RU2790861C1 - Capacitor insulation device - Google Patents

Capacitor insulation device Download PDF

Info

Publication number
RU2790861C1
RU2790861C1 RU2022119385A RU2022119385A RU2790861C1 RU 2790861 C1 RU2790861 C1 RU 2790861C1 RU 2022119385 A RU2022119385 A RU 2022119385A RU 2022119385 A RU2022119385 A RU 2022119385A RU 2790861 C1 RU2790861 C1 RU 2790861C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
capacitor
insulating
output
capacitors
conductive layer
Prior art date
Application number
RU2022119385A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Борисович Макаров
Андрей Витальевич Тучин
Original Assignee
Акционерное общество "ПКК МИЛАНДР"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "ПКК МИЛАНДР" filed Critical Акционерное общество "ПКК МИЛАНДР"
Application granted granted Critical
Publication of RU2790861C1 publication Critical patent/RU2790861C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: semiconductor industry.
SUBSTANCE: invention relates to integrated circuits and can be used in systems for receiving, processing and transmitting digital and analog data, which require galvanic isolation of the data receiver and transmitter. The capacitor isolation device comprises first and second areas of integrated circuits 12 and 21, including functional circuits 122, 212, capacitor insulation control circuits 121, 211 located in the substrates of integrated circuits, insulating capacitors 1a, 1b, 2a, 2b made using conductive layers of these microcircuits. The insulating capacitors comprise the first plate located on the first conductive layer connected to the capacitor insulation control circuits, as well as the second plate located on the second conductive layer and connected to outputs 1, 2, 3, 4. By means of the switching device 5, the first output is electrically connected to the third output, the second output is connected to the fourth output, and each insulating capacitor comprises an area 301 located in the microcircuit substrates, under the lower plates of the capacitors.
EFFECT: reducing the capacitance of the lower plate of the insulating capacitor by using an insulating region in the substrate of the microcircuit located under the lower plate of the insulating capacitor, which allows using the first wiring level as the lower plate of the insulating capacitor without a significant decrease in the amplitude of the differential signal at the input of the receiver.
2 cl, 12 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковой промышленности, в частности к интегральным микросхемам, и может быть использовано в системах приема, обработки и передачи цифровых и аналоговых данных, в которых необходима гальваническая изоляция приемника и передатчика данных.The invention relates to the semiconductor industry, in particular to integrated circuits, and can be used in systems for receiving, processing and transmitting digital and analog data, which require galvanic isolation of the data receiver and transmitter.

В системах с гальванической изоляцией важными параметрами являются: напряжение изоляции, уровень стойкости к быстро меняющимся магнитным и электрическим полям окружения. Известны несколько типов гальванической развязки, которые применяются в интегральных микросхемах, среди них:In systems with galvanic isolation, important parameters are: isolation voltage, level of resistance to rapidly changing magnetic and electric fields of the environment. Several types of galvanic isolation are known, which are used in integrated circuits, among them:

- трансформаторная,- transformer,

- конденсаторная,- condenser,

- оптоэлектронная,- optoelectronic,

- магниторезистивная.- magnetoresistive.

Следует отметить, что наибольшее распространение получили трансформаторная и конденсаторная развязки, что обусловлено их технологичностью при интеграции в стандартные процессы изготовления интегральных микросхем. В интегральных микросхемах с трансформаторной развязкой достигается высокий уровень стойкости к магнитным полям, но они всегда уступают микросхемам с конденсаторной развязкой, что обусловлено конструкцией конденсаторов, в которой нет чувствительных к магнитным полям элементов. Уровень стойкости к быстро меняющимся электрическим полям зависит от конструктивных особенностей всего тракта прима и передачи гальванически развязанного сигнала. В частности, в системах с конденсаторной изоляцией применяется дифференциальная система приема и передачи сигнала, для чего в приемнике и передатчике используются пары изолирующих конденсаторов. При быстром изменении разности напряжений на изолированных частях интегральной микросхемы происходит перезарядка емкостей изолирующих конденсаторов, что вызывает появление токов в цепях приемника и передатчика, которые могут вызвать нарушение их режима работы и, как следствие, сбой в работе устройства. Положительный эффект от использования пар конденсаторов заключатся в том, что сигнал между изолированными частями приемника и передатчика передается в виде разницы напряжений на парных конденсаторах, на которую токи, возникающие при быстром изменения разности напряжений на изолированных частях интегральной микросхемы, не оказывают столь существенное влияние в сравнении с одиночными изолирующими конденсаторами. Каждый изолирующий конденсатор выполняется с использованием металлических слоев интегральной микросхемы, количество которых влияет на такие параметры, как напряжение изоляции, проходная емкость и емкость обкладок конденсатора относительно общей подложки. Напряжение изоляции возрастает при увеличении количества металлических слоев, а проходная емкость уменьшается. При этом, чем выше расположен уровень металлического слоя, используемого в качестве нижней обкладки изолирующего конденсатора, тем ниже напряжение изоляции. Емкость нижней обкладки относительно общей подложки также зависит от того, какой уровень металлического слоя в ней использован. Чем выше этот уровень, тем емкость меньше, что определяется количеством и толщиной низ лежащих диэлектрических слоев. Емкость верхней обкладки, обычно выполняемой в самом верхнем уровне металла, также зависит от количества используемых металлических слоев и уменьшается с увеличением их количества.It should be noted that transformer and capacitor decoupling is the most widely used, due to their manufacturability when integrated into standard manufacturing processes for integrated circuits. Transformer-decoupled integrated circuits achieve a high level of resistance to magnetic fields, but they are always inferior to capacitor-decoupled microcircuits, which is due to the design of capacitors, in which there are no elements sensitive to magnetic fields. The level of resistance to rapidly changing electric fields depends on the design features of the entire priming path and the transmission of a galvanically isolated signal. In particular, in systems with capacitor isolation, a differential system for receiving and transmitting a signal is used, for which pairs of isolating capacitors are used in the receiver and transmitter. With a rapid change in the voltage difference on the isolated parts of the integrated circuit, the capacitances of the insulating capacitors are recharged, which causes the appearance of currents in the receiver and transmitter circuits, which can cause a violation of their operating mode and, as a result, a malfunction of the device. The positive effect of using pairs of capacitors is that the signal between the isolated parts of the receiver and transmitter is transmitted in the form of a voltage difference across the paired capacitors, which the currents that occur when the voltage difference across the isolated parts of the integrated circuit changes rapidly does not have such a significant effect in comparison with single isolating capacitors. Each insulating capacitor is made using metal layers of an integrated circuit, the number of which affects parameters such as insulation voltage, through capacitance and capacitance of the capacitor plates relative to the common substrate. The insulation voltage increases with an increase in the number of metal layers, and the capacitance decreases. In this case, the higher the level of the metal layer used as the lower lining of the insulating capacitor, the lower the insulation voltage. The capacitance of the bottom plate relative to the common substrate also depends on what level of the metal layer is used in it. The higher this level, the lower the capacitance, which is determined by the number and thickness of the underlying dielectric layers. The capacitance of the top lining, usually performed at the highest level of metal, also depends on the number of metal layers used and decreases with increasing number of them.

