автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка математических моделей и средств проектирования прецизионных источников опорного напряжения в составе интегральных схем

На правах рукописи

РЯБЧЕНКОВ СЕРГЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И СРЕДСТВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В СОСТАВЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Специальность 05.27.01 -Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на

квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2004 г.

Работа выполнена на кафедре ПКИМС в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете)

Научный руководитель:

д.т.н., профессор Щемелинин В.М.

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Панфилов Д. И.

к.т.и., Кузнецов С.Н.

Ведущая организация:

ФГУП НИИМА "ПРОГРЕСС"

Защита состоится У / ^/Х^РДр 2004 г. в /& чЗУитк. на

заседании диссертационного "совета Д.212.134.01 при Московском государственном институте электронной техники по адресу: 124498, Москва К-498, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института электронной техники (технического университета).

Автореферат разослан у тмдуьг 2004 г,

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.134.01 "

д.т.н., профессор Не-устроев С.А.

ldos-H MM-?

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

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/0С. 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 10мкА 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

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ ММ ПОТЕКА

•

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:

1. Разработка математических моделей прецизионных ИОН.

2. Разработка автоматизированной среды для расчета параметров прецизионного ИОН в интегральном исполнении с заданными значениями точности, тока потребления и площади топологии.

3. 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:

1. 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.

2. 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.

3. Выведены зависимости опорного напряжения от технологических уходов параметров схемы, позволяющие рассчитывать схемы ИОН и анализировать возможность их подстройки кривой третьего порядка.

4. 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.

1. На основе разработанных математических моделей и экспериментальных данных предложена методика создания высокоточных ИОН в широком диапазоне температур с учетом технологических отклонений параметров элементов схемы.

2. Разработаны и описаны практические методы построения и последующей подстройки (после изготовления) прецизионных ИОН с заданными параметрами.

3. На основе предложенных математических моделей разработано программное обеспечение для высокоточного анализа схем ИОН, позволяющее ускорить расчет схемы.

4. Разработано программное обеспечение, позволяющее автоматизировать процесс подстройки прецизионных ИОН путем регулирования номинала и температурного коэффициента подстроечного резистора.

5. Разработана схема защиты ионно-литиевой батареи в интегральном исполнении, содержащая ИОН, блоки защиты от перезаряда, чрезмерного разряда, чрезмерного тока и короткого замыкания.

6. 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:

1. Математические модели прецизионных источников опорного напряжения, использующих резистор подстройки с изменяющимся номиналом и температурным коэффициентом.

2. Методика подстройки ИОН на основе регулирования номинала и температурного коэффициента резистора.

3. 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.

4. Программное обеспечение для исследования и подстройки ИОН после изготовления.

5. Результаты исследования прецизионного ИОН с подстройкой температурного коэффициента резистора, выполненного по биполярной технологии.

6. 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

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

В первой главе диссертационной работы рассмотрены принципы построения и основные параметры источников опорного напряжения в составе интегральных схем. Особое внимание уделено точности ИОН различных типов. Рассматриваются ИОН на основе стабилитронов, на основе XFET транзисторов, а также ИОН на ширине запрещенной зоны полупроводника. Основное внимание уделено ИОН, основанным на принципе «band-gap» (напряжения запрещенной зоны), а также рассмотрены прецизионные ИОН типа «band-gap» с компенсацией линейного и квадратичного членов температурной характеристики. Описаны способы улучшения точности ИОН. Приведены сравнительные характеристики схем различных типов, их преимущества и недостатки.

Во второй главе разработаны математические модели для классического (рис.1) и прецизионного источников опорного напряжения на ширине запрещенной зоны полупроводника. Исследованы зависимости выходного напряжения от параметров схемы (резисторов и транзисторов) и от их технологических уходов. Проведена оценка оптимальных параметров схемы, а также оценка номинала резистора для коррекции технологических уходов параметров схемы. Произведено сравнение различных факторов, вносящих погрешность в выходное напряжение, а также выявлены наиболее

критичные факторы.

Рис. 1. Классическая схема ИОН типа "band-gap"

Выходное напряжение ИОН выражается через параметры схемы следующим образом:

иге/(Т) = тер, п(лА + и6,и(/,Г) (1> г Я,

/(Г)=^1п(Л^) (2) г Л,

г = г0(1 + «гДГ)

N - отношение площадей биполярных транзисторов, <р, -температурный потенциал, т - коэффициент неидеальности ря-перехода .(=1 - 1,02), аг - температурный коэффициент резистора г, ДГ -приращение температуры относительно значения, при котором номинал резистора г равен г0.

Напряжение имеет отрицательный температурный дрейф

(типичное значение -2мВ/°С). Первое слагаемое в (1) имеет положительный температурный дрейф, величина которого определяется отношением резисторов К^г. Регулируя отношение резисторов Л/г можно добиться минимального температурного дрейфа опорного напряжения. При этом зависимость опорного напряжения от температуры будет иметь форму параболы (рис.2), величина температурного ухода составляет от нескольких единиц до десятков милливольт в диапазоне температур от -30°С до +85°С.

гиш'1С)

Рис. 2. Зависимость опорного напряжения от температуры

Технологические уходы параметров схемы вызывают отклонение выходного напряжения (рис.3). Для компенсации

температурного дрейфа применяют подстройку опорного напряжения путем изменения номинала одного из резисторов схемы (в данном случае резистора г).

Т£МР(С>

Рис. 3. Зависимость опорного напряжения от температуры при различных вариантах технологических уходов параметров резисторов и транзисторов: 1-расчетное значение, 2 -максимальное напряжение, 3-минимальное напряжение Для компенсации температурного ухода необходимо изменить номинал резистора г на величину:

Дг=-

-Ш.

