автореферат диссертации по электронике, 05.27.05, диссертация на тему:Схемотехническире методы снижения напряжения источника питания в аналоговых интегральных схемах

МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Московский технический университет связи и информатики

Р Г о ОД

~ 5 ДЬК На правах рукописи

Юн Ен Чан

УДК 621.396.6.049.77

СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ В АНАЛОГОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ

Специальность: 05.27.05 - Интегральные радиоэлектронные устройства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена на кафедре микроэлектроники и _ конструирования радиоаппаратуры Московского технического университета связи и информатики.

Научный руководитель: доктор технических, наук, профессор Стыцько В.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, с.н.с. Дмитриев В.П. кандидат технических наук Ионов П.Л.

Ведущее предприятие: Научно - исследовательский институт микроэлектронной аппаратуры

Защита диссертации состоится ,23".^т^994г. в /¿~ч. на заседании специализированного совета К.118.06.06 Московского технического университета связи и информатики по адресу: 105855, Москва, Е - 24, ул. Авиамоторная, 8 - а, МТУСИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ.

Автореферат разослан „ " - 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

к. т. н., доцент ! ' Г. С .--Берендеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Широкое внедрение в микроэлектронные системы цифровых методов передачи и обработки сигналов требует оптимального соотношения объемов цифровой и аналоговой частей аппаратуры, а также существенно усложняет требования, предъявляемые к аналоговым интегральным схемам ( ИС ).

Сложность достижения высокой точности воспроизведения параметров элементов, обеспечения временной и температурной стабильности параметров, минимизации шумов послужила причиной того, что технология аналоговых ИС как самостоятельное направление микроэлектроники развивалось с определенной задержкой по сравнению с цифровыми. Однако к настоящему времени отмеченные проблемы в основном решены, крупные успехи в области схемотехники и технологии привели к Широкому использованию аналоговых ИС БИС во всех типах микроэлектронной аппаратуры.

На всех этапах развития аналоговой микроэлектроники очень большое внимание уделялось созданию микромощных ИС. Однако снижение потребляемой мощности в основном достигалось снижением тока потребления от источника питания, а напряжение источника для типовых микромощных .аналоговых ИС до самого последнего времени оставалось достаточно большим (Еп=±3...12В).

Существует целый ряд областей применения микроэлектронных устройств, в которых минимизация напряжения источника питания одновременно со снижением потребляемой мощности является принципиальной проблемой. В первую очередь это относится к миниатюрной бытовой радиоэлектронной аппаратуре,в частности к ауди-У>$

оплейерам, радиоприемникам, пейджерам для систем персонального радиовызова и др. Другой важной областью применения являются сверхминиатюрные биомэдицинские устройства, начиная от слуховых аппаратов и кончая специальными "электронными пилюлями", вводимыми в организм человека с целью диагностики заболеваний. Во всех этих устройствах напряжение источника питания, как правило,но мох.ет превышать 1.5...2 В. Вместе с тем, во всех перечисленных устройствах основная часть узлов является аналоговыми и технологии, эффективно используемые в цифровой микроэлектронике для сшшения напряжения источника питания, оказываются неприемлемыми. Поэтому поиск путей уменьшения напряжения источника питания аналоговых микроэлектронных устройств до настоящего времени является актуальной задачей.

Основой аналоговых ИС является дифференциальный усилительный J каскад, поэтому решения проблемы снижения напряжения источника питания до предельно-реализуемой величины для такого каскада практически решает поставляемую задачу для аналоговых ИС в целом.

ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИИ является поиск путей уменьшения напряжения источника питания в биполярных аналоговых интегральных схемах.

Цель диссертации достигается решением следующих задач :

- анализ особенностей параметров,характеристик и моделей биполярного транзистора в режиме микротоков и малых напряжений источника питания ;

- теоретический анализ основных параметров типового и модернизированного дифференциального усилительного каскада при малых напряжениях источника питания ;

- компьютерное моделирование дифференциальных усилительных каскадов при малых напряжениях источника питания.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для решения поставленных задач используются ^методы теории активных электрических цепей ( в частности, методы матричного анализа ) и компьютерное моделирование аналоговых электронных цепей.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ДИССЕРТАЦИИ заключается в следующем :

- на основе анализа особенностей работы биполярного транзистора в режиме микротоков и малых напряжений источника питания выбраны модели транзистора, адекватно отражающие эти особенности ;

