CC BY
42
удк421 373 5 К. В. МУРАСОВ
А. В. КОСЫХ С. А. ЗАВЬЯЛОВ А. Н. ЛЕПЕТАЕВ
Омский государственный технический университет
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИСТОЧНИКА ТОКА С УПРАВЛЯЕМЫМ ТЕМПЕРАТУРНЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ ТЕРМОКОМПЕНСИРОВАННЫХ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРАХ_
В статье представлены результаты работы по моделированию интегрального источника тока, предназначенного для последующего внедрения в систему на кристалле. Рассмотрены многотранзисторные источники тока, обладающие отрицательным и положительным температурными коэффициентами. Исследуется влияние изменения величины нагрузки и напряжения питания на стабильность выходного тока. Ключевые слова: источник тока, температурный коэффициент, биполярный транзистор, токовое зеркало, умножитель.
Тенденция к миниатюризации в современной радиоэлектронике приводит к необходимости разработки большого количества устройств в интегральном исполнении. При разработке источников опорных колебаний проблема миниатюризации ужесточается, поскольку одновременно обостряются противоречащие друг другу требования по габаритным размерам и по стабильности частоты. Классический подход по увеличению температурной стабильности частоты, основанный на применении дискретных температурно зависящих элементов, приводит к неудовлетворительным габаритным показателям генератора. Указанное ограничение снимается при размещении всех элементов схемы (за исключением кварцевого резонатора) на одном кристалле. В зависимости от применяемой технологии весь источник опорных колебаний может быть изготовлен на кремниевой подложке толщиной 0,2 мм и площадью около 6 мм2 и менее.
Для осуществления воздействия, компенсирующего температурное отклонение частоты генератора, возможно использование синтезаторов компенсирующей функции [1,2]. Синтезатор компенсирующей функции состоит из линейного датчика температуры, нескольких умножителей и усилителей. Схема умножителя, построенная на биполярных транзисторах, параметры которых (напряжение перехода база-эмиттер 11ЕЭ, ток коллектора 1К, обратный ток коллектора 18, крутизна 5 и др.) существенно зависят от температуры, меняет коэффициент пропорциональности между входными и выходным напряжением при изменении температуры. Применение четырехквадрантного умножителя и источников тока с нулевым температурным коэффициентом позволяет получить стабильный в рабочем температурном диапазоне коэффициент пропорциональности напряжений умножителя, что
позволяет существенно повысить точность синтеза компенсирующей функции. Целью работы является исследование многотранзисторных источников тока, применение которых целесообразно при разработке умножителей с коэффициентом пропорциональности напряжений, независящим от температуры.
Для проведения моделирования была выбрана программа схемотехнического моделирования Micro-cap, использующая для расчета работы транзисторов модель Гуммеля — Пуна, которая наиболее точно описывает процессы, протекающие в биполярном транзисторе [3, 4] (рис. 1). Ввиду того, что стандартные библиотеки компонентов содержат только модели дискретных транзисторов, в библиотеки были добавлены модели, отражающие основные свойства приборов, получаемых по наиболее распространенной технологии изготовления аналоговых интегральных микросхем [5]: интегрального транзистора вертикальной
п-р-п структуры (IS = 1 фА, BF = 100, VAF = 100 В, RBM = 100 Ом, CJE = 0,1 пФ, CJC = 0,2 пФ, CJS = = 1 пФ, TF = ЮОпс) и интегрального транзистора горизонтальной р-п-р структуры (IS = 0,5 фА, BF = = 50, VAF = 50 В, RBM = 50 Ом, CJE = 0,1 пФ, CJC = = 0,5 пФ, CJS =2 пФ, TF = 150пс).
