автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Методы построения источников опорного напряжения в составе интегральных микросхем

На правах рукописи

РГ<? од

-5 КОЯ Ш

ГУЛЕВИЧ ПАВЕЛ ВЛАДИМИРОВИЧ

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В СОСТАВЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника и иаиоэлекгроника.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2ООО г.

Работа выполнена в НПК "Технологический Цмпр" Московского государственного института электронной техники.

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный сотрудник Н.А. Шелепин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук профессор Школьников В.М. доктор технических наук профессор Кремлев В А.

Ведущая организация: ОАО Ангстрем.

Защита состоится " "_2000 г. в__ч._мин. на заседании

диссертационного совета Д.053.02.02 в Московском Государственном институте электронной техники по адресу: 103489, Москва К-489, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного института электронной техники.

Автореферат разослан " и_2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.053.02.02,

доктор технических наук, профессор _ В.А. Волков

Я,иг, п + Мтия-ОМ.&еАМ.О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

Современный этап развития микросенсорпой технологии характеризуется появлением большого количества разработок так называемых интеллектуальных датчиков. В этих датчиках аналоговый сигнал чувствительных элементов преобразуется в цифровой код, который затем подвергается различной коррекции по устранению погрешностей и передаче п устройства сбора и отображения информации. Применение универсальных АЦП для этих целей мало оправдано, так как требует прецизионных инструментальных усилителей, что приводит, в конечном итоге, к повышенной стоимости датчиков в целом. Таким образом, актуальной является; задача создания набора схемных элементен для аналого-цифрового преобразования изменяющихся величин чувствительных элемеетов микросенсоров. Одним из важнейших элементов любых АЦП явлдются температурке независимые источники спорного напряжения (ИОН), которое используется в качестве эталонного. Кроме того, ИОН необходимы для построения стабилизаторов напряжения питания БИС. На основе термохомпеисирояаннмх источников опорного напряжения в составе БИС реализуются также источники температурно-завксимого сигнала, термодатчики, Таким образом, построение и использование высокостабильных тсрмокомпенснрованкых источников опорного напряжения я&ляется важным звеном в построении систем преобразования! аналоговых сигналов.

Из вышесказанного очевидна актуальность разработки математических моделей ИОН, позволяющих качественно и количественно оиешш» влияние

погрешностей изготовления элементов устройства на - точностные параметры опорного напряжения. Особенный интерес представляет оценка возможности изготовления прецизионных ИОН в КМОП базисе, поскольку создание интеллектуальных микросенсоров предполагает наличие цифровой схемы, как правило, реализуемой в КМОП технологии. 1

Поскольку все большую роль в процессе проектирования электронных устройств играют средства автоматизированного проектирования (САПР), представляется актуальным оценить точность моделирования электронных узлов современными САПР на примере разработки ИОН.

Цель диссертационной работы: разработка математических моделей ИОН. Создание на их основе конструктивно-технологических методов построения прецизионных источников напряжения с заданной температурной зависимостью в составе интегральных схем преобразования сигналов микросенсоров.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе заключается в следующем:

1. Разработаны математические модели ИОН, позволяющие оценить влияние погрешностей изготовления на их точностные характеристики.

2. Установлено, что математические (модели биполярных приборов системы электронного проектирования РБр^се, одной из самых распространенных программ аналогового моделирования, не позволяют моделировать'температуриое поведение ИОН с необходимой точностью. При оптимальном подборе параметров моделей,

погрешность моделирования составит не менее 20 мкВ/°С, что сравнимо с температурным дрейфом выходного напряжения ИОН. Таким образом, моделирование s PSpice (и других программах, использующих SPICE-модели) не позволяет ни количественно ни качественно оценить температурный дрейф прецизионного ИОН.

3. На основе экспериментальных исследований температурной зависимости DAX прямо-смюдешзого перехода эмиттер-баз.^ уточнена математическая модель электрических характеристик и установлена высокая точность моделирования В АХ при использования полученных соотношений и подобранных параметров.

4, На основе полученной модели разработана новая схема температурной компенсации тензочувствительносга мостовых схем интегральных кремниевых сенсоров тензорезлсгавшго типа.

Практическая значимость.

1. Предложена методика оценки точностных параметров проектируемых ИОН на основе математической модели и экспериментальных данных об гг.ехтро-фнзических характеристиках элементов интегральнЬх «мм. *

2. Разработаны и описаны практические методы построения прецизионных ИОН п различных конструктивно-технологических базисах.

3. Разработан проект кристалла интегрального преобразователя давления, содержащий тензорезистивный мост, схему температурной компенсации тензочувствительности моста, блок усиления, блок настроек начального смещения и температурного дрейфа начального смешения преобразователя.

4. Проведены экспериментальные исследования схемы температуркой компенсации тензочувствительности моста, подтвердившие возможность получения прецизионных преобразователей давления на ее основе.

На защюу выносятся:

1. Математические модели ИОН для различных технологических базисов.