- на основе результатов,теоретического анализа типового дифференциального усилительного каскада показано, что при малых напряжениях источника питания ( 0.8...1.5 В ) коэффициент усиления к^ не превышает 200...300, щлгаем резко уменьшается при увеличении коллекторных токов ;

- предложена модернизированная схема дифференциального усилительного каскада, теоретический анализ которой показал, что при малых напряжениях источника питания коэффициент уси- ' ления к^ имеет максимум 400...500 при коллекторных токах 50...100 мкА ;

- на основе результатов компьютерного моделирования типового и модернизированного дифференциальных усилительных каскадов показано, что только модернизированный каскад обеспечивает приемлемые статические и динамические параметры при снижении напряжения питания до предельной величины, равной напряжению прямого смещения р-п перехода ;

- разработан метод улучшения динамических характеристик

М»

- б -

модернизированного дифференциального усилительного каскада путем автоматической регулировки статического режима, позволяющий обеспечить требуемые параметры при низких напряжениях источнике питания.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ заключается в том, что она содержит необходимые данные, принципиальные схемы и рекомендации по разработке одного из возможных вариантов аналоговых КС с низким напряжением источника питания. Так как при компьютерном моделировании использовались параметры модели транзисторов, соответствующие стандартному базовому технологическому процессу, никаких специальных изменений технологического процесса не трэбуется.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации доложены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МТУСИ в 1392...1994 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 2 печатные работы.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из вЕедэния, трех глав,заключения,списка литературы и прилох:ения. Основная часть диссертации содержит 78 страниц текста, 37 рисунков, 16 таблиц и список литературы из 96 наименований. Приложение содержит распечатку результатов компьютерного кододарования аналоговых схем.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ :

I. В типовом микромощном дифференциальном усилительном каскаде коэффициент усиления Ки резко падает при снижении напряжения источника питания ниже 2 В, одновременно возрастают нелинейные искажения (Кг = 7...17 % при 1к = 5 мкА), что

исключает практическое использование каскада в таком режиме.

2. В модернизированном микромощном дифференциальном усилительном каскаде коэффициент усиления Ки практически не изменяется при снижении напряжения источника питания до ± 0.7 В и его величина остается приемлемой при коллекторных токах выше 5 мкА. Однако с учетом типовых требований к нелинейным искажениям сигнала нижний предел напряжения источника питания составляет около ± I В.

3. В „двойном" микромощном дифференциальном усилительном каскаде с автоматической регулировкой смещения транзисторов допустимо снижение напряжения источника питания до предельно низкой величины, равной напряжению прямого смещения р-п перехода ( ± 0.7...0.8 В ), причем нелинейные искажения сигнала остается на приемлемом уровне ( Кг < 1 Я ).

СОДЕРЖАЩЕ РАБОТЫ -

Во введении обосновывается актуальность исследования, сформулирована цель и задачи работы, дана характеристика методов исследования, показана научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассматриваются особенности параметров, характеристик и моделей биполярного транзистора (БТ) в режиме микротоков при малых напряжениях источника питания.

На основе анализа научно - технической литературы, посвященной микромощным режимам биполярного транзистора, а также экспериментальных результатов исследований параметров и характеристик БТ при малых токах коллектора и низких напряжениях источника питания, выявлены все основные особенности параметров и характеристик.

Кратко рассмотрены различные причины, обусловившие особенности статических характеристик БТ в режиме микротоков; показано, что современные пленарные микромощные БТ обладают удовлетворительными усилительными свойствами при коллекторных токах более 2«Ю"7 А и напряжениях Икэ > о.2...0.3 В.

Проанализированы изменения статического коэффициента усиления, граничной частоты усиления и коэффициента шума от коллекторного тока и напряжения икэ для микрорежима.

На основе выявленных особенностей параметров и характеристик БТ в режиме микротоков и низких напряжений источника питания рассмотрены модели, учитывающие эти особенности. Проанализированы модели Эберса - Молла, Спаркса, Линвилла, Т.М.Агаха-

309

няна, Гуммеля - Пуна. Выбрана модель ВТ в микрорежиме, которая в упрощенном виде может использоваться для оценочных расчетов параметров микромощных интегральных аналоговых цепей, а в полном виде - для компьютерного моделирования таких цепей в режиме малых токов и низких напряжений источника питания. : •

Вторая глава посвящена теоретическому анализу параметров дифференциального усилительного каскада (ДУ) при низких напряжениях источника питания.

