Источник опорного напряжения с температурной компенсацией, выполненный по BiCDMOS технологии

УДК 621.382.2

ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ТЕМПЕРАТУРНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ, ВЫПОЛНЕННЫЙ ПО Б1СБМ08 ТЕХНОЛОГИИ

Е.Д. Алперин, А.В. Белявцев, В.П. Крюков, И. А. Суров

Представлены результаты моделирования источника опорного напряжения (ИОН), построенного по схеме с температурной компенсацией, по технологии BiCDMOS фирм ON Semiconductors и Freescale. Проведены сравнения полученных температурных зависимостей выходных напряжений, выходного напряжения от тока нагрузки и выходного напряжения от входного напряжения. Проведён анализ схемы по методу Monte Carlo

Ключевые слова: источник опорного напряжения, температурная компенсация, стабильность, BiCDMOS

Основное назначение ИОН — создавать образцовое напряжение, которое могло бы быть использовано электронными устройствами преобразования информации в качестве меры, эталона. Поэтому главное требование к ИОН — поддерживать выходное напряжение неизменным, равным номинальному значению в условиях изменяющегося входного напряжения, токов нагрузки, температуры окружающей среды и старения элементов.

Основные параметры ИОН можно разделить на две группы: точностные и эксплуатационные. [1]

К основным точностным параметрам ИОН относятся:

• начальная точность установки выходного напряжения в нормальных условиях;

• коэффициент стабилизации по входному напряжению;

• коэффициент стабилизации по току нагрузки;

• температурный коэффициент напряжения.

Начальная точность установки выходного напряжения зависит в основном от технологических факторов. Отклонения выходного напряжения от номинального значения вызваны разбросом элементов, входящих в состав ИОН.

Коэффициент стабилизации по входному напряжению определяется как отношение приращения входного напряжения к вызываемому им приращению выходного напряжения ИОН:

кст = ди1К/диКЕР

Коэффициент стабилизации по току нагрузки характеризует стабильность выходного напряжения стабилизатора при изменении тока нагрузки. Обычно под этим коэффициентом понимают относительное изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки в заданных пределах в процентах или миллионных долях от номинальной величины.

Алперин Евгений Данилович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (4732) 43-77-65

Белявцев Андрей Владимирович - НИИЭТ, инженер, тел. (4732) 26-29-37

Крюков Валерий Петрович - НИИЭТ, канд. техн. наук, начальник отделения, тел. (4732) 32-02-72 Суров Илья Александрович - НИИЭТ, инженер, тел. (4732) 26-29-37

Используются также термины «нестабильность по току нагрузки» и «выходное дифференциальное сопротивление»:

^ит =

ДиКЕР/Д1ь

которое измеряется в Ом. Этот параметр также существенно зависит от коэффициента усиления контура регулирования.

Температурный коэффициент выходного напряжения характеризует нестабильность выходного напряжения ИОН при изменении температуры окружающей среды. Это вторая по важности после точности установки выходного напряжения (а в некоторых случаях даже первая) точностная характеристика. Для многих изготовителей измерительных

приборов ТКН менее 10-6 /°С позволяет избавиться от системной температурной калибровки — медленного и дорогостоящего процесса. Существует несколько методов определения ТКН. Один из них состоит в определении ТКН как тангенса угла наклона касательной к графику зависимости опорного напряжения от температуры:

ТКН = ДИКЕр/ДТ°

К важнейшим эксплуатационным параметрам ИОН относятся:

• диапазон допустимых входных напряжений;

• максимально допустимый ток нагрузки;

• максимально допустимая рассеиваемая мощность;

• минимально допустимое напряжение между входом и выходом ИОН при максимальном или дополнительно оговоренном токе нагрузки;

• ток, потребляемый ИОН в режиме холостого хода (часто называемый током утечки);

• допустимый диапазон температур окружающей среды.

Несмотря на то, что не возможно создать идеальный источник напряжения, как и идеальный источник тока, можно сконструировать электрические схемы, близко аппроксимирующие характеристики идеального источника опорного напряжения, которые используются по отдельности или совместно.

В основе принципа температурной компенсации ИОН лежит компенсация температурной зависимости элементов введением равной по величине, но противоположной по знаку компенсирующей величины.

Рассматриваемая нами схема температурнонезависимого источника опорного напряжения приведена на рис. 1 [1].

