автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Схемотехническое проектирование прецизионных источников опорного напряжения и линейных стабилизаторов по БиКМОП технологии 0,18 мкм

На правах рукописи

СУХОТЕРИН Евгений Валерьевич

СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ЛИНЕЙНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ ПО БИКМОП ТЕХНОЛОГИИ 0,18 МКМ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника,

радиоэлектронные компоненты, микро-и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005554055

Воронеж - 2014

005554055

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет»

Научный руководитель доктор физико-математических наук,

профессор Бормонтов Евгений Николаевич

Официальные оппоненты: Зольников Владимир Константинович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», заведующий кафедрой вычислительной техники и информационных систем;

Мушта Александр Иванович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский

институт электронной техники» (ОАО «НИИЭТ», г. Воронеж)

Защита состоится «23» сентября 2014 г. в 14:00 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.06 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической -библиотеке и официальном сайте ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» www.vorstu.ru.

Автореферат разослан "30" июня 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета -Л Горлов Митрофан Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Линейные интегральные стабилизаторы напряжения являются неотъемлемой частью современной радиоэлектронной аппаратуры, качество которой в значительной степени определяется точностью и стабильностью выходного напряжения стабилизатора.

В настоящее время проблема обеспечения экономичного электропитания требует создания малогабаритных стабилизаторов напряжения с минимальными потерями. Эти устройства должны отвечать специфическим требованиям, которые не могут быть обеспечены при использовании традиционных биполярных микросхем стабилизаторов, а именно - иметь чрезвычайно низкий ток потребления, низкое остаточное напряжение (вход-выход), высокую точность выходного напряжения. При реализации современных линейных стабилизаторов напряжения на передний план выходит БиКМОП технология, которая позволяет снизить ток потребления этих устройств в сотни раз.

Линейный стабилизатор напряжения, исполненный по БиКМОП технологии, обладает рядом достоинств: низкая стоимость, большой коэффициент полезного действия, высокая стабильность выходного напряжения, незначительный уровень шумов. Область применения БиКМОП стабилизаторов напряжения крайне широка - это мобильные средства связи, переносные компьютеры, устройства питания микроконтроллеров, автономные видеокамеры слежения и многое другое.

Основным узлом линейного стабилизатора является источник опорного напряжения, который, по сути, давно уже рассматривается как базовый электронный блок, главной задачей которого является обеспечение на своем выходе прецизионного постоянного напряжения независимо от воздействия внешних факторов. Характеристики этого блока в первую очередь определяют качественные показатели самых различных радиоэлектронных устройств. Если учесть неуклонную тенденцию к росту разрядности представления цифровых данных, несложно представить важность решения проблем, связанных с повышением точности и воспроизводимости характеристик опорных источников. Кроме того, важно отметить, что в связи с неуклонным сокращением технологических норм и необходимостью снижения потребляемой мощности, современная электронная аппаратура имеет, как правило, низкие напряжения питания, что существенно ограничивает

возможности известных схемотехнических приемов в процессе проектирования.

Таким образом, задача разработки прецизионных линейных стабилизаторов и источников опорного напряжения с возможностью прогноза их точности и серийноспособности на ранних этапах проектирования и, в том числе, пригодных для работы при низких питающих напряжениях представляется достаточно актуальной.

Цель работы: схемотехническое проектирование прецизионных источников опорного напряжения и линейных стабилизаторов с низким проходным напряжением в технологии БиКМОП 0,18 мкм и оценка точности их характеристик с учетом технологических особенностей субми кронного ис полнения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

-обосновать подходы к оценке точности прецизионных интегральных схем, изготовляемых средствами современных субмикронных технологий, использующие методы теории чувствительности;

-определить абсолютные и полуотносительные чувствительности выходного напряжения основных типов опорных источников к величинам номиналов элементов и переменных, связанных с ними;

-получить замкнутые аналитические выражения для среднеквадратического отклонения выходного напряжения этих источников и указать возможные направления повышения точности опорного напряжения;

-обосновать структуру стабилизатора с низким проходным напряжением и минимальной чувствительностью к номиналам его элементов;

-спроектировать ряд прецизионных линейных стабилизаторов напряжения по субмикронной технологии 0,18 мкм.

Научная новизна диссертации определяется полученными оригинальными результатами и состоит в следующем:

1. Обоснован подход к расчету точности субмикронных прецизионных источников и стабилизаторов напряжения, основанный на методах теории чувствительности, позволяющий получить аналитические выражения для стандартных отклонений их характеристик и обеспечивающий возможность оценки серийноспособности.

2. Получены выражения для абсолютных и полуотносительных чувствительностей выходного напряжения типичных структур опорных источников к их элементам и параметрам, обосновывающие утверждение о том, что наибольшее влияние на точность источников опорного напряжения оказывают напряжение смешения операционного усилителя и рассогласование элементов отражателей тока.

3. Оценка точности источника опорного напряжения для основных его разновидностей показала, что «классическая» архитектура с дополнительными двумя биполярными транзисторами имеет минимальное среди известных структур среднеквадратическое отклонение опорного напряжения.

4. Определены зависимости статистических характеристик выходного напряжения линейного стабилизатора от технологических погрешностей производства, позволяющие сформулировать требования по степени точности к функциональным блокам стабилизатора, входящим в его состав.