В материале (Capacitive Isolation: A Fundamental Building Block in Future AC/DC Power Conversion, by Zhihong Yu, AC/DC & Lighting Product Marketing Manager, Monolithic Power Systems) [2] описывается интегральная схема с возможностью развязки по напряжению, которая содержит два гальванически изолированных кристалла, содержащих функциональные схемы, расположенные в подложках указанных кристаллов, а также интегрированные схемы емкостной развязки функциональных схем, причем схема емкостной развязки выполнена в проводящих слоях кристаллов. Схемы емкостной развязки содержат как минимум по два конденсатора на каждом кристалле и имеют верхнюю и нижнюю обкладки, выполненные в проводящих слоях соответствующих кристаллов. Функциональные схемы электрически связаны с нижними обкладками конденсаторов, а верхние обкладки используются для соединения изолированных кристаллов друг с другом, создавая емкостную связь между кристаллами. Сигналы между функциональными схемами передаются через изолирующие конденсаторы, которые соединяются последовательно, что обуславливает напряжение изоляции равное сумме двух изолирующих напряжений. На одном из кристаллов, называемом передатчике, присутствует схема формирования передаваемого дифференциального сигнала, а на втором кристалле, называемом приемнике, содержится схема приема и усиления дифференциального сигнала. Форма и частота передаваемого сигнала определяется величиной проходной емкости изолирующих конденсаторов и может быть близкой к синусоидальной, с частотой сотни мегагерц. При этом на амплитуду принимаемого сигнала существенное влияния оказывают не только проходные емкости изолирующих конденсаторов, но и паразитные емкости обкладок конденсаторов. Существенное влияние оказывает паразитная емкость нижней обкладки, уменьшение которой позволяет увеличить сигнал на входе приемника, тем самым повысить надежность приема, а также увеличить уровень стойкости к воздействию сигнала синфазной помехи.(Capacitive Isolation: A Fundamental Building Block in Future AC/DC Power Conversion, by Zhihong Yu, AC/DC & Lighting Product Marketing Manager, Monolithic Power Systems) [2] describes a voltage-isolated integrated circuit that contains two galvanically isolated crystals containing functional circuits located in the substrates of said crystals, as well as integrated capacitive decoupling circuits of functional circuits, wherein the capacitive decoupling circuit is made in the conductive layers of the crystals. Capacitive decoupling circuits contain at least two capacitors on each crystal and have top and bottom plates made in the conductive layers of the respective crystals. The functional circuits are electrically connected to the bottom plates of the capacitors, and the top plates are used to connect isolated crystals to each other, creating a capacitive coupling between the crystals. The signals between the functional circuits are transmitted through isolating capacitors, which are connected in series, resulting in an isolation voltage equal to the sum of the two isolation voltages. On one of the crystals, called the transmitter, there is a circuit for generating a transmitted differential signal, and on the second crystal, called a receiver, there is a circuit for receiving and amplifying the differential signal. The shape and frequency of the transmitted signal is determined by the value of the capacitance of the insulating capacitors and can be close to sinusoidal, with a frequency of hundreds of megahertz. In this case, the amplitude of the received signal is significantly affected not only by the capacitances of the insulating capacitors, but also by the parasitic capacitances of the capacitor plates. The parasitic capacitance of the lower plate has a significant effect, reducing which allows you to increase the signal at the receiver input, thereby increasing the reception reliability, as well as increasing the level of resistance to the common mode signal.

Наиболее близким к заявленному изобретению является известное из уровня техники устройство конденсаторной изоляции, представленного в патенте [1]. Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного устройства.Closest to the claimed invention is known from the prior art capacitor insulation device presented in the patent [1]. This device is chosen as a prototype of the proposed device.

К недостаткам указанного изобретения следует отнести конструкцию изолирующих конденсаторов, в которой проходная емкость оказывается меньше паразитной емкости нижней обкладки относительно подложки. В прототипе, на фиг. 12, их значения указаны как 88фФ и 165фФ соответственно. Это приводит к уменьшению амплитуды полезного сигнала на входе приемника и к снижению уровня стойкости к синфазной помехе.The disadvantages of this invention include the design of insulating capacitors, in which the through capacitance is less than the parasitic capacitance of the lower plate relative to the substrate. In the prototype, in Fig. 12, their values are given as 88fF and 165fF, respectively. This leads to a decrease in the amplitude of the useful signal at the receiver input and to a decrease in the level of resistance to common mode noise.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства конденсаторного изолятора с более высоким напряжением изоляции и меньшей величиной емкости нижней обкладки изолирующих конденсаторов.The object of the present invention is to provide a capacitor insulator device with a higher insulation voltage and a lower capacitance value of the bottom plate of the insulating capacitors.

