gesponsertBusiness ROHM erweitert sein Geschäft mit allgemeinen Analog-ICs Fokus auf Rauschunterdrückung zur Gewinnung von Marktanteilen

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ROHM Semiconductor GmbH

Im Interview mit Yusuke Yoshii, General Manager der Standard LSI Product Development Dept., erklärt ROHM seine Strategie zur Rauschunterdrückung und EMI-Immunität in Operationsverstärker-ICs. Mit Innovationen wie klassenführend niedrigem Rauschen und kompakter Bauweise setzt ROHM neue Maßstäbe für Sensor- und IoT-Anwendungen.

ROHM hat kürzlich die Markteinführung neuer Operationsverstärker-ICs (Op-Amp-ICs) beschleunigt. Was treibt diesen Trend an?

Yoshii: Die zunehmende Verbreitung des IoT beschleunigt den Übergang zu einer sensorbasierten Gesellschaft. Heutzutage werden verschiedene Sensoren, die Druck, Licht, Gas, Temperatur, Gewicht und Beschleunigung messen, in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Diese Sensoren können jedoch nicht eigenständig arbeiten. Die Signale, die sie erzeugen, sind zu schwach, um direkt von Mikrocontrollern (MCUs) verarbeitet zu werden. Daher werden Op-Amp-ICs benötigt, um diese Signale zu verstärken. Mit der zunehmenden Abhängigkeit von Sensoren steigt auch der Bedarf an Operationsverstärker-ICs.

Analog-ICs wie Operationsverstärker-ICs sind ein Bereich, der traditionell von US-amerikanischen und europäischen Halbleiterherstellern dominiert wird. Wie positioniert sich ROHM in diesem Markt?

Yoshii: Vor etwa zehn Jahren beschränkte sich unser Angebot auf sogenannte universelle Op-Amp-ICs, die durch niedrige Geschwindigkeit und Genauigkeit gekennzeichnet sind. Vor einigen Jahren haben wir jedoch unsere Strategie geändert, um unser Geschäft mit Op-Amp- und Komparator-ICs zu stärken. Dies umfasste die Aufstockung der Entwicklerteams und die Weiterentwicklung unserer Technologien. Seitdem haben wir unser Sortiment um leistungsstarke Produkte wie Modelle mit hoher Slew-Rate und geringer Eingangs-Offset-Spannung erweitert (Abb. 1).

Operationsverstärker-ICs sind universelle Produkte, die durch Alternativen mit vergleichbarer Leistung ersetzt werden können, was es schwierig macht, sie von Konkurrenzprodukten zu unterscheiden. Ohne klare Differenzierung wird es jedoch schwer, gegen europäische und US-amerikanische Halbleiterhersteller anzutreten. Deshalb legt ROHM den Fokus auf Rauscharmut als Differenzierungsmerkmal. Unser Ansatz basiert auf zwei Grundprinzipien: Widerstandsfähigkeit gegenüber Rauschen und minimale Rauschgenerierung. Diese Prinzipien leiten die Entwicklung unserer Produkte.

Was genau ist Rauschen?

Yoshii: Einfach gesagt haben wir uns auf EMV-Maßnahmen konzentriert. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) bezieht sich auf die Fähigkeit eines elektronischen Geräts, normal zu funktionieren, ohne elektromagnetische Störungen (EMI) zu erzeugen, die andere Geräte beeinträchtigen, oder durch externe Störungen (EMS) beeinträchtigt zu werden (Abb. 2).

EMI beschreibt die Menge des von einem Gerät erzeugten Rauschens, das die Funktion anderer Geräte negativ beeinflussen kann. Operationsverstärker-ICs erzeugen von Natur aus kein signifikantes Rauschen, sodass wir uns auf das Rauschen im Ausgangssignal konzentriert haben. Dieses Signal enthält immer Schwankungen, die unvermeidlich mit dem Signal verstärkt werden. Sind diese Schwankungen groß, wird es schwierig, die von Sensoren erfassten Signale genau zu lesen. Durch die Unterdrückung dieser Schwankungen konnten wir sogenannte rauscharme Operationsverstärker entwickeln.

EMS, hingegen, beschreibt die Anfälligkeit eines Geräts gegenüber elektromagnetischen Wellen. Eine niedrige Anfälligkeit führt dazu, dass das Ausgangssignal des Operationsverstärkers selbst bei elektromagnetischen Störungen stabil bleibt, was die Signalverarbeitung vereinfacht.

Klassenbeste niedrige Eingangsäquivalent-Rauschspannung

Wie ist die Rauschleistung der rauscharmen Operationsverstärker-ICs?

Yoshii: Unsere rauscharmen Operationsverstärker-ICs, wie die Serien LMR180xxx, TLRx37xxx und BD728xxx, bieten branchenführende Rauschleistung. Die Eingangsäquivalent-Rauschspannung, die den Schwankungen im Ausgangssignal entspricht, wurde auf nur 2,9nV/√Hz (@1kHz) reduziert (Abb. 3).