Научная и практическая значимость. Проблемы построения прецизионных источников и стабилизаторов напряжения всегда будут в числе важнейших в проектировании аналоговых устройств, поскольку качество эталонного напряжения во многом определяет достоверность преобразования и передачи информации. В практике их проектирования основным вопросом, как правило, является вопрос температурной стабильности, в то время как точность задания уровня выходного напряжения менее исследована. Привлечение методов теории чувствительности открывает новые возможности в оценке качества опорных источников. Предложенные методы и проведенная работа дают возможность оценки не только точности, но и серийноспособности на ранних этапах проектирования. В отличие от широко известных компьютерных методов статистических испытаний предлагаемый аналитический подход позволяет получить не только количественную оценку, но и указывает пути повышения этих важнейших показателей качества.

Сочетание аналитического подхода с известным и многократно экспериментально подтвержденным приемом разделения технологических погрешностей на групповые и межэлементные дало возможность получить замкнутые и вполне обозримые аналитические выражения для наиболее важных качественных показателей.

Полученные в процессе исследования научные результаты и практические рекомендации были использованы при разработке и совершенствовании функциональных характеристик стабилизаторов напряжения, исполненных по технологии 0,18 мкм. При этом один из разработанных стабилизаторов напряжения обладает возможностью выбора трех уровней выходного напряжения 1,2 В, 1,8 В, 2,5 В, при емкости нагрузки 1 мкФ, имеет запас по фазе не менее 30° и уровень выходного шума 55 мкВ.

Результаты диссертации были использованы в НИОКР, что подтверждается актом внедрения № 0082/04-14т от 18.04.2014 г.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Применение аналитического подхода к оценке точности источников и стабилизаторов напряжения позволяет указать возможные направления снижения величины среднеквадратического отклонения их выходных уровней.

2. «Классическая» архитектура с парой дополнительных биполярных транзисторов обладает наименьшей чувствительностью к номиналам элементов среди прочих известных конфигураций.

3. Рассогласование элементов является решающим фактором, определяющим погрешность уровня опорного напряжения. При этом наибольшее влияние на точность оказывают напряжение смещения операционного усилителя и токи стока МОП-транзисторов отражателей тока.

4. Полученные значения среднеквадратического отклонения выходного напряжения линейного стабилизатора позволяют сформулировать требования по точности к компонентам стабилизатора.

5. Спроектированы линейные стабилизаторы напряжения с уровнем собственного шума 55 мкВ в диапазоне частот от 0,1 Гц до 1 МГц и запасом устойчивости не менее 30°, в составе которых используются спроектированные прецизионные схемы источников опорного напряжения, имеющие низкий технологический разброс выходного напряжения, и также высокую стабильность выходного уровня по напряжению питания и температуре.

Апробация результатов работы. Полученные результаты докладывались на следующих конференциях и семинарах:

- международная научно-техническая конференция "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 2013, 2014);

- научно-методический семинар «Флуктуацнонные и деградацион-ные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2013);

- X международный научно-практический семинар «Проблемы современной аналоговой схемотехники» (Шахты, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано двенадцать научных работ, в том числе пять в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателем выполнены: [1-5, 10-12] - анализ и интерпретация полученных результатов, решение поставленной задачи, подготовка научной публикации для печати; [4-9] - проектирование аналоговых функциональных блоков, предназначенных для исполнения средствами субмикронной БиКМОП технологии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 73 наименований. Основная часть работы изложена на 109 страницах, содержит 24 таблицы и 42 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации. Описаны основные задачи исследования, показана научная новизна полученных результатов и их практическая значимость, приведены положения, выносимые на защиту, сведения об апробации результатов работы и публикациях.

В первой главе представлен литературный обзор, отражающий анализ влияния технологических погрешностей элементов интегральных микросхем на их характеристики. Рассмотрены статистические подходы к расчету отклонений характеристик интегральных микросхем. Обосновывается утверждение о том, что в силу малости отклонении параметров элементов субмикронных прецизионных микросхем для оценки отклонений их характеристик правомерно применение методов теории чувствительности, основанных на ограничении разложения выходной функции производными первого порядка.

Во второй главе подробно описан аналитический подход к оценке точности прецизионных источников опорного напряжения (ИОН), основанный на использовании методов теории чувствительности, предложены пути уменьшения среднеквадратического отклонения опорного напряжения, получены выражения для полуотносительных и абсолютных чувствителыюстей выходного напряжения типичных архитектур опорных источников к их элементам.

Предметом исследований явились пять наиболее распространенных структур ИОН типа «Ьапс^ар», упрощенные схемы которых приведены на рис. 1. Их элементами являются биполярные транзисторы (0/-05), резисторы (7?/-Л5), МОП-транзисторы (.М1-МЗ) и операционный усилитель А1.

ЖТ^

тз

'а|\

Й...Й

ЛИ

4 V ,

г:4.................«1...........ГГ

Р

а)

б)

к т.

/'А 1 1 ...................| 1 м | 7,

¡•-С I 1«, „1 ? # # | Ю » 1 « 1 I Г

Ч]

К.....М

*«. !

в) г) д)

Рис. 1. Схемы источников опорного напряжения: а) «классическая» архитектура с токовыми зеркалами; б) «классическая» с парой дополнительных биполярных транзисторов - «модифицированная»; в) с истоковым повторителем; г) «пропорциональная»; д) «реверсная».

Через зависимости выходного напряжения указанных схем от параметров элементов и переменных схемы получены аналитические соотношения для чувствительностей к их вариациям.

В частности, для «модифицированной» архитектуры ИОН соотношения имеют следующий вид:

- полуотносительная чувствительность к току стока транзистора М1:

5,

V, - т-

) 1 .