Технический результат заключается в уменьшении емкости нижней обкладки изолирующего конденсатора за счет применения изолирующей области в подложке микросхемы, расположенной под нижней обкладкой изолирующего конденсатора, что позволяет использовать первый проводящий слой в качестве нижней обкладки изолирующего конденсатора без существенного снижения амплитуды дифференциального сигнала на входе приемника.The technical result consists in reducing the capacitance of the lower plate of the insulating capacitor due to the use of an insulating region in the substrate of the microcircuit located under the lower plate of the insulating capacitor, which allows the first conductive layer to be used as the lower plate of the insulating capacitor without a significant decrease in the amplitude of the differential signal at the input of the receiver.

Для достижения вышеуказанного технического результата устройство конденсаторной изоляции, содержащее первую область интегральной микросхемы, включающую функциональные схемы, схемы управления конденсаторной изоляцией, расположенные в подложке интегральной схемы, содержащие изолирующие конденсаторы, выполненные с использованием проводящих слоев этой интегральной микросхемы, а также вторую область интегральной микросхемы, включающую функциональные схемы, схемы управления конденсаторной изоляцией, содержащие изолирующие конденсаторы, выполненные с использованием проводящих слоев этой интегральной микросхемы, при этом схема емкостной изоляции первой области интегральной схемы включает первый изолирующий конденсатор, содержащий первую обкладку, расположенную на первом проводящем слое, соединенном с функциональными схемами, а также вторую обкладку, расположенную на втором проводящем слое и подключенную к первому выходу, а также второй изолирующий конденсатор, содержащий первую обкладку, расположенную на первом проводящем слое, соединенном с функциональными схемами, а также вторую обкладку, расположенную на втором проводящем слое и подключенную ко второму выходу; схема емкостной изоляции второй области интегральной схемы включает третий изолирующий конденсатор, содержащий первую обкладку, расположенную на первом проводящем слое, соединенном с функциональными схемами, а также вторую обкладку, расположенную на втором проводящем слое и подключенную к третьему выходу, а также четвертый изолирующий конденсатор, содержащий первую обкладку, расположенную на первом проводящем слое, соединенном с функциональными схемами, а также вторую обкладку, расположенную на втором проводящем слое и подключенную к четвертому выходу, при этом, с помощью устройства коммутации, первый выход электрически соединен с третьим выходом, а второй выход соединен с четвертым выходом.To achieve the above technical result, a capacitor isolation device containing the first area of the integrated circuit, including functional circuits, capacitor insulation control circuits located in the substrate of the integrated circuit, containing insulating capacitors made using conductive layers of this integrated circuit, as well as the second area of the integrated circuit, including functional circuits, capacitor isolation control circuits containing insulating capacitors made using conductive layers of this integrated circuit, while the capacitive isolation circuit of the first region of the integrated circuit includes a first insulating capacitor containing a first lining located on the first conductive layer connected to the functional circuits , as well as the second plate located on the second conductive layer and connected to the first output, as well as the second insulating capacitor containing the first plate, located laid on the first conductive layer connected to the functional circuits, as well as the second plate located on the second conductive layer and connected to the second output; the capacitive isolation circuit of the second area of the integrated circuit includes a third insulating capacitor containing a first plate located on the first conductive layer connected to the functional circuits, as well as a second plate located on the second conductive layer and connected to the third output, as well as a fourth insulating capacitor containing the first plate located on the first conductive layer connected to the functional circuits, as well as the second plate located on the second conductive layer and connected to the fourth output, while, using a switching device, the first output is electrically connected to the third output, and the second output is connected with the fourth exit.

Существует вариант, в котором изолированные области интегральных микросхем содержат шесть проводящих слоев, при этом нижняя обкладка изолирующих конденсаторов выполнена в первом проводящем слое, верхняя обкладка выполнена в шестом проводящем слое, а каждый изолирующий конденсатор содержит область изоляции нижней обкладки конденсатора, расположенную в подложке микросхемы.There is a variant in which the isolated areas of integrated circuits contain six conductive layers, while the lower plate of the insulating capacitors is made in the first conductive layer, the upper plate is made in the sixth conductive layer, and each insulating capacitor contains an insulation area of the lower plate of the capacitor located in the chip substrate.

Указанный технический результат достигается посредством того, что в устройстве конденсаторного изолятора дополнительно используется изолирующие области, расположенные в подложках интегральных микросхем, непосредственно под нижними обкладками изолирующих конденсаторов, а область изоляции нижней обкладки конденсатора выполнена в виде сетки вертикальных диэлектрических слоев.The specified technical result is achieved by the fact that in the device of the capacitor insulator, insulating areas are additionally used, located in the substrates of integrated circuits, directly under the lower plates of the insulating capacitors, and the insulation area of the lower plate of the capacitor is made in the form of a grid of vertical dielectric layers.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The essence of the invention is illustrated by drawings, where:

- на Фиг. 1 изображено устройство конденсаторного изолятора по патенту (1), где- in Fig. 1 shows the device of the capacitor insulator according to the patent (1), where

1602 - первая и вторая области интегральных микросхем,1602 - the first and second areas of integrated circuits,

1603 - входы и выходы данных приемника и передатчика,1603 - data inputs and outputs of the receiver and transmitter,

1604 - первые изолирующие конденсаторы,1604 - the first isolating capacitors,

1605 - вторые изолирующие конденсаторы,1605 - second isolating capacitors,

1606 - функциональные схемы приемников и передатчиков,1606 - functional diagrams of receivers and transmitters,

1607 - устройство соединения конденсаторов изолированных микросхем.1607 - a device for connecting capacitors of isolated microcircuits.