2. Результаты оценки точности моделирования ИОН средствами современных систем электронного проектирования (Р8р1Се), результаты экспериментальных исследований вольт-амперных характеристик биполярных транзисторов и их соответствие результатам моделирования в программе РЗрше.

3. Схема температурной компенсации для кремниевых тензорезистиваых преобразователей физических величин.

4. Кристалл интегрального преобразователя давления со схемой вторичного питания тензорезистивного моста и усилителем выходного сигнала. Результаты экспериментальных исследований кристалла интегрального преобразователя.

Апробация работы. '

Результаты проведенных исследований докладывались на Межвузовской научно-технической конференции Микроэлектроника и Информатика, 1997-2000г., XI научно-технической конференции Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления - 99, всеросийской конференции с международным участием "Сенсор-2000". ' ■' '

Публикации.

Основные результаты работы отражены в двух статьях н представлены семыо докладами на научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы го 19 наименований. Объем диссертации составляет 100 страниц текста и включает 70 рису икса и таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ..

Во введении дается обоснование актуальности текы диссертационной работы, описываются цели, структура диссертации и ее краткое содержание.

В первой глазе работы рассмотрены' принципы построения и основные параметр 1Л источников, работающих а диапазоне питающих непряжений 3..30 В (одно и дауполярных). Среда множества источников а интегральном исполнении рассматриваются так называемые трехзызодные источники, имеющие выводы «нестабкл из кро ванное напряжение», «общий», и «стабилизированное напряжение», в также даухвьгаодные источники (даодного типа), которые при большей гибкости а отношении изменения полярности включения с соответствующим изменением полярности протекающего тока, имеют существенный недостаток из-за ограниченной нагрузочной способности. К таким источникам относятся диодные схемы и цепочки, включающие стабилитроны. Основное р;<иыанио уделено ИОН,

основанным на принципе «band-gap» (напряжения запрещенной зоны), также рассмотрены ИОН «band-gap» с параболической коррекцией кривизны температу рной характеристики.

Во второй главе разработаны математические модели ИОН для различных технологических базисов: биполярного, КМОП, КМОП с использованием биполярных приборов (БиКМОП). Для каждого технологического базиса был рассмотрен ряд схем ИОН, рассчитаны их математические модели, проведена оценка влияния погрешностей изготовления элементов схемы (номиналов и.' отношений номиналов резисторов, отношений площадей транзисторов) На точностные параметры ИОН (температурный дрейф опорного напряжения).

Для биполярного базиса рассматривались схемы, основанные на принципе "band-gap". Математическая модель была разработана для классического варианта ИОН типа "band-gap", рис.1.

Е„

R

Рнс.1.

Существует множество вариантов ИОН, использующих пришит "band-gap", но все они в основе содержат вышеуказанную схему, пли ее модификацию. Все ИОН данного типа описываются общим математическим аппаратом, который приводится ниже.

Минимальный температурный коэффициент опорного напряжения будет достигаться при следующих параметрах схемы:

Я. „ + + (у-+ А,Та

—In N---.-р—;--(1)

где Uff - напряжение база-эмиттер биполярного транзистора при температуре То, m - коэффициент' кеидеальноста р-n перехода, <р,° - температурный потенциал полупроводника при температуре Г0 (<р, = kTfq, к - постоянная Больцмаиа, q - заряд электрона), Е,01 - линейная аппроксимация напряжения запрещенной зоны полупроводника при 7=0, у - показатель степени температуры з выражении для температурной зависимости тока насыщения биполярного транзистора, А, -температурный коэффициент резисторов Rur (рис.1).

Температурная зависимость опорного напряжения идеального ИОН (при вышеуказанных номиналах элементен схемы, выражение (I)) имеет следующий вид:

1/г(Т)- -мир.

(У-1)^1-In Lj + .t(r,-&T)

(2)

' О)

где Г- То-

Температурный дрейф опорного напряжения:

¿и, <гг

ь - 1(г - Ли 1 [ 1 _ Л |п хи I иЛЧ [ 1 -1.) (4)

" 2К' ' д{ ДГ Т0) 2 ' ^ Т,)

Погрешности изготовления элементов схемы вызовут изменение выходного напряжения схемы:

+ (5)

Д 1/г - т<р,

(1 + «,)(* + Д 1п(//аА.а,) + А,(а, - 1рТ,- Т)~2~ЫЫ

(6)

1!,г , Я.

а,--+ 1 + (7)

' 1пЯ X, .

где {У®-напряжениесмещения ОУ.

Искажение опорного напряжения можно скомпенсировать коррекцией резисторов схемы. Дня компенсации линейной составляющей температурного дрейфа выходного напряжения ИОН величиной Л13/АТ, производится коррекция резистора Л на величину ¿К\

(8)

2т——]nN +-

70 г ДГ

Для компенсации сдвига выходного напряжения ИОН величиной АЦ^, вызванного погрешностями схемы, производится коррекция резистора на величину ¿К4\

(9)

К и,(Т0)

Зависимость выходного напряжения ИОН от напряжения питания в

идеальном случае имеет вид:

Л U

ЦД л J

(10)

где Ua - напряжение Эрли биполярных транзисторов.