Простой источник тока (ИТ) на одном биполярном транзисторе (рис. 2а) имеет экспоненциальную зависимость тока от температуры (рис. 26), описываемую выражением:
j, N
где иэ — напряжение Эрли, Is — обратный ток коллектора, UT — температурный потенциал. Рассмотренная нелинейная зависимость тока огра-
Во-
-т-С.ЯГл -т-СяГ/ —г- С
В'
LD.N
_W
j j
'B.C
^s.s
ф'г
Рис. 1. Полная модель Гуммеля-Пуна для п-р-п транзистора
Я* я*
vn
а)
200u
Isource.CIR
160u 120u 80u 40u Ou
1,мкА
:
;
-40.0 -25.0 l(R1)(A)
0.0 TEMP
25.0
6)
50.0
85.0
Рис.2
VT8
VT9
Рис. 3
ничивает его применение в прецизионных устройствах.
Линеаризация зависимости тока ИТ от температуры достигается применением схемы токового зеркала Виддара (УТЗ, УТ7, КЗ), нагруженной на трех-транзисторное токовое зеркало (\ГГ1, УТ4, УТ5) с выходной каскодной схемой на транзисторе УТ2 (рис. 3). Транзистор УТ6, подключенный по каскодной схеме к транзистору ЛГГ7 и базой к транзисторному диоду "УТ)4 обеспечивает запуск схемы. Транзисторы УТ8, \Т9 дополняют трехтранзисторное токовое зеркало до токового зеркала с двойной каскодной схемой на р-п-р транзисторах. Коллектор транзистора УТ9 отдает ток в нагрузку. Цепь транзисторных диодов У01...У04 и сопротивление Ш формируют напряжение, запускающее источник тока. После запуска схемы падение напряжения на сопротивлении 112 приводит к запиранию "У1)4 и отделению пусковой схемы, что исключает разбалансировку плеч то-
козадающей структуры. Ток ИТ описывается выражением:
Следствием является требование к отношению площадей транзисторов, обратные токи которых входят в выражение под логарифмом А, > Аз, в противном случае, ИТ работать не будет. В диапазоне температур -40... +85 °С наблюдается монотонное возрастание тока с крутизной 348 нА/°С (рис. 4), что указывает на положительный температурный коэффициент.
При замене токового зеркала Виддара структурой \Т2, УТ5, КЗ (рис. 5), температурный коэффициент источника тока меняет знак, что объясняется другим принципом регулирования, осуществляемым в узле. Пуск схемы осуществляется при помощи базового тока транзистора УТ5. Ток, отдаваемый в нагрузку, описывается выражением:
^Infi^L + i
Крутизна характеристики тока нагрузки от температуры (рис. 6) составляет —270 нА/°С. Зависимость является монотонно убывающей, т.е. схема обладает отрицательным температурным коэффициентом.
Изменение температурной зависимости выходного тока ИТ осуществляется в схеме (рис. 7), содержащей два плеча с температурными коэффициентами противоположного знака. Изменяя составляющие тока от плеч, возможно изменение температурного коэффициента суммарного тока, протекающего через нагрузку. Учитывая различие по абсолютной величине температурных коэффициентов схем,
y^AI.taoarceJCIR
Temp
Рис. 4
Рис.5
130.0ц-
120.0u 110.0и
100.0U
90.0u 80.0ц
-40.0 -25.0 -KR611 А)
0.0 25.0
Temp
Рис. б
1,икА : : : ;
.........
Рис. 7
120и 100U
1,мкА
temp, undependenci
! 1.CIR
60u 40и 20u
-40.13..........25.0
l(R9) (A) l(R13) (A)
ОТО........................................25.0
l(R12)(A)
25.C
50.0
75.0 ...... 85.0
Temp
Рис. 8
920.0f 880 .Of 840.01 800.01 760.01 720 01
temp_undependence_isource_TCIR
<pA
Mi
3 3 3.4 .......................................3 7
l(R9)-98.628544u
m
"4.1
44
4 8
to
v(V1)(V)
Рис. 9
рассмотренных ранее, для получения нулевого температурного коэффициента необходимо обеспечить распределение токов таким образом, чтобы ток от источника с отрицательным температурным коэффициентом превышал в 1,326 раза ток от второго источника. Этот прием позволяет компенсировать линейное убывание тока одного из источников при изменении температуры возрастанием тока другого источника (рис. 8). Результаты исследования зависимости выходного
тока от напряжения питания (рис. 9) подтверждают высокую стабильность тока. Величина флуктуаций, обусловленная погрешностью расчета тока, не более 18 фА. Для более удобного представления величины ошибки, возникающей при моделировании, из выходного тока ИТ вычтена величина 98,628544 мкА.