<1Т 1т=то' 1п(—тп)' полуотносительная чувствительность к току стока транзистора М2:

r-^iJllt

= 2i| +_1_\

У dT \r=njy in(!mmy'

"M2

- полуотносительная чувствительность к току стока транзистора МЗ:

Cv°ut _ v TdV£3S

'Ms < ' dT

т=то

CVout — Rl ~~ dT \т.

. CVOUt _ -ndifcisl

Vt;

=T 0

■ абсолютная чувствительность к напряжению смещения ОУ:

с W =_I_Л _ V

2¿ii (—т) ^ * dT lr=J'

V/M2 '

- абсолютная чувствительность к 1<£Э1^¡5""

«и6Э1 2 vtin(!fcmy

• абсолютная чувствительность к VE32:SZ°ut =--jf-—7

632 2V,ln M^-m

Vm 2 '

- абсолютная чувствительность к V£33: -^я^

- абсолютная чувствительность к Sjfc« :

dVK

V0Ut — ЛТ

r"yS:> 5 _ dT_

2Vtinf^ir ММ2

- абсолютная чувствительность к КЙЭ5:=

Приведенные выражения позволяют определить возможные направления повышения точности опорных источников за счет уменьшения чувствительности выходного уровня к элементам источника напряжения, рассчитать значения среднеквадратического отклонения опорного напряжения для случаев локального и глобального разбросов элементов технологического процесса, а также оценить серийноспособность источников напряжения.

В табл. 1 приведены рассчитанные значения среднеквадратического отклонения выходного напряжения источника, вносимые рассогласованием элементов «модифицированной» архитектуры ИОН в рамках БиКМОП технологического процесса с проектной нормой 180 нм для типичного значения коэффициента m = 24 (m - отношение площадей эмиттеров биполярных транзисторов Aq^JAqu 2)) и отношений токов 1ШИЖ= 2. Из данных, представленных в табл. 1, следует важный вывод о том, что в условиях рассогласования элементов наибольшей степенью влияния на точность опорного напряжения обладают напряжение смещения операционного усилителя и асимметрия отражателей тока.

Таблица 1

Среднеквадратические отклонения выходного напряжения «модифицированной» архитектуры ИОН при рассогласовании элементов

Элемент схемы ИОН Параметр Ч увствительность при Т=27 °С °vn„t, мВ

Расчет Модел.

Усилитель ¡-;„ 2,311 1,155 1,155

Токовое зеркало 4» 0,120 В 0,913 0,774

ha -0,577 В

!мз 0,458 В

Резисторы я, -0,458 В 0,522 0,538

r2 0,432 В

Биполярные транзисторы VE31 2,18 0,119 0,127

1"'БЭ2 2,18

1'бэз -2,18

УбЭ4 -2,18

''6Э5 1

Общее отклонение - - 1,567 1,496

При этом в знаменатель выражений для чувствительностей

sf°ut, Sl°ut, sZout, s,v°ut, S?°ut, sZout вошел логарифм произведения

параметра m и отношения токов (lu/hn), что позволяет утверждать -уменьшения влияния рассогласования токов МОП транзисторов (М1-М2) и напряжения смещения усилителя на выходное напряжение опорного источника можно достичь увеличением коэффициента т, либо увеличением отношения токов 4«/4с- В связи с этим при создании прецизионного источника опорного напряжения необходимо учитывать зависимость абсолютной чувствительности выходного напряжения ИОН к напряжению смещения от отношения площадей эмиттеров биполярных транзисторов AoatJAoa.ih приведенную на рисунке 2.

С учетом предлагаемых направлений снижения среднеквадратического отклонения опорного напряжения проведено комплексное сравнение пяти рассматриваемых структур источников напряжения по степени точности их выходных уровней. Результаты сопоставления для техпроцесса 180 им отражены в табл. 2, откуда следует, что минимальное значение среднеквадратического отклонения выходного напряжения имеет «модифицированная» архитектура ИОН. Однако нужно учитывать, что применение «классической» и «модифицированной» структур при низком напряжении питания (1,2 В и ниже) невозможно, так как их выходное напряжение составляет 1,2 В.

Рис. 2. Абсолютная чувствительность выходного напряжения ИОН к напряжению смещения в зависимости от параметра т.

Схемы ИОН, применимые при низком напряжении питания, имеют близкие погрешности выходного напряжения, но при этом «пропорциональная» архитектура обладает возможностью задания уровня выходного напряжения посредством изменения номинала выходного резистора, а в «реверсной» архитектуре уровень выходного напряжения всегда имеет одинаковую величину.

Таблица 2

Значения среднеквадратических отклонений различных архитектур

опорного источника

Архитектура ИОН Среднеквадратическое отклонение опорного напряжения, мВ

«Классическая» с токовыми зеркалами 2,516

«Классическая» с истоковым повторителем 3.043

«Модифицированная» 1,247

«Пропорциональная» 5,054

«Реверсная» 5,275

Третья глава содержит описание различных типов стабилизаторов напряжения и основных принципов их работы, обоснование структуры стабилизатора с низким проходным напряжением и минимальной чувствительностью к номиналам его элементов, а также оценку точности выходного напряжения прецизионных стабилизаторов.

На рисунке 3 приведена упрощенная блок-схема стабилизатора напряжения, выходное напряжение которого может быть представлено выражением: УоМ = (1 (Кге/ + Усм), где И,к К2 - резисторы обратной связи, Уге{ - опорное напряжение, — напряжение смещение усилителя ошибки.

т

........................................................I

иш ?