Также рассмотрена модель схемы ИОН типа «band-gap» для разработанного в НПК "Технологический Цешр" конструктивно-технологического базиса аналоговых КМОП ИС с биполярными транзисторами, коллектором которых является общая подложка п - типа, соединенная с шиной питания, рис.2.

П», Паз J1 М

Рис.2.

Оснозние уравнения математической модели приведены ниже. Минимальный температурный коэффициент опорного напряжения будет достигаться при следующих параметрах схемы:

fu, N + «К +0 -»*9>M

г Ш (r-lK

Значение выходного напряжения описывается выражениями:

V, (Г) - тпЕ«; + т<р, (г -1)^1 - 1п|-| + А,(Т, - А Г)

(13)

Погрешности изготовления элементов схемы вызовут изменение выходного напряжения схемы:

(14)

Шг - пир,

+— (15)

а --;-+ 1 + А—

т<р,Н^г 1пЛГ Л

(16)

Для компенсации линейной составляющей температурного дрейфа А11/АТ выходного напряжения ИОН, производится коррекция резистора г на величину Лг.

Ш

(17)

АГ

(й---

Га г Д Т

<Р°, „ А и

Для компенсации сдвига выходного напряжения ИОН на величину Ли„а вызванного погрешностями схемы, производится коррекция резистора Я} на величину ¿Яу.

(¡лл---

(18)

к, илт9)

Следует заметить, что влияние напряжения смешения ОУ на опорное напряжение в данном конструктивно-технологическом базисе больше, чем в. схеме

ИОН на рис.1 на величину «• (/¡——, что может составлять десятки-сотпн

милливольт. Вследствии этого, зависимость опорного напряжения данного ИОН от напряжения литания будет определяться напряжением смещения и его зависимостью от напряжения питания.

Таким образом, ИОН данного конструктивно-технологического базиса (коллектор биполярных транзисторов - общая подложка п - типа, соединенная с шиной питания) значительно хуже по своим параметрам, чем классический варант ИОН (рис.1). Поэтому для реализации прецизионных ИОН предлагается использовать конструктивно-технологический базис КМОП ИС с подложкой р -•йша и карманами п - типа, в которых возможна реализация изолированных п-р-п биполярных транзисторов, позволяющих изготовить схему ИОН на рис. 1.

В приложении к главе 2 рассмотрены методы компенсации напряжения смещения путем применения схем на , переключающихся конденсаторах, включением параллельно двух операционных усилителей, взаимно компенсирующих смещение друг друга, цифровой подстройкой параметров ИОН.

В третьей главе проводится исследование точности моделирования температурных зависимостей биполярных приборов средствами современных САПР.

Одной из самых распространенных программ для моделирования аналоговых схем является система моделирования РБрке компании МгсгоЯнп (в настоящее время - ОгСас!). Существует ряд систем моделирования, таких как М1стоСзр,

Electronic WorkBench, Dr.Spice, и ряд других, использующих формат описания и математические модели элементов, принятые в PSpice. Таким образом, формат описания схем и математических моделей приборов являются, фактически, мировым стандартом описания электронных приборов. Проводится анализ соответствия точности моделирования температурных зависимостей биполярных приборов в программе PSpice задачам проектирования источников опорного напряжения. Показано, что вследствие неточности математической модели р-п перехода, допущенной в моделях биполярных приборов PSpice, при моделировании температурной зависимости напряжения прямо смещенного р-n перехода возникает ■ ошибка — 250 мкВЛС,. что весьма существенно даже для проектирования ИОН невысокой точности. Показано, что вариацией параметра XTI SPICE-модели, можно снизить погрешность до 20 мкВ/°С. Даже такая погрешность слишком велика для точного проектирования прецизионных ИОН с коррекцией кривизны температурной характеристики, поскольку их собственный температурный Дрейф сравним с этой погрешностью. Следует заметать, что параметр XTI не подбирается программой экстракции SPICE-параметров PARTS, входящей в пакет PSpice. Таким образом, для максимально точного моделирования (с погрешностью - 20 мкВ/°С) необходимы экспериментальные исследования температурного поведения р-п перехода конкретного транзистора и подбор корректного значения параметра XTI.

Рассмотрим более подробно математический аспект проблемы. В программе PSpice, для моделирования напряжения прямо-смещенного р-п перехода используется следующее выражение:

и Г" СПтЕ, (Г0)

'о >0 '0 (19)

Оно является упрощенным вариантом более точного уравнения:

ил?) т,у IV " +

'о 70 'о (20)

Разница составляет:

. М/ - (У, - и Г' - (Г) - тЕг (70) (21)

Как было сказано выше, разница может составить - 250 мкВ/°С (зависит от параметров технологии).

С целью проверки вышеизложенного материала были проведены измерения напряжения база-эмиттер биполярного интегрального транзистора в термической , камере. На рис.3 приведены: измеренная экспериментально зависимость 11б,(Т), рассчитанная по формулам, используемым в РЭрке, рассчитанная по "корректным" формулам, при значениях тока эмиттера: 1мкА, ЮОмкА.

