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Analogtechnik

Der wichtigste Bestandteil in der digitalen Welt

24. Januar 2022, 10:19 Uhr | Von Byline Milan Ivkovic

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Analoge Prozesstechnologien optimieren die IC-Leistungsaufnahme

Die Halbleiterindustrie entwickelt sich technologisch stetig weiter. Ein Beispiel dafür sind lithografischen Systeme, die die Geometrie und damit den Prozessknoten für die Fertigung bestimmen. Je kleiner die Geometrie, desto höher die Transistordichte – das heißt, mit kleineren Prozessstrukturen können Halbleiter mit höherer Funktionalität und Komplexität in einer gegebenen Fläche hergestellt werden. Anstatt nur eine einzige Funktion in einen Baustein zu packen, z. B. einen Mikrocontroller, bietet ein hochintegriertes SoC (System-on-Chip) die Möglichkeit, einen Mikrocontroller, einen Transceiver für die drahtlose Kommunikation, analoge Signalverarbeitungsschaltungen, Sensoren, Power-Management, Speicher, passive Komponenten und kryptografische Funktionen in ein einziges IC-Gehäuse zu integrieren. Dieser Ansatz eignet sich besonders für Entwicklungsingenieure, die batteriebetriebene IoT-Anwendungen entwickeln, bei denen der Platz knapp ist.

Vor zehn Jahren lag der Schwerpunkt bei 28 nm. Heute sind 10 und 7 nm gang und gäbe, und die Foundries bereiten sich bereits auf die Produktion von Chips mit 5- und 3-nm-Strukturen vor. Für einige ICs sind diese fortschrittlichen Prozessknoten aber überhaupt nicht erforderlich, sodass ICs auf Basis älterer Prozessknoten eine praktikable, kostengünstige Alternative darstellen. Das heißt, dass beispielsweise Prozessknoten von 55 und 65 nm nach wie vor gefragt sind, insbesondere für Halbleiter mit analogen Funktionen. Viele analoge ICs nutzen immer noch einen Prozess mit 300-nm-Strukturen.

Neben der Entwicklung kleinerer Prozessstrukturen hat sich auch innerhalb der verschiedenen Prozesstechnologien einiges getan. Ausschlaggebend für die Entscheidung für eine bestimmte Prozesstechnologie, z. B. BCD (Bipolar CMOS DMOS), sind ihre Eignung für bestimmte Anwendungen oder ihre elektrischen Eigenschaften. Die BCD-Technologie, von STMicroelectronics entwickelt, kombiniert die besten Eigenschaften von CMOS und DMOS.

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) ist die vorherrschende Technologie für digitale ICs, während sich DMOS (Double Diffused Metal Oxide Semiconductor, doppelt diffundierter Metall-Oxid-Halbleiter) besser für Hochspannungs- und Leistungshalbleiter eignet.

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Andere Prozesstechnologien wiederum reduzieren die aktive und Stand-by-Leistungsaufnahme der ICs und verbessern die Leckstrom-Eigenschaften. Das ist insbesondere für batteriebetriebene Geräte wie Industriesensoren und tragbare Datenerfassungsgeräte unerlässlich. Bild 4 veranschaulicht die Eigenschaften des von Renesas entwickelten SOTB-Prozesses (Silicon on Thin Buried Oxide) im Vergleich zu anderen Technologien.

Einige Halbleiterunternehmen, die ICs für maschinelles Lernen entwickeln, setzen ebenfalls auf analoge Techniken. Damit entwickeln sie ICs für die Verarbeitung neuronaler Netze (NN) mit einem sehr niedrigen Stromverbrauch und hoher Dichte, Anforderungen, die insbesondere beim Inferenzieren im Edge in industriellen IoT-Implementierung entscheidend sind. Mit diesem Ansatz können dedizierte ICs für neuronale Netze realisiert werden, die das Auftreten bestimmter Ereignisse überwachen können, z. B. wenn sich die Schwingungssignatur eines Motors plötzlich ändert. Die restlichen Überwachungsfunktionen können im Sleep-Modus, einem energiesparenden Betriebsmodus, verharren, bis die NN-Funktion einen Interrupt auslöst und den Rest des Chips »aufweckt«.

Analoge Simulation

Im Gegensatz zu vielen Digitalschaltungen erfordert die Entwicklung einer analogen Funktion typischerweise einen höheren Entwicklungsaufwand, was auch für die Auswahl der geeigneten Komponenten gilt. Ein Beispiel: die Verwendung von drei Operationsverstärkern, um einen aktiven Bandpassfilter im analogen Frontend eines Sensors und in der Signalaufbereitungsschaltung zu realisieren. Das Datenblatt des Operationsverstärkers gibt dem Entwickler die entscheidenden Informationen, damit er die Parameter der passiven Komponenten (Widerstände und Kondensatoren) berechnen kann, um die gewollte Filterbandbreite und Mittenfrequenz zu erreichen. Allerdings benötigt die Berechnung dieser Werte für ein dreistufiges Filter viel Zeit. Ein weiteres Beispiel ist die Berechnung der Spulen- und Kondensatorwerte für ein DC/DC-Leistungswandlermodul.

Hier helfen analoge Simulations-Tools, sie vereinfachen und beschleunigen den Entwicklungsaufwand deutlich. Online-Ressourcen wie MPLAB Mindi von Microchip, die eDesignSuite von STMicroelectronics und der Designer von Infineon bieten visuelle und intuitive Benutzeroberflächen und simulierte Betriebsergebnisse.

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