Рис. 3. Блок-схема линейного стабилизатора напряжения

Для стабилизатора получены следующие выражения для полуотносительных чувствителыюстей: = ^К-е/ (полуотносительная чувствительность к номиналу резистора Я/), =

— — Угее (полуотносительная чувствительность к номиналу резистора Я;), я2

~ (абсолютная чувствительность к опорному напряжению),

— (1 + (абсолютная чувствительность к напряжению смешения). Видно, что чувствительность выходного напряжения стабилизатора к рассогласованию его элементов определяется отношением номиналов резисторов К,, К^ и значением опорного напряжения источника Уге/.

Таблица 3

С'реднеквадратические отклонения выходного напряжения стабилизатора при рассогласовании элементов

Элемент схемы стабилизатора напряжения Обозначение Чувствительность 0>«Ш-, мВ

«Модифицированная» архитектура ИОН «Пропорциональная» архитектура ИОН

Усилитель У™ 7 1 1

ИОН КеГ 2 3 12

Резисторы Я, 1,2 В 0,6 0,6

К: -1,2 В 0.6 0,6

Суммарное - - 3,27 12,07

В табл. 3 приведены среднеквадратвческие отклонения выходного напряжения стабилизатора при рассогласовании элементов, рассчитанные

с использованием приведенных выражений при следующих условиях: номиналы резисторов R, и R; равны, величина среднеквадратического отклонения напряжения смещения усилителя ошибки составляет 0,5 мВ.

Как следует из этих данных, величина среднеквадратического отклонения стабилизатора напряжения в первую очередь определяется разбросом выходного напряжения опорного источника. При этом стабилизатор напряжения, в составе которого применялась «модифицированная» архитектура опорного источника. имеет среднеквадратическое отклонение выходного напряжения в 3,7 раза меньшее, чем стабилизатор с опорным источником «пропорциональной» архитектуры.

В четвертой главе приводится схемотехника разработанных блоков линейных стабилизаторов напряжения, описаны результаты исследования влияния составных компонентов стабилизатора на его основные характеристики, представлены топологические представления стабилизаторов напряжения, исполненных по субмикронной технологии, приведены основные характеристики изготовленных стабилизаторов напряжения.

В процессе разработки прецизионного стабилизатора напряжения для обеспечения высокой точности выходного напряжения в его составе использована «модифицированная» архитектура опорного источника, обладающая наименьшим значением среднеквадратического отклонения выходного уровня. Расчет характеристик линейных стабилизаторов с низким проходным напряжением реализовывался в САПР Cadence на основе библиотечных элементов БиКМОП технологии 180 им. На рисунке 4 приведены гистограммы, полученные методом Монте-Карло для 200 итераций, иллюстрирующие разброс выходного напряжения разработанного стабилизатора, в случае рассогласования (а) и при групповом отклонении (б) элементов технологического процесса. Основные характеристики, спроектированных стабилизаторов, приведены в табл. 4 и 5.

В рамках выполнения НИР «Исследование возможности разработки заказных СБИС» была изготовлена микросхема контроллера по БиКМОП технологии 180 нм, в состав которой вошел разработанный сложно-функциональный блок линейного стабилизатора напряжения. Топологическое представление этого блока представлено на рисунке 5.

В рамках выполнения ОКР «Разработка комплекта микросхем управления питанием» по БиКМОП технологии 180 им была разработана и

изготовлена микросхема стабилизатора напряжения «1309ЕН.ЕР». Топологическое представление этой микросхемы изображено на рисунке 6.

Характеристики микросхемы «1309ЕР1Т» по отношению к зарубежным аналогам представлены в таблице 6.

mu = 1.80119 sd = 4.3047m

N = гоо

1.79 1.795 1.8 1.805 1.81 1.815 Выходное напряжение, В

50.0 40.0 30.0 Z0.0 10.0 0.0

mu = 1.80102 sd - 3.6083т N - гоо

а)

1.785 1.79 1.795 1.8 1.805 1.81 1.815 Выходное напряжение, В

б)

Рис. 4. Гистограммы, иллюстрирующие разброс выходного напряжения стабилизатора в случае рассогласования (а) и при групповом отклонении (б) элементов технологического процесса.

Таблица 4

Основные параметры стабилизатора напряжения, входящего в состав заказной СБИС

Наименование параметра, единица измерения, режим измерения Буквенное обозначение параметра Норма параметра Результаты моделирования

не менее не более типичные не менее не более

Выходное напряжение, В Dücc 12 1,176 1,224 1.199 1,186 1,215

DÜCCI8 1,764 1.836 1,799 1,778 1.823

Dücc25 2,450 2,550 2,498 2,471 2,530

Ток нагрузки срабатывания схемы •защиты от перегрузки регулятора, мА Ishort 300 500 385 321 481

Максимальный гок нагрузки регулятора, мА Iload 250 500 379 310 478

Уровень выходного шума, лиев rms - 65 50 41 64

Уровен подавления пульсаций, дБ PSRR 50 - 57 50 64

Запас по фазе, ° <¡> 30 - 46 34 67

Таблица 5

Основные параметры стабилизатора напряжения, как интегральной микросхемы серии 1309ЕН,ЕР

Наименование параметра, единица измерения, режим измерения Буквенное обозначение параметра Норма параметра Результаты моделирования

не менее не более типичные не менее не более

Выходное напряжение, В Оисс 12 1.180 1,220 1,199 1.181 1.281

Писс18 1,770 1,830 1,798 1,772 1,828

Оисс25 2,460 2,540 2,498 2,462 2,539

ОУссЗЗ 3.245 3,355 3,297 3,247 3,352

Ток нагрузки срабатывания схемы •защиты от- перегрузки регулятора, А Ьиоет 2,50 4.50 3,51 2,63 4.38

Максимальный ток нагрузки регулятора, А 1ьол!> 2.00 4.50 3,32 2.50 4.13

Уровень выходного шума, мкв пте - 55 41 34 55

Уровен подавления пульсаций, дБ РЙ!« 50 - 58 51 63

Запас по фазе, ° ф 30 - 48 35 70

Рис. 5. Фрагмент топологии заказной СБИС и топология стабилизатора напряжения, исполненного в рамках технологии 1 80 нм.

