Kijkje in een filterchip uit de jaren 80 met geschakelde condensatoren

Onder de microscoop was het meest opvallende kenmerk van de chip een raster van vierkante condensatoren. Vanwege al die condensatoren vermoedde ik dat het een filter met geschakelde condensatoren (switched-capacitor filter) was. De chip-die leverde nog een aanwijzing: het onderdeelnummer HF-10. Met deze informatie ontdekten we snel dat de chip de versie van Harris was van de standaard MF10-filterchip met geschakelde condensatoren.

Filters met geschakelde condensatoren waren in de jaren 80 een populaire manier om analoge filters te implementeren. Door condensatoren snel in en uit een circuit te schakelen, konden filters op één chip worden gebouwd die eenvoudig in gebruik waren en goed presteerden. De MF10, geïntroduceerd door National Semiconductor in 1981, biedt twee flexibele filters op een chip; elk filter kan fungeren als een laagdoorlaatfilter (low-pass), banddoorlaatfilter (band-pass) of hoogdoorlaatfilter (high-pass). De kenmerken van het filter zijn eenvoudig te regelen met een paar externe weerstanden.

Analyse van de chip-die

Omdat ik de chip onder de microscoop had, greep ik de gelegenheid aan om deze nauwkeuriger te analyseren. De witte lijnen zijn de metalen bedrading die de schakelingen van de chip verbindt. Onder de metaallaag liggen twee lagen polysilicium (roodachtig) en het onderliggende silicium (grijs).

De bovenste en onderste helften van de chip zijn grotendeels spiegelbeelden van elkaar, wat overeenkomt met de twee filters op de chip. De kenmerkende roodachtige vierkanten in het midden van de chip zijn 72 kleine condensatoren, gemaakt van polysilicium. Boven de condensatoren schakelen CMOS-schakelaars aan en uit op de klokfrequentie, waardoor de condensatoren in en uit het circuit worden geschakeld.

Elk filter maakt gebruik van drie operationele versterkers (op-amps). Aan de rechterkant bevinden zich de drie uitgangen van deze op-amps: hoogdoorlaat, banddoorlaat en laagdoorlaat. De besturingscircuits bevinden zich aan de linkerkant: klok-levelshifting, klokvorming, frequentieverhoudingsbeheer, opstartcircuits en stroomputten (current sinks) om vaste stromen aan andere delen van de chip te leveren.

Rond de randen van de silicium-die verbinden 20 flinterdunne bonddraden de die met de 20 externe pinnen. De die bevat ook interessante "chip art": een Harris-logo en een omtrek van Florida; Harris had het hoofdkantoor in Melbourne, Florida. De initialen op de die zijn vermoedelijk van de ingenieurs die de chip hebben ontworpen.

Circuits met geschakelde condensatoren

Het filter is gebaseerd op circuits met geschakelde condensatoren. Een geschakelde condensator kan in bepaalde circuits een weerstand vervangen. De schakelaars worden aangestuurd door een kloksignaal; de schakelaars sluiten afwisselend in klokfase 1 en fase 2 ($\phi 1$ en $\phi 2$).

• Fase 1: De condensator wordt opgeladen tot de ingangsspanning.
• Fase 2: De condensator geeft de lading door aan de uitgang.

Door de schakelaars snel te laten wisselen, wordt er (bijna) constant lading naar de uitgang getransporteerd. Hoe groter de capaciteit, hoe meer lading er wordt doorgegeven. Evenzo zorgt een hogere frequentie voor meer ladingsoverdracht.

Er kan worden aangetoond dat het circuit overeenkomt met een weerstand met een waarde van $1/(fC)$: een hogere capaciteit en frequentie corresponderen met een lagere weerstand.

Waarom een geschakelde condensator gebruiken?

In een geïntegreerde schakeling zijn weerstanden onnauwkeurig en onhandig groot, vooral weerstanden met een hoge waarde. Het vervangen van een grote weerstand door een kleine condensator bespaart ruimte op de die. Bovendien is het eenvoudig om een uiterst nauwkeurige klokfrequentie te genereren met een goedkoop kwartskristal, waardoor de frequentie van het filter zeer nauwkeurig wordt. Ten slotte kan de equivalente weerstand eenvoudig worden gewijzigd door de klokfrequentie aan te passen, wat het afstemmen of scannen van het filter vergemakkelijkt.

Condensatoren op de chip zijn redelijk onnauwkeurig; de capaciteit varieert door fabricageomstandigheden doorgaans met 20% per chip. Dit is echter geen probleem in de MF10, omdat de schakeling is ontworpen om afhankelijk te zijn van de verhouding tussen capaciteiten, die wel stabiel is.

Specifiek gebruikt de MF10 72 identieke vierkante condensatoren, die bijna identieke capaciteiten hebben. Nauwkeurige inspectie laat zien dat sommige condensatoren losstaan, terwijl andere in groepen van 8 zijn verbonden om grotere condensatoren te vormen. Dit levert een zeer nauwkeurige verhouding van 8:1 op tussen de gegroepeerde condensatoren en de individuele condensatoren, ook al varieert de absolute capaciteit per chip.

