Методы построения источников опорного напряжения в составе интегральных микросхем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Гулевич, Павел Владимирович

• Гулевич, Павел Владимирович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гулевич, Павел Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

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

1.1. Стабилитроны.

1.2. ИОН с подогревом.

1.3. ИОН на полевом транзисторе.

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

1.5. Схемотехника ИОН в КМОП-базисе.

Выводы.

ГЛАВА 2. Математическое моделирование и оптимизация схем ИОН.

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

2.1.1. Оценка температурной зависимости опорного напряжения стандартного ИОН.

2.1.2. Влияние разброса параметров схемы на опорное напряжение.

2.1.3. Оценка необходимой коррекции номинала резисторов (с целью компенсации суммарной погрешности).

2.1.4. Оценка зависимости опорного напряжения от напряжения питания.

2.1.5. Выбор оптимального соотношения площадей транзисторов.

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

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

2.2.2. Оценка влияния разброса параметров элементов на опорное напряжение.

2.2.3. Оценка необходимой коррекции резистора.

2.2.4. Оценка влияния напряжения питания.

Выводы.

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

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

3.2. Проверка соответствия расчетных характеристик экспериментальным результатам.

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

Выводы.

ГЛАВА 4. Разработка схемы интегрального тензопреобразователя давления.

4.1. Температурная погрешность интегральных тензопреобразователей.

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

4.3. Экспериментальные исследования разработанной схемы интегрального преобразоваетля давления.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы построения источников опорного напряжения в составе интегральных микросхем»

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

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

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

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

Диссертационная работа состоит из 4 глав и приложения.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Практическая значимость.

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

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

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

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

- 10

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Гулевич, Павел Владимирович

Выводы.

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

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

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

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

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

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

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

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гулевич, Павел Владимирович, 2000 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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