Рис. 6. Топология микросхемы стабилизатора напряжения «1309ЕН.ЕР».

Таблица 6

Сравнение характеристик разработанной микросхемы 1309ЕР1Т с _зарубежными аналогами ___

\ Фирма - изготовитель и наименование \х ИМС Характеристики4^ ИМС ¡1 С я Ä сч II Analog Devices ST Microelectron ies ST Microelectron ics Texas Instruments ON Semiconductor

1309EPIT ADM7I60 LD391Û0 ST1L05 TLV710 NCPI03

Входное напряжение, В 2.0-5,5 2,2 - 5,5 1.5-5,5 3,0-5,5 2,0-5,5 1.7-5.5

Выходное напряжение. В 0,5-4,5 1,8; 2.5: 3,3 0,8 - 4,5 1,8; 2,5; 3,3 1,2 - 4,8 1,0-3,5

Падение напряжения на регулирующем элементе, мВ 800 150 200 300 150 75

Ток потребления, мкА 600 100 200 650 35 50

Максимальный ток нагрузки, мА 2000 200 1000 1300 200 150

Подавление пульсаций но питанию, дБ 50 54 70 68 50 75

Выходной шум, мкВ 55 17 30 40 48 60

Разброс выходного напряжения, % ±1.6 ±2,5 ±3,0 ±2,0 ±2,0 ±2,0

Сравнительный анализ показывает, что:

минимальный разброс выходного уровня стабилизатора напряжения соответствует разработанной микросхеме «1309ЕР1Т»;

- по ряду других параметров, таких как ток потребления, уровень подавления пульсаций по питанию, выходной шум и диапазон выходных напряжения микросхема «1309ЕР1Т» не уступает рассмотренным зарубежным аналогам.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Точность выходного напряжения микросхем источников и линейных стабилизаторов напряжения в первую очередь определяет эффективность таких устройств. Статистические методы оценки точности позволяют не только установить степень отклонения выходной величины, но и осуществить прогноз серийноспособности ИМС в процессе производства. Предложенный в работе аналитический подход к расчету статистических параметров выходной функции микросхемы сокращает затраты на проектирование, поскольку позволяет как на структурном, так и на элементном уровне указать направления снижения ее погрешностей.

Проведенная работа приводит к следующим выводам:

1. Из полученных выражений для чувствительностей типичных архитектур источников напряжения следует, что наибольшее влияние на точность выходных уровней источников опорного напряжения в случае рассогласования его элементов оказывают напряжение смещения операционного усилителя и погрешности отражателей тока.

2. По результатам аналитической оценки, совпадающим с расчетом методом статистических испытаний установлено, что минимальным отклонением выходного напряжения обладает источник опорного напряжения «модифицированной» структуры.

3. Для снижения степени влияния погрешности операционного усилителя на величину среднеквадратического отклонения опорного напряжения следует увеличивать отношение площадей эмиттеров биполярных транзисторов.

4. Сравнение «реверсной» и «пропорциональной» архитектур источников опорного напряжения, применимых при пониженных напряжениях питания, показало, что рассмотренные архитектуры имеют приблизительно одинаковую точность выходного напряжения. Однако, следует учитывать, что в отличие от «реверсной» архитектуры, «пропорциональная» обладает существенным достоинством, которое заключается в возможности формирования различных уровней опорного напряжения.

5. Степень совпадения результатов аналитического расчета статистических параметров выходного напряжения источников и стабилизаторов напряжения с результатами моделирования методом Монте-Карло в большинстве случаев составляет единицы процентов.

6. Спроектированные источники опорного напряжения обеспечивают стабильность выходного уровня по напряжению питания и температуре в пределах 0,2% и имеют технологический разброс выходного напряжения не более 1,5%.

7. Спроектированы линейные стабилизаторы с возможностью задания различных уровней выходного напряжения, включающие оригинальную схему ограничения выходного тока, которая обеспечивает максимальный выходной ток и ток срабатывания, равный для любого из задаваемых уровней выходного напряжения. Стабилизаторы имеют технологический разброс выходного напряжения не более 1,6%, уровень выходного шума 50..60 мкВ в диапазоне частот от 0,1 Гц до 1 МГц и запас устойчивости по фазе не менее 30°.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Оценка точности основных разновидностей источников опорного напряжения в БИКМОП технологии 0.18 мкм [Текст] / Е. В. Сухотерин, Е.

B. Невежин, Б. К. Петров, Д. В. Колесников // Известия Южного федерального университета. Технические науки. - 2014. - Т. 154. - № 5. -

C. 100-108.

2. Способы стабилизации основных характеристик источника опорного напряжения [Текст] / Е. Н. Бормонтов, Е. В. Сухотерин, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин // Фундаментальные исследования. - 2014. - Т. 5.-№5.-С. 934-938.