Elke condensator is opgebouwd uit twee lagen polysilicium die de platen vormen, gescheiden door een dunne laag isolerende oxide die als diëlektricum dient. Ik schat dat elk condensatorvierkant 5 picofarad is.

Spanning-inversie

Deze chip gebruikt nog een truc: hij keert de spanning om terwijl hij als weerstand fungeert. In een specifiek circuit met vier schakelaars gebeurt het volgende:

1. De condensator laadt op naar de ingangsspanning tijdens fase 1.
2. Tijdens fase 2 wordt de bovenste plaat van de condensator geaard, terwijl de uitgang afkomstig is van de onderste plaat.

Als de condensator was opgeladen tot bijvoorbeeld 1 volt, is de bovenste plaat 1 volt hoger dan de onderste. Als de bovenste plaat wordt geaard, moet de onderste plaat op -1 V staan. Dit circuit levert een nauwkeuriger filter op omdat sommige parasitaire capaciteiten elkaar opheffen.

De op-amp integrator

Het hart van de meeste analoge circuits is de operationele versterker, of op-amp. Een op-amp neemt twee ingangen en versterkt het verschil met vele ordes van grootte. Normaal wordt een op-amp geconfigureerd met negatieve feedback, waardoor de twee ingangen in essentie gelijk worden.

De filterchip gebruikt op-amps als integratoren om een ingangsspanning over tijd te integreren. De ingangsspanning produceert een stroom die door de weerstand vloeit en de condensator oplaadt, zodat de condensator de integraal van de ingangsspanning over tijd vasthoudt.

De MF10-chip gebruikt dit circuit, maar de weerstand is vervangen door een geschakelde condensator. De condensator over de op-amp is niet geschakeld, maar bestaat uit 8 of 16 condensatoren uit het condensatorraster.

CMOS-schakelaars

De CMOS-schakelaar is de technologie die het filter met geschakelde condensatoren mogelijk maakt. Een CMOS-schakelaar heeft een vrij lage weerstand (mogelijk tientallen ohms) wanneer deze gesloten is, en een enorm hoge weerstand (honderden megohms) wanneer deze open is. Deze hoge weerstand zorgt ervoor dat de lading niet uit de condensatoren lekt.

Een CMOS-schakelaar wordt geconstrueerd door een NMOS-transistor en een PMOS-transistor te combineren. Een NMOS-transistor is goed in het laag trekken van de uitgang, terwijl een PMOS-transistor goed is in het hoog trekken van de uitgang. Samen vormen ze een effectieve schakelaar.

• NMOS-transistor: Wordt ingeschakeld door een hoge spanning op de gate.
• PMOS-transistor: Wordt ingeschakeld door een lage spanning op de gate.

Hierdoor heeft een CMOS-schakelaar twee besturingssignalen met tegenovergestelde polariteit nodig. De chip gebruikt CMOS-schakelaars in paren, waarbij één schakelaar aan staat en de andere uit. Dit vormt het equivalent van een omschakelaar die ofwel A of B met de uitgang verbindt, schakelend op de klokfrequentie.

Ruisreductie

Een probleem met filters met geschakelde condensatoren is dat de klok schakelruis kan genereren in de uitgangen. De MF10 gebruikt verschillende technieken om dit te verminderen:

• Isolatieringen: Elke set transistors is omringd door twee isolatieringen (één positief en één negatief) om te voorkomen dat ruis door het silicium-substraat reist.
• Afscherming: Een tweede laag polysilicium is verbonden met de aarde en dient als afschermlaag over de schakelcircuits.

De State Variable Filter

De MF10-chip maakt gebruik van een techniek genaamd de state variable filter. Dit circuit fungeert als drie filters tegelijk, met hoogdoorlaat-, banddoorlaat- en laagdoorlaatuitgangen. Bovendien is het circuit flexibel, aangezien de frequentie, de versterking en de filterkwaliteit (Q) onafhankelijk van elkaar kunnen worden gevarieerd.

Het maakt gebruik van drie op-amps: één om signalen op te tellen en twee voor integratie. De signalen, de integraal en de dubbele integraal vormen de drie statusvariabelen die de toestand van het systeem definiëren.

In de MF10 is het optelsysteem geïmplementeerd met drie geschakelde condensatoren die fungeren als optelweerstanden. Door de polariteit te wisselen (één schakelaar is geaard tijdens fase 1, de anderen tijdens fase 2), wordt optelling versus aftrekking geregeld.

De integratoren hebben geschakelde condensatoren op de ingangen. De integratiecondensator bestaat uit 8 of 16 "vierkantjes", geselecteerd door een pin voor de verhoudingsselectie. Dit bepaalt de verhouding tussen de klokfrequentie en de filterfrequentie (50:1 of 100:1).