Изменение выходного напряжения схемы источника опорного напряжения с температурой называется температурным коэффициентом напряжения, или ТКН:

ТКН ЯЕР = ДИКЕр/ДТ

Температурный коэффициент выходного напряжения ТКН КЕР - самая важная характеристика источника опорного напряжения. В большинстве случаев желательно, чтобы опорное напряжение как можно меньше зависело от напряжения питания; иными словами, чтобы было реализовано заметное уменьшение потребляемой мощности. Кроме того, желательно, чтобы выходное напряжение как можно меньше зависело от тока в нагрузке, или выходного тока, т.е. схема должна иметь низкий выходной импеданс. Во многих случаях схему источника опорного напряжения используют для получения напряжения на источник напряжения. Эту комбинацию, полезную для многих практических применений, называют стабилизатором напряжений. Стабилизатор напряжения, следовательно, сочетает низкий ТКН, низкий выходной импеданс (т. е. хорошую линейную стабилизацию).

Рис. 1. Простейший источник опорного напряжения

Поскольку все электронные компоненты, используемые в схемах опорного напряжения, имеют некоторый ТКН, основные компоненты подбираются так, чтобы имело место компенсирующие эффекты, приводящие по крайне мерее номинально к ТКН = 0 при данной температуре. Пример схемы с такими компенсирующими компонентами показан на рис. 1 с транзисторами р2 - р3 в диодном включении. Ток от источника тока ^ вызывает обратное смещение тока через Бь так что Б1 работает как стабилитрон. Падение напряжения на Б1 - это напряжение стабилизации.

Напряжение на эмиттере транзистора р2 составит ИЭ2 = И2 - ИБЭ1 - ИБЭ2. Напряжение на коллекторе транзистора р3 равно И К3 = И БЭ3. Как показано в [1], выходное напряжение определяется выражением, для вывода которого, применимо правило напряжений и теорема суперпозиции.

ИЭ2 * И2 Икз * И] /-ч

ИЯЕР =——-------— +----К3---—

Токи через, р1, р2 и р3 фактически одинаковы, поскольку транзисторы являются интегральными ИС и имеют одинаковую конструкцию, падение напряжения ИБЭ будут приблизительно одинаковы для этих трех транзисторов. Следовательно, можем записать ИЯЕР в виде

_(И2 - 2 * И БЭ ) * И2 + И БЭ * Я1 =

И

= И

1

Я1 + Я2

2 - Я^

1 + Я,/Я.

--И

БЭ

1 + Я^Я2

Температурный коэффициент опорного напряжения будет равен

БЭ

ТКН

И

ат

ат

Я1 + Я2

Из [1] известно, что Я: и Я2 зависят от температуры. Однако Я1 и Я2 - интегральные резисторы одинаковой конструкции, так что их температурные коэффициенты одинаковы. Поэтому для любого заданного изменения температуры относительное изменение сопротивления обоих резисторов будет одинаковым. Следовательно, отношение Я1 и Я2 не будет изменятся с температурой, поэтому при рассмотрении ТКЫи(КЕР) не требуется учитывать зависимость Я1 и Я2 от температуры. Хотя при практической реализации требуется располагать их по возможности рядом и обеспечить надёжный тепловой контакт между всеми элементами монолитной схемы.

Из уравнения для ТКЫи(КЕР) следует, что соответствующим подбором отношения сопротивлений можно получить нулевой температурный коэффициент, при этом числитель должен обратится в нуль.

Для наглядности и подтверждения выше сказанного, приравняв числитель к нулю и учитывая, Ш БЭ/

что ь/^т отрицательно, запишем это равенство в более удобном виде:

_Я1

Я9

= 2 +-

БЭ/

Этим выражение будем руководствоваться при настройке схемы для достижения минимальной ве-

личины ТКН

И(ЯЕР) •

Заметим, что значение для иКЕР нельзя выбрать произвольно, так как оно вытекает из условия

ТКН и(КЕР). Для типичных значений ^/'^Т и

аи Б

;БЭ/

'dT элементов интегральных схем номинальное значение URgp, при нулевом температурном коэффициенте, лежит в диапазоне 1,7 - 2,5 В. Если требуется другой уровень опорного напряжения, то транзисторы в диодном включении Q2 или Q3 (или оба вместе) могут быть заменены диодной цепью [2].

