SIGЕ BICMOS ВЫХОДНЫЕ КАСКАДЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Аннотация
Разработка и проектирование кремний-германиевых (SiGe) аналоговых функциональных узлов (операционных усилителей, выходных каскадов, и др.) является одной из актуальных задач в современной микроэлектронике. Применение совмещенного технологического процесса SiGe BiCMOS позволяет объединять в единой интегральной схеме преимущества комплементарных КМОП-транзисторов (низкое энергопотребление и высокая плотность интеграции) и биполярных транзисторов с гетеропереходом (HBT) n-p-n типа (способность работать на высоких частотах, низкое энергопотребление и, как следствие, малое собственное тепловыделение, большой коэффициент усиления, высокое быстродействие, повышенная надежность, относительно низкая стоимость). Для создания микромощной аналоговой компонентной базы, работающей при воздействии высоких температур (до + 250 градусов цельсия), необходима разработка специальных SiGe BiCMOS схемотехнических решений, учитывающих ограничения технологического процесса на использование определенных видов транзисторов. Исследуется 4 модификации буферных усилителей для применения в качестве выходных каскадов операционных усилителей, которые ориентированы на SiGe BiCMOS технологический процесс. Разработана программа каталогизации и визуализации рассмотренных схем, которые отличаются друг от друга величинами входных и выходных сопротивлений, статическим токопотреблением, схемотехникой цепей установления статического режима, максимальными амплитудами положительного и отрицательного выходных напряжений и т.п. Приведены примеры компьютерного моделирования статических режимов и амплитудных характеристик в среде проектирования электроники и микроэлектроники Cadence при двух температурах + 27 oC и + 250 oC. Предлагаемые схемотехнические решения рекомендуются для практического использования в микроэлектронных устройствах, работающих в условиях повышенных температур
Список литературы
1. Avenier G. et al. 0.13μm SiGe BiCMOS technology for mm-wave applications, 2008 IEEE Bipo-lar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting, Monterey, CA, USA, 2008, pp. 89-92. doi: 10.1109/BIPOL.2008.4662719.
2. Hashimoto T. et al. A CMOS-based RF SiGe BiCMOS technology featuring over-100 GHz f/sub max/ SiGe HBTs and 0.13 /spl mu/m CMOS, Proceedings of the Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting, Minneapolis, MN, USA, 2002m pp. 189-192. doi: 10.1109/BIPOL.2002.1042915.
3. Wietstruck M., Marschmeyer S., Schulze S., Wipf S.T., Wipf C. and Kaynak M. Recent Developments on SiGe BiCMOS Technologies for mm-wave and THz Applications, 2019 IEEE MTT-S International Mi-crowave Symposium (IMS), Boston, MA, USA, 2019, pp. 1126-1129. doi: 10.1109/MWSYM.2019.8701049.
4. Candra P. et al., A 130nm SiGe BiCMOS technology for mm-Wave applications featuring HBT with fT/fMAX of 260/320 GHz, 2013 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC), Seat-tle, WA, USA, 2013, pp. 381-384. doi: 10.1109/RFIC.2013.6569610.
5. Zimmer T. et al. SiGe HBTs and BiCMOS Technology for Present and Future Millimeter-Wave Sys-tems, in IEEE Journal of Microwaves, Jan. 2021, Vol. 1, No. 1, pp. 288-298. doi: 10.1109/JMW.2020.3031831.
6. Rucker H. et al. A 0.13µm SiGe BiCMOS technology featuring fT/fmax of 240/330 GHz and gate de-lays below 3 ps, 2009 IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting, Capri, Italy, 2009, pp. 166-169. doi: 10.1109/BIPOL.2009.5314251.
7. Dielacher F., Tiebout M., Lachner R., Knapp H., Aufinger K. and Sansen W. SiGe BiCMOS technolo-gy and circuits for active safety systems, Proceedings of Technical Program - 2014 International Sym-posium on VLSI Technology, Systems and Application (VLSI-TSA), Hsinchu, Taiwan, 2014, pp. 1-4. doi: 10.1109/VLSI-DAT.2014.6834937.
8. Pekarik J.J. et al. A 90nm SiGe BiCMOS technology for mm-wave and high-performance analog appli-cations, 2014 IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting (BCTM), Coronado, CA, USA, 2014, pp. 92-95. doi: 10.1109/BCTM.2014.6981293.
9. Pizzimento L. On novel front-end electronics for the ATLAS BI RPC upgrade at HL-LHC developed in SiGe BiCMOS technology with a high-resolution rad-hard Time-To-Digital converter embedded, in Nu-clear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2024, Vol. 1069. doi: https://doi.org/10.1016/j.nima.2024.169892.
10. Cheng G. et al. A 22-to-36.8 GHz low phase noise Colpitts VCO array in 0.13-μm SiGe BiCMOS technology, in Microelectronics Journal, 2019, Vol. 88. doi: https://doi.org/10.1016/j.mejo.2019.04.004.
11. Sorge R. et al. JICG CMOS transistors for reduction of total ionizing dose and single event effects in a 130 nm bulk SiGe BiCMOS technology, in JICG CMOS transistors for reduction of total ionizing dose and single event effects in a 130 nm bulk SiGe BiCMOS technology, 2021, Vol. 987. doi: https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.164832.