Л ию

Где Дб/ю - разность напряжений на резисторепри двух различных температурах, - разность опорных напряжений при

различных температурах.

Напряжение иге/Т) масштабируется до необходимого значения выходного опорного напряжения иг0_ри£Г) по схеме рис.4.

Рис. 4. Схема повышения уровня опорного напряжения

Если выходное напряжение иоШ отличается от расчетного значения на величину ЛиоШ, то необходимо изменить резистор Я4 на величину равную:

На основе классической схемы разработан метод компенсации линейной и квадратичной составляющих опорного напряжения, что позволило улучшить термостабильность ИОН на порядок по сравнению с классической схемой. Метод основан на использовании для подстройки опорного напряжения резистора с переменным температурным коэффициентом. В отличие от классической схемы, где переменным является только номинал резистора подстройки, в разработанной схеме изменяется также температурный коэффициент, что и позволяет повысить точность выходного напряжения. Разработана математическая модель прецизионного ИОН, позволяющая получить расчетную точность опорного напряжения порядка единиц

На рис.5 представлены различные варианты компенсации напряжения база-эмиттер кривыми второго, третьего и четвертого порядков.

Классический вариант ИОН принципиально не позволяет получить компенсацию опорного напряжения кривой третьего порядка и выше, поскольку компенсируется только линейная составляющая опорного напряжения.

Как говорилось выше, резисторы /?2 и г имеют одинаковые температурные коэффициенты, а, следовательно, их отношение не зависит от температуры. На рис.6 представлены графики зависимости ухода опорного напряжения от температуры при уменьшении температурного коэффициента резистора г на 10,20 и 30%.

Выражение для опорного напряжения (1) с учетом (4)-(6) принимает полный вид:

ияг1. (ДГ) = иш, + А ■ (1 + В ■ ДГ + С ■ ДГ2 + О ■ (ДГ3))

Ь(7"„+ЛГ)

•1пЛГ

1 + (В + —) • ДГ + (С + —)Д Г2 + о{АТ')

Г0

(7)

¿/„„(ЛГ) = £/„,.„+Си„ДГ + ,где у =Мо1±]±.1пЫ

г(Г0Уя

Из выражения (7), приравнивая коэффициенты при ДТ и учитывая (5) получаем следующие выражения:

С1ЯЕ=-У-(1/Г0+аи-огг) (8)

С2ВЕ =-К-((«к2 -аг)/То+(0к1-аг) (9) Из (8) получаем выражение для температурных коэффициентов аК2 и ап при которых происходит стабилизация опорного напряжения.

С1 (10)

Из (10) следует, что необходимо изменять не только номинал, но и температурный коэффициент резистора подстройки. Необходимо обеспечить разницу температурных коэффициентов, а, следовательно, не важно какой из резисторов должен иметь переменный температурный коэффициент. На рис.7 представлена оптимальная форма зависимости опорного напряжения от температуры при выполнении условия (10).

-30 -10 10 Ч> 50 70 эд

Т[МГ<С)

Рис. 7. Компенсация линейной и квадратичной составляющих в разложении опорного напряжения по степеням

Требуемый температурный коэффициент резистора можно получить, применив последовательное соединение резисторов с высоким (гн/) и низким (гюу,) температурным коэффициентами (рис.8).

=> "О"

Гнг Гииг Ущт

Рис. 8. Получение резистора с заданным температурным коэффициентом

Эквивалентный резистор имеет следующую температурную зависимость:

Гмш ' ^ Гц, . _ . Г/пит I/' $н

_ /А Т\ — 1г л.» Ч /I . '№// ""■НОУ 1 'III "Ш АТ . 'и>У/ ' Ь'ШЧ/ 'III ^111 дтК

Ггшу Уц> пи/

' 1Х)У/ Т 41!

Таким образом, + Г,„ а,,, лежит между аЮч/ и а,,,.

"ьсипг - , _

Т ГН1

Представим сумму резисторов в виде:

-гУ

ГН1 + Тюи " 4[1+(хаш + (1 - х)Р,„ )ДГ + {хаю„ х)вшк ХЛТ")2 +о(ДГ)3|

где г°=г°,+г^,х = Гш.

Ч

Полагая в (8)-(Ю) аЯ2= аш, аг =х +(1 -х)аш, легко получить выражения для температурных коэффициентов в (7):

иКЕг(Т) = ивт(Т) + СК0 +СиДГ + Ся2(ДГ)г +о(АТ)г кТ^2(Т0)

С КО ~~

•ХпИ

С* + ~аг))ЛпМ

(Т0)

(П) (12)

Чгъ (.'о/

(13)

Для компенсации необходимо выполнение условий:

Сщ = —См, > Ск2 = — СВЕ1 (14)

Из выражения (2) получаем оценку номинала

r°=£i°lnyV qi ■

„0

Исключая из (12) и (13) Г2 и используя (14) получаем квадратное уравнение для значения параметра х:

х 'Свы ~аи>чг) ~С(ит + 7"0(/?,„ — + ССщ ■ -СХИ1 ))-

(16)

Таким образом, зная параметры схемы, из (15) и (16) можно сразу оценить номинальные значения параметров х и г, а значит и сами резисторы Гщ И riow-

Исследования показали, что при наличии небольших технологических уходов параметров схемы достаточно изменить суммарное значение без изменения чтобы сразу получить опорное напряжение с компенсацией второй степени. Но возможны также случаи технологических уходов параметров схемы, при которых после компенсации линейного члена зависимость опорного напряжения от температуры имеет квадратичный вид. Поэтому требуется корректировка значения х. Для оценки изменения х возьмем полный дифференциал уравнения (2.44) по х, ащ, dww и выразим Ах:

xCBmT0Z2daHI-{da,,, ~Ла1хт\хгСв^гг-хСшТ0(Рт ~Piow)+cbei] (17)

Где 7j=aui~aiow. Для оценки достаточно подставить в (17) номинальные значения Cbeu Cbel> <*hi> Phi> &low, Plow- Отклонения температурных коэффициентов резисторов от номинальных значений может быть получено непосредственным измерением получившихся значений сопротивлений Гд/ и rioW.

