Источники опорного напряжения на основе ширины запрещенной зоны кремния Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Серебряков Александр Игоревич E-mail: [email protected].

Тел.: +79034346279.

Аспирант.

Будяков Петр Сергеевич E-mail: [email protected].

Тел.: +79185187649.

.

Prokopenko Nikolay Nikolaevich

South Russia State University of Economics and Service.

E-mail: [email protected].

147, Shevchenko Street, Shakhty, 346500, Russia.

Phone: +78636222037.

The Rector of the South-Russian State University of Economy and Service; Professor.

Serebryakov Alexander Igorevich

E-mail: [email protected].

Phone: +79034346279.

Postgraduate Student.

Budyakov Peter Sergeevich

E-mail: [email protected].

Phone: +79185187649.

Student.

УДК 621.315.722

Е.И. Старченко, П.С. Кузнецов

ИСТОЧНИКИ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ КРЕМНИЯ

Рассматриваются схемотехнические способы построения интегральных источников , , наряду с температурной стабильностью, радиационной стойкостью. Проведена оценка чувствительности рассматриваемых источников опорного напряжения к условиям на.

; .

E.I. Starchenko, P.S. Kuznetsov VOLTAGE REFERENCE BASED ON THE WIDTH SILICON BAND GAP

Consider circuit design methods for constructing integrated voltage references, determined band gap of silicon and which, in addition to temperature stability, resistance to radiation. The evaluation of the sensitivity of the sources in the reference voltage to the conditions set.

Radiation hardness; MOSFETs.

При любых измерительных операциях используется точка отсчета, база (не),

измерения, т.е. источник опорного напряжения (ИОН). Традиционно требования к ИОН сводятся к повышению его стабильности при влиянии различных дестабили-.

при изменении температуры. Но, безусловно, полезным свойством источника

опорного напряжения может оказаться высокий коэффициент стабилизации, т.е. слабое влияние питающего напряжения на выходное. Помимо названных дестаби-,

изменение радиационной обстановки.

При проектировании температурно-стабильных ИОН чаще всего используется принцип параметрической компенсации некоего отрицательного температурного дрейфа положительным. Примером такого источника опорного напряжения может служить так называемый "диод" Видлара [1] - источник опорного напряжения на основе ширины запрещенной зоны кремния. Идея построения такого ИОН заключается в том, что отрицательный температурный дрейф перехода база-эмиттер транзистора компенсируется положительным температурным дрейфом разности напряжений база-эмиттер транзисторов, работающих при различных плотностях токов эмиттеров.

Один из примеров реализации такого ИОН приведен на рис. 1 [2], однако его самый существенный недостаток - использование транзисторов р-п-р-типа, что резко снижает возможность его применения в сложной радиационной обстановке.

Рис. 1. Модифицированная схема ИОН на Рис. 2. Вариант построения ИОН

основе ширины запрещенной зоны кремния

Пример схемы ИОН, представленной на рис. 2 [2], также реализует принцип компенсации отрицательного дрейфа напряжения база-эмиттер положительным температурным дрейфом разности напряжений база-эмиттер транзисторов. В этом случае различные плотности токов эмиттеров транзисторов УТ1 и УТ2 можно задавать как за счет выбора различных площадей эмиттеров соответствую,

при одинаковых площадях эмиттеров. Первый способ оказывается предпочтительней, так как в этом случае резисторы ИЗ и Я4 можно выбрать одинаковыми.

В то же время остается открытым вопрос об использовании операционного усилителя: с позиций повышения радиационной стойкости этот усилитель не должен содержать транзисторов р-п-р-типа [3]. При использовании для проектирования ИОН элементной базы радиационно стойкого аналогового базового матричного кристалла (АБМК), выпускаемого Минским НПО "Интеграл" [4], схема ИОН (рис. 2) может быть выполнена, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Схема радиационно стойкого температурно стабильного ИОН

Операционный усилитель выполнен на полевых транзисторах с управляющим р-п-переходом и каналом р-типа, которые обладают высокой радиационной стойкостью [4], т.е. без применения боковых транзисторов. Особенностью данного усилителя является наличие транзистора УТ9, включение которого повышает коэффициент подавления синфазного сигнала и, как следствие, повышает стабильность выходного напряжения ИОН при изменении питающего напряжения.

