Interview mit Analog-Guru Bob Dobkin »Wir haben von Digital sehr profitiert«

Wie sich das Design analoger Chips verändert hat

Wenn Sie auf die letzten etwa zehn Jahre zurückblicken, wie hat sich das Design analoger Chips verändert?

Viele Verbesserungen beim Analogdesign rühren aus den Fortschritten, die in der digitalen Welt gemacht worden sind. Die Strukturgrößen sind dort immer kleiner geworden, um die Performance digitaler Schaltkreise zu erhöhen. Bei analogen Schaltungen ist das nicht der Fall, aber die Prozessänderungen, die dort nötig waren, sind für analoge Schaltkreise sehr nützlich. Wir nutzen diese Fortschritte nur anders.

So können wir kleinere Transistoren bauen, die inhärent schneller schalten. Das bedeutet aber auch, dass wir mit den Schaltungen Dinge machen können, die vorher unmöglich waren, weil der Chip sonst viel zu groß geworden wäre. Bei der Signalverarbeitung beispielsweise nutzen wir diese Prozesse, um Analog/Digital- und Digital/Analog-Wandler mit höherer Auflösung zu fertigen. Und sie arbeiten schneller, weil die Transistoren schneller schalten.

Kleinere Transistoren bedeuten aber andererseits auch schlechtere Parameter als bei den älteren, größeren. Allerdings können wir die schlechteren, kleinen Transistoren nun digital kompensieren. Wir können also sehr leistungsfähig Schaltkreise fertigen und wir nutzen digitale Korrekturtechniken, um die Spezifikationen zu verbessern und Herstellungs- und Prozessvariationen auszugleichen.

Die Qualität analoger Chips ist also besser, obwohl …

… die heutigen Transistoren ganz anders sind als die früheren. Einer der Punkte, auf die man bei analogen Prozessen schaut, ist, wie gut sich Transistoren aufeinander abstimmen lassen. Schrumpfen die Strukturbreiten, wird es schwieriger, Transistoren aufeinander abzustimmen, aber das können wir eben digital kompensieren. Beim Einschalten misst der Digitalteil den analogen Fehler und gleicht diesen aus. Ein Beispiel dafür sind Chopper-stabilisierte Operationsverstärker. Schnelles Umschalten der beiden Eingangs­pins eliminiert den eingangsseitigen Offset-Fehler.

Durch solche und andere Kompensationsschaltungen konnten wir z. B. auch einen 20-bit-A/D-Wandler aus der Taufe heben. Das bedeutet, er ist auf 1 ppm genau. Und wenn man darüber nachdenkt, was 1 ppm bedeutet, kommt man zu dem Schluss, dieses IC ist linearer als die meisten Widerstände, ausgenommen vielleicht hoch­präzise drahtgewickelte Widerstände. Dies ist das Resultat von sorgfältigem Schaltkreisdesign und digitaler Kompensationstechniken, die wir auf dem Chip integriert haben.

Gab es neben den schrumpfenden Strukturbreiten noch andere wesentliche Einflüsse auf das Analogdesign?

Im Zuge der schrumpfenden Strukturbreiten wurde auch die Ausrichtung der Masken zueinander immer besser. Das wiederum bedeutet: Wir können Transistoren wirtschaftlicher und mit einer höheren Ausbeute produzieren. So können wir Leistungstransistoren fertigen, die sehr leistungsfähig sind und zugleich mit hohen Spannungen und Strömen umzugehen wissen. Derzeit schauen wir nach Transistoren, die bis zu zehn oder zwanzig Ampere leiten können.

Moment mal! Höhere Ströme bedeuten auch höhere Verluste. Was haben Sie denn gemacht, um den thermischen Herausforderungen zu begegnen?

Bei CMOS-Strukturen, wie wir sie beispielsweise bei unseren Schaltreglern einsetzen, versuchen wir die Verlustleistung durch sorgfältiges Schaltungsdesign zu minimieren. Die Transistoren müssen zur richtigen Zeit schalten. Herausforderungen entstehen besonders bei Schaltreglern mit zwei Transistoren über der Versorgungsspannung. Denn wenn beide gleichzeitig leiten, und sei es nur für eine Nanosekunde, entstehen hohe Verluste. Je schneller die Transistoren schalten, umso effizienter sind sie.

Und die Totzeit sinkt, oder?

Wir arbeiten sehr hart daran, die Totzeit zu senken, denn damit sind noch weitere Verluste verbunden. Können sie schneller schalten, lassen sich auch die externen Komponenten verkleinern, und die Schaltung arbeitet effizienter. Auf der jüngsten electronica zeigten wir auf unserem Stand eine Grafik von unserem neueren Schaltregler LT8640. Wir konnten zeigen, dass dessen Wirkungsgrad selbst bei fünf Megahertz Schaltfrequenz nicht einbrach, ganz im Gegensatz zu Wettbewerbsprodukten, die schon ab einem Megahertz signifikant an Effizienz verloren. Das alles ist auf sorgfältiges Schaltungsdesign zurückzuführen.

Aber bei hohen Schaltfrequenzen entsteht doch eine höhere Störabstrahlung!

Stimmt! Störabstrahlung bedeutet zusätzliche Verluste, weil Störabstrahlung Verluste sind. Sinkt die Störabstrahlung, steigt also der Wirkungsgrad. Daher haben wir eine Schaltungs­architektur namens »Silent Switcher« entwickelt, die eine 20 dB niedrigere Störabstrahlung aufweist als konventionelle Schaltregler. Schalten Transistoren schnell, gibt es üblicherweise viel Über- und Nachschwingen. Bei Silent Switcher ist es uns gelungen, dieses Über- und Nachschwingen zu senken, und das hilft auch beim Wirkungsgrad und der Schaltfrequenz.

Ein weiterer wichtiger Pluspunkt ist, durch das schnellere Schalten können wir die Schaltung verkleinern. Es gibt eine Menge Leiterplatten, die mit ASICs und FPGAs vollgepackt werden, und allein die nackte Platine kostet Tausende Euro. Kann man die Stromversorgung kleiner machen, können die Firmen umso mehr Logikbausteine auf der gleichen Leiterplatte unterbringen. Solche komplexen Systeme haben acht oder neun Versorgungsspannungen. Wir bieten für solche Fälle kleine Module, die recht hohe Ströme liefern können, um die Bestückungsdichte auf solchen Platinen zu steigern.