Число пережигаемых перемычек вычисляется по следующим формулам:

Методика подстройки ИОН с компенсацией линейной и квадратичной составляющихвразложении опорного напряжения.

1. Измерить значения номиналов и температурных коэффициентов резисторов двух типов для вычисления уходов номиналов и температурных коэффициентов от расчетных значений. Измерение проводить при двух различных температурах для вычисления линейных температурных коэффициентов резисторов

аН1_МЕ5 И

2. По (16) и (17) вычислить значение х и поправки Ах. Значения параметров Свеь Свеь ань Рни Ялом Риом - расчетные, а значения йащ и ¿ашV/ вычисляются по формулам: ¿аш =аш-а111ма,

йа^ -а,0У/ ми • Выставить резисторы в данном соотношении

х.

3. Измерить опорное напряжение и напряжение на /?2 при двух разных температурах, по формуле вычислить поправки к

Л п

д и„

резисторам и выставить новые значения резисторов подстройки. При необходимости повторить пункт 3.

Основным достоинством данного метода является простота подстройки опорного напряжения. По двум измерениям, сделанным при различных температурах, вычисляются температурные коэффициенты резисторов различных типов, а также высчитывается комбинация перемычек, которую необходимо пережечь для компенсации линейной и квадратичной составляющих в разложении опорного напряжения по степеням AT.

Недостатком разработанного метода является большое количество пережигаемых перемычек используемых при подстройке схемы ИОН. Устранить этот недостаток возможно, если использовать перемычки, пережигаемые лазером или резисторы, подстраиваемые лазером.

Во второй главе разработана методика подстройки опорного напряжения кривой третьего порядка после изготовления схемы. Данная задача подстройки является актуальной, поскольку в прецизионных ИОН технологические уходы параметров схемы сильно влияют на точность выходного напряжения. Доказано, что подстройка опорного напряжения с использованием резистора с переменным температурным коэффициентом возможна при любых технологических уходах схемы. Выведены граничные значения параметров схемы, при которых данный

метод компенсации линейной и квадратичной составляющих не применим. Разработанный метод подстройки применим к любым схемам ИОН на ширине запрещенной зоны полупроводника, использующим компенсацию линейной и квадратичной составляющих опорного напряжения. Математические модели прецизионных ИОН позволяют более полно исследовать характеристики схемы, а также оценивать влияние технологических уходов параметров схемы на точность выходного напряжения, что упрощает проектирование ИОН. Данная математическая модель ИОН была применена при разработке автоматической среды для расчета, анализа, создания топологии и подстройки ИОН после изготовления схемы.

В третьей главе рассмотрены методы расчета и подстройки источников опорного напряжения. Проведен анализ сложности подстройки напряжения, имеющего форму кривой третьего порядка, и обосновано применение автоматизированных методов при создании ИОН. Рассмотрены основные расчетные параметры ИОН и предложена методика создания ИОН с повышенной точностью по входным параметрам (ток потребления, температурный диапазон, точность и т.д.). Расчет производился для ИОН с использованием резисторов с различными температурными коэффициентами, согласно методикам, приведенным во второй главе.

Разработана автоматизированная среда для создания прецизионных ИОН. Для каждого этапа проектирования ИОН (рис.9) созданы программы, позволяющие упростить проектирование и существенно сократить время разработки изделия в целом.

1. Расчет параметров ИОН

I

2. Создание топологии ИОН

" г

3. Подстройка и измерение параметров

Рис. 9. Основные этапы проектирования схемы ИОН

Расчет параметров ИОН можно разделить на три основные этапа (рис.10).

Расчет параметров источника опорного напряжения

Расчет и вывод

данных по точности ИОН и току потребления

Расчет с учетом технологических уходов параметров элементов схемы

Расчет параметров составного подстроечного резистора

Рис. 10. Основные этапы при расчете схемы ИОН Основные входные данные для расчета параметров ИОН в интегральном исполнении:

абсолютное значение VREF_abs\ температурный диапазон TEMP_range;

абсолютная точность напряжения dVREF- VREFmax-VREFmin;

относительная точность напряжения SVREF',

ток потребления I_consum;

нагрузочная способность I_load\

напряжение питания

зависимость опорного напряжения от напряжения питания K_vcc;

зависимость опорного напряжения от сопротивления нагрузки KJoad.

Spice параметры транзисторов и резисторов; технологические уходы номиналов резисторов и их температурных коэффициентов dRhi, dRlow, dTCRhi, dTCRlow.

Выходные данные программ расчета ИОН:

параметры ИОН (номиналы резисторов, площади транзисторов);

максимально возможная точность напряжения; ток потребления;

уход параметров ИОН при технологических уходах параметров схемы;

шаг резистора подстройки и количество пережигаемых перемычек;

Основные входные данные для программы создания топологии ИОН:

размер кристалла; технологические нормы и допуски;

размеры не изменяющейся части топологии (транзисторы, контактные площадки, переходные окна...); поверхностное сопротивление резисторов; номиналы резисторов различных типов.

Выходными данными программы является информация о размере кристалла ИОН, а топологические параметры элементов схемы. Данная информация позволяет на этапе проектирования оценить площадь кристалла, что всегда необходимо при разработке ИОН.

Одним из основных этапов проектирования ИОН является его измерение и последующая подстройка параметров (рис.11).