- на Фиг. 2 изображен разрез структуры изолирующего конденсатора по (1), где- in Fig. 2 shows a section of the structure of an insulating capacitor according to (1), where

300 - подложка кристалла,300 - crystal substrate,

101 - проводящая область нижней обкладки конденсатора,101 - conductive area of the lower plate of the capacitor,

102 - проводящая область верхней обкладки конденсатора,102 - conductive area of the upper plate of the capacitor,

201-206 - изолирующие области проводящих слоев микросхемы.201-206 - insulating areas of the conductive layers of the microcircuit.

- на Фиг. 3 изображен разрез структуры изолирующего конденсатора по данному изобретению, где- in Fig. 3 shows a sectional view of the structure of an insulating capacitor according to this invention, where

300 - подложка кристалла,300 - crystal substrate,

301 - изолирующая область,301 - isolating area,

101 - проводящая область нижней обкладки конденсатора,101 - conductive area of the lower plate of the capacitor,

102 - проводящая область верхней обкладки конденсатора,102 - conductive area of the upper plate of the capacitor,

201-206 - изолирующие области проводящих слоев микросхемы.201-206 - insulating areas of the conductive layers of the microcircuit.

- на Фиг. 4 изображена эквивалентная схема двух изолирующих конденсаторов по патенту (1) где- in Fig. 4 shows the equivalent circuit of two isolating capacitors according to the patent (1) where

601 - проходная емкость изолирующего конденсатора первой микросхемы,601 - passing capacitance of the insulating capacitor of the first microcircuit,

601а - емкость нижней обкладки на подложку микросхемы,601a - capacitance of the lower lining on the chip substrate,

601b - емкость верхней обкладки на подложку микросхемы,601b - capacitance of the upper plate on the microcircuit substrate,

602 - проходная емкость изолирующего конденсатора второй микросхемы,602 - passing capacitance of the insulating capacitor of the second microcircuit,

602а - емкость нижней обкладки на подложку микросхемы,602a - capacitance of the lower lining on the chip substrate,

602b - емкость верхней обкладки на подложку микросхемы,602b - capacitance of the upper plate on the chip substrate,

5 - соединение верхних обкладок изолирующих конденсаторов.5 - connection of the upper plates of insulating capacitors.

- на Фиг. 5 изображена эквивалентная схема двух изолирующих конденсаторов по данному изобретению, где- in Fig. 5 shows the equivalent circuit of two isolating capacitors according to this invention, where

601 - проходная емкость изолирующего конденсатора первой микросхемы,601 - passing capacitance of the insulating capacitor of the first microcircuit,

601а - емкость нижней обкладки на изолирующую область микросхемы,601a - capacitance of the lower lining on the insulating area of the microcircuit,

601b - емкость верхней обкладки на обкладки на изолирующую область микросхемы,601b - capacitance of the upper plate on the plates on the insulating area of the microcircuit,

601с - емкость изолирующей области микросхемы на подложку,601c - capacitance of the insulating area of the microcircuit on the substrate,

602 - проходная емкость изолирующего конденсатора первой микросхемы,602 - passing capacitance of the insulating capacitor of the first microcircuit,

602а - емкость нижней обкладки на изолирующую область микросхемы,602a - capacitance of the lower lining on the insulating area of the microcircuit,

602b - емкость верхней обкладки на обкладки на изолирующую область микросхемы,602b - capacitance of the upper plate on the plates on the insulating area of the microcircuit,

602с - емкость изолирующей области микросхемы на подложку,602s - capacitance of the insulating area of the microcircuit on the substrate,

5 - соединение верхних обкладок изолирующих конденсаторов.5 - connection of the upper plates of insulating capacitors.

- на Фиг. 6 изображена эквивалентная схема приемо-передающего тракта по данному изобретению, где- in Fig. 6 shows an equivalent circuit of the transceiver path according to this invention, where

600а,b - драйверы передатчика первой микросхемы,600a,b - transmitter drivers of the first chip,

1-4 - изолирующие конденсаторы микросхем передатчика и приемника,1-4 - insulating capacitors of the transmitter and receiver microcircuits,

605а,b - эквивалентные входные сопротивления приемника,605a,b - equivalent input impedances of the receiver,

606а - емкость изолирующей области микросхемы на подложку,606a - capacitance of the insulating region of the microcircuit on the substrate,

5а,b - соединение верхних обкладок изолирующих конденсаторов.5a,b - connection of the upper plates of insulating capacitors.

- на Фиг. 7 приведен разрез структуры изолирующего конденсатора по данному изобретению с использованием элементов диэлектрической изоляции, где- in Fig. 7 shows a section of the structure of an insulating capacitor according to this invention using dielectric insulation elements, where

300 - подложка кристалла,300 - crystal substrate,

400 - горизонтальная изолирующая область,400 - horizontal insulating area,

500 - вертикальные изолирующие области,500 - vertical isolating areas,

101 - проводящая область нижней обкладки конденсатора,101 - conductive area of the lower plate of the capacitor,

102 - проводящая область верхней обкладки конденсатора,102 - conductive area of the upper plate of the capacitor,

201-206 - изолирующие области проводящих слоев микросхемы.201-206 - insulating areas of the conductive layers of the microcircuit.