ив*. *

Как видно из рис.З, U6t(T) рассчитанная по формулам PSpice заметно отличается от экспериментальных данных, тогда как ВАХ, рассчитанная по "корректным" формулам гораздо лучше соответствует эксперименту. Ошибка в моделировании в PSpice напряжения база-эмигтер при изменении температуры составит -50 мВ в диапазоне температур -60 +120 °С, или - 280 мкВ/°С.

Таким образом, была подтверждена некорректность математической модели, используемой PSpice.

В четвертой главе представлена новая схема источника термозависимого питания чувствительного элемента сенсора с тензорезистивной мостовой схемой (ЧЭТС), обладающая улучшенными характеристиками в сравнении с традиционно применяемой схемой. Схема построена на основе ИОН типа «band-gap» и конструктивно-технологического базиса, выбор которого обоснован в главе 2.

В тензорезистивных преобразователях температура оказывает влияние на дрейф нулевого сигнала и тензочувствительность кремния. Известно, что тензочувствительностъ кремния обратно пропорциональна температуре.' К настоящему времени разработал ряд принципиальных решений термокомпенсации, тензочувствительности, Для чувствительных элементов, изготовленных по технологии КНС (кремний на сапфире) наиболее применима так называемая автохомленсиция чувствительности. При концентрации примеси р-типа 8,0* 10й t диапазоне температур от -80 °С до 200 "С температурный коэффициент сопротивления и температурный уход чувствительности равны с обратным знаком. Эго обеспечивает полную автокмиснсацню в режиме генератора стабильного ток.

на КНС-тензопреобразователях.

В монокремниевых преобразователях давления, вследствие нелинейной зависимости сопротивления тензорезисгоров от температуры, получение автокомпенсации невозможно. Альтернативным решением может служить схемотехническая термокомпенсация. Наиболее эффективной из них представляется схема на п-р-п транзисторе, рис.4.

Е„

Рис.4.

Компенсация достигается за счет роста напряжения питания моста с увеличением температуры. Для этого используется практически линейная температурная зависимость напряжения на прямо смещенном р-п переходе от температуры. В качестве р-п перехода используется эмитгерный переход п-р-п транзистора. Считая, что базовый ток транзистора много меньше эмитгерного, для данной схемы выполняется соотношение:

Для интегральных резисторов Л/ и /?/ их отношение определяется топологическими размерами и не зависит от температуры, а значит:

Соответствующим подбором Д/Л; можно добиться необходимой величины производной ¿има^с1Т.

Данная схема термокомпенсации обладает некоторыми недостатками: !. Требует термостабилизированного напряжения питания,

2, Напряжение питания должно быть существенно выше напряжения, подаваемого на мост (на 1,5-2 В), поскольку часть напряжения падает на схеме термокомпенсации.

Предлагается схема источника термозависимого питания теизомоста, позволяющая компенсировать температурный дрейф чувствительности, не требующая стабильного питания, что делает . возможным подключение преобразователей к стандартному тетанию ИС, например 5В, и позволяющая подавать на мост напряжение, близкое к напряжению питания. Схема приведена на рис.5.

(23)

Рис.5

Напряжение на выходе схемы имас„ определяется следующим выражениями:

1 + т4 (24)

и,-2тр&1п1/ + ил (25)

Первое слагаемое во втором уравнении имеет положительный температурный коэффициент, величина которого определяется отношением номиналов резисторов Л/, Яг и параметром и, равным отношению площадей биполярных транзисторов. Второе слагаемое (Ул) является напряжением смещения р-п перехода и имеет отрицательный температурный коэффициент. Изменяя соотношение ЛУЛ/, можно регулировать величину и знак температурного коэффициента напряжения 1), на базах транзисторов. Делитель, образованный резисторами Из и позволяет масштабировать выходное напряжение имкт до любой заданной величины. Температурный коэффициент масштабируется соответственно. Обыкновенно (как было показано в главах I и 2), схема такого типа используется для построения источников опорного напряжения, в данном же случае она применяется для питания

тензомоста, так как регулируя соотношения двух пар резисторов, можно получить выходное напряжение заданной величины с температурным дрейфом заданного размера, что позволяет с большой точностью компенсировать температурные искажения работы тензомоста.

Напряжение питания при котором может работать данная схема определяется выражением:

(26)

где Иуоса""1 - максимальное напряжение на моеге (при высокой температура), t/„"'* - минимальное напряжение сток-исток выходного МОП-транзистора (рис.5), при котором транзистор сохраняет саоя рабочие параметры. Таким образом, напряжение питания схемы может превышать максимальное напряжение на ыосте всего на 0.5 В.

Из вышеприведенных уравнений можно вывести соотношения, связывающие номиналы резисторов схемы на рис.5:

f--:-ж--1 м

Ües&l-UJT,) 1 + ü

it--h—- (2g)

Ä, 2 ct (p, In N

где и^щСГо) - требуемое напряжение питания моста при температуре Го, dU^JdT • требуемый температурный дрейф напряжения шггания моста, Uäl(To) и dUiJdT -напряжение и темпера турный дрейф перехода база-эмиттер биполярного

транзистора на рис.5.