Welche Technologien hat ROHM eingesetzt, um rauscharme Operationsverstärker-ICs zu entwickeln?

Yoshii: Als vertikal integrierter Halbleiterhersteller decken wir den gesamten Prozess – von der Entwicklung bis zur Fertigung – ab. Dadurch können wir unsere Stärken voll ausschöpfen, um das Rauschen zu minimieren.

Es gibt zwei Faktoren, die zum Rauschen bei Operationsverstärker-ICs beitragen (Abb. 4): Der erste ist das Rauschen, das aus dem Fertigungsprozess stammt. Diese Art von Rauschen, bekannt als Flicker-Rauschen, hängt von der "Sauberkeit" des Fertigungsprozesses ab. Eine saubere atomare Anordnung verhindert Flicker-Rauschen. Kristallfehler hingegen stören den Elektronenfluss und erzeugen Rauschen. Um dieses Problem zu lösen, muss der Fertigungsprozess so optimiert werden, dass Verunreinigungen, die Kristallfehler verursachen können, beseitigt werden.

Der zweite Faktor ist thermisches Rauschen, das durch innovative Schaltungsentwicklung reduziert werden kann. Konkret wird dies durch die Anpassung der Transistorgrößen und die Verringerung der Widerstandswerte erreicht.

Diese Verbesserungen umzusetzen, ist jedoch keine leichte Aufgabe. Als vertikal integrierter Halbleiterhersteller profitieren wir von der engen Zusammenarbeit zwischen den Entwicklungs- und Designabteilungen, was uns eine größere Flexibilität ermöglicht. Darüber hinaus haben wir vor einigen Jahren eine Technologieentwicklungsabteilung gegründet, um diese Zusammenarbeit weiter zu stärken. Diese Abteilung arbeitet sowohl an der Geräteentwicklung als auch an der Schaltungsentwicklung unter derselben Leitung. Durch diese nahtlose Zusammenarbeit konnten beide Teams die Produktentwicklung erheblich beschleunigen.

Bitte erzählen Sie mir von den neuesten rauscharmen Operationsverstärker-ICs

Yoshii: Obwohl es uns gelungen ist, branchenführende rauscharme Operationsverstärker-ICs zu entwickeln, glauben wir, dass es nicht ausreicht, das Portfolio allein auf Grundlage dieses Merkmals zu erweitern. Um ihre Attraktivität zu steigern, wollten wir die erstklassige Rauscharmut mit einem weiteren herausragenden Merkmal kombinieren. Dies führte zur Entwicklung des kleinsten Operationsverstärker-ICs der Branche (Abb. 5). Mithilfe der WLCSP-Technologie (Wafer Level Chip Scale Package) konnten wir eine kompakte Baugröße von 0,88 mm x 0,58 mm erreichen und gleichzeitig ein Rauschniveau von nur 12 nV/√Hz (@1kHz) beibehalten.

Keine Ausgangsschwankungen, selbst bei externer Störeinwirkung

Können Sie uns als Nächstes die branchenweit robustesten Operationsverstärker-ICs mit hoher EMI-Immunität erklären?

Yoshii: Unsere Operationsverstärker-ICs mit hoher EMI-Toleranz werden unter der Marke EMARMOUR™ vermarktet, die für eine schützende Rüstung gegen EMI steht. Wir waren die Ersten in der Branche, die Operationsverstärker-ICs mit hoher EMI-Resistenz eingeführt haben, und sie liefern weiterhin außergewöhnliche Leistung. Man könnte sagen, dass wir eine neue Produktkategorie geschaffen haben.

Das vielleicht größte Merkmal ist, dass die Ausgangsspannung selbst bei externer Störeinwirkung vollständig stabil bleibt (Abb. 6). Während einige Wettbewerber unserem Beispiel gefolgt sind und Operationsverstärker-ICs mit angeblich hoher EMI-Resistenz auf den Markt gebracht haben, schwankt deren Ausgang jedoch erheblich unter störenden Bedingungen.

Konkret, bei welchen Arten von elektronischen Geräten treten solche Herausforderungen auf dem Markt auf?

Yoshii: Es wurden keine Probleme auf dem Markt gemeldet. In der Praxis treten solche Probleme jedoch häufig in den Testumgebungen von Elektronikherstellern auf. Rauschtests werden typischerweise in den letzten Phasen der Geräteentwicklung durchgeführt. Wenn an diesem Punkt Probleme festgestellt werden, muss das Design überarbeitet und zusätzliche Rauschschutzmaßnahmen implementiert werden, was Nacharbeiten erfordert. Dies verschwendet nicht nur Zeit und Ressourcen, sondern erhöht auch die Design- und Entwicklungskosten.

Zudem führt dies zu einer Erhöhung der Anzahl der Bauteile und der damit verbundenen Kosten, da die häufigste Maßnahme zur Rauschunterdrückung das Einfügen eines CR-Filters ist, das MLCCs (Multilayer Ceramic Capacitors) und Widerstände kombiniert. Eine weitere wesentliche Herausforderung ist die begrenzte Anzahl an Orten, an denen Rauschtests durchgeführt werden können. Da die rauschbezogenen Standards immer strenger werden, wächst die Anzahl der obligatorischen Testpunkte kontinuierlich. Idealerweise möchten wir Rauschtests beim ersten Versuch bestehen.

