CC BY
10
DOI 10.36622/VSTU.2023.19.3.012 УДК 621.382.2/.3
ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ШИРИНЕ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ ДЛЯ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
А.В. Русанов1, Л.В. Сопина2
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2АО «Научно-исследовательский институт электронной техники», г. Воронеж, Россия
Аннотация: описывается источник опорного напряжения, который формирует высокостабильное напряжение 1,259 В для источника питания 8,6-15 В. Источник опорного напряжения генерирует термостабильное выходное напряжение, которое не зависит от колебаний входного напряжения. Так как параметры комплиментарных металл оскид полупроводник (КМОП) приборов сильно зависят от температуры, то единственным способом снизить ее является комбинация приборов с разными по знаку коэффициентами температурной зависимости - сложение напряжения с отрицательным температурным коэффициентом (СТАТ (например, переход база-эмиттер биполярного транзистора в диодном включении (УБЭ)) с напряжением с положительным температурным коэффициентом (РТАТ (источник тока, ток которого возрастает прямо пропорционально температуре)). Для того чтобы получить нулевой температурный коэффициент источника опорного напряжения (ИОН) необходимо, чтобы температурный коэффициент РТАТ генератора сравнялся по модулю с температурным коэффициентом перехода иБЭ. Важным достоинством разработанного ИОН являются предельно низкие значения коэффициента температурной нестабильности в диапазоне от -60 до 125°С и коэффициента нестабильности по напряжению. Разработка схемы и моделирование проводились на отечественном технологическом процессе с проектными нормами 3 мкм, также разработана топология схемы. Моделирование проводилось в системе автоматизированного проектирования (САПР) разработки интегральных схем
Ключевые слова: источник опорного напряжения, IP блок, аналоговый СФ блок, интегральная схема, микросхема, ИОН
Введение
Источник опорного напряжения (ИОН) -элемент силовой микроэлектроники, формирующий напряжение, независящее от изменений напряжения питания, температуры и нагрузки. Необходимость в таком источнике, в частности, возникает при разработке линейного стабилизатора напряжения, в которых он применяется для создания эталонного опорного напряжения. Таким образом, данная схема широко применяется в области радиоэлектронных систем для построения схем преобразования аналоговых сигналов.
Описание работы схемы
Принцип работы предлагаемой схемы ИОН основан на сложении двух напряжений: возрастающее напряжение называется пропорциональным абсолютной температуре (РТАТ), а уменьшающее - дополнительным к абсолютной температуре (СТАТ) (рис. 1). Величины наклонов напряжений должны быть равными. При сложении двух напряжений результирующая величина будет независящей от температуры. Реализация такого принципа возможна по-
© Русанов А.В., Сопина Л.В., 2023
сле разработки источников напряжений PTAT и CTAT.
I—I—I—I I I I—I—i—I—ГН—ГН—г
о а: зоо к
7д»Н ПЛ IVTÍIIJV1
Рис. 1. Принцип работы схемы ИОН [1]
Получить напряжение с отрицательным температурным коэффициентом возможно при использовании диода, работающего в области прямого смещения. В качестве диода может
использоваться биполярный транзистор с коллектором, объединенным с базой. Зависимость напряжения УБЭ от температуры представлена на рис. 2.
Уве, мЗ
780 740. ТОО" «0620 НО-
1ГШ|||-нпп|......
-» -щ -эо -»
> 1 Н1 си/,'
40 50 Температура, С
тт-т^цг
ТТТ"-100 но
120 130
т™
140
150
Рис. 2. Зависимость напряжения иъЭ от температуры
РТАТ-генератор формирует напряжение с положительным температурным коэффициентом (рис. 3), являясь при этом источником тока с прямо пропорциональной зависимостью от температуры. Плотность тока одного из транзисторов должна быть больше плотности тока другого. Отношение плотностей тока является неизменной величиной.
дпс!
х7
_01_
П р Г[1 Ьо йу
II. . .
дпс]
12 . .
Ис=10и
г:ТК
тос1е1:"прпЬос1у" агеа:144р
О2<0:7> п рп Ьойу
. . [-^д агеа:144р .
дпс!
Рис. 3. Схема исследования напряжения ДУБЭ на резисторе Я
Из зависимости на рис. 2 видно, что:
ДУБЭ = 649мВ — 584мВ = 65мВ . (1)
Схема РТАТ - генератора тока приведена на рис. 4:
Рис. 4. Схема РТАТ - генератора тока
Для формирования равных напряжений в ветвях используются токовые зеркала. Токи, протекающие через транзистор М5 и через транзисторы М3-М4 равны между собой. Ток, протекающий через резистор Я2 формирует напряжение РТАТ и определяется по формуле:
и2 = .
(2)
Из рис. 5 видно, что напряжение и2 складывается с напряжением база-эмиттер транзистора Q3, таким образом, формируется иКЕР, равное:
бэ + (п) .
(3)
Для того чтобы получить нулевой температурный коэффициент ИОН необходимо, чтобы температурный коэффициент РТАТ генератора сравнялся по модулю с температурным коэффициентом перехода Убэ, соответственно напряжение РТАТ нужно увеличить в несколько раз.
Рис. 5. Схема ИОН
Для уменьшения зависимости выходного напряжения схемы от колебаний входного напряжения в схеме используются высокоомные
каскадные генераторы тока, представленные транзисторами М6-М8, М9-М10 [2] (рис. 6).
Рис. 6. Схема ИОН с использованием каскадов 86
Результаты моделирования
Графики зависимости опорного напряжения при изменении напряжения питания и температуры приведены ниже (рис. 7-9).