Используя данную схему источника опорного напряжения, можно получить ТКН И

будет равен нулю, если значение всех параметров схемы точно соответствует расчетным. Если какой-нибудь из параметров схемы не соответствует расчетному значению, ТКН будет отличаться от нуля, хотя может при этом оставаться очень малым.

В связи с широким распространением BiCD-MOS технологии для изготовления ИОН, необходимо оценить влияние параметров производимых по ней элементов на температурную стабильность устройства.

Далее приведены результаты моделирования данной схемы при построении схемы по технологии фирм ON Semiconductors и Freescale. [3, 4]

Рис. 4. Зависимость выходного напряжения от входного напряжения схемы выполненной по технологии фирмы ON Semiconductors

Рис. 5. График зависимости выходного напряжения от разброса параметров элементов схемы выполненной по технологии фирмы ON Semiconductors

Рис. 2. Температурная зависимость выходного напряжения схемы выполненной по технологии фирмы ON Semiconductors

Рис. 6. Температурная зависимость выходного напряжения схемы выполненной по технологии фирмы Freescale

Рис. 3. Зависимость выходного напряжения от тока нагрузки схемы выполненной по технологии фирмы ON Semiconductors

Рис. 7. Зависимость выходного напряжения от тока нагрузки схемы выполненной по технологии фирмы Freescale

Рис. 8. Зависимость выходного напряжения от входного напряжения схемы выполненной по технологии фирмы Freescale

Рис. 9. График зависимости выходного напряжения от разброса параметров элементов схемы выполненной по технологии фирмы Freescale

По результатам проведённого моделирования можно сказать что, параметры схемы выполненной по технологии фирмы Freescale несколько лучше, чем по технологии фирмы ON Semiconductors. В частности величины ТКН, и KCT имеют значения 16 мкВ/°С против 21 мкВ/°С и 4,5 10-3 против 6 10-3 соответственно. ROUT напротив, несколько хуже, он составляет 2 кОм против 5 кОм.

Среда моделирования Spectre Circuit Simulator системы автоматического проектирования (САПР) Cadence позволяет провести расчёт разброса харак-

теристик схемы при изменении параметров компонентов (по методу Monte Carlo). При анализе нестабильности характеристик, как правило, задаётся гауссово распределение случайного разброса параметров радиоэлементов. [5]

Анализ разброса характеристик схемы при изменении параметров компонентов требуется для оценки работоспособности устройства. Дело в том, что фабрика изготовитель гарантирует, что разброс параметров производимых ею элементов не выходит за рамки некоторого диапазона. И это нужно учитывать при проектировании интегральных схем, и не основываться в своих расчётах только на типовые значения. Этот метод оценки существенно повышает процент выхода годных кристаллов разрабатываемой схемы, т.е. снижает процент брака. Всё это, в конечном счёте, позволяет снизить стоимость конечного изделия.

По данным графикам видно, что относительный разброс параметров у фирмы Freescale ниже, чем у фирмы ON Semiconductors, это повышает точность установки выходного напряжения.

Из всего выше сказанного можно сделать вывод, что при изготовлении данной схемы приоритет следует отдавать фирме Freescale.

Литература

1. Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы: пер. с англ.- М.: Мир, 1988.- 583 с., ил.

2. Alan B. Grebene. Bipolar and MOS analog integrated circuit design. John Wiley & Sons, 2002, 894 p.

3. AMI Semiconductor, Process & electrical parameters CMOS I2T100, DS13351, Revision: 12.0.

4. SMOS8MV Device Performance Targets, Freescale Semiconductor, April 2006, 28 p.

5. Cadence Analog Design Environment User Guide. Product Version 5.0, 2003, 480 p.

Воронежский государственный технический университет Научно-исследовательский институт электронной техники, г. Воронеж

REFERENCE WITH TEMPERATURE COMPENSATION BUILDING ON BiCDMOS TECHNOLOGY E.D. Alperin, A.V. Belyavtcev, V.P. Krukov, I.A. Surov

Results of modeling reference with temperature compensation building on BiCDMOS technology company ON Semiconductors and Freescale are summarized. Compare dependence output voltages versus temperature, output voltages versus load current and output voltages versus input voltages are implemented. Modeling with Monte Carlo analyse are implemented

Keywords: reference, temperature compensation, stability, BiCDMOS