Введение к работе
Актуальностьтемы.
Прецизионные источники опорного напряжения необходимы во многих случаях и область их применения постоянно расширяется. Это измерительные приборы, устройства защиты ионно-литиевых батарей, системы связи, АЦП и ЦАП. Источники опорного напряжения изготавливаются как в виде отдельных микросхем, так и в составе интегральных схем. Стоимость ИОН обычно составляет малую часть системы в целом, однако результирующие характеристики часто сильно зависят от параметров ИОН.
Построение прецизионных ИОН требует, как правило, применения специфических технологических операций. Например, мировым лидером, фирмой Fluke Corp создан высокоточный стабилитрон 734А, имеющий температурный уход порядка 0,1ррш/С. Лучшие интегральные источники опорного напряжения ведущих производителей полупроводников, выпускаемые серийно, имеют сравнимые характеристики. Например, ADR292 имеет внутреннюю нестабильность 0,2ррш/1000 часов, а температурный коэффициент 5-25 ppm/C, REF102 до 2,5ррт/С, МАХ671 температурную зависимость менее 1 ррт/С без термостатирования. Многие прецизионные интегральные схемы источников опорного напряжения имеют встроенные датчики температуры кристалла, позволяющие значительно улучшить стабильность результатов измерения опорного напряжения, поскольку есть возможность программно скорректировать значение напряжения. Некоторые источники опорного напряжения имеют встроенные нагреватели, например LT1019.
Одним из стандартных путей получения опорного напряжения ниже уровня Зенеровского пробоя является использование схем bandgap. Этот термин можно перевести как "барьерный потенциал рп перехода" или источника опорного напряжения на ширине запрещенной зоны полупроводника. Этот вид источников отличается существенно меньшим потреблением энергии, что особенно важно в мобильных изделиях. Например, семейство LT1634 с напряжением 1.25В, 2.5В, 4.096В, 5В потребляют всего ЮмкА при начальной точности 0,2%, термостабильности 25ррт/С и минимальной разницей входного и выходного напряжений 0.9В. Технология XFET позволяет получать аналогичные характеристики источников опорного напряжения. Например, в микросхемах ADR290, ADR291, ADR292, ADR293 с
3 | РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ
I «ЯММОГККА
напряжениями 2.048В, 2.5В, 4.096В и 5В соответственно, работающих при токе потребления от 12мкА и разности входного и выходного напряжений не более 0.6В погрешность начальной установки выходного напряжения составляет 2мВ, температурный коэффициент 8ррт/С.
В современной литературе основной упор сделан на математический аппарат для получения опорного напряжения с не высокой точностью, (классические схемы получения опорного напряжения). Прецизионные источники рассматриваются на уровне основных идей и математический аппарат в этой области развит слабо.
Из вышесказанного следует, что разработка прецизионного ИОН (с точностью порядка нескольких ррт/С) это сложная задача, которая не всегда может быть решена в рамках стандартной технологии. Следовательно, актуальной является задача разработки математических моделей прецизионных ИОН в рамках стандартной доступной технологии, позволяющих качественно и количественно оценить влияние погрешностей изготовления элементов устройства на точностные параметры опорного напряжения.
Применение стандартных схемотехнических решений не позволяет получить высокие точности опорного напряжения (типичное значение термостабильности составляет несколько десятков или даже сотен ррт/С). Поэтому актуальной является задача разработки схемотехнических решений позволяющих значительно улучшить точность опорного напряжения по сравнению с классическими схемами. В настоящее время для создания прецизионных схем опорного напряжения применяются сложные схемотехнические и технологические методы, что не всегда доступно в рамках стандартной технологии, а также приводит к повышению стоимости изделия в целом. Так4им образом, актуальной является задача разработки методики создания и подстройки прецизионных источников опорного напряжения, сочетающих в себе высокие точностные характеристики, простоту реализации в рамках стандартной технологии, а также низкую стоимость.
В настоящее время разработка интегральных схем характеризуется все большим усложнением моделей элементов и увеличением объема вычислений, как следствие, увеличивается время расчета и анализа электрических схем. При расчете схем необходимо также учитывать технологические уходы элементов схемы. Задача расчета и подстройки схем прецизионных источников опорного
напряжения является трудоемкой и требует большого количества времени. Каждый раз при проектировании ИОН с новыми параметрами (ток потребления, точность в температурном диапазоне) разработчик должен просчитывать и подстраивать схему заново, чтобы ответить на вопрос о возможности его создания. Еще одной важной задачей при проектировании интегральной схемы является оценка площади топологии, занимаемой схемой, до начала ее проектирования. В связи с этим актуальной является задача создания специализированных программ расчета и анализа отдельных схем ИОН с заданными параметрами, позволяющих ускорить процесс их создания и упростить разработку изделия в целом.