После изготовления кристалла на фабрике параметры резисторов и транзисторов имеют технологические уходы, которые изменяют значение опорного напряжения. Данные уходы необходимо учесть и изменить параметры резистора подстройки таким образом, чтобы получить требуемую зависимость опорного напряжения от температуры. Измерение параметров ИОН и его подстройка состоят из трех этапов и проводятся по следующей схеме (рис.11)._

Измерение и подстройка параметров ИОН

Измерение номиналов и температурных коэффициентов резисторов Измерение параметров источника опорного напряжения Подстройка ИОН по разработанному алгоритму

Рис. 11. Этапы измерения и подстройки параметров ИОН

Входные данные для программы измерения и подстройки ИОН. номиналы резисторов различных типов; температурные коэффициенты резисторов; параметры переходов база-эмиттер; значения опорного напряжения.

Выходные данные программы измерения и подстройки ИОН: ток потребления 1_соп$ит;

достигнутая точность напряжения в заданном температурном диапазоне;

нагрузочная способность

зависимость опорного напряжения от напряжения питания; зависимость опорного напряжения от сопротивления нагрузки.

На основе описанных программ и методик разработан ИОН по биполярной полуторомикронной технологии, топология которого приведена на рис.12.

Рис. 12. Топология прецизионного источника опорного напряжения

Основные параметры ИОН:

1. Температурный диапазон:

2. Диапазон напряжения питания: 4В-6В.

3. Температурный уход опорного напряжения во всем температурном диапазоне: менее 400мкВ.

4. Ток потребления: 38мкА.

5. Ток, выдаваемый в нагрузку: 25мкА.

6. Площадь кристалла: 5= 1мм2.

Измеренная зависимость опорного напряжения от температуры при различных напряжениях питания приведена на рис.13.

112М 112К

« « ■» > е в » « я в л

т-с

Рис. 13. Экспериментальные данные измерения опорного напряжения

В третьей главе разработана методика и программы для расчета и анализа ИОН, на основе схемы ИОН с компенсацией линейной и квадратичной составляющих температурной характеристики. При помощи данных программ возможно по заранее заданным параметрам, таким как: ток потребления, нагрузочная способность, точность в требуемом температурном диапазоне, рассчитать параметры ИОН, а также исследовать зависимости одних параметров схемы от других, например, построить график зависимости точности опорного напряжения от тока потребления схемы или от величины температурного диапазона. Разработанные программы позволяют учитывать технологические уходы параметров схемы, а также вычислять параметры резистора подстройки: температурный коэффициент, величину шага подстройки и число пережигаемых перемычек. Автоматизированная среда создания ИОН сокращает время расчета и исследования ИОН с повышенной точностью в несколько раз, а также позволяет разработчику более детально исследовать характеристики схемы.

Разработана методика оценки площади кристалла ИОН в составе НС до начала проектирования его топологии. Описан алгоритм программы, позволяющей рассчитать по входным данным (технологические ограничения и нормы, площадь кристалла и т.д.) оптимальные параметры изменяемой части топологии. Решение данной задачи позволяет разработчику знать о площади схемы ИОН в составе ИС, а также упрощает топологу расчет параметров схемы.

Как говорилось ранее, при изготовлении ИОН с повышенной точностью, важную роль играет подстройка параметров схемы после ее изготовления. В данной главе представлена методика измерения и подстройки ИОН, а также представлены экспериментальные данные практической реализации ИОН по биполярной полуторомикронной технологии.

В четвертой главе представлены схемы защиты ионно-литиевых батарей (ИЛБ). Описаны варианты выходных каскадов схемы защиты, управляющих выходными транзисторами. Основные требования, предъявляемые к схеме защиты ИЛБ: низкий ток потребления микросхемы в нормальном режиме и

режиме пониженного потребления точное

определение уровня чрезмерной зарядки быстрое

отключение батареи в случае короткого замыкания минимальные размеры микросхемы.

С учетом требования к микросхеме выбрана технология изготовления схемы, разработана электрическая схема. Оптимальной является высоковольтная технология (не менее 25В) с низким порогом транзисторов (менее 0,75В), с малыми значениями токов утечки (менее 1нА), с высокоомными поликремниевыми резисторами, а также с биполярными транзисторами. Основным блоком в составе микросхемы является ИОН типа «band-gap», разработанный по предложенным методикам. ИОН обладает пониженным током потребления (менее 2мкА), а также высокой точностью.

Схема защиты (рис.14) контролирует процесс зарядки и разрядки ионно-литиевой батареи и, в случае необходимости, отключает батарею, размыкая цепь при помощи MOSFET транзисторов

Рис. 14. Типичная схема защиты ионно-литиевой батареи

Алгоритм работы микросхемы приведен на рис.15. Основные состояния схемы: нормальный режим, режим чрезмерного заряда, режим чрезмерного разряда и режим чрезмерного потребления тока.

Нормальный режим 2 ЗВ < Uear «4 2В 1бп < Imxc

Рис. 15. Алгоритм работы микросхемы защиты ИЛБ

Основные режимы работы схемы приведены в таблице 1. Батарея может быть подключена к нагрузке (режимы № 1,3,4,5,8,9) или к зарядному устройству (режимы № 2,6,7). Сигнал логической единицы на затворах соответствует тому, что транзисторы открыты,

логического ноля - транзисторы закрыты. Переход из логической единицы в логический ноль соответствует переходу транзистора из открытого состояния в закрытое и наоборот.