3. Чувствительность КМОП-источника опорного напряжения к вариациям параметров элементов / Е. Н. Бормонтов, Е. В. Сухотерин, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин // Инженерный Вестник дона [электронный ресурс]. - 2014. - № 1. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/maoazine/archive/nlv2014/2275.

4. Сухотерин, Е. В. Компенсационный стабилизатор напряжения для КМОП схем [Текст] / Е. В. Сухотерин, В. И. Клюкни, Б. К. Петров // Электротехнические комплексы и системы управления. - 2013. - № 32. -С. 77-80.

5. Сухотерин, Е. В. Шумовые параметры и устойчивость низковольтных стабилизаторов напряжения [Текст] / Е. В. Сухотерин, Ю. К. Ннколаенков, В. И. Клюкин// Электротехнические комплексы и системы управления - 2013. - № 32. - С. 40-44.

Статьи и материалы конференций

6. Сухотерин, Е. В. Низковольтный стабилизатор напряжения для субмикронных КМОП схем [Текст] / Е. В. Сухотерин, Ю. К. Николаенков,

B. И. Клюки н// Радиолокация, навигация, связь. - Воронеж, 2013. - Т. 2. -

C. 827-830.

7. Сухотерин, Е. В. Низковольтный стабилизатор напряжения [Текст] / Е. В. Сухотерин, Ю. К. Николаенков, В. И. Кшокин // Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника. - 2012. -№ 11.-С. 151-155.

8. Низковольтный стабилизатор напряжения в КМОП технологии 0.18 мкм [Текст] / Е. В, Сухотерин, Д. В. Колесников, В. И. Кпюкин, Е. В. Невежин // Энергия XXI век. -2013. - №1(84). - С. 71-74.

9. Стабилизаторы со сверхнизким падением напряжения. Микросхемы ЗАО «ПКК МИЛАНДР» 1309ЕР1Е и 1309ЕНХХ [Текст] / Д. В. Колесников, А. Б. Однолько, Е. В. Сухотерпп, К. Н. Фролов // Электроника НТВ. - 2013. - №7. - С. 80-84.

10. Прогноз точности источника опорного напряжения в технологии 0.18 мкм [Текст] / Е. В. Сухотерин, Е. В. Невежин, Б. К. Петров, Д. В. Колесников // Твердотельная электроника, микроэлекроника и наноэлектроника. - 2013. -№ 12. - С. 75-79.

11. Оценка точности источника опорного напряжения в технологии 0.18 мкм [Текст] / Е. В. Сухотерин, Е. В. Невежин, Б. К. Петров, Д. В. Колесников // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники. -Шахты, 2013.-С. 69-74.

12. Оценка влияния степени рассогласования элементов на характеристики прецизионных функциональных КМОП-блоков [Текст] / Е. Н. Бормонтов, Е. В. Сухотерин, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин // Радиолокация, навигация, связь. - Воронеж, 2014. - Т. 3. - С. 2037-2043.

Подписано в печать 26.06.2014г. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ № 107 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

04201460904 / ^ ' Ш праВаХРУК0ПИСИ

СУХОТЕРИН Евгений Валерьевич

СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ЛИНЕЙНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ ПО БИКМОП ТЕХНОЛОГИИ 0,18 МКМ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные

компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Бормонтов Е.Н.

Воронеж - 2014

Содержание

Введение...................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ.......................................................................................................10

1.1. Источники технологических погрешностей элементов....................10

1.1.1. Особенности современной элементной базы микросхем..............10

1.1.2. Групповые отклонения параметров.................................................15

1.1.3. Взаимное рассогласование................................................................18

1.2. Расчет отклонений характеристик интегральных микросхем..........21

1.2.1. Метод статистических испытаний...................................................22

1.2.2. Аналитический метод статистического расчета.............................24

ГЛАВА 2. ТОЧНОСТЬ ХАРАКТЕРИСТИК СУБМИКРОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ.................................................29

2.1. Оценка точности выходного напряжения «классической» архитектуры источника опорного напряжения с отражателями тока..........29

2.2. Точность выходного напряжения «модифицированной» архитектуры ИОН..............................................................................................40

2.3. Оценка точности «классической» архитектуры ИОН с повторителем напряжения................................................................................47

2.4. Влияние рассогласования элементов на точность отражателей

тока и операционного усилителя.....................................................................52

2.5. Особенности низковольтных источников опорного напряжения.........60

2.6. Сопоставительный анализ субмикронных источников опорного напряжения........................................................................................64

ГЛАВА 3. ПРЕЦИЗИОННЫЙ БиКМОП СТАБИЛИЗАТОР

НАПРЯЖЕНИЯ.....................................................................................................67

3.1. Классификация и основные свойства современных стабилизаторов напряжения.............................................................................67

3.2. Основные принципы работы стабилизаторов с низким падением напряжения на регулирующем элементе.......................................68

3.3. Оценка точности выходного напряжения стабилизатора напряжения с низким проходным напряжением............................................72

ГЛАВА 4. ХАРАКТЕРИСТИКИ БИКМОП СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ БАЗИСЕ 180 НМ........................76

4.1. Схемотехника линейных стабилизаторов напряжения..........................76

4.1.1. Источники опорного напряжения.......................................................77

4.1.2. Усилитель ошибки................................................................................84

4.1.3. Схема ограничения выходного тока...................................................86

4.1.4. Схема температурной защиты.............................................................88

4.2. Анализ шумовых параметров и устойчивости линейных стабилизаторов напряжения.............................................................................90

4.3. Основные характеристики спроектированных

стабилизаторов напряжения.............................................................................93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................100

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................102

Введение

Актуальность темы.

