Разработка математических моделей и средств проектирования прецизионных источников опорного напряжения в составе интегральных схем

• Автор: Рябченков, Сергей Сергеевич
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 165 с.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Методы построения источников опорного напряжения в

составе ИС

1.1. Источники опорного напряжения на основе стабилитрона

1.2. Источник опорного напряжения, равного ширине запрещенной зоны

полупроводника, на полевых транзисторах

1.3. Источник опорного напряжения на разнице пороговых

напряжений транзисторов

1.4. Источник опорного напряжения по технологии ХГЕТ

1.5. Источник опорного напряжения на основе диодов и операционного

усилителя
1.6. Источники опорного напряжения на ширине запрещенной зоны
полупроводника
1.7. Методы улучшения точности опорного напряжения
1.8. Источник напряжения с улучшенной термостабильностыо
1.9. Увеличение стабильности опорного напряжения по питанию и
уменьшение выходного сопротивления при помощи ОУ
1 Выводы
ГЛАВА 2. Математические модели источников опорного напряжения
2.1. Математическая модель стандартного источника опорного
напряжения, использующего принцип ЬапЦар
2.1.1. Оценка температурной зависимости опорною напряжения стандартного ИОН.
2.1.2. Влияние разброса параметров схемы на опорное напряжение
2.1.3. Оценка необходимой коррекции номинала резисторов с целью компенсации суммарной погрешности.
ф 2.1.4. Оценка зависимости опорного напряжения от напряжения питания,
тока питания и нагрузки
2.1.5. Выбор оптимального соотношения площадей транзисторов.
2.2. Математическая модель прецизионного источника опорного напряжения .
2.2.1. Оценка точности ИОН для различных порядков
компенсации напряжения
2.2.2. Оценка температурной зависимости опорного напряжения прецизионного ИОН,
2.2.3. Методика точной подстройки опорного напряжения
2.3. Выводы.
ГЛАВА 3. Автоматизированные методы расчета, подстройки и измерения прецизионных источников опорного напряжения.
3.1. Методы расчета прецизионных источников опорного напряжения.
3.2. Автоматизация расчета параметров прецизионного источника
опорного напряжения.
3.2.1. Расчет параметров схемы источника опорного напряжения
3.2.2. Определение начальных значений номиналов резисторов схемы
3.2.3. Минимизации температурного ухода опорного напряжения.
3.3. Расчет и подстройка опорного напряжения с учетом технологических отклонений параметров схемы.
3.4. Автоматическое определение размеров топологии кристалла источника опорного напряжения
3.5. Измерение и подстройка параметров источника опорного напряжения после изготовления кристалла
3.5.1. Измерение номиналов и температурных коэффициентов резисторов
3.5.2. Измерение параметров источника опорного напряжения и его подстройка после изготовления схемы
3.6. Практическая реализация прецизионного источника опорного напряжения.
3.6.1. Технология изготовления схемы.
3.6.2. Методика проектирования источника опорного напряжения.
3.6.3. Результаты расчета и измерения источника опорного напряжения
3.7. Выводы
ГЛАВА 4. Разработка источника опорного напряжения в составе
схемы защиты ионнолитиевой батареи.
4.1. Характеристики схем защиты ионнолитиевых батарей
4.2. Технология изготовления схем защиты ионнолитиевых батарей.
4.3. Выходные каскады схемы защиты ионнолитиевой батареи.
4.4. Разработка топологии схемы защиты ионнолитиевой батареи.
4.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
ЛИТЕРАТУРА


Проведены экспериментальные исследования схем ИОН, подтвердившие возможность получения прецизионного напряжения на основе ИОН типа Ьапсар с использованием подстройки номинала и температурного коэффициента резистора. Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований внедрены и реализованы в ООО ЮНИК АЙ СИЗ в рамках проектов Защита, Защита4, что подтверждается актом о внедрении. Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались на Международных и Всероссийских научнотехнических конференциях Микроэлектроника и Информатика, Москва, г. Микроэлектроника и Информатика, Москва, г. Микроэлектроника и Информатика, Москва, г. Электроника и Информатика, Москва, г. II Всероссийская научнотехническая дистанционная конференция Электроника, Москва, г. Публикации. Основные результаты работы отражены в трех статьях и представлены пятью докладами на научнотехнических конференциях. Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы из наименований. Объем диссертации составляет 7 страниц текста и включает рисунков и таблиц. В современной микроэлектронике все большее место занимают аналогоцифровые схемы, в которых входные сигналы представлены в аналоговой форме, а обработка и преобразования ведется в цифровой форме. Неотъемлемой частью любой аналогоцифровой интегральной схемы являются АЦП и ЦАП, для работы которых требуется источник опорного напряжения ИОН. Основные требования для такого источника стабильность по напряжению питания, малое выходное сопротивление и температурная стабильность выходного напряжения. Последнее требование является наиболее актуальным, поэтому главным параметром, характеризующим ИОН, является температурный коэффициент выходного напряжения. Он обычно измеряется в относительных единицах ррмС ррм ii, где 1ррм 6. Требования к современным схемам и, следовательно, к источникам опорного напряжения постоянно увеличиваются. Сегодня актуальной задачей является разработка прецизионных ИОН с температурным коэффициентом порядка единиц, и даже десятых долей ррмС. Например, в ти разрядной схеме АЦП величина минимального сигнала составляет 1. Часто схему источника опорного напряжения используют для подачи на стабилизатор напряжения. Стабилизатор напряжения это, как правило, мощная схема. Для получения тсрмостабильности напряжения стабилизации используют высокоточный ИОН и операционный усилитель, который позволяет увеличить нагрузочную способность схемы. В аналоговых схемах ИОН необходим для задания уровней напряжения, например, в схемах сравнения, компараторах и т. Точность ИОН определяет точность всего аналогового устройства. В диссертационной работе рассмотрены основные принципы получения опорного напряжения, а также исследована схема прецизионного ИОН на ширине запрещенной зоны, в котором применяются резисторы с разными температурными коэффициентами, позволяющие получить температурный коэффициент опорного напряжения менее 5 ррмС. Данная глава посвящена рассмотрению принципов построения и основных параметров источников опорного напряжения в составе интегральных схем. ИОН. Особое внимание уделено точности различных вариантов источников опорного напряжения. Рассмотрены ИОН на основе стабилитрона, ИОН на ширине запрещенной зоны на полевых транзисторах, ИОН на разнице пороговых напряжений нолевых транзисторов, ИОН по технологии ХРЕТ, ИОНы на ширине запрещенной зоны полупроводника на биполярных транзисторах. Рассмотрены классические методы увеличения точности ИОН, а также приведена оригинальная схема ИОН на ширине запрещенной зоны, в которой применяется компенсация линейной и квадратичных составляющих. В качестве источника опорного напряжения может служить стабилитрон 1. По сути, это диод, работающий на участке пробоя. Рис. Источник опорного напряжения на основе стабилитрона Пример схемы ИОН на основе стабилитрона показан на рис. Ток источника вызывает обратное смещение транзистора 1, поэтому он работает как стабилитрон. Падение напряжения на стабилитроне составляет 6 7В.