Таблица 1. Основные режимы работы ИС защиты ИЛБ

№ Режимы работы (события) Входные воздействия Сигналы, вырабатыва- емые схемой

Напряжен иеИЛБ Ток ИЛБ (¡бат) Затвор Т, Затвор т2

1 "Нагрузка" нормальный режим 2.3В-4.2В ¡бат ^ ¡чакс 1 1

2 'Зарядка" нормальный режим 2.3В-4.2В 1бат ^ 1чакс 1 1

3 "Чрезмерный ток потребления" 2.3В-4.2В 1бат ^ ¡чакс 1—0 1

4 "Короткое замыкание", КЗ 2.3В-4.2В ¡бат» ¡макс 1—0 1

5 Режим чрезмерного разряда ¡¡бат <2.3В ¡бат ^ ¡иакс 1—0 1

6 Режим чрезмерного заряда 42В ¡бат ^ ¡чакс 1 — 1 1-0

7 Выход из режима чрезмерного разряда 2.3В-4.2В Ток течет в батарею 0—1 1 — 1

8 Выход из режима чрезмерного заряда 2.3В-4.2В Ток течет в нагрузку 1 — 1 0-1

9 "Выход из КЗ" 2.3В-4.2В Ликвида -цияКЗ 0—1 1

Источник опорного напряжения в составе схемы защиты ИЛБ имеет температурную зависимость напряжения, представленную на рис.16.

1,2055

Н—

ш _

4«

—УСС=2.5

—■—УСС=3.0

— \/СС=3.5

— УСС=4.0

-25 -15 -5 5 15 25 35 45 55 65 75 Температура (С)

Рис. 16. Зависимость опорного напряжения от температуры в составе схемы защиты ИЛБ при различных напряжениях питания

В приложении приведены тексты программ расчета схем прецизионных ИОН, данные по расчету и подстройке схем, экспериментальные данные исследования схем прецизионных ИОН и схем защиты ионно-литиевых батарей, а также сведения о технологии изготовления схем. Приведены рекомендации по правильному проектированию топологии отдельных блоков в составе схем источников опорного напряжения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. На основе анализа способов получения температурно-независимого опорного напряжения, разработана методика улучшения точности ИОН за счет введения резисторов с разными температурными коэффициентами, что позволило исключить линейную и квадратичную составляющие в разложении опорного напряжения по степеням

2. Разработана математическая модель прецизионного ИОН, позволяющая анализировать влияние параметров схемы на стабильность опорного напряжения.

3. Разработана методика прецизионной подстройки опорного напряжения после изготовления схемы ИОН с учетом технологических отклонений параметров элементов схемы.

4. На основе математических моделей разработаны методики автоматизированного создания ИОН по входным параметрам (ток потребления, температурный диапазон, точность) и программы, позволяющие автоматизировать и ускорить процессы расчета и анализа схемы прецизионного ИОН, а также создания его топологии.

5. Использование резисторов с разными температурными коэффициентами при подстройке ИОН на ширине запрещенной зоны полупроводника позволило повысить точность опорного напряжения в несколько раз по сравнению с классической схемой. Разработанный метод создания и подстройки ИОН позволил получить суммарный разброс опорного напряжения менее 700мкВ в температурном диапазоне от -25°С до +75°С и при изменении напряжения питания от 4 до 6В.

6. На основе разработанных программ и методик спроектирована и исследована схема защиты ИЛБ, в состав которой входит ИОН с подстройкой напряжения.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. С.С.Рябченков, "Методика проектирования прецизионных источников опорного напряжения"", Известия вузов. Электроника. №3, стр.36-40,2004г.

2. С.С.Рябченков, С.И.Купарев, "Схемы защиты ионно-литиевой батареи", Известия вузов. Электроника. №4, стр. 29-34,2004г.

3. С.С.Рябченков, В.И.Хлюпин, "Автоматизированные методы создания прецизионных источников опорного напряжения", Оборонный комплекс научно-техническому прогрессу России. №4, стр.54-57,2004г.

4. С.С.Рябченков, "Алгоритм подстройки источника опорного напряжения", тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и Информатика - 2002", стр.75, МИЭТ, 2002.

5. В.М.Щемелинин, С.В.Макаров, С.С.Рябченков, "Анализ влияния разброса параметров компонентов ИС на

температурную стабильность источника опорного напряжения", тезисы докладов IV международной научно-технической конференции "Электроника и Информатика -2002", часть 1, стр.364, МИЭТ, 2002.

6. С.С.Рябченков, "Методика создания прецизионных температурно-независимых источников опорного напряжения в составе ИС", тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и Информатика - 2003", стр.89, МИЭТ, 2003.

7. С.С.Рябченков, "Прецизионный температурно-независимый источник опорного напряжения", тезисы докладов II Всероссийской научно-технической дистанционной конференции "Электроника", стр. 100-101, МИЭТ, 2003.

8. С.С.Рябченков, "Автоматизация расчета параметров источника опорного напряжения", тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и Информатика - 2004", стр.94, МИЭТД004.

Подписано в печать:

Заказ Тираж $0экз. Уч.-изд.л. Формат 60x84 1/16 Отпечатано в типографии МИЭТ(ТУ) 124498, Москва. МИЭТ(ТУ)

Ш21 Ш

РНБ Русский фонд

2005-4 20942

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Методы построения источников опорного напряжения в составе ИС.

1.1. Источники опорного напряжения на основе стабилитрона.

1.2. Источник опорного напряжения, равного ширине запрещенной зоны ф полупроводника, на полевых транзисторах

1.3. Источник опорного напряжения на разнице пороговых напряжений транзисторов.

1.4. Источник опорного напряжения по технологии XFET.

1.5. Источник опорного напряжения на основе диодов и операционного усилителя. ф 1.6. Источники опорного напряжения на ширине запрещенной зоны полупроводника.

1.7. Методы улучшения точности опорного напряжения.

1.8. Источник напряжения с улучшенной термостабильностью.

1.9. Увеличение стабильности опорного напряжения по питанию и уменьшение выходного сопротивления при помощи ОУ.

1.10. Выводы.

ГЛАВА 2. Математические модели источников опорного напряжения

2.1. Математическая модель стандартного источника опорного напряжения, 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, тока питания и нагрузки.