Линейные интегральные стабилизаторы напряжения являются неотъемлемой частью современной радиоэлектронной аппаратуры, качество которой в значительной степени определяется точностью и стабильностью выходного напряжения стабилизатора.

В настоящее время проблема обеспечения экономичного электропитания требует создания малогабаритных стабилизаторов напряжения с минимальными потерями. Эти устройства должны отвечать специфическим требованиям, которые не могут быть обеспечены при использовании традиционных биполярных микросхем стабилизаторов, а именно - иметь чрезвычайно низкий ток потребления, низкое остаточное напряжение (вход-выход), высокую точность выходного напряжения. При реализации современных линейных стабилизаторов напряжения на передний план выходит БиКМОП технология, которая позволяет снизить ток потребления этих устройств в сотни раз.

Линейный стабилизатор напряжения, исполненный по БиКМОП технологии, обладает рядом достоинств: низкая стоимость, большой коэффициент полезного действия, высокая стабильность выходного напряжения, незначительный уровень шумов. Область применения БиКМОП стабилизаторов напряжения крайне широка - это мобильные средства связи, переносные компьютеры, устройства питания микроконтроллеров, автономные видеокамеры слежения и многое другое.

Основным узлом линейного стабилизатора является источник опорного напряжения, который, по сути, давно уже рассматривается как базовый электронный блок, главной задачей которого является обеспечение на своем выходе прецизионного постоянного напряжения независимо от воздействия внешних факторов. Характеристики этого блока в первую очередь определяют качественные показатели самых различных радиоэлектронных

устройств. Если учесть неуклонную тенденцию к росту разрядности представления цифровых данных, несложно представить важность решения проблем, связанных с повышением точности и воспроизводимости характеристик опорных источников. Кроме того, важно отметить, что в связи с неуклонным сокращением технологических норм и необходимостью снижения потребляемой мощности, современная электронная аппаратура имеет, как правило, низкие напряжения питания, что существенно ограничивает возможности известных схемотехнических приемов в процессе проектирования.

Таким образом, задача разработки прецизионных линейных стабилизаторов и источников опорного напряжения с возможностью прогноза их точности и серийноспособности на ранних этапах проектирования и, в том числе, пригодных для работы при низких питающих напряжениях представляется достаточно актуальной.

Цель работы: схемотехническое проектирование прецизионных источников опорного напряжения и линейных стабилизаторов с низким проходным напряжением в технологии БиКМОП 0,18 мкм и оценка точности их характеристик с учетом технологических особенностей субмикронного исполнения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- обосновать подходы к оценке точности прецизионных интегральных схем, изготовляемых средствами современных субмикронных технологий, использующих методы теории чувствительности;

- определить абсолютные и полуотносительные чувствительности выходного напряжения основных типов опорных источников к величинам номиналов элементов и переменных, связанных с ними;

- получить замкнутые аналитические выражения для среднеквадратического отклонения выходного напряжения этих источников

и указать возможные направления повышения точности опорного напряжения;

. - обосновать структуру стабилизатора с низким проходным напряжением и минимальной чувствительностью к номиналам его элементов;

- спроектировать ряд прецизионных линейных стабилизаторов напряжения по субмикронной технологии 0,18 мкм.

Научная новизна диссертации определяется полученными оригинальными результатами и состоит в следующем:

1. Обоснован подход к расчету точности субмикронных прецизионных источников и стабилизаторов напряжения, основанный на методах теории чувствительности, позволяющий получить аналитические выражения для стандартных отклонений их характеристик и обеспечивающий возможность оценки серийноспособности.

2. Получены выражения для абсолютных и полуотносительных чувствительностей выходного напряжения типичных структур опорных источников к их элементам и параметрам, обосновывающие утверждение о том, что наибольшее влияние на точность источников опорного напряжения оказывают напряжение смещения операционного усилителя и рассогласование элементов отражателей тока.

3. Оценка точности источника опорного напряжения для основных его разновидностей показала, что «классическая» архитектура с дополнительными двумя биполярными транзисторами имеет минимальное среди известных структур среднеквадратическое отклонение опорного напряжения.

4. Определены зависимости статистических характеристик выходного напряжения линейного стабилизатора от технологических погрешностей производства, позволяющие сформулировать требования по степени точности к блокам стабилизатора, входящим в его состав.

Научная и практическая значимость

Проблемы построения прецизионных источников и стабилизаторов напряжения всегда будут в числе важнейших в проектировании аналоговых устройств, поскольку качество эталонного напряжения во многом определяет достоверность преобразования и передачи информации. В практике их проектирования основным вопросом, как правило, является вопрос температурной стабильности, в то время как точность задания уровня выходного напряжения менее исследована. Привлечение методов теории чувствительности открывает новые возможности в оценке качества опорных источников. Предложенные методы и проведенная работа дают возможность оценки не только точности, но и серийноспособности на ранних этапах проектирования. В отличие от широко известных компьютерных методов статистических испытаний предлагаемый аналитический подход позволяет получить не только количественную оценку, но и указывает пути повышения этих важнейших показателей качества.

Сочетание аналитического подхода с известным и многократно экспериментально подтвержденным приемом разделения технологических погрешностей на групповые и межэлементные дало возможность получить замкнутые и вполне обозримые выражения для наиболее важных качественных показателей.