Рис. 7. Температурная зависимость выходного напряжения ИОН
Рис. 8. Зависимость выходного напряжения ИОН от источника питания
Рис. 9. Полученное значение выходного напряжения
87
Разработка топологии
В ходе проведения технологического процесса из-за несовершенства оборудования, погрешностей в ходе проведения технологических операций, а также из-за внутренних и внешних электрических полей в пластине возникает разброс технологических параметров
[3-5]. Для уменьшения отклонения выходных параметров аналоговых блоков применяются специальные приемы топологического проектирования, такие как согласование элементов и их симметричное расположение. Для обеспечения согласования резисторы выполнены в виде наборов на основе однотипных резисторов с равным сопротивлением (рис. 10).
Рис. 10. Схема ИОН с согласованными резисторами
Разработана топология схемы (рис. 11).
Заключение
1Р блок разработан на отечественном БиКМОП технологическом процессе с проектными нормами 3 мкм. ИОН формирует выходное напряжение 1,259 В, которое не зависит от колебаний входного напряжения (диапазон входного напряжения 8-16 В) и от колебаний температуры (-60 - 125 °С).
Полученные параметры схемы источника опорного напряжения приведены в таблице.
Параметры ИОН
Рис. 11. Топология ИОН
Параметры Значение Единицы измерения
УББ Напряжение питания 8,6-15 В
^деТ Выходное напряжение 1,2595 В
Ки Коэффициент нестабильности по напряжению 0,0001 %
К'р Коэффициент температурной нестабильности 0,001 %
1и Ток потребления 33 мкА
Т Температурный диапазон -60-125 °С
ИхЬ Габариты топологии 440,5х457 мкмхмкм
Литература
1. Ракитин В.В. Интегральные схемы на КМОП-транзисторах: учебное пособие. М., 2007. 95 с.
2. Суханова Н.В. Основы электроники и цифровой схемотехники: учеб. пособие. Воронеж: ВГУИТ, 2017. 95 с.
3. Прохоров С.Г., Шиндор О.В. Аналоговая электроника в приборостроении. Руководство по решению задач: учебное пособие. СПБ.: Лань, 2022. 244 с.
4. Allen P.E. Holberg D.R. CMOS Analog Circuit Design (The Oxford Series in Electrical and Computer Engineering). - 3rd edition, - Oxford University Press: USA, 2011. 757 p.
5. Негадаев В.А. Силовая электроника: учебное пособие. Кемерово: КузГТУ имени Т.Ф. Горбачева, 2020. 126 с.
Поступила 30.03.2023; принята к публикации 13.06.2023 Информация об авторах
Русанов Александр Валерьевич - канд. техн. наук, ассистент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: [email protected].
Сопина Лилия Вячеславовна - инженер, АО «Научно-исследовательский институт электронной техники» (394033, Россия, г. Воронеж, ул. Ст. Большевиков, д. 5), e-mail: [email protected].
BANDGAP REFERENCE VOLTAGE SOURCE FOR A DOMESTIC TECHNOLOGICAL
PROCESS
A.V. Rusanov1, L.V. Sopina2
1Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2Research Institute of Electronic Technology, Voronezh, Russia
Abstract: this paper describes a reference voltage source that generates a stable voltage of 1.259 V for a 8.6-15 V power supply. The reference voltage source generates a thermostable output voltage that is independent of input voltage fluctuations. Since the parameters of complementary metalloid semiconductor devices strongly depend on temperature, the only way to reduce it is a combination of devices with temperature dependence coefficients of different sign - the addition of a voltage with a negative temperature coefficient (STAT). It can be the base-emitter junction of a bipolar transistor in diode switching (UBE))) with a voltage with a positive temperature coefficient (PTAT) (a current source whose current increases in direct proportion to the temperature). In order to obtain a zero temperature coefficient of the reference voltage source (RVS), it is necessary that the temperature coefficient of the PTAT generator is equal in modulus to the temperature coefficient of the transition UBE. An important advantage of the developed RVS is the extremely low values of the temperature instability coefficient in the range from -60 to 125 ° C and the voltage instability coefficient. The development of the scheme and modeling were carried out on a domestic technological process with design standards of 3 microns, the topology of the scheme was also developed. The simulation was carried out in the computer-aided design (CAD) system for the development of integrated circuits
Key words: reference voltage source, IP block, integrated circuit, microcircuit, RVS
References
1. Rakitin V.V. "Integrated circuits based on CMOS transistors" ("Integral'nyye skhemy na KMOP-tranzistorakh"), Moscow, 2007, 95 p.
2. Sukhanova N.V. "Fundamentals of electronics and digital circuitry" ("Osnovy elektroniki i tsifrovoy skhemotekhniki"), Voronezh, VGUIT, 2017, 95 p.
3. Prokhorov S.G., Shindor O.V. "Analog electronics in instrumentation. A guide to problem solving" ("Analogovaya elektronika v priborostroyenii. Rukovodstvo po resheniyu zadach") - St. Petersburg, Lan, 2022, 244 p.
4. Allen P.E., Holberg D.R. "CMOS Analog Circuit Design" (The Oxford Series in Electrical and Computer Engineering), Oxford University Press, USA, 2011, 757 p.
5. Negadaev V.A. "Power electronics" ("Silovaya elektronika"), Kemerovo: KuzGTU, 2020, 126 p.
Submitted 30.03.2023; revised 13.06.2023 Information about the authors
Alexander V. Rusanov - Cand. Sc. (Technical), assistant, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: [email protected]
Liliya V. Sopina - Engineer, JSC Research Institute of Electronic Technology (5 St. Bolshevikov str., Voronezh 394033, Russia), e-mail: [email protected]