2.1.5. Выбор оптимального соотношения площадей транзисторов

2.2. Математическая модель прецизионного источника опорного напряжения

2.2.1. Оценка точности ИОН для различных порядков компенсации напряжения.

2.2.2. Оценка температурной зависимости опорного напряжения прецизионного ИОН.

2.2.3. Методика точной подстройки опорного напряжения.

2.3. Выводы

ГЛАВА 3. Автоматизированные методы расчета, подстройки и измерения прецизионных источников опорного напряжения

3.1. Методы расчета прецизионных источников опорного напряжения

3.2. Автоматизация расчета параметров прецизионного источника опорного напряжения.

3.2.1. Расчет параметров схемы источника опорного напряжения.

3.2.2. Определение начальных значений номиналов резисторов схемы

3.2.3. Минимизации температурного ухода опорного напряжения 88 ф 3.3. Расчет и подстройка опорного напряжения с учетом технологических отклонений параметров схемы.

3.4. Автоматическое определение размеров топологии кристалла источника опорного напряжения.

3.5. Измерение и подстройка параметров источника опорного напряжения после изготовления кристалла. ф 3.5.1. Измерение номиналов и температурных коэффициентов резисторов.

3.5.2. Измерение параметров источника опорного напряжения и его подстройка после изготовления схемы.

3.6. Практическая реализация прецизионного источника опорного напряжения.

3.6.1. Технология изготовления схемы.

3.6.2. Методика проектирования источника опорного напряжения.

3.6.3. Результаты расчета и измерения источника опорного напряжения

3.7. Выводы.

ГЛАВА 4. Разработка источника опорного напряжения в составе ^ схемы защиты ионно-литиевой батареи.

4.1. Характеристики схем защиты ионно-литиевых батарей.

4.2. Технология изготовления схем защиты ионно-литиевых батарей.

4.3. Выходные каскады схемы защиты ионно-литиевой батареи.

4.4. Разработка топологии схемы защиты ионно-литиевой батареи.

4.5. Выводы.

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.

Основными параметрами, характеризующим качество ИОН является точность выходного напряжения в заданном диапазоне температур, ток потребления, а также временная стабильность опорного напряжения. Температурная погрешность измеряется в относительных единицах ppm/°C, lppm -одна миллионная часть. В серийно выпускаемых источниках опорного напряжения данный параметр колеблется от единиц до нескольких сотен ррш. Абсолютная точность опорного напряжения составляет от единиц до сотен микровольт на градус Цельсия.

Построение прецизионных ИОН требует, как правило, применения специфических технологических операций. Например, мировым лидером, фирмой Fluke Corp создан высокоточный стабилитрон 734А, имеющий температурный уход порядка 0,1ррт/°С. Лучшие интегральные источники опорного напряжения ведущих производителей полупроводников, выпускаемые серийно, имеют сравнимые характеристики. Например, ADR292 имеет внутреннюю нестабильность 0,2ррт/1000 часов, а температурный коэффициент 5-25 ppm/°C, REF102 до 2,5ppm/°C, МАХ671 температурную зависимость менее 1 ррш/°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 "band gap". Этот термин можно перевести как "барьерный потенциал рп перехода" или "источник 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 абсолютной точности 0,2% и термостабильности 25ррш/°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 напряжениями 2,048В, 2,5В, 4,096В и 5В соответственно, работающих при токе потребления от 12 мкА и разности входного и выходного напряжений не более 0,6В погрешность начальной установки выходного напряжения составляет 2мВ, температурный коэффициент 8ррш/°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 ррш/°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 ррш/°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. Таким 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 точностные параметры опорного напряжения, а также создания специализированных программ расчета и анализа ИОН с заданными характеристиками.

Цели диссертационной работы:

1. Разработка математических моделей прецизионных ИОН.

2. Разработка автоматизированной среды для расчета параметров прецизионного ИОН в интегральном исполнении с заданными значениями точности, тока потребления и площади топологии.

3. Разработка методов подстройки прецизионного ИОН после его изготовления с учетом влияния технологических уходов параметров схемы.

Диссертационная работа состоит из 4 глав и приложения.

В первой главе работы рассмотрены принципы построения и основные параметры источников опорного напряжения в составе интегральных схем. Особое внимание уделено точности ИОН различных типов. Рассматриваются так называемые трехвыводные источники, имеющие выводы «нестабилизированное напряжение», «общий», и «стабилизированное напряжение», а также простейшие двухвыводные источники (диодного типа). К таким источникам относятся диодные схемы и цепочки, включающие стабилитроны. Основное внимание уделено ИОН, основанным на принципе «band-gap» (напряжения запрещенной зоны), а также рассмотрены прецизионные ИОН типа «band-gap» с компенсацией линейного и квадратичного членов температурной характеристики.

Во второй главе разработаны математические модели ИОН для схем типа «band-gap». Произведена оценка точности ИОН для различных видов температурной компенсации (компенсация линейного и квадратичного членов). Предлагается методика создания прецизионных ИОН. Проведена оценка влияния технологических уходов элементов схемы (резисторов и транзисторов) на точностные параметры ИОН (температурный дрейф опорного напряжения). Выведены формульные зависимости параметров прецизионного ИОН, позволяющие создать схему с требуемыми параметрами. Разработан алгоритм подстройки ИОН после его изготовления.

В третьей главе разработана методика автоматизированного расчета, анализа и подстройки прецизионных ИОН, на основе схемы математической модели ИОН с компенсацией линейной и квадратичной составляющих температурной характеристики. Предложена методика создания и подстройки высокоточного ИОН по заранее заданным параметрам, таким как ток потребления, нагрузочная способность, точность в требуемом температурном диапазоне. Разработана методика оценки площади кристалла ИОН до его изготовления. Изложены алгоритмы основных программ расчета и анализа ИОН, позволяющих рассчитать прецизионные ИОН различных типов по входным параметрам, учитывая заданные технологические отклонения, а также оценить площадь кристалла до начала разработки топологии. Разработана методика выбора оптимальных параметров подстроечного резистора. Приведены экспериментальные результаты создания ИОН с заданными параметрами.