Полученные в процессе исследования научные результаты и практические рекомендации были использованы при разработке и совершенствовании функциональных характеристик стабилизаторов напряжения, исполненных по технологии 0,18 мкм. При этом один из разработанных стабилизаторов напряжения обладает возможностью выбора трех уровней выходного напряжения 1,2 В, 1,8 В, 2,5 В, при емкости нагрузки 1 мкФ, имеет запас по фазе не менее 30° и уровень собственного шума 55 мкВ.

Результаты диссертации были использованы в НИОКР, что подтверждается актом внедрения № 0082/04-14т от 18.04.2014 г.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Применение аналитического подхода к оценке точности источников и стабилизаторов напряжения позволяет указать возможные направления снижения величины среднеквадратического отклонения их выходных уровней.

2. «Классическая» архитектура с парой дополнительных биполярных транзисторов обладает наименьшей чувствительностью к номиналам элементов среди прочих известных конфигураций.

3. Рассогласование элементов является решающим фактором, определяющим погрешность уровня опорного напряжения. При этом наибольшее влияние на точность оказывают напряжение смещения операционного усилителя и токи стока МОП транзисторов отражателей тока.

4. Полученные значения среднеквадратического отклонения выходного напряжения линейного стабилизатора позволяют сформулировать требования по точности к компонентам стабилизатора.

5. Спроектированы линейные стабилизаторы напряжения с уровнем собственного шума 55 мкВ в диапазоне частот от 0,1 Гц до 1 МГц и запасом устойчивости не менее 30°, в составе которых используются спроектированные прецизионные схемы источников опорного напряжения, имеющие низкий технологический разброс выходного напряжения, и также высокую стабильность выходного уровня по напряжению питания и температуре.

Апробация результатов работы. Полученные результаты докладывались на следующих конференциях и семинарах:

- международная научно-техническая конференция "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 2013,2014);

- научно-методический семинар «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2013);

- X международный научно-практический семинар «Проблемы современной аналоговой схемотехники» (Шахты, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано двенадцать научных работ, в том числе пять в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем выполнены: [32-35, 37, 38, 72, 73] - анализ и интерпретация полученных результатов, решение поставленной задачи, подготовка научной публикации для печати; [59, 60, 64, 65, 72, 73] - проектирование аналоговых функциональных блоков, предназначенных для исполнения средствами субмикронной БиКМОП технологии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 73 наименований. Основная часть работы изложена на 109 страниц, содержит 24 таблицы и 42 рисунка.

ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ

МИКРОСХЕМ

1.1. Источники технологических погрешностей элементов

1.1.1. Особенности современной элементной базы микросхем

Процесс производства интегральной микросхемы (ИМС) заключается в формировании в приповерхностном слое полупроводниковой пластины ее элементов, таких как транзисторы, диоды, резисторы и т.д. с последующим их объединением в функциональную схему проводниками. В общем случае элементная база ИМС определяет последовательность слоев в составе микросхемы по нормали к поверхности кристалла, различающихся материалом, толщиной и электрофизическими свойствами. Заданная структура ИМС позволяет установить состав и последовательность технологических методов обработки пластины и определить технологические режимы для каждого из них.

Таким образом, современную субмикронную интегральную технологию можно представить как совокупность методов обработки, позволяющую при наличии технологической совместимости различных компонентов ИМС формировать их одновременно в едином технологическом процессе.

Важно отметить что, выпускаемые в составе той или иной серии ИМС различного функционального назначения имеют единую структуру и, следовательно, единую базовую технологию. Для базовой технологии характерны не только определенная технологическая последовательность обработки и определенный комплект оборудования, но и постоянная, отработанная настройка оборудования, т. е. жесткие технологические режимы. Последнее соображение является чрезвычайно существенным для эффективности процесса производства ИМС.

В связи с переходом полупроводниковой технологии в субмикронную область, значительное влияние на выход годных кристаллов оказывает технологический разброс параметров компонентов электрической схемы, приводящий к так называемому параметрическому браку. Моделирование с учетом статистического разброса параметров элементов позволяет спроектировать ИМС с максимальным процентом выхода годных кристаллов

Основными понятиями, описывающими статистическое поведение для всех элементов ИМС (МОП транзисторов, биполярных транзисторов, резисторов, конденсаторов и др.), являются математическое ожидание х = М(х) какого-либо параметра х, его среднеквадратическое отклонение а(х) или дисперсия ст2(х), а также ковариация соу(х,у) или коэффициент корреляции г(х,у) параметров х, у. Обычно разброс параметров элементов ИМС представляется гистограммой, показывающей частоту появления значений случайной величины. К примеру, на рисунке 1.1 приведены плотность вероятности и частота появления (ТУ) отклонений порогового напряжения Л Ум МОП транзистора.

лк,„0( в

Рисунок 1.1 - Плотность вероятности и частота появления отклонений порогового напряжения МОП транзистора с длиной канала 1=1,6 мкм и

шириной Ш— 5,4 мкм [2].

С увеличением числа опытных данных гистограмма стремится к непрерывной функции плотности вероятности (дифференциальной функции распределения).

Для учета разброса параметров ИМС нужно обработать статистически значимое количество элементов субмикронной технологии и получить их параметры функции распределения М и а. Однако для современных задач проектирования такой подход слишком приблизителен или содержит много избыточной информации. В реальности величина разброса параметров зависит от площади элементов микросхемы и расстояния между ними. Кроме того, параметры элементов находятся в сильной корреляционной зависимости [1]. Это утверждение достаточно просто продемонстрировать на примере МОП транзисторов. На рисунке 1.2 приведены измеренные данные боль