Транзисторы УТ2 и УТ3 имеют площади эмиттеров и 83 соответственно, причем 82/Б3 = к >1, поэтому резисторы ИЗ и И4 равны, а следовательно, токи транзисторов УТ2 и УТЗ также должны быть равны.

Транзистор УТ1 в диодном включении обеспечивает температурную компенсацию составляющих второго порядка, которые при последующем анализе не бы. , , показывают эффективность его включения.

В этом случае выражение для выходного напряжения такого ИОН может быть представлено как

и

вых

и БЭ2 + '

2Я

Я

ЛиК Э3,2

и БЭ2 + '

2Я

Я

-рТ 1п к

\Ґ я Л ^+1

АЯ6 у

(1)

где иБЭ2 - напряжение база-эмиттер транзистора УТ2; ЬиБЭ32 - разность напряжений база-эмиттер транзисторов УТ2 и УТЗ; р - температурный потенциал.

(1) , -дим условие для выбора отношения резисторов И1/Я2 для обеспечения температурной компенсации:

ди

вых

дТ

откуда получаем:

у

Я.

V Я

- +1

ди

Ю2 + 2Яі Ли

КЭ3,2

Л

дТ

Я

0,

2Я1

Я

(2)

(3)

Это условие может быть легко реализовано при известном температурном дрейфе напряжения база-эмиттер. (Отметим, что для различных технологических процессов изготовления интегральных схем температурный дрейф может отличаться, хотя он примерно равен -2 мВ/К).

о U ( 2 )

Рис. 4. Результаты моделирования схемы ИОН (рис. 3) в среде PSpice

Результаты моделирования показывают, что рассматриваемый ИОН имеет относительный температурный дрейф не хуже ±3 ppm в диапазоне температур -40 120 0С.

Основным недостатком рассмотренных схем является их относительная сложность. Предлагаемые ниже оригинальные схемы ИОН сравнительно гораздо проще, но принцип температурной компенсации в них заложен тот же самый - отрицательный температурный дрейф напряжения база-эмиттер транзистора компенсируется положительным температурным дрейфом разности напряжений база-эмиттер.

Рис. 5. Варианты построения ИОН на основе ширины запрещенной зоны кремния

Разность напряжений база-эмиттер выделяется на резисторе Ш (рис. 5,а), поэтому при условии, что токи эмиттеров транзисторов УТ2 - УТ4 одинаковы, площади эмиттеров транзисторов УТ3 и УТ4 приняты за 1, а площадь эмиттера транзистора УТ2 в k раз больше, для выходного напряжения ИОН можно записать:

3R^

'^1133,2 . (4)

U ВЫХ - U НЭ3 + ■

R,

Е

п

(Отметим, что вид выражений для каждой из рассмотренных схем будет общим). Условие температурной компенсации для всех схем ИОН можно получить по аналогии с выражением (3).

Результаты моделирования схем ИОН (рис.5), приведенные на рис. 6 и 7, подтверждают работоспособность схем в диапазоне температур от -40 до 120 0С. Для относительного температурного дрейфа, не превышающего ± 30 ppm, ИОН может быть использован в аналого-цифровом преобразователе на 14 разрядов, а ±15 ppm - до 16 разрядов [2].

, . 5, , -

ким коэффициентом стабилизации при изменении питающего напряжения. Введение более глубокой отрицательной обратной связи через операционный усилитель (рис.8) существенно повышает коэффициент стабилизации.

Целесообразно исследовать изменение выходного напряжения ИОН и его температурного дрейфа при отклонении условий настройки от определяемых при нулевом температурном дрейфе. Поскольку аналитические выражения, описывающие поведение выходного напряжения, для всех рассмотренных ИОН имеют , . 5, .

Для относительного изменения выходного напряжения при отклонении отношения сопротивлений резисторов R2 и Шможно записать:

г -

3R2-AUK3 А

R2

AU _ Rj KR1s

тт О? \

U RMY тт , 3R2

' ВЫХ U I 2 АП

П БЭ2 1 „ АП БЭ2,1

R1

KR1

полагая, что ию и ЛиБЭ не зависят от отношения (К2/К1).