12. Malyshev I.V. i dr. Perspektivy ispol'zovaniya tekhnologii SiGe BiCMOS dlya sozdaniya SVCh mikroskhem [Prospects of using SiGe BiCMOS technology to create microwave microcircuits], Prob-lemy razrabotki perspektivnykh mikroelektronnykh sistem – 2006: Sb. nauchnykh trudov [Problems of development of advanced microelectronic systems – 2006: Collection of scientific papers], ed. by
A.L. Stempkovskogo. Moscow: IPPM RAN, 2006, pp. 191-193. doi: 10.1109/ESSDERC.2000.194715.
13. Carter B., Mancini R. Op Amps for Everyone. 5th ed. Oxford: Newnes, 2017, 484 p.
14. Karter B., Manchini R. Operatsionnye usiliteli dlya vsekh [Operational amplifiers for everyone]: transl. from engl. by A.N. Rabodzeya. Moscow: Dodeka-XXI, 2011, 544 p. (Series “Circuit Engineering”). ISBN 978-5-94120-242-3.
15. Single-Supply, Low Power, Precision FET Input Quad Buffer: datasheet, Analog Devices. Rev. A. Available at: https://www.rlocman.ru/datasheet/pdf.html?di=168497 (accessed 10 June 2025).
16. Dvornikov O., Chekhovskiy V., Popov A. Razrabotka i primenenie moshchnykh analogovykh BMK pri proektirovanii silovykh analogovykh mikroskhem [Development and application of the powerful analog BICs at designing of the power analog microcircuits], Elektronnye komponenty [Electronic Compo-nents], 2025, No. 5, pp. 14-20.
17. Sedra A.S., Smith K.C. Microelectronic Circuits. 7th ed. Oxford: Oxford University Press, 2015, 1328 p. ISBN 978-0-19-933913-6.
18. Zhuk A., Kleymenkin D., Prokopenko N. SiGe BiCMOS vykhodnye kaskady vysokotemperaturnykh operatsionnykh usiliteley [SiGe BiCMOS output stages of high-temperature operational amplifiers], Preprints, 2025. doi: https://doi.org/10.20944/preprints202504.2193.v1.
19. Najafizadeh L. et al., "SiGe BiCMOS Precision Voltage References for Extreme Temperature Range Electronics, 2006 Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting, Maastricht, Netherlands, 2006, pp. 1-4. doi: 10.1109/BIPOL.2006.311117.
20. Cornett K.J., Fu G., Escorcia I. and Mantooth H.A. SiGe BiCMOS fully differential amplifier for ex-treme temperature range applications, 2009 IEEE Aerospace conference, Big Sky, MT, USA, 2009, pp. 1-10. doi: 10.1109/AERO.2009.4839517.
21. Dylan T. et al. SiGe Amplifier and Buffer Circuits for High Temperature Applications, IMAPS Interna-tional Conference & Exhibition on High Temperature Electronics (HiTEC 2010), USA, 2010, pp. 1-7. doi: 10.4071/HITEC-DThomas-THA25.
22. Bellini M., Cressler J.D. and Cai J. Assessing the High-Temperature Capabilities of SiGe HBTs Fabri-cated on CMOS-compatible Thin-film SOI, 2007 IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting, Boston, MA, USA, 2007, pp. 234-237. doi: 10.1109/BIPOL.2007.4351877.
23. Thomas D.B. et al. Performance and reliability of SiGe devices and circuits for high-temperature applica-tions. Proceedings, 2009 IMAPS International Conference on High Temperature Electronics Network, HiTEN, 2009, pp. 49-56.
24. Basu R., Singh A. High temperature Si-Ge alloy towards thermoelectric applications, A comprehensive review. Materials Today Physics, No. 21, pp. 1-26. doi: 10.1016/j.mtphys.2021.100468.
25. Zhuk A.A., Bugakova A.A., Prokopenko N.N., Kleymenkin D.V. Programma katalogizatsii i vizualizatsii vykhodnykh kaskadov vysokotemperaturnykh operatsionnykh usiliteley na geteroperekhodnykh n-p-n bipolyarnykh i metall-oksid polevykh tranzistorakh, № RU 2025660214 ot 2025 [Program of cataloging and visualization of output stages of high-temperature operational amplifiers on heterojunction n-p-n bi-polar and metal-oxide field-effect transistors, No. RU 2025660214 in 2025].
26. Williams R.S., Tuckerman D.B. Low-noise Darlington amplifier design for high-frequency applications, IEEE Transactions on Circuits and Systems, 1987, Vol. 34, No. 5, pp. 567-574. DOI: 10.1109/TCS.1987.1086185.
27. Gupta A., Singh R. Performance Analysis of Darlington Transistor Arrays in High-Precision Analog Circuits, Journal of Solid-State Circuits, 2021, Vol. 56, No. 4, pp. 1123-1132. DOI: 10.1109/JSSC.2020.3040123.
28. Kim H.S., Cho M.J. Integration of Darlington Transistors in Low-Voltage Power ICs for Enhanced Efficiency, IEEE Transactions on Power Electronics, 2022, Vol. 37, No. 2, pp. 2345-2353. DOI: 10.1109/TPEL.2021.3103456.