- на Фиг. 8 приведена топология слоя диэлектрической изоляции в изолирующем конденсаторе по данному изобретению, где- in Fig. 8 shows the topology of the dielectric insulation layer in an insulating capacitor according to this invention, where

вертикальные изолирующие области 500 выполнены в виде сетки.the vertical isolating regions 500 are in the form of a grid.

- на Фиг. 9 приведены результаты моделирования приемо-передающего тракта, где- in Fig. 9 shows the results of modeling the receiving-transmitting path, where

WF_1 - дифференциальный сигнал на входе приемника при наличии изолирующей области под нижней обкладкой конденсатора,WF_1 - differential signal at the input of the receiver in the presence of an insulating area under the lower plate of the capacitor,

WF_2 - дифференциальный сигнал на входе приемника при отсутствии изолирующей области под нижней обкладкой конденсатора,WF_2 - differential signal at the input of the receiver in the absence of an insulating area under the lower plate of the capacitor,

WF_3 - дифференциальный сигнал синфазной помехи,WF_3 - differential common mode signal,

WF_4 - дифференциальный сигнал на выходе передатчика при наличии изолирующей области,WF_4 - differential signal at the output of the transmitter in the presence of an isolating area,

WF_5 - дифференциальный сигнал на выходе передатчика при отсутствии изолирующей области.WF_5 - differential signal at the output of the transmitter in the absence of an isolating region.

- на Фиг. 10 изображена блок-схема приемо-передающего канала с изолирующими конденсаторами по данному изобретению, где- in Fig. 10 shows a block diagram of a transceiver channel with isolating capacitors according to this invention, where

12 и 21 - изолированные кристаллы микросхем,12 and 21 - isolated chips of microcircuits,

122 и 212 - функциональные схемы,122 and 212 - functional diagrams,

121 и 211 - приемники и передатчики,121 and 211 - receivers and transmitters,

1а,b - изолирующие конденсаторы первого кристалла,1a,b - isolating capacitors of the first crystal,

2а,b - изолирующие конденсаторы второго кристалла,2a,b - insulating capacitors of the second crystal,

5 - устройство коммутации,5 - switching device,

5а,b - соединение верхних обкладок изолирующих конденсаторов.5a,b - connection of the upper plates of insulating capacitors.

- на Фиг. 11 приведена временная диаграмма работы приемопередающего канала с изолирующими конденсаторами по данному изобретению, где- in Fig. 11 shows a timing diagram of the operation of a transceiver channel with isolating capacitors according to this invention, where

700а,b - сигналы на выходах драйверов передатчика,700a,b - signals at the outputs of the transmitter drivers,

701 - сигнал, восстановленный на выходе приемника.701 - signal restored at the output of the receiver.

- на Фиг. 12 приведена эквивалентная схема одного изолирующего конденсатора по US 8169108, где- in Fig. 12 shows the equivalent circuit of one isolation capacitor according to US 8169108, where

1110 - изолирующий конденсатор,1110 - isolating capacitor,

1102 - паразитный конденсатор нижней обкладки,1102 - parasitic capacitor of the lower plate,

1104 - нижняя обкладка,1104 - bottom lining,

1106 - паразитный конденсатор верхней обкладки,1106 - parasitic capacitor of the upper plate,

1108 - верхняя обкладка.1108 - top lining.

Изобретение осуществляется следующим образом.The invention is carried out as follows.

Устройство конденсаторной изоляции содержит (фиг. 10) первую область интегральной микросхемы 12, включающую функциональные схемы 122, схемы управления конденсаторной изоляцией 121, расположенные в подложке интегральной схемы, а также изолирующие конденсаторы 1a, 1b, выполненные с использованием проводящих слоев этой интегральной микросхемы, а также вторую область интегральной микросхемы 21, включающую функциональные схемы 212, схемы управления конденсаторной изоляцией 211, а также изолирующие конденсаторы 2а, 2b, выполненные с использованием проводящих слоев этой интегральной микросхемы, при этом схема емкостной изоляции первой области интегральной микросхемы включает первый изолирующий конденсатор 1а, содержащий первую обкладку, расположенную на первом проводящем слое, соединенном со схемами управления конденсаторной изоляцией 121, а также вторую обкладку, расположенную на втором проводящем слое и подключенную к первому выходу 1, а также второй изолирующий конденсатор, содержащий первую обкладку, расположенную на первом проводящем слое, соединенном со схемами управления конденсаторной изоляцией 121, а также вторую обкладку, расположенную на втором проводящем слое и подключенную ко второму выходу 2, схема емкостной изоляции второй области интегральной микросхемы включает третий изолирующий конденсатор 2а, содержащий первую обкладку, расположенную на первом проводящем слое, соединенном со схемами управления конденсаторной изоляцией 211, а также вторую обкладку, расположенную на втором проводящем слое и подключенную к третьему выходу 3, а также четвертый изолирующий конденсатор, содержащий первую обкладку, расположенную на первом проводящем слое, соединенном со схемами управления конденсаторной изоляцией 211, а также вторую обкладку, расположенную на втором проводящем слое и подключенную к четвертому выходу 4, при этом, с помощью устройства коммутации 5, первый выход электрически соединен с третьим выходом, второй выход соединен с четвертым выходом, а каждый изолирующий конденсатор содержит область 301, которая расположена в подложке микросхемы, под нижней обкладкой конденсатора.The capacitor isolation device comprises (FIG. 10) the first area of the integrated circuit 12, including functional circuits 122, capacitor insulation control circuits 121 located in the integrated circuit substrate, as well as insulating capacitors 1a, 1b, made using the conductive layers of this integrated circuit, and also the second area of the integrated circuit 21, including functional circuits 212, capacitor insulation control circuits 211, as well as insulating capacitors 2a, 2b, made using conductive layers of this integrated circuit, while the capacitive isolation circuit of the first area of the integrated circuit includes the first insulating capacitor 1a, containing the first plate located on the first conductive layer connected to the capacitor insulation control circuits 121, as well as the second plate located on the second conductive layer and connected to the first output 1, as well as the second insulating capacitor containing the first the second plate located on the first conductive layer connected to the capacitor insulation driving circuits 121, as well as the second plate located on the second conductive layer and connected to the second output 2, the capacitive isolation circuit of the second area of the integrated circuit includes a third insulating capacitor 2a containing the first plate located on the first conductive layer connected to the capacitor insulation control circuits 211, as well as the second plate located on the second conductive layer and connected to the third output 3, as well as the fourth insulating capacitor containing the first plate located on the first conductive layer connected to capacitor insulation control circuits 211, as well as the second plate located on the second conductive layer and connected to the fourth output 4, while using the switching device 5, the first output is electrically connected to the third output, the second output is connected to the fourth output, and each isolating The second capacitor contains an area 301, which is located in the substrate of the microcircuit, under the lower plate of the capacitor.