При определении относительного температурного дрейфа воспользуемся следующими соображениями. Поскольку при точном соблюдении условия настройки температурный дрейф равен нулю, введем относительную расстройку 3 отношения резисторов (Я2/Я1). Тогда относительный температурный дрейф выходного напряжения при отклонении отношения резисторов от выбранного из условия получения нулевого температурного дрейфа будет выглядеть следующим образом:

—лию

±Лт=____________________* (6)

и иБЭ2 + лиБЖ1 т

К1

□ D ( U ( 2 ) )/• U(2>

(5 1 &1956)

di Г = 1 85 rrrV

Рис. 6. Результаты моделирования схемы ИОН (рис. 5, а) в среде PSpice

-40 О *»0 SO 120

о U<2)

TEMP

Рис. 7. Результаты моделирования схемы ИОН (рис. 5, а) в среде PSpice

Рис. 8. Схема температурно-стабильного ИОН с повышенным коэффициентом стабилизации выходного напряжения при изменении входного напряжения

Результаты оценки влияния на параметры ИОН отклонения отношения резисторов на ±0,5 % и результаты моделирования сведены в таблицу.

ион рис. 3 ИОН рис. 5,а ИОН рис. 5,6 ИОН эис. 8

Расчет. Мод ел. Расчет. Модел. Расчет. Модел. Расчет. Модел.

AU/ /U ±0,02 % ±0,01 % ±0,025 % ±0,01 % ±0,025 % ±0,01 % ±0,13 % ±0,23 %

Ar/u ±6е-4 % ±3е-4 % ±5,6е-4 % ±2,6е-4 % ±8е-4 % ±6е-4 % ±6е-4 % ±3е-4 %

Сопоставление результатов оценки и моделирования показывает, что относительное изменение выходного напряжения при нарушении точных условий настройки имеет близкие значения, в то же время изменение относительного температурного дрейфа оказывается тем меньше, чем меньше исходный температурный дрейф выходного напряжения.

На рис. 9 показано влияние воздействия потока нейтронов на свойство схемы ИОН. Практически все рассмотренные схемы сохраняют работоспособность с заявленными параметрами при интенсивности потока нейтронов Б = 1012 п/см2 и сохраняют функциональную годность вплоть до Б = 0,5* 1014 п/см2.

Рис. 9. Результаты моделирования схемы ИОН (рис. 5, а) при воздействии потока

нейтронов

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Widlar R.J. New development is voltage regulators // Journal of Solid-State Cercuit. - 1971. - Vol. SC-6, № 2. - P. 2-7.

2. Старченко Е.И. Источники опорного напряжения на основе АБМК // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем. - 2010: Сб. трудов / Под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2010. - С. 559-564.

3. Стар ченко К И. Особенности схемотехники операционных усилителей, стойких к воздействию

// : схемотехника, теория и вопросы применения: Материалы Ш Международ. науч.-практич. конф. - Новочеркасск: ЮРГТУ (ШИ), 2003. - С. 19-23.

4. . . - -

ными возможностями // Chip News. - 1999. - № 2. - С. 21-23.

Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор СТ. Крутчинский.

Старченко Евгений Иванович

Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса.

E-mail: [email protected].

346500, . , . , 147.

Тел.: 88626241738.

Кафедра информационных систем и радиотехники; к.т.н. доцент.

Кузнецов Павел Сергеевич E-mail: [email protected].

Тел.: +79188584994.

Кафедра информационных систем и радиотехники; аспирант.

Starchenko Evgeny Ivanovich

The South-Russian State University of Economy and Service.

E-mail: [email protected].

147, Shevchenko Street, Shaxty’, 346500, Russia.

Phone: +78626241738.

The Department of Information Systems and Radio Engineering’s; Cand. of Eng. Sc.; Associate Professor.

Kuznetsov Pavel Sergeevich

E-mail: [email protected].

Phone: +79188584994.

The Department of Information Systems and Radio Engineering’s; Postgraduate Student.