De operationele versterkers (op-amps)

De op-amps zijn vrij standaard CMOS op-amps, gebouwd uit ongeveer 35 transistors. Op de die is elke op-amp gesplitst in twee delen: de differentiële versterker links en een extra versterkingstrap rechts. Tussen deze helften zit een grote roze condensator; dit is een frequentiecompensatiecondensator om de uitgang te stabiliseren.

Een ongebruikelijk kenmerk is de energiebesparende modus. Door een specifieke pin laag te trekken, stopt de chip met filteren en gaat hij over op een low-power modus, wat het stroomverbruik met 70% vermindert. Dit gebeurt door de "current mirror"-circuits uit te schakelen die vaste stromen leveren aan de op-amps.

De non-overlapping clockgenerator

De MF10 wordt aangestuurd door externe kloksignalen. Het is cruciaal dat twee schakelaars nooit tegelijkertijd gesloten zijn, omdat dit de ingangen zou kortsluiten en de signalen zou corrumperen.

Er is daarom een circuit dat een kleine opening (delay) afdwingt tussen het moment dat de ene schakelaar opent en de andere sluit. Een fase kan pas hoog worden nadat de andere fase laag is geworden. Dit wordt gerealiseerd met CMOS-logische poorten en inverter-paren die extra vertraging bieden.

De ternaire ingang

Een vreemd kenmerk van de chip is de ingangspin die de verhouding tussen de inputklok en de filterfrequentie selecteert. In feite is dit een digitale ingang met drie waarden (ternair):

1. Hoge voedingsspanning: Selecteert een 50:1 verhouding.
2. Middenpunt tussen voedingsspanningen: Selecteert een 100:1 verhouding.
3. Lage voedingsspanning: Stopt het filter en activeert de energiebesparende modus.

Om deze drie niveaus te onderscheiden, gaat het signaal door twee separate buffers die bij verschillende voltages schakelen. Dit wordt bereikt door de lengte van de transistor-gates te variëren. Twee van de gates zijn ongebruikelijk lang, waardoor de transistors zwakker zijn. Hierdoor kan de buffer bepalen of een signaal "laag", "midden" of "hoog" is.

Conclusie en geschiedenis

Harris begon in 1895 als een drukkerijbedrijf en stapte in de jaren 50 en 60 over op hightech door diverse radio- en elektronicabedrijven over te nemen. Harris ging in 1967 de IC-markt op door Radiation, Inc. over te nemen. In 1999 trok Harris zich terug uit de semiconductorbusiness en splitste Intersil af, dat later werd overgenomen door Renesas. In 2019 fuseerde Harris met L3 Technologies om L3Harris te worden.

Filters met geschakelde condensatoren zijn minder populair geworden, omdat filtering tegenwoordig eenvoudiger in het digitale domein gebeurt. Texas Instruments nam National Semiconductor (en de MF10) over in 2011. Hoewel de MF10 op de website van TI nog als "actief" staat, is hij duur en niet op voorraad, wat suggereert dat hij niet meer wordt geproduceerd. State variable filters worden echter nog steeds gebruikt in de wereld van synthesizers vanwege hun flexibiliteit.

***

Notities en referenties

1. Na het vinden van het nummer "HF-10" bevestigde een databook van National Semiconductor dat de Harris HF-10 een directe vervanging was voor de National Semiconductor MF10. Het blijft een mysterie waarom de chip extern is gelabeld als "F1-10-5".
2. Grotere condensatoren worden gevormd door acht kleinere vierkantjes te verbinden in plaats van één grote condensator te maken. Dit is om een betere matching (tot $\pm 0,01\%$) te verkrijgen, omdat randeffecten bij één grote condensator voor onnauwkeurigheden zorgen.
3. De meeste chips uit dit tijdperk hebben één laag polysilicium; de MF10 heeft er twee.
4. Een standaard op-amp integrator is inverterend (uitgang is negatief). Omdat de MF10 echter een schakelcircuit gebruikt dat de ingangsspanning al omkeert, vallen de twee negatieven tegen elkaar weg, waardoor het een niet-inverterende integrator wordt.
5. Om de metaallaag te verwijderen, is gebruikgemaakt van Whink roestverwijderaar (HF) voor de oxidelaag en zoutzuur (HCl) voor het metaal.
6. De volledige blokdiagrammen zijn afkomstig uit de datasheet van Texas Instruments.
7. De filterfrequentie is de klokfrequentie gedeeld door $2\pi$ maal de condensatorverhouding. $2\pi \times 8 \approx 50,27$ en $2\pi \times 16 \approx 100,5$. De datasheet geeft een foutmarge van $\pm 0,2\%$, wat suggereert dat de ontwerpers de verhoudingen precies zo hebben afgesteld dat parasitaire capaciteiten de waarde naar exact 50 en 100 duwen.
8. De ternaire input is waarschijnlijk gebruikt omdat de chip onvoldoende fysieke pinnen had voor alle gewenste functies.