замыкал проводку инверторов: он связывает два контакта «out1» с «in2», а два контакта «out2» с остальной микросхемой. Во втором буфере «out3» соединён с «in4», и так далее.
В этой схеме длина затворов транзисторов разная, чтобы инверторы срабатывали при разных напряжениях. Шесть затворов обычные (оранжевые стрелки), при этом затворы PMOS шире (по вертикали), чем затворы NMOS, потому что PMOS по своей природе слабее. Но два затвора необычно длинные (по горизонтали, красные): такие транзисторы получаются слабыми, ведь току приходится проходить большее расстояние. У левого инвертора слабый PMOS. Если на входе высокий или низкий уровень, инвертор работает как обычно. Но если на входе средний уровень, оба транзистора приоткрываются частично, и поскольку PMOS очень слаб, NMOS «побеждает» и тянет выход к низкому уровню. Получается, что крайний левый инвертор воспринимает средний уровень как единицу и выдаёт 0. Третий инвертор устроен наоборот: у NMOS-транзистора длинный извилистый затвор, и он слаб. Средний уровень на входе тоже приоткрывает оба транзистора, но на этот раз «побеждает» PMOS и тянет выход вверх. В результате два инвертора по-разному ведут себя на среднем уровне, и это позволяет различить три уровня на входе. Так как выход специального инвертора может быть слабым, он идёт на обычный инвертор, который усиливает сигнал.
Вместо заключения
Как у большинства полупроводниковых компаний, у Harris сложная история. Началась она ещё в 1895 году с компании, выпускавшей печатные станки. В 1950–1960-х Harris перешла в высокие технологии, купив ряд радио- и электронных компаний. В бизнес интегральных схем компания вошла в 1967 году, когда приобрела Radiation, Inc. и несколько лет спустя переименовала её в Harris Semiconductor. (Модули Radiation нам встречались в системах «Аполлона», но я пока о них не писал.) В 1999 году Harris вышла из полупроводникового бизнеса и выделила Intersil, который позже купила японская Renesas. В 2019 году Harris объединилась с L3 Technologies и стала L3Harris, восьмым по размеру оборонным подрядчиком США.
Что касается фильтров на переключаемых конденсаторах, их популярность упала: сегодня фильтровать проще в цифровой области. Texas Instruments купила National Semiconductor (и MF10) в 2011 году. На сайте TI MF10 значится как действующая, но дорогая и отсутствующая на складе, так что, вероятно, её больше не выпускают. А фильтры на переменных состояния до сих пор применяют в мире синтезаторов: и из-за гибкости, и потому что в одном блоке они дают сразу нижние частоты, полосу и верхние частоты.
Спасибо CuriousMarc за микросхему. Автор пишет, что при подготовке статьи ИИ не использовался.
Примечания
Когда мы нашли обозначение «HF-10», поиск вывел на справочник National Semiconductor, где подтверждалось, что Harris HF-10 — прямая замена National Semiconductor MF10. А что значит «F1-10-5»: оказалось, что Harris включает логотип в обозначение, и полный номер Harris — «HF1-10-5».
Можно спросить, зачем крупные конденсаторы собирать из восьми маленьких квадратов, если можно сделать один конденсатор в восемь раз больше. Это нужно для лучшего согласования ёмкостей. Конденсатор в восемь раз большей площади не получит ровно в восемь раз большую ёмкость: сказываются поле у краёв конденсатора, неточность размеров (он может выйти чуть больше или меньше задуманного) и разброс травления по краям. Если же большие конденсаторы собирать из одинаковых малых, значения совпадают очень точно, до ±0,01% по данным книги «The Art of Analog Layout». (С лазерной подгонкой можно добиться ±0,001%, но для MF10 такая точность избыточна.)
В микросхемах той эпохи обычно один слой поликремния, поэтому два слоя здесь меня удивили. Раньше я видел два слоя поликремния в микросхеме DRAM MK4116 и в Ethernet-контроллере AMD LANCE. В обоих случаях второй слой использовался для запоминающих элементов.
Обычный интегратор на ОУ инвертирующий, и его выход отрицательный. Но MF10 использует переключаемый конденсатор с четырьмя ключами, который инвертирует входное напряжение. Два минуса сокращаются, так что интегратор MF10 неинвертирующий. Подробности — в документе Introducing the MF10: A Versatile Monolithic Active Filter Building Block.
Чтобы снять слой металла, я использовал средство от ржавчины Whink (1,5–3,5% HF) для растворения оксида и соляную кислоту для растворения металла. Whink наносил в сумме 20 минут, HCl — 16 минут, чередуя реагенты примерно по 3 минуты и нанося по несколько капель за раз. После каждого нанесения я смотрел на кристалл под микроскопом, чтобы оценить, как идёт дело. Остановился я, когда металл исчез и стали видны транзисторы. К тому же кремний окрасился избирательно: NMOS-транзисторы стали заметно темнее PMOS. Ещё немного Whink, наверное, улучшило бы вид кристалла, но тогда можно потерять поликремний, а для реверс-инжиниринга это плохо. Иначе говоря, лучше остановиться пораньше, чем уничтожить детали, которые я хочу рассмотреть.
Для справки, полная блок-схема микросхемы приведена в даташите Texas Instruments.
Частоту фильтра MF10 можно задать равной тактовой, делённой на 50 или на 100. Откуда эти числа, если конденсаторы на кристалле относятся друг к другу как 8:1 или 16:1? Частота фильтра на переключаемых конденсаторах равна тактовой частоте, делённой на 2π, умноженное на отношение ёмкостей. (Это выводится из формулы интегратора на ОУ и эквивалентного сопротивления переключаемого конденсатора.) 2π×8 даёт 50,27, а 2π×16 даёт 100,5, то есть как раз 50 и 100. Заметьте, что значения не совсем 50 и 100: они отличаются на 0,5%. Любопытно, что в даташите типичная погрешность частоты указана как ±0,2%, существенно меньше. Подозреваю, объяснение в том, что отношение ёмкостей не ровно 16:1 из-за паразитной ёмкости проводников и других факторов, и разработчики добились, чтобы эти факторы подправляли отношение в нужную сторону.
Подозреваю, что трёхуровневый вход сделан потому, что микросхеме не хватало физических выводов под все нужные функции. Два фильтра полностью независимы, даже тактируются отдельно, кроме управления отношением 50/100 и режима A/B. Уверен, что и эти две функции имели бы независимые выводы, будь у микросхемы свободные ножки. Можно было взять стандартный 24-выводный корпус вместо довольно необычного 20-выводного, но, возможно, у них были причины избегать заметно большего корпуса.