В четвертой главе исследован ИОН в составе схемы защиты ионно-литиевой батареи. В схемах применяется ИОН типа «band-gap», разработанный по предложенным методикам. Выявлены требования к технологии изготовления схем защиты ионно-литиевых батарей. Даны сравнительные характеристики схем, выделены их преимущества и недостатки. Разработаны топологии ИОН и ИС защиты ионно-литиевой батареи, а также приведены экспериментальные данные по их исследованию.

В приложении приведены тексты программ расчета схем прецизионных ИОН, данные по расчету и подстройке схем, экспериментальные данные исследования схем прецизионных ИОН и схем защиты ионно-литиевых батарей, а также сведения о технологии изготовления схем. Приведены рекомендации по правильному проектированию топологии отдельных блоков в составе схем источников опорного напряжения.

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

1. 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.

2. 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.

3. Выведены зависимости опорного напряжения от технологических уходов параметров схемы, позволяющие рассчитывать схемы ИОН и анализировать возможность их подстройки кривой третьего порядка.

4. 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.

На защиту выносятся:

1. Математические модели прецизионных источников опорного напряжения, использующих резистор подстройки с изменяющимся номиналом и температурным коэффициентом.

2. Методика подстройки ИОН на основе регулирования номинала и температурного коэффициента резистора.

3. Программное обеспечение, позволяющее рассчитывать и анализировать прецизионные ИОН в составе ИС (с температурным дрейфом порядка единиц ррш/°С) в широком диапазоне температур по заданным параметрам точности, потребления и площади кристалла.

4. Программное обеспечение для исследования и подстройки ИОН после изготовления.

5. Результаты исследования прецизионного ИОН с подстройкой температурного коэффициента резистора, выполненного по биполярной технологии.

6. Результаты исследования ИС защиты ионно-литиевой батареи.

Практическая значимость.

1. На основе разработанных математических моделей и экспериментальных данных предложена методика создания высокоточных ИОН в широком диапазоне температур с учетом технологических отклонений параметров элементов схемы.

2. Разработаны и описаны практические методы построения и последующей подстройки (после изготовления) прецизионных ИОН с заданными параметрами.

3. На основе предложенных математических моделей разработано программное обеспечение для высокоточного анализа схем ИОН, позволяющее ускорить расчет схемы.

4. Разработано программное обеспечение, позволяющее автоматизировать процесс подстройки прецизионных ИОН путем регулирования номинала и температурного коэффициента подстроечного резистора.

5. Разработана схема защиты ионно-литиевой батареи в интегральном исполнении, содержащая ИОН, блоки защиты от перезаряда, чрезмерного разряда, чрезмерного тока и короткого замыкания.

6. Проведены экспериментальные исследования схем ИОН, подтвердившие возможность получения прецизионного напряжения на основе ИОН типа "bandgap" с использованием подстройки номинала и температурного коэффициента резистора.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований внедрены и реализованы в ООО «ЮНИК АИ СИЗ» в рамках проектов «Защита», «Защита-4», что подтверждается актом о внедрении.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях: "Микроэлектроника и Информатика-2002", Москва, 2002г.; "Микроэлектроника и Информатика-2003", Москва, 2003г.; "Микроэлектроника и Информатика-2004", Москва, 2004г.; "Электроника и Информатика", Москва, 2003г,; II Всероссийская научно-техническая дистанционная конференция "Электроника", Москва, 2003г.

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

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы из 33 наименований. Объем диссертации составляет 137 страниц текста и включает 65 рисунков и 16 таблиц.

4.5. Выводы

Основными достоинствами схем защиты ИЛБ являются: малый ток потребления, малые габаритные размеры, высокая точность определения уровня перезаряда. Разработанная микросхема удовлетворяет всем вышеперечисленным параметрам. Область применения данной схемы защиты - мобильные изделия с низкими токами потребления. При проектировании ИОН в составе схемы защиты ИЛБ применены методики и программы, приведенные в главе 3. Измерение параметров источника подтвердило правильность разработанной математической модели, а также методов расчета и подстройки ИОН.

- 134-ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основной задачей диссертационной работы была разработка математических моделей прецизионных ИОН в интегральном исполнении, а также автоматизированной среды для расчета ИОН с требуемыми параметрами точности, тока потребления и площади топологии. В результате проведенных исследований и разработок можно выделить следующие основные результаты работы:

1. На основе проведенного анализа способов получения температурно-независимого опорного напряжения, разработана методика улучшения точности ИОН за счет введения резисторов с разными температурными коэффициентами, что позволило исключить линейную и квадратичную составляющие в разложении опорного напряжения по степеням А Т.

2. Разработана математическая модель прецизионного ИОН, которая позволяет провести анализ параметров схемы, влияющих на стабильность напряжения.

3. Разработана методика прецизионной подстройки опорного напряжения после изготовления схемы с учетом технологических отклонений параметров элементов.

4. На основе математических моделей разработаны методики автоматизированного создания ИОН по входным параметрам (ток потребления, температурный диапазон, точность) и программы, позволяющие автоматизировать и ускорить процессы расчета и анализа схемы прецизионного ИОН, а также создания его топологии.

5. Использование резисторов с разными температурными коэффициентами при подстройке ИОН позволило повысить точность опорного напряжения на порядок по сравнению с классической схемой. Разработанный метод создания и подстройки ИОН позволил получить суммарный разброс опорного напряжения менее 700мкВ в температурном диапазоне от -25°С до +75°С и при изменении напряжения питания от 4 до 6В.