В частном случае выполнения изобретения изолированные области интегральных микросхем содержат шесть проводящих слоев, при этом нижняя обкладка изолирующих конденсаторов выполнена в первом проводящем слое, а верхняя обкладка выполнена в шестом проводящем слое, а область 301 (Фиг. 3) выполнена в виде сетки вертикальных диэлектрических слоев (фиг. 8).In a particular case of the invention, the isolated areas of integrated circuits contain six conductive layers, while the lower lining of the insulating capacitors is made in the first conductive layer, and the upper lining is made in the sixth conductive layer, and the area 301 (Fig. 3) is made in the form of a grid of vertical dielectric layers (Fig. 8).

Условные сечения изолирующих конденсаторов приведены на фиг. 2 и 3, на которых 101 и 102 - нижняя и верхняя обкладки изолирующих конденсаторов, 201-205 - изолирующие слои диэлектрика, 300 - подложка микросхемы, 301 - изолированная область. Использование изолированных областей 301, расположенных в подложках интегральных микросхем непосредственно под нижними обкладками изолирующих конденсаторов, позволяет уменьшить емкость нижних обкладок изолирующих конденсаторов относительно подложки микросхемы. При этом достигаются два положительных эффекта: во-первых, возрастает амплитуда дифференциального сигнала, поступающего на входы приемника и, во-вторых, снижается эффект воздействия синфазной помехи. На фиг. 4 и 5 представлены эквивалентные схемы двух связанных электрически изолирующих конденсаторов, поясняющие эффект дополнительной изолирующей области. Уменьшение емкостей нижних обкладок изолирующих конденсаторов происходит за счет емкостей дополнительных изолирующих областей 601с, 602с, включенных последовательно с емкостями нижних обкладок 601а, 602а. На фиг. 6 представлена эквивалентная схема одного канала приемо-передающего тракта, который содержит драйверы 600а, 600b, изолирующие конденсаторы 1-4, эквивалентные входные сопротивления приемника 605а, 605b и дифференциальный приемник 606а. На фиг. 9 представлены результаты моделирования процесса передачи дифференциального выходного сигнала WF_4 через изолирующие конденсаторы на вход приемника: WF_2 при отсутствии изолирующей области и WF_1 при ее наличии. На интервале времени 5.08 мкс - 5.1 мкс амплитуды сигналов отличаются более чем в 2 раза. На интервале времени 5.1 мкс - 5.15 мкс синфазный сигнал WF_3 изменяется с 0 В до 3 кВ, что соответствует скорости изменения 60 кВ/мкс. При этом сигнал WF_2 значительно уменьшается по амплитуде и изменяет свою форму, а сигнал WF_1 лишь слабо уменьшается по амплитуде при сохранении формы. Такое поведение сигналов на входе приемника связано с тем, что перезарядка емкости нижней обкладки изолирующих конденсаторов приводит к увеличению выходного тока драйверов и, как следствие, к увеличению падения напряжения на его выходных транзисторах, что способствует как уменьшению выходного напряжения, так и изменению формы выходного сигнала WF_4, WF_5.Conditional sections of insulating capacitors are shown in Fig. 2 and 3, on which 101 and 102 are the lower and upper plates of insulating capacitors, 201-205 are insulating dielectric layers, 300 is a microcircuit substrate, 301 is an isolated area. The use of isolated regions 301 located in the substrates of integrated circuits directly below the bottom plates of the insulating capacitors makes it possible to reduce the capacitance of the bottom plates of the insulating capacitors relative to the chip substrate. In this case, two positive effects are achieved: firstly, the amplitude of the differential signal entering the receiver inputs increases and, secondly, the effect of common-mode noise is reduced. In FIG. 4 and 5 are equivalent circuits of two electrically coupled insulating capacitors, explaining the effect of the additional insulating region. The reduction in the capacitances of the lower plates of the insulating capacitors occurs due to the capacitances of the additional insulating regions 601c, 602c connected in series with the capacitances of the lower plates 601a, 602a. In FIG. 6 shows the equivalent circuit of one channel of the transceiver path, which includes drivers 600a, 600b, isolation capacitors 1-4, equivalent receiver input impedances 605a, 605b, and a differential receiver 606a. In FIG. 9 shows the simulation results of the process of transmitting the differential output signal WF_4 through isolating capacitors to the input of the receiver: WF_2 in the absence of an isolating region and WF_1 in its presence. In the time interval 5.08 µs - 5.1 µs, the signal amplitudes differ by more than 2 times. In the time interval 5.1 µs - 5.15 µs, the common mode signal WF_3 changes from 0 V to 3 kV, which corresponds to a rate of change of 60 kV/µs. In this case, the WF_2 signal significantly decreases in amplitude and changes its shape, while the WF_1 signal only slightly decreases in amplitude while maintaining the shape. This behavior of the signals at the input of the receiver is due to the fact that recharging the capacitance of the lower lining of the insulating capacitors leads to an increase in the output current of the drivers and, as a result, to an increase in the voltage drop across its output transistors, which contributes both to a decrease in the output voltage and to a change in the shape of the output signal WF_4, WF_5.