Вначале проанализированы параметры типового ДУ с динамическими нагрузками (типа токового зеркала) в коллекторных цепях. Используя эквивалентные схемы ДУ и составив матрицу проводимостей, получено выражение для коэффициента усиления по напряжению Кц, и его зависимость от напряжения источника питания. Значения KÚ в зависимости от Ек при различных постоянных составляющих коллекторных токов (типовой кремниевый интегральный транзистор)Г приведены в таблице I.

Результаты расчетов позволяют сделать следующие выводы:

- при низких напряжениях источника питания коэффициент усиления по напряжению K¿ не превышает 200...300;

- при низких напряжениях источника питания увеличение постоянных составляющих коллекторных токов свыше 200...300 мкА приводит к резкому уменьшению Ки, т.е. характер изменения KÚ противоположен хорошо известному случаю нормальных. (3...I2 В) напряжений _ источника питания.

Для устранения указанных недостатков типового ДУ необходимо уменьшить влияние эквивалентных сопротивлений roí, тог в коллекторных цепях, а также влияние сопротивлений базы reí,

Гб2. №

Таблица I

0 Ки= К. Вс ) 1к, ( МКА )

5 50 100 200 500

Ек ( в ) в К1 0 0 кз 0 кд в К5

± 1 230 215 152 89.5 38

± г 799 814 832 871 940

± 3 802 818 840 885 944

Эта задача решается в предлагаемой схеме модернизированного ДУ с низким напряжением источника питания. В этой схеме добавлены шунтирующие резисторы в коллекторных цепях и дополнительные ^'последовательно включенные резисторы в базовых цепях.

Как и в предыдущем случае, с помощью эквивалентной схемы и матрицы проводимостей проанализированы _ основные параметры модернизированного ДУ. Получено упрощенное выражение для коэффициента усиления по напряжению KÚ

СИ г01г02й1с2

КА ---- - ...(I)

Гэ1 + (1-<Х1 ) (Г61+И61 ) Г01Г02+Г01 Rk2+r02Rk2

где : а.1, гэ1, гб1, roí, гог - параметры П - образной эквивалентной схемы транзистора ;

Reí, Rk2 - резисторы в коллекторных и базовых цепях.

Результаты расчета зависимости Ки от коллекторного тока при различных напряжениях источника питания (типовой кремниевый интегральный транзистор) приведены на рис.1.

Анализ результатов позволяет сделать следующие выводы :

- в модернизированной схеме ДУ при коллекторных токах до 100...200 мкА коэффициент передачи по напряжению KÚ сильно зависит от напряжения источника питания и составляет величину 80...450 при Ik=5...50 мкА;

- при низких напряжениях источника питания зависимость Ки от

тока Ik имеет экстремум (в районе 60___100 мкА), причем значе-'

ние Ки в точке экстремума достаточно велико (400...500) и практически такое же, как при нормальных напряжениях источника питания.

Упрощенный малосигнальный анализ для типового и модернизм

Ки

1к (ткА)

— Ек1-1. В —Ек2-2 В -*- ЕкЗ-З В

Рис Л. Зависимость коэффициента Ки от коллекторного тока

зированного ДУ позволил выявить важные зависимости Ки от напряжения источника питания.

Анализ в частотной области, а также анализ статического режима и его температурной стабильности, нелинейных искажений, влияния разброса параметров элементов на параметры и характеристики ДУ удобнее выполнить с помощью компьютерного моделирования.

Третья глава содержит результаты компьютерного моделирования, дифференциальных усилительных каскадов при низких напряжениях источника питания.

Рассмотрены требования, предъявленные к комплексам программ моделирования аналоговых электронных цепей. В результате выбран комплекс программ PSpioe с графическим постпроцессором Probe, предназначенным для вывода результатов моделирования и использующий для этого графические возможности ПК IBM pc/at, а также программа идентификации параметров математических моделей полупроводниковых компонентов Parts. В целом это представляет собой комплекс программ моделирования аналоговых устройств, подключаемый к системе р-саб.

Для моделирования использована схема замещения БТ в виде адаптированной модели Гуммеля-Пуна, которая по сравнению с исходной моделью позволяет учесть эффекты, возникающие при больших смещениях на переходах. Эта модель автоматически упрощается до более простой модели Эберса-Молла, рассмотренной в главе I, если опустить некоторые параметры.