6. На основе разработанных программ и методик спроектирована и исследована схема защиты ИЛБ, в состав которой входит ИОН с подстройкой напряжения.

7. Разработанная в диссертационной работе С.С.Рябченкова методика построения прецизионных ИОН, а также схема защита ИЛБ внедрены и реализованы в ООО «ЮНИК АЙ СИЗ» в рамках работ «ЗАЩИТА», «ЗАЩИТА-4».

1. С. Соклоф, А. Федоров "Аналоговые интегральные схемы" пер. с английского А. Б. Перевезенцева, под ред. В. Д. Вернера; Москва Издательство "Мир" 1988г.

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. D.P. Laude and J.D. Beasom. "5 V temperature regulated voltage reference." IEEE Journal of Solid-State Circuits (1980) SC-15.6 (Dec. 1980 (Special Issue on Analog Circuits)): 1070-1076.

6. Y.P. Tsividis and R.W. Ulmer. "A CMOS voltage reference." IEEE Journal of Solid-State Circuits(1978) SC-13.6 (Dec. 1978 (Special Issue on Analog Circuits)): 774-778.

7. Ho-Jun Song and Choong-Ki Kim. "A temperature-stabilized SOI voltage reference based on threshold voltage difference between enhancement and depletion NMOSFETs ." IEEE Journal of Solid-State Circuits (1993) 28.6 (June 1993): 671-677.

8. Analog Devices, Designers' Reference Manual, Winter 97/98 (CD)

9. K.E.Kuijk, "A precision reference voltage source", IEEE J.Solid-State Circuits, vol.SC-8, pp.222-226, June 1973.

10. D.F.Hilbert, "A new semiconductor voltage standard", in ISSCC Dig. Tech. Papers, 1964, pp.32-33.

11. A.P.Brokaw, "A Simple Three-Terminal 1С Bandgap Reference", IEEE J.Solid-State Circuits, vol.SC-9, pp.388-393, December 1974.

12. R.J.Wildar, "New developments in 1С voltage regulators", IEEE J.Solid-State Circuits, vol.SC-6, pp.2-7, Feb. 1974.

13. A.-J. Annema. "Low-power bandgap references featuring DTMOSTs." IEEE Journal of Solid-State Circuits (1999) 34.7 (July 1999 (Special Issue on the 1998 European Solid-State Circuits Conference)): 949-955.

14. K.M.Tham, K.Nagaraj, "A low supply voltage high PSRR voltage reference in CMOS process", IEEE J.Solid-State Circuits, vol.30, pp.586-590, May 1995.

15. G.A.Rincon-Mora, P.E.Allen, "A 1.1-V Current-Mode and Piecewise-Linear Curvature-Corrected Bandgap Reference", IEEE J.Solid-State Circuits, vol.33,• no.10, pp.1551-1554, October 1998.

16. T.Regan, "Low dropout linear regulators improve automotive and battery-powered systems", Powerconversion Intell. Motion, pp.38-43, May 1990.

17. M.Gunawan, G.Meijer, J.Fonderie, J.Huijsing, "A curvature corrected low-voltage bandgap reference", IEEE J.Solid-State Circuits, vol.28, pp.667-670, June 1993.

18. W.T.Holman, "A new temperature compensation technique for bandgap voltage reference", in Proc. IEEE Int.Symp.Circuits and Systems, 1996, vol.1, pp.385-388.

19. G.Meijer, P.Schmale, K.Zelinge, "A New Curvature-Corrected Bandgap Reference", IEEE J.Solid-State Circuits, vol. SC-17, no.6, pp.1139-1143, December 1982.

20. G.Meijer, "Integrated circuits and components for bandgap references andtemperature transducers", Ph.D. dissertation, Delft Univ.Technol., Delft, The Netherlands, 1982.

21. П.В.Гулевич, "Методы построения источников опорного напряжения в составе интегральных микросхем", диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МИЭТ, 2000.

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

23. Lin, С.А.Т. Salama. A Vbe(T) Model with application to bandgap referencedesign. IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. Sc-20, №6, December 1985, -p.1283-1286.

24. 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.

25. United States Patent 5,291,122 Jonathan M. "Bandgap voltage reference circuit and method with low TCR resistor in parallel with high TCR and in series with low TCR portions of tail resistor." March 1, 1994.

26. Albert C. van der Woerd, Joop P.M. van Lammeren, Rob J. H. Janse, Rob H. van Beynhem "Calculation of the resistance value of laser-trimmable planar resistorsф in an interactive mask-layout design system." IEEE Journal of Solid-State

27. Circuits, vol. sc-19, №4, august 1984.

28. John Shier, "A finite-mesh technique for laser trimming of thin-film resistors." IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 23, №4, august 1988.

29. О.Гайдук. Аккумуляторы и зарядные устройства фирмы IDX. http://www. 625 net.ru Научно-технический журнал "625", # 7, 2000, с. 12-15

30. Аттвил. Батареи для портативного оборудования. http://www. chipinfo. ru/literature/chipnews/200002/29. html

31. J.Hill. Circuit Board Effects on Lithium-Ion Protection Circuits. http://www.powerpulse■net/poweфulse/archive/aa031201bl■stm

32. Л1. С.С.Рябченков, "Методика проектирования прецизионных источниковопорного напряжения"", Известия вузов. Электроника. №3, стр.36-40, 2004г.

33. Л2. С.С.Рябченков, С.И.Купарев, "Схемы защиты ионно-литиевой батареи", Известия вузов. Электроника. №4, стр.29-34, 2004г.

34. ЛЗ. С.С.Рябченков, В.И.Хлюпин, "Автоматизированные методы создания прецизионных источников опорного напряжения", Оборонный комплекс -научно-техническому прогрессу России. №4, стр.54-57, 2004г.