Опираясь на эти выражения, исходя из требуемой величины и температурного дрейфа напряжения питания теиэомоста, можно вычислить отношения резисторов, необходимые для проектирования схемы.

Была изготовлена опытная партия пластин. Для исследования микросхем в диапазоне температур кристаллы были собраны э металлокернмические корпуса 2106.24-1Н. Были исследованы зависимости напряжения питания от температуры и общего напряжения питания при вариации корректирующих резисторов.

На рис.б приведены: требуемая температурная зависимость напряжения питания ЧЭ с областью технологического разброса (А1]мо^ЛТ - ±30мкВ/°С), область измеренных зависимостей при вариации резисторов (рис.5): Л2=13к...8к, Л(=50к...3к (Я/=270, /?3=1к). имеет; в

4.4 4.2 4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0

-50 о го юо т,°с

Рис.6.

Технологический разброс требуемой 1 температурной характеристики иност

I Область экспериментальных характеристик. | Диапазон отношений номинале» настроечных резисторов: ВД/К1=13Ш70 .. 81С/270, И4Ш=50к/1к .. Зк/1к--)—--:—:-1-

Из рис.6 следуст, что варьируя номиналы настроечных резисторов можно подобрать необходимое абсолютное значение и температурный дрейф напряжения питания ЧЭТС.

На рис.7 приведена область технологического разброса измеренной температурной зависимости напряжения питания ЧЭТС (¿¿/мся -> ±30мВ, ЛUмocJЛT - ±0.7мВЛС) и область требуемой зависимости.

имост, В

4,4

4.2 4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0

-50 0 50 100 Т.°С

Рис.7.

На рис.7 не приведен разброс абсолютной величины напряжения питания ЧЭТС, поскольку малое изменение ЗОмВ) абсолютной величины не приводит к заметным тиснениям температурного дрейфа характеристики.

Из рис.7 видно, что в наихудшем случае суммарная ошибка температурного дрейфа напряжения питания моста составит ±0.33мВ/°С. Расчет показывает, что при этом выходной сигнал ЧЭ будет иметь погрешность - ±0.05%/°С в диапазоне температур: -60оС—+100°С без какой-либо индивидуальной подстройки каждого датчика.

Таким образом, на основе разработанной схемы возможна реализация преобразователей давления с технологическим разбросом температурного коэффициента выходного сигнала не более ±0.05%ЛС без индивидуальной подстройки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. Проведен анализ способов построения ИОН в различных конструктивно-технологических базисах с описанием преимуществ и недостатков конкретных вариантов ИОН.

2. Разработаны математические модели ИОН для различных технологических базисах, позволяющие оценить влияние погрешностей элементов схемы на точностные параметры ИОН. Особое внимание уделено ИОН, реализованным по принципу «band-gap», в биполярном и КМОП базисах. Показано преимущество конструктивно-технологического базиса КМОП ЙС на подложке р - типа с п -карманами для получения прецизионных ИОН.

3. Установлена погрешность моделей ИОН и предложены соотношения между параметрами моделей и их погрешностями.

4. Разработана новая схема источника термозависимого питания тензомоста, позволяющая компенсировать температурный дрейф чувствительности моста и не

требующая стабильного питания, что делает возможным подключение преобразователей к стандартному питанию ИС, например 5В. Новая схема, в отличие от стандартных вариантов, позволяет подавать на мост напряжение, близкое к напряжению питания, тем самым повышая полезный сигнал моста до максимума.

5. Изготозлен и исследован первый в России кристалл интегрального преобразователя давления со схемой вторичного питания тензорезистивного моста и усилителем выходного сигнала. Результаты исследований кристалла показали, что разработанный преобразователь обеспечивает температурную погрешность выходного сигнала не более 0.05%/°С без индивидуальной подстройки каждого датчика.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. И.В. Кочкшз, П.В. Гулевич, "Комплект интегральных схем для организации волоконно-оптической линии связи", тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и Информатика - 97", часть 1, стр.33, МИЭТ, 1997. •

2. П.В. Гулевич, "Микромощяый усилитель с автоматической регулировкой усиления", тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника н Информатика - 98", часть 1, стр. 17, МИЭТ, 1998.

3. П.В. Гулевич, П Л. 111 слепни, "Схема источника питания тензомоста", тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника в Информатика-99", ар. 16,МИЭТ, 1999. Й

4. П.В. Гулевич, H.A. Шелепин, "Схема источника питания тензомоста", тезисы докладов XI научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления - 99", стр.17, Гурзуф, "Фолиум", 1999.

5. В.Н. Ануфриев, П.В. Гулевич, H.A. Шелепин, "Методы построения источников опорного напряжения в состаае интегральных микросхем", Электроника. Известия вузов. №2, стр.Х, 2000г.