Из вышесказанного следует актуальность разработки математических моделей ИОН, позволяющих качественно и количественно оценить влияние погрешностей изготовления элементов устройства на параметры точности опорного напряжения, а также создания специализированных программ расчета и анализа ИОН с заданными характеристиками.
Цели диссертационной работы:
-
Разработка математических моделей прецизионных ИОН.
-
Разработка автоматизированной среды для расчета параметров прецизионного ИОН в интегральном исполнении с заданными значениями точности, тока потребления и площади топологии.
-
Разработка методов подстройки прецизионного ИОН после его изготовления с учетом влияния технологических уходов параметров схемы.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:
-
Разработаны математические модели, позволяющие в рамках общедоступной технологии создавать прецизионные ИОН с температурным уходом порядка единиц ррш/С, используя составные подстроечные резисторы с различными температурными коэффициентами.
-
Разработана методика подстройки прецизионных ИОН (с компенсацией линейной и квадратичной составляющих опорного напряжения) путем подстройки номинала и температурного коэффициента резистора, состоящего из
последовательного соединения резисторов с низким и высоким температурными коэффициентами.
-
Выведены зависимости опорного напряжения от технологических уходов параметров схемы, позволяющие рассчитывать схемы ИОН и анализировать возможность их подстройки кривой третьего порядка.
-
Разработано программное обеспечение для проектирования прецизионных ИОН с заданными параметрами точности и потребления, позволяющее в короткие сроки рассчитать схему, оценить площадь кристалла до начала проектирования его топологии и подстроить параметры опорного напряжения после изготовления схемы.
Практическая значимость.
-
На основе разработанных математических моделей и экспериментальных данных предложена методика создания высокоточных ИОН в широком диапазоне температур с учетом технологических отклонений параметров элементов схемы.
-
Разработаны и описаны практические методы построения и последующей подстройки (после изготовления) прецизионных ИОН с заданными параметрами.
-
На основе предложенных математических моделей разработано программное обеспечение для высокоточного анализа схем ИОН, позволяющее ускорить расчет схемы.
-
Разработано программное обеспечение, позволяющее автоматизировать процесс подстройки прецизионных ИОН путем регулирования номинала и температурного коэффициента подстроечного резистора.
-
Разработана схема защиты ионно-литиевой батареи в интегральном исполнении, содержащая ИОН, блоки защиты от перезаряда, чрезмерного разряда, чрезмерного тока и короткого замыкания.
-
Проведены экспериментальные исследования схем ИОН, подтвердившие возможность получения прецизионного напряжения на основе ИОН типа "bandgap" с использованием подстройки номинала и температурного коэффициента резистора.
На защиту выносятся:
-
Математические модели прецизионных источников опорного напряжения, использующих резистор подстройки с изменяющимся номиналом и температурным коэффициентом.
-
Методика подстройки ИОН на основе регулирования номинала и температурного коэффициента резистора.
-
Программное обеспечение, позволяющее рассчитывать и анализировать прецизионные ИОН в составе ИС (с температурным дрейфом порядка единиц ррт/С) в широком диапазоне температур по заданным параметрам точности, потребления и площади кристалла.
-
Программное обеспечение для исследования и подстройки ИОН после изготовления.
-
Результаты исследования прецизионного ИОН с подстройкой температурного коэффициента резистора, выполненного по биполярной технологии.
-
Результаты исследования ИС защиты ионно-литиевой батареи.
Апробация работы.
Результаты проведенных исследований докладывались на
Международных и всероссийских научно-технических конференциях:
"Микроэлектроника и Информатика-2002", Москва, 2002;
"Микроэлектроника и Информатика-2003", Москва, 2003;
"Микроэлектроника и Информатика-2004", Москва, 2004; "Электроника и Информатика-2002", Москва, 2002; II Всероссийская научно-техническая дистанционная конференция "Электроника", Москва, 2003.
Публикации. Основные результаты работы отражены в трех статьях и представлены пятью докладами на научно-технических конференциях. Перечень работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа
состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы, включающего 33 наименования. Объем диссертации составляет 137 страниц текста, включает 65 рисунков и 16 таблиц.