Была разработана, изготовлена и исследована интегральная микросхема цифрового приемо-передатчика, содержащего четыре цифровых реверсивных канала на основе КМОП технологии с проектной нормой 0,18 мкм и полной диэлектрической изоляцией.An integrated circuit of a digital transceiver containing four digital reverse channels based on CMOS technology with a design standard of 0.18 microns and full dielectric insulation was developed, manufactured and researched.

Конструкция изолирующего конденсатора включала первый и шестой уровни металлов в качестве обкладок изолирующих конденсаторов и сетку из вертикальных диэлектрических слоев в качестве изолирующего слоя, расположенного под нижней обкладкой конденсаторов. Размеры конденсаторов составляли 103 мкм х 103 мкм. Драйверы передатчика выполнены на основе КМОП транзисторов с рабочим напряжением 5 В и размерами W=72 мкм, L=0,5 мкм и W=32 мкм, L=0,5 мкм, соответственно р- и п-канальные транзисторы. Приемники выполнены на основе 3-х каскадов дифференциальных усилителей с емкостной развязкой, а также схем детектора и компаратора уровней усиленных сигналов. Формы передаваемых и принимаемых сигналов приведены на фиг. 11, где 600а, 600b - сигналы на выходах драйвера, а 606а - сигнал на выходе компаратора уровней. Уровню логического нуля соответствуют временные интервалы, на которых отсутствуют импульсы, а уровню логической единицы - временные интервалы, заполненные импульсами. Измерения показали, что напряжение изоляции превышает 5 кВ, а уровень стойкости к воздействию быстро меняющихся электрических полей превышает скорость изменения 20 кВ/мкс.The design of the insulating capacitor included the first and sixth levels of metals as insulating capacitor plates and a grid of vertical dielectric layers as an insulating layer located under the lower capacitor plate. The dimensions of the capacitors were 103 µm x 103 µm. The transmitter drivers are made on the basis of CMOS transistors with an operating voltage of 5 V and sizes W=72 µm, L=0.5 µm and W=32 µm, L=0.5 µm, p- and p-channel transistors, respectively. The receivers are made on the basis of 3 stages of differential amplifiers with capacitive decoupling, as well as detector circuits and a comparator of levels of amplified signals. The forms of transmitted and received signals are shown in Fig. 11, where 600a, 600b are driver outputs and 606a is the level comparator output. The logic zero level corresponds to time intervals where there are no pulses, and the logic one level corresponds to time intervals filled with pulses. Measurements have shown that the insulation voltage exceeds 5 kV, and the level of resistance to the effects of rapidly changing electric fields exceeds the rate of change of 20 kV/µs.

ЛитератураLiterature

1. Патент США 8,169,108.1. US Patent 8,169,108.

2. Capacitive Isolation: A Fundamental Building Block in Future AC/DC Power Conversion, by Zhihong Yu, AC/DC & Lighting Product Marketing Manager, Monolithic Power Systems.2. Capacitive Isolation: A Fundamental Building Block in Future AC/DC Power Conversion, by Zhihong Yu, AC/DC & Lighting Product Marketing Manager, Monolithic Power Systems.

Claims (2)

1. Устройство конденсаторной изоляции, содержащее первую область интегральной микросхемы, включающую функциональные схемы, схемы управления конденсаторной изоляцией, а также изолирующие конденсаторы, расположенные в подложке интегральной схемы, выполненные с использованием проводящих слоев этой интегральной микросхемы, а также вторую область интегральной микросхемы, включающую функциональные схемы, схемы управления конденсаторной изоляцией, а также изолирующие конденсаторы, выполненные в подложке интегральной схемы, с использованием проводящих слоев этой интегральной микросхемы, при этом изолирующие конденсаторы первой области интегральной микросхемы включают первый изолирующий конденсатор, содержащий первую обкладку, расположенную на первом проводящем слое, соединенном со схемами управления конденсаторной изоляцией, а также вторую обкладку, расположенную на втором проводящем слое и подключенную к первому выходу, а также второй изолирующий конденсатор, содержащий первую обкладку, расположенную на первом проводящем слое, соединенном со схемами управления конденсаторной изоляцией, а также вторую обкладку, расположенную на втором проводящем слое и подключенную ко второму выходу, изолирующие конденсаторы второй области интегральной микросхемы включают третий изолирующий конденсатор, содержащий первую обкладку, расположенную на первом проводящем слое, соединенном со схемами управления конденсаторной изоляцией, а также вторую обкладку, расположенную на втором проводящем слое и подключенную к третьему выходу, а также четвертый изолирующий конденсатор, содержащий первую обкладку, расположенную на первом проводящем слое, соединенном со схемами управления конденсаторной изоляцией, а также вторую обкладку, расположенную на втором проводящем слое и подключенную к четвертому выходу, при этом с помощью устройства коммутации первый выход электрически соединен с третьим выходом, а второй выход соединен с четвертым выходом, а каждый изолирующий конденсатор содержит область изоляции нижней обкладки конденсатора, расположенную в подложке микросхемы.1. A capacitor isolation device containing the first area of the integrated circuit, including functional circuits, capacitor insulation control circuits, as well as insulating capacitors located in the substrate of the integrated circuit, made using conductive layers of this integrated circuit, as well as the second area of the integrated circuit, including functional circuits, capacitor isolation control circuits, as well as insulating capacitors, made in the substrate of the integrated circuit, using the conductive layers of this integrated circuit, while the insulating capacitors of the first region of the integrated circuit include the first insulating capacitor, containing the first plate located on the first conductive layer connected with capacitor insulation control circuits, as well as a second plate located on the second conductive layer and connected to the first output, as well as a second insulating capacitor containing the first plate, located laid on the first conductive layer connected to the capacitor insulation control circuits, as well as the second plate located on the second conductive layer and connected to the second output, the insulating capacitors of the second area of the integrated circuit include a third insulating capacitor containing the first plate located on the first conductive layer, connected to the capacitor insulation control circuits, as well as the second plate located on the second conductive layer and connected to the third output, as well as the fourth insulating capacitor containing the first plate located on the first conductive layer connected to the capacitor insulation control circuits, as well as the second plate located on the second conductive layer and connected to the fourth output, while using the switching device, the first output is electrically connected to the third output, and the second output is connected to the fourth output, and each insulating capacitor contains an isolation area the bottom plate of the capacitor, located in the substrate of the microcircuit. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что изолированные области интегральных микросхем содержат шесть проводящих слоев, при этом нижняя обкладка изолирующих конденсаторов выполнена в первом проводящем слое, верхняя обкладка выполнена в шестом проводящем слое, а область изоляции нижней обкладки конденсатора выполнена в виде сетки вертикальных диэлектрических слоев.2. The device according to claim. 1, characterized in that the isolated areas of integrated circuits contain six conductive layers, while the lower plate of the insulating capacitors is made in the first conductive layer, the upper plate is made in the sixth conductive layer, and the insulation area of the lower plate of the capacitor is made in the form grids of vertical dielectric layers.
RU2022119385A 2022-07-15 Capacitor insulation device RU2790861C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2790861C1 true RU2790861C1 (en) 2023-02-28