6. П.В. Гулевич, "Точность моделирования температурных свойств р-n перехода в програме PSpice", тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и Информатика - 2000", стр.Х, МИЭТ, 2000.

7. С.Б.Муратов, П.В.Гулевич, "Цифро-аналоговая ИС для приемопередатчика мультиплексной шины", тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и Информатика - 2000", стр.Х, МИЭТ, 2000.

8. П.В. Гулевич, "Точность моделирования температурных свойств р-n перехода в программе PSpice", Электроника. Известия вузов. Регистр, номер 413.

9. П.В. Гулевич, H.A. Шелепин. "Первый в России микросенсор давления с интегральной схемой термокомпенсированного источника питания и усилителя на одном кристалле", тезисы докладов всероссийской конференции с международным участием "Сенсор-2000". Санкт-Петербург, 2000.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Методы построения источников опорного напряжения в составе интегральных микросхем.

1.1. Стабилитроны.

1.2. ИОН с подогревом.

1.3. ИОН на полевом транзисторе.

1.4. ИОН типа "band-gap" (с напряжением запрещенной зоны).

1.5. Схемотехника ИОН в КМОП-базисе.

Выводы.

ГЛАВА 2. Математическое моделирование и оптимизация схем ИОН.

2.1. Разработка математической модели стандартного ИОН, использующего принцип "band-gap".

2.1.1. Оценка температурной зависимости опорного 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).

2.1.4. Оценка зависимости опорного напряжения от напряжения питания.

2.1.5. Выбор оптимального соотношения площадей транзисторов.

2.2. Разработка математической модели ИОН в конструктивно-технологическом КМОП базисе.

2.2.1. Оценка температурной зависимости опорного напряжения ИОН в КМОП базисе.

2.2.2. Оценка влияния разброса параметров элементов на опорное напряжение.

2.2.3. Оценка необходимой коррекции резистора.

2.2.4. Оценка влияния напряжения питания.

Выводы.

ГЛАВА 3. Моделирование температурных свойств биполярных приборов в программе Р8рюе.

3.1. Оценка точности моделирования температурных свойств р-п перехода.

3.2. Проверка соответствия расчетных характеристик экспериментальным результатам.

3.3. Компенсация ошибки моделирования температурных свойств р-п перехода.

Выводы.

ГЛАВА 4. Разработка схемы интегрального тензопреобразователя давления.

4.1. Температурная погрешность интегральных тензопреобразователей.

4.2. Разработка новой схемы питания ЧЭТС в составе интегрального преобразователя давления.

4.3. Экспериментальные исследования разработанной схемы интегрального преобразоваетля давления.

Современный этап развития микросенсорной технологии характеризуется появлением большого количества разработок так называемых интеллектуальных датчиков. В этих датчиках аналоговый сигнал чувствительных элементов преобразуется в цифровой код, который затем подвергается различной коррекции по устранению погрешностей и передаче в устройства сбора и отображения информации. Применение универсальных АЦП для этих целей мало оправдано, так как требует прецизионных инструментальных усилителей, что приводит, в конечном итоге, к повышенной стоимости датчиков в целом. Таким образом, актуальной является задача создания набора схемных элементов для аналого-цифрового преобразования изменяющихся величин чувствительных элементов микросенсоров. Одним из важнейших элементов любых АЦП являются температурно независимые источники опорного напряжения (ИОН), которое используется в качестве эталонного. Кроме того, ИОН необходимы для построения стабилизаторов напряжения питания чувствительных элементов сенсоров и БИС обработки сигналов. Таким образом, построение и использование высокостабильных термокомпенсированных источников опорного напряжения является важным звеном в построении систем преобразования аналоговых сигналов.

Из вышесказанного очевидна актуальность разработки математических моделей ИОН, позволяющих качественно и количественно оценить влияние погрешностей изготовления элементов устройства на точностные параметры опорного напряжения. Особенный интерес представляет оценка возможности изготовления прецизионных ИОН в КМОП базисе, поскольку создание интеллектуальных микросенсоров предполагает наличие цифровой схемы, как правило, реализуемой в КМОП технологии [2].

Поскольку все большую роль в процессе проектирования электронных устройств играют средства автоматизированного проектирования (САПР), представляется актуальным оценить точность моделирования электронных узлов современными САПР на примере разработки ИОН.

Цель диссертационной работы: разработка математических моделей ИОН. Создание на их основе конструктивно-технологических методов построения прецизионных источников опорного напряжения с заданной температурной зависимостью в составе интегральных схем преобразования сигналов микросенсоров.

Диссертационная работа состоит из 4 глав и приложения.

В первой главе работы рассмотрены принципы построения и основные параметры источников, работающих в диапазоне питающих напряжений 3.30 В (одно и двуполярных). Среди множества источников в интегральном исполнении рассматриваются так называемые трехвыводные источники, имеющие выводы «нестабилизированное напряжение», «общий», и «стабилизированное напряжение», а также двухвыводные источники (диодного типа), которые при большей гибкости в отношении изменения полярности включения с соответствующим изменением полярности протекающего тока, имеют существенный недостаток из-за ограниченной нагрузочной способности. К таким источникам относятся диодные схемы и цепочки, включающие стабилитроны. Основное внимание уделено ИОН, основанным на принципе «band-gap» (напряжения запрещенной зоны), также рассмотрены ИОН «band-gap» с параболической коррекцией кривизны температурной характеристики.