Статический режим работы типового ДУ проанализирован с точки зрения выполнения условия работы транзисторов в активном режиме при снижении напряжения источника питания. За критерий

i'9

активного режима работы ВТ условно принято соответствие напряжения коллектор-эмиттер напряжению прямого смещения р-п перехода, величина которого в режиме микротоков определена в гл.1, й отражена в используемой модели.

*

Напряжения прямого смещения ибэ транзисторов при различных коллекторных токах приведены в таблице 2.

Таблица 2.

1к(МКА) 5 50 100 200 500

и*э (В) 0.596 0.658 0.678 0.693 0.72

Такт образом, моделирование статического режима- показало, что нижний предел напряжения источника питания ДУ соста-вляет±1.5 В.

Для уточнения нижней границы напряжения источника питания был проведен анализ зависимостей коэффициента усиления Ки, коэффициента гармоник Кг, входного Них и выходного Нвых сопротивлений от напряжения источника питания Ек (рис.2,3 ).

Анализ результатов компьютерного моделирования типового ДУ показывает, что Ки резко падает при уменьшении напряжения источника питания ниже 2 В. Его величина остается приемлемой для ряда практических случаев при Ек=1.Б В. Однако резкое возрастание коэффициента гармоник (до 7...17 % при 1к=5 мкА) исключает реальное использование простейшего ДУ при низких напряжениях питания.

800

600

400

200

(— 1к1-5(ткЛ) /-4- 1к2-60<ткА) -Ж- 1кЗ-100(ткА) -в- 1к4'200(ткА) -Х- 1кб-600(ткА)

20

16

10

Рис.2. Зависимость коэффициента усиления от напряжения питавия Ек

к-(55)

ч.

кХ

— 1к1-б(ткА)

-4- 1кг-бО((пкА)

1кЗ-100<ткЛ)

-В- |к4-200(ткА)

-*- 1кб-Б00(ткЛ)

| 0.5 1 1.6 2 2.6 3 36 ЕК (В)

Рис.3. Зависимость коэффициента гармоник от напряжения питания Ек

Далее проведено компьютерное моделирование статического и динамического режимов модернизированного ДУ. По результатам компьютерного анализа статического режима и выбранному критерию активного режима БТ определена нижная граница напряжения источника питания (таблица 3).

Таблица 3

1к(МКА) 5 50 100 200 500

Ек (В) ± 0.7 ±1.2 ±1.4 ±1.6 ±-2.1

Таким образом, по критерию статического режима в модернизированном ДУ допустимо снижение напряжения питания до физически допустимого уровня, равного напряжению прямого смещения одного р-п перехода за счет динамической регулировки рабочей точки в зависимости от величины тока в транзисторах дифференциальной пары.

Для уточнения нижней границы напряжения источника питания был выполнен динамический анализ ДУ в режиме микротоков. Исходные условия для расчета динамического режима выбраны такие же, что и для типового ДУ.

Результаты расчетов коэффициента усиления Ки = 1(Ек) и коэффициента гармоник Кг = :Г(Ек) приведены на рис. 4,5.

Анализ результатов моделирования показывает, что Ки не изменяется при снижении Ек до 0.7 В и его величина остается приемлемой для ряда практических случаев при коллекторном токе

всю

400

200

— 1к1-б(ткЛ)

1к2-бО(ткА)

-*- 1кЗ-100(ткЛ)

-в- 1к4"200(ткА)

-н- 1кб-бОО(ткЛ)

0 0.5 1 1.6 2 2.5 3 3.5 4 Ек (В)

Рис.4. Зависимость коэффициента усиления от напряжения питания Ек модернизированного ДУ

кг(%)

1К1-б(ткА)

1к2'бО(ткА)

-*- 1кЗ-100(ткА)

-0- 1к4«200(ткА)

-К- 1кб-бОО(ткА)

О 05 1 1.6 2 2.6 3 З.б 4 Ек (В)

Рис.5. Зависимость коэффициента гармоник от напряжения питания Ек модернизированного ДУ

ЮОмкА.Нижнюю границу коллекторного тока модернизированного ДУ следует установить на уровне Б мкА из-за резкого снижения Ки.

С учетом типовых требований к коэффициенту гармоник и стабильности статического режима нижнее значение напряжения источника питания желательно ограничивать величиной ± 1 В.