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3548984B2 (en) * 1991-11-14 2004-08-04 富士通株式会社 Method for manufacturing semiconductor device
EA006177B1 (en) * 2000-12-28 2005-10-27 Эмбиент Корпорейшн Inductive coupling of a data signal to a power transmission cable
US8169108B2 (en) * 2004-06-03 2012-05-01 Silicon Laboratories Inc. Capacitive isolator
RU2499354C2 (en) * 2010-07-06 2013-11-20 Эппл Инк. Tunable antenna system
EP2715933A1 (en) * 2011-05-30 2014-04-09 Acconeer Ab Transceiver module
RU2631224C1 (en) * 2016-07-29 2017-09-19 Общество с ограниченной ответственностью "Радио Гигабит" Multichannel radio frequency module with frequency diversity of reception and transmission

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3548984B2 (en) * 1991-11-14 2004-08-04 富士通株式会社 Method for manufacturing semiconductor device
EA006177B1 (en) * 2000-12-28 2005-10-27 Эмбиент Корпорейшн Inductive coupling of a data signal to a power transmission cable
US8169108B2 (en) * 2004-06-03 2012-05-01 Silicon Laboratories Inc. Capacitive isolator
RU2499354C2 (en) * 2010-07-06 2013-11-20 Эппл Инк. Tunable antenna system
EP2715933A1 (en) * 2011-05-30 2014-04-09 Acconeer Ab Transceiver module
RU2631224C1 (en) * 2016-07-29 2017-09-19 Общество с ограниченной ответственностью "Радио Гигабит" Multichannel radio frequency module with frequency diversity of reception and transmission

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZHIHONG YU Capacitive Isolation: A Fundamental Building Block in Future AC/DC Power Conversion, https://web.archive.org/web/20220627115742/https://www.monolithicpower.com/en/capacitive-isolation-article; дата обращения: 30.01.2023. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5701037A (en) Arrangement for inductive signal transmission between the chip layers of a vertically integrated circuit
US9007141B2 (en) Interface for communication between voltage domains
US8319573B2 (en) Signal transmission arrangement
EP1388988B1 (en) Chip-scale coils and isolators based thereon
JP5148562B2 (en) High voltage drive circuit using capacitive signal coupling and related apparatus and method
US6255852B1 (en) Current mode signal interconnects and CMOS amplifier
US20050271147A1 (en) Transformer isolator for digital power supply
US20050269657A1 (en) On chip transformer isolator
Kaeriyama et al. A 2.5 kV isolation 35 kV/us CMR 250 Mbps digital isolator in standard CMOS with a small transformer driving technique
US9076808B2 (en) RF MEMS isolation, series and shunt DVC, and small MEMS
KR20170130420A (en) Level shifter
EP0714130B1 (en) Method of manufacturing a capacitive signal transfer device between the chip layers of a vertical integrated circuit
US6452442B1 (en) Apparatus for obtaining noise immunity in electrical circuits
US10699995B2 (en) Isolator with symmetric multi-channel layout
RU2790861C1 (en) Capacitor insulation device
EP3340465B1 (en) Signal transmission circuit
US20150070073A1 (en) Single-chip multi-domain galvanic isolation device and method
US20210057330A1 (en) Single chip signal isolator
US20090322383A1 (en) Semiconductor device, signal transmitter, and signal transmission method
JP4765034B2 (en) Receiver and semiconductor device
US9001530B2 (en) Integrated circuit with voltage conversion
US20150171838A1 (en) Digital control ring oscillator and method of assembling same
CN111326496B (en) Isolation capacitor and isolation circuit
US7805646B2 (en) LSI internal signal observing circuit
US6963510B1 (en) Programmable capacitor and method of operating same