Во второй главе разработаны математические модели ИОН для различных технологических базисов: биполярного, КМОП, КМОП с использованием биполярных приборов (БиКМОП). Для каждого технологического базиса был рассмотрен ряд схем ИОН, рассчитаны их математические модели, проведена оценка влияния погрешностей изготовления элементов схемы (номиналов и отношений номиналов резисторов, отношений площадей транзисторов) на точностные параметры ИОН (температурный дрейф опорного напряжения).

В третьей главе проводится исследование точности моделирования температурных зависимостей биполярных приборов средствами современных САПР.

В четвертой главе представлена новая схема источника термозависимого питания чувствительного элемента сенсора с тензорезистивной мостовой схемой (ЧЭТС), обладающая улучшенными характеристиками в сравнении с традиционно применяемой схемой. Схема построена на основе ИОН типа «bandgap» и конструктивно-технологического базиса, выбор которого обоснован в главе 2.

В приложении приведен материал не имеющий прямого отношения к теме работы, но касающийся вопроса в целом, экспериментальные данные. *

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе заключается в следующем:

1. Разработаны математические модели ИОН, позволяющие оценить влияние погрешностей изготовления на их точностные характеристики.

2. Установлено, что математические модели биполярных приборов системы электронного проектирования Р8рюе, одной из самых распространенных программ аналогового моделирования, не позволяют моделировать температурное поведение ИОН с необходимой точностью. При оптимальном подборе параметров моделей, погрешность моделирования составит не менее 20 мкВ/°С, что сравнимо с температурным дрейфом выходного напряжения ИОН. Таким образом, моделирование в РБрюе (и других программах, использующих БРЮЕ-модели) не позволяет ни количественно ни качественно оценить температурный дрейф прецизионного ИОН.

3. На основе экспериментальных исследований температурной зависимости В АХ прямо-смещенного перехода эмиттер-база, уточнена математическая модель электрических характеристик и установлена высокая точность моделирования ВАХ при использовании полученных соотношений и подобранных параметров.

4. На основе полученной модели разработана новая схема температурной компенсации тензочувствительности мостовых схем интегральных кремниевых сенсоров тензорезистивного типа.

На защиту выносятся: 1. Математические модели ИОН для различных технологических базисов.

-92. Результаты оценки точности моделирования ИОН средствами современных систем электронного проектирования (РБрюе), результаты экспериментальных исследований вольт-амперных характеристик биполярных транзисторов и их соответствие результатам моделирования в программе Р8рюе.

3. Схема температурной компенсации для кремниевых тензорезистивных преобразователей физических величин.

4. Кристалл интегрального преобразователя давления со схемой вторичного питания тензорезистивного моста и усилителем выходного сигнала. Результаты экспериментальных исследований кристалла интегрального преобразователя.

Практическая значимость.

1. Предложена методика оценки точностных параметров проектируемых ИОН на основе математической модели и экспериментальных данных об электрофизических характеристиках элементов интегральных схем.

2. Разработаны и описаны практические методы построения прецизионных ИОН в различных конструктивно-технологических базисах.

3. Разработан проект кристалла интегрального преобразователя давления, содержащий тензорезистивный мост, схему температурной компенсации тензочувствительности моста, блок усиления, блок настроек начального смещения и температурного дрейфа начального смещения преобразователя.

4. Проведены экспериментальные исследования схемы температурной компенсации тензочувствительности моста, подтвердившие возможность получения прецизионных преобразователей давления на ее основе.

- 10

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований внедрены и реализованы в Государственном научном центре Российской федерации «Научно-производственный комплекс «Технологический центр» МИЭТ» в рамках НИОКР «Лозунг-1», «Лира-23», что подтверждается актом о внедрении.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались на Межвузовской научно-технической конференции Микроэлектроника и Информатика, 1997-2000г., XI научно-технической конференции Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления - 99, всеросийской конференции с международным участием "Сенсор-2000".

Публикации. Основные результаты работы отражены в двух статьях и представлены семью докладами на научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы из 19 наименований. Объем диссертации составляет 123 страницы текста и включает 56 рисунков и 10 таблиц.

Выводы.

Разработанная в составе интегрального преобразователя давления схема питания тензомоста эффективно решает поставленные перед ней задачи: 1. Возможность подключения ЧЭТС к стандартной величине питания 5В±10%.

-982. Получение максимально возможной чувствительности (т.е. максимально возможной величины напряжения, питающего ЧЭТС). 3. Возможность регулировки температурного коэффициента зависимости напряжения, подаваемого на ЧЭТС.

На основе изготовленной опытной партии пластин, проведены экспериментальные исследования схемы питания ЧЭТС и микросенсора в целом. Показано:

1. Без прецизионной настройки корректировочных резисторов схема позволяет получить температурный коэффициент выходного сигнала не более ±0.05%/°С.