Diese Probleme treten eher in Bereichen auf, in denen kleine Signale verstärkt werden. Durch die Verwendung unserer Operationsverstärker-ICs mit hoher EMI-Immunität, die nicht von externer Störung betroffen sind, treten solche Probleme jedoch nicht auf. Das bedeutet weniger Zeit und Kosten für Design und Entwicklung, weniger Bauteile und eine geringere Belastung durch Rauschtests.

Wirksamkeit durch mehrere EMI-Tests verifiziert

Könnten Sie bitte im Detail die Unterschiede zwischen EMARMOUR™ und den Operationsverstärker-ICs von Wettbewerbern mit verbesserter EMI-Toleranz erklären?

Yoshii: Der größte Unterschied liegt in der Grundlage, auf der die hohe EMI-Immunität behauptet wird. Die Produkte der Wettbewerber werden in erster Linie durch den DPI (Direct Power Injection)-Test auf ihre EMI-Resistenz bewertet, bei dem Rauschen direkt an die IC-Terminals angelegt wird. Die EMI-Immunität bei DPI-Tests kann jedoch leicht durch das Einfügen eines CR-Filters verbessert werden, weshalb eine Bewertung, die ausschließlich auf dem DPI-Test basiert, nicht ausreichend ist.

Im Gegensatz dazu führen wir nicht nur den DPI-Test durch, sondern auch Radiowellenstrahlungstests, Bulk Current Injection (BCI)-Tests und Bewertungen der Nähe-Immunität. Dabei bestätigen wir, dass der Ausgang unter all diesen Bedingungen stabil bleibt (Abb. 7). Wettbewerbsprodukte zeigen bei diesen Tests erhebliche Ausgangsspannungsschwankungen. Darüber hinaus können Wettbewerbsprodukte selbst bei DPI-Tests in höheren Frequenzbereichen wie 400 MHz oder 900 MHz relativ hohe Rauschimmunität erreichen, haben jedoch oft Schwierigkeiten, bei niedrigeren Frequenzen eine gute Immunität gegenüber Rauschen zu zeigen (Abb. 8).

Wie wurde die EMI-Immunität verbessert? Welche Technologien wurden verwendet?

Yoshii: Die EMI wurde durch die Überprüfung von drei Schlüsselbereichen verbessert: Schaltungsdesign, Layout und Prozesse/Elemente. Beim Schaltungsdesign haben wir die EMI-Resistenz durch die Integration von Hochfrequenz-Impedanzanpassungsschaltungen (RF-IA: Radio Frequency Impedance Adjuster) an mehreren Stellen im Operationsverstärker-Design verbessert. Diese Schaltungen bestehen nicht nur aus Kondensatoren (C) und Widerständen (R), sondern nutzen auch parasitäre Komponenten, um die gewünschte Leistung zu erzielen.

Für das Layout wurde eine umfassende Abschirmung auf Signalleitungen angewendet, die besonders empfindlich gegenüber Rauschen sind. Diese Maßnahme verhindert, dass Rauschen auf benachbarte Signalleitungen übergreift. Ich glaube, dass unsere Prozess- und Elementtechnologien für Wettbewerber schwer nachzuahmen sein werden. Transistoren mit großer parasitärer Kapazität sind effektiver bei der Rauschabsorption. Durch die Vergrößerung der Transistorgröße und das Vertiefen der Junction kann mehr Rauschen absorbiert werden. Im Gegensatz dazu stellen Wettbewerber in der Regel Operationsverstärker-ICs mit Prozessen her, die für MCUs und andere großmaßstäbige LSIs optimiert sind. Bei der Priorisierung von Miniaturisierung und Kosten verringert sich die parasitäre Kapazität natürlicherweise, was zu einer höheren Anfälligkeit für Rauschen führt.

Gleichzeitige Erreichung von niedrigem Rauschen und hoher EMI-Immunität

In diesem Artikel haben Sie rauscharme Operationsverstärker-ICs und Operationsverstärker-ICs mit hoher EMI-Immunität besprochen, aber ist es möglich, diese beiden Technologien zu kombinieren?

Yoshii: Ja, das ist möglich. Wir haben bereits den BD5294EYFV-C Operationsverstärker-IC auf den Markt gebracht, der sowohl rauscharmen als auch hohen EMI-Immunitätstechnologien integriert, um sicherzustellen, dass der IC weder Rauschen erzeugt noch von diesem beeinflusst wird. In Bezug auf die Rauschreduzierung wurden äquivalente Eingangsspannungen von 20nV/√Hz bei 1kHz und 50nV/√Hz bei 10Hz erreicht. Was die Widerstandsfähigkeit gegenüber externem Rauschen betrifft, sind wir der Ansicht, dass er herausragende Rauschimmunität bietet.

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