Проведенное исследование подтверждает актуальность применения источников тока с нулевым температурным коэффициентом для разработки схем умножителей, обладающих
стабильным коэффициентом пропорциональности напряжений, вне зависимости от текущей температуры.
Т. 1. - 828 с. Т. 2. - 942 с.
Библиографический список
1. A MOS Temperature Compensation Function Generator for TCXO Using Differential MOS Multipliers. Proc. Frequency Control Symposium, 2009 Joint with the 22nd European Frequency and Time forum. IEEE International. Besanson, France 20-24 April 2009, pp 990-993.
2. Мурасов, К. В. Применение генераторов термокомпенси-рующей функции при разработке стабильных источников опорных колебаний на основе кварцевых резонаторов / К. В. Мурасов, А. В. Косых, И. В. Хоменко // Высокие технологии и фундаментальные исследования. — Санкт-Петербург, 2010. — Т. 4. — С. 217 — 221.
3. Петров, М. Н. Моделирование компонентов и элементов интегральных схем / М. Н. Петров, Г. В. Гудков. — СПб.: Лань, 2011. - 463 с.
4. Разевиг, В .Д. Система схемотехнического моделирования Micro-CAP 5 / В. Д. Резевиг. - М.: Солон, 1997. - 273 с
5. Титце, У. Полупроводниковая схемотехника / У. Титце, К. Шенк: пер. с нем. - М.: ДМК Пресс, 2008.
МУРАСОВ Константин Владимирович, ассистент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».
КОСЫХ Анатолий Владимирович, доктор технических наук, доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики», проректор по научной работе.
ЗАВЬЯЛОВ Сергей Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики». ЛЕПЕТАЕВ Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».
Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 07.04.2011 г. © К. В. Мурасов, А. В. Косых, С. А. Завьялов, А. Н. Лепетаев
уда«1 373 В. А. АРЖАНОВ
Г. С. НИКОНОВА С. А. ДОБЕРШТЕЙН
Омский государственный технический университет Омский научно-исследовательский институт приборостроения
ГЕНЕРАТОРЫ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ С МАЛЫМ УРОВНЕМ ШУМОВ. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
В статье рассматриваются принципы построения генераторов на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Приведены топологии и частотные характеристики ПАВ линий задержки. Предложены фильтровые схемы генераторов на ПАВ. Ключевые слова: ПАВ-генераторы, ПАВ-фильтры, ПАВ-линии задержки.
Существуют различные схемы построения генераторов на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [1, 2], которые условно можно разделить на два типа. Первый представляет собой фильтровую схему, состоящую из усилителя, в цепи обратной связи которого включена ПАВ-линия задержки (ЛЗ) (рис. 1). Генерация в этой схеме возникает при балансе фаз (Др=2пп) ибалансеамплитуд(ДА> 1), где Д^и ДА сдвиг фаз и коэффициент усиления по мощности в кольце автогенератора. Для второго типа используется трехточечная схема с ПАВ-резонатором, который может включаться в ветви в качестве одного из сопротивлений 7.3 или 7-к (рис. 2). В схеме общий эмиттер (общий исток) сопротивления г, и ^должны быть либо емкостными для емкостной трехточки,
либо индуктивными (индуктивная трехточка). Генерация в схеме возникает, когда г, + + = 0, а усиление по мощности больше единицы. Емкостной или индуктивный характер сопротивления резонатора обеспечивается соответствующим характером входного сопротивления ПАВ-резонатора.
Каждая схема имеет свои достоинства и недостатки. Так, более простая трехточечная схема хорошо себя зарекомендовала с высокодобротными кварцевыми резонаторами на объемных акустических волнах (ОАВ). Для ПАВ-резонаторов, у которых добротность обычно ниже, чем у резонаторов на ОАВ, требуются усилители с большим коэффициентом усиления и, как следствие, в генераторах увеличиваются шумы.