2. Значение зависимости опорного напряжения ИОН, входящего в состав датчика, не хуже чем в зарубежных схемах подобного класса.

Разработанный интегральный преобразователь давления в настоящее время не имеет аналогов в России.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Основной задачей настоящей диссертационной работы была разработка математических моделей источников опорного напряжения, в частности в КМОП базисе, позволяющих качественно и количественно оценить влияние погрешностей изготовления элементов устройства на точностные параметры опорного напряжения.

В результате проведенных исследований и разработок можно выделить следующие основные результаты работы:

1. Проведен анализ способов построения ИОН в различных конструктивно-технологических базисов с описанием преимуществ и недостатков конкретных вариантов ИОН.

2. Разработаны математические модели ИОН для различных технологических базисах, позволяющие оценить влияние погрешностей элементов схемы на точностные параметры ИОН. Особое внимание уделено ИОН, реализованным по принципу «band-gap», в биполярном и КМОП базисах. Показано преимущество конструктивно-технологического базиса КМОП ИС на подложке р - типа с п -карманами для получения прецизионных ИОН.

3. Установлена погрешность моделей ИОН и предложены соотношения между параметрами моделей и их погрешностями.

4. Установлено, что математические модели биполярных приборов системы электронного проектирования PSpice, одной из самых распространенных программ аналогового моделирования, не позволяют моделировать температурное поведение ИОН с необходимой точностью. При оптимальном подборе параметров моделей, погрешность моделирования составит не менее 20 мкВ/°С, что сравнимо с температурным дрейфом выходного напряжения ИОН. Таким образом, установлено, что моделирование в Р8р1се (и других программах, использующих 8Р1СЕ-модели) не позволяет ни количественно ни качественно оценить температурный дрейф прецизионного ИОН.

5. Разработана новая схема источника термозависимого питания чувствительных элементов сенсоров с тензорезистивной мостовой схемой, позволяющая компенсировать температурный дрейф чувствительности моста и не требующая стабильного питания, что делает возможным подключение преобразователей к стандартному питанию ИС, например 5В. Новая схема, в отличие от стандартных вариантов, позволяет подавать на мост напряжение, близкое к напряжению питания, тем самым повышая полезный сигнал моста до максимума.

6. Изготовлен и исследован первый в России кристалл интегрального преобразователя давления со схемой вторичного питания тензорезистивного моста и усилителем выходного сигнала. Результаты исследований кристалла показали, что разработанный преобразователь обеспечивает температурную погрешность выходного сигнала не более 0.05%/°С без индивидуальной подстройки каждого датчика.

1. Чаплыгин Ю.А. Кремниевые микроэлектронные датчики на основе КМОП конструктивно-технологического базиса. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МИЭТ, 1995.

2. W.Jung. Getting the Most from 1С Voltage References. Analog Dialogue, v.28,1994, -320 p.

3. П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники, т.1. М.: Мир, 1986. -596 с.

4. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1982. -512 с.

5. Шелепин H.A., Макаров А.Б. и др. Построение аналого-цифрового БМК для схем обработки аналоговых сигналов. ПЭМ-95, сб.тез. ч.1. Дивноморское,1995. -С.106.

6. Шелепин H.A., Дятченко В.Н. и др. Разработка прецизионных аналоговых БИС вторичных преобразователей сигналов датчиков. ПЭМ-95, сб.тез. ч.2. Дивноморское, 1995. -с.88.

7. Шелепин H.A., Макаров А.Б. и др. Способ построения операционных усилителей с автоподстройкой напряжения смещения нуля в А/Ц БМК. ПЭМ-95, сб.тез. ч.2. Дивноморское, 1995. -с. 135.

8. Отчет о НИР: Исследование и разработка конструктивно-технологических методов изготовления прецизионных температурно-стабильных источников опорного напряжения на основе элементной базы КМОП БИС. М.: НПК "ТЦ", 1996. -120с.

9. Чаплыгин. Ю.А. Конструктивно технологический базис микроминиатюрных датчиков. Измерительная техника, №11, 1994, -с. 10-14.

10. Зи. Физика полупроводниковых приборов, т 1. М.: Мир, 1984. -455 с.

11. Lin, С.А.Т. Salama. A Vbe(T) Model with application to bandgap reference design. IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. Sc-20, №6, December 1985, -p. 12831286.

12. Degrauwe, O.N. Leuthold and others. CMOS voltage references using lateral bipolar transistors. IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. Sc-20, №6, December 1985, -p. 1151-1157.

13. Michejda, S. Kim. A precision CMOS bandgap reference. IEEE Journal of SolidState Circuits, vol. Sc-19, №6, December 1984, -p. 1014-1020.

14. Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0. M.: Солон, 1999. -698 с.

15. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1983. -с. 92.

16. Стучебников В.М. Тензорезистивные преобразователи на основе гетероэпитаксиальных структур "кремний на сапфире". Измерительная техника, №4, 1982, -с. 15-26.