Частотные характеристики модернизированного ДУ соответствуют известным результатам для типовых микромощных ДУ и приведены в приложении.

Для обеспечения большого коэффициента усиления Ки при малых нелинейных искажениях сигнала предложен подход к построению ДУ, заключающийся :

- в объединении двух ДУ на транзисторах с разным типом проводимости и раздельном усилении положительной и отрицательной полуволн сигнала в каждом из них ;

- в введении автоматической регулировки смещения транзисторов обоих ДУ, причем напряжение смещения пропорционально амплитуде входного сигнала.

Проведено компьютерное моделирование обобщенной схемы „двойного" ДУ с автоматической регулировкой смещения. Основные результаты моделирования приведены на рис.6.

Анализ результатов моделирования „двойного" ДУ показал, что предложенный принцип обеспечивает уменьшение напряжения источника питания до предельно низкой величины, равной напряжению прямого смещения р-п перехода, причем нелинейные искажения достаточно малы ( Кг < 1%). Величина коэффициента усиления _|„двойного" ДУ соответствует типовому ДУ, а возможный выигрыш энергопотребления составляет не менее 100.

600

400

200

Ки

1к1-1(ткА) |к2-б{тКА) 1КЗ-6СЦШКА)

0.7 0.^к{в) 0.0 1 1.1

0.8

0.6

0.4

°'7 08ЕК(В)0'9

Ы

— 1к1-1(ткА) Н- 1к2-б(ткА) -*- 1кЗ-бО(ткА)

1.1

Рис.6. Зависимость параметров усилителя от ноличины напряжения питания:а) Ки=г(Ек), ь) Кт=г(Ек)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, полученные в диссертации, следующие:

1. Проведен анализ особенностей параметров и характеристик биполярного транзистора в режиме микротоков и низких напряжений источника питания, что позволило выбрать модели, пригодные для упрощенного теоретического анализа электронных аналоговых цепей и, в усовершенствованном виде, для компьютерного моделирования таких цепей.

2. Проведен теоретический анализ параметров типового биполярного дифференциального усилительного каскада, результаты которого показали, что при низких напряжениях источника питания ( 0.8...1.5 В ) коэффициент усиления по напряжению К^ не превышает 200...300, а при увеличении коллекторных токов его величина резко уменьшается, тогда как при нормальных напряжениях ~ питания к^ плавно увеличивается.

3. Предложена схема модернизированного биполярного дифференциального усилителя, теоретический анализ которой показал, что зависимость к^ от напряжения источника питания при относительно малых коллекторных токах ( до 100...200 мкА ) достаточно слабая, а при низких напряжениях питания зависимость

от коллекторных токов имеет экстремум с достаточно большой

величиной К0 = 400...500. и

4. Выполнено компьютерное моделирование статического и динамического режимов типового и модернизированного дифференциальных усилительных каскадов ( статический режим, стабильность статического режима, амплитудно-частотные характерно-

тики, нелинейные искажения сигнала).

5. На основе результатов компьютерного моделирования показано, что модернизация схемы дифференциального усилительного каскада позволила снизить напряжение питания до величины, близкой к напряжению прямого смещения р-п перехода, при удовлетворительных динамических параметрах.

6. Разработан метод улучшения динамических характеристик модернизированного дифференциального усилительного каскада с низким напряжением источника питания путем автоматической регулировки смещения транзисторов пропорционально амплитуде входного сигнала.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах :

1. Стыцько В.П., Юн Ен Чан. Особенности моделей интегральных биполярных транзисторов при малых напряжениях источника питания: В сб. Интегральная электроника в системах связи/ МТУСИ. -М.: 1993. -Деп. в ЦНТИ „Информсвязь", Но 1905-СВ.93, С. 29-35.

2. Берендеева Г.С., Ш Ен Чан. Компьютерное моделирование каскадов аналоговых ИС при малых напряжениях источника питания: В сб. Интегральная электроника в системах связи / МТУСИ. -М.: 1994. -Деп. в ЦНТИ „Информсвязь", Но 2006-СВ.94, с. 27-33.

Подписано в печать II.II.94 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Объем 1,2 усл.п.л. Тираж 100 экз. Заказ 309. Бесплатно.

ООП МП "Информсвязьиздат". Москва,.ул. Авиамоторная, 8.

г ' -