RU181942U1

RU181942U1 - Источник тока, стабилизированный в широком диапазоне напряжения питания

Info

Publication number: RU181942U1
Application number: RU2018113328U
Authority: RU
Inventors: Сергей Михайлович Игнатьев
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт молекулярной электроники"
Priority date: 2018-04-12
Filing date: 2018-04-12
Publication date: 2018-07-30

Abstract

Полезная модель относится к электронике, предназначена для использования в интегральных микросхемах на комплементарных транзисторах структуры металл-диэлектрик-полупроводник (КМДП). Ее технический результат, заключающийся в повышении стабильности вырабатываемого тока по температуре и реализации возможности работы при меньшем напряжении питания, достигается введением второго резистора 4 и подключением истоков с первого по пятый МДП-транзисторов 5-9 первого типа к первой шине напряжения питания +U_П. Выходной ток I устройства обладает температурной стабильностью при оптимизированном отношении сопротивлений первого и второго резисторов 3 и 4 для определенных соотношений площадей р-n переходов первого и второго диодов 1 и 2, крутизн МДП-транзисторов 5 и 6 первого типа проводимости, а также значений ряда физических параметров: ширины запрещенной зоны полупроводникового материала, температурных коэффициентов сопротивлений резисторов, опорных точек вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов. Схема устройства также содержит шестой и седьмой МДП-транзисторы 10 и 11 с индуцированным каналом первого типа проводимости и с первого по третий МДП-транзисторы 12-14 с индуцированным каналом второго типа проводимости, составляющие балансирующий операционный усилитель, управляющий токозадающим МДП-транзистором 14. 1 ил.

Description

Полезная модель относится к электронике, предназначена для использования в интегральных микросхемах на комплементарных транзисторах структуры металл-диэлектрик-полупроводник (КМДП).

Известны источники тока, содержащие КМДП-транзисторы и диоды на p-n переходах, стабилизированные по ширине запрещенной зоны, см., например, патент США №4450367, НКИ 307/297, МКИ G05F 3/16, опубликованный 22 мая 1984 г. [1]. Подобные устройства не обеспечивают высокую стабильность тока в широком диапазоне напряжения питания, так как КМДП-транзисторы, в их составе, образующие токовые зеркала, имеют разные напряжения на истоках, что создает асимметрию режимов работы транзисторов, усугубляющую дестабилизирующий эффект модуляции длин каналов при повышении напряжения питания.

Этот недостаток устранен в устройстве, описанном в патенте США №5900773, НКИ 327/539, МКИ G05F 1/10, опубликованном 4 мая 1999 г. [2]. Данное устройство содержит первый и второй диоды на p-n переходах, первый резистор, с первого по двенадцатый МДП-транзисторы с индуцированным каналом первого типа проводимости, с первого по третий МДП-транзисторы с индуцированным каналом второго типа проводимости, затворы первого и второго из которых соединены со стоками шестого МДП-транзистора первого типа и первого МДП-транзистора второго типа, сток второго и затвор третьего МДП-транзисторов второго типа соединены со стоком седьмого МДП-транзистора первого типа, затворы с первого по пятый МДП-транзисторов первого типа соединены со стоками четвертого МДП-транзистора первого типа и третьего МДП-транзистора второго типа, сток первого и затвор шестого МДП-транзисторов первого типа подключены к области первого типа проводимости первого диода, сток второго и затвор седьмого МДП-транзисторов первого типа через первый резистор подключены к области первого типа проводимости второго диода, сток третьего и истоки шестого, седьмого МДП-транзисторов первого типа соединены, а сток пятого МДП-транзистора первого типа является выходом устройства, области второго типа проводимости первого и второго диодов и истоки с первого по третий МДП-транзисторов второго типа соединены со второй шиной напряжения питания, а истоки с первого по пятый МДП-транзисторов первого типа соответственно подключены к стокам с восьмого по двенадцатый МДП-транзисторов первого типа, истоки которых подключены к первой шине напряжения питания, а затворы соединены со стоком одиннадцатого МДП-транзистора первого типа.

Вырабатываемое источником выходной ток пропорционален току в первом резисторе, напряжение на котором равно разности напряжений на первом и втором диодах, возникающей вследствие того, что плотность тока в первом диоде выше, чем во втором. Напряжение на первом резисторе соответствует формуле:

,

где Т - абсолютная температура, k=1,38⋅10^-23 Дж/град - постоянная Больцмана, q=1,6⋅10^-19 Кл - заряд электрона, I_D1, I_D2 - токи в первом и втором диодах, a S_D1, S_D2 - площади их p-n переходов.

Токи в первом и втором диодах формируют соответственно пары из первого, восьмого и второго, девятого МДП-транзисторов первого типа, выполняющие функции токовозвращающих элементов в составе токового зеркала с парой из четвертого и одиннадцатого МДП-транзисторов первого типа в качестве токопринимающих Стабильность напряжения на первом резисторе при изменении напряжения питания, определяющая стабильность соотношения этих токов, обеспечивается тем, что первый, второй и восьмой, девятый МДП-транзисторы постоянно работают в практически одинаковых электрических режимах.

Величина напряжения на первом резисторе имеет положительный линейный температурный коэффициент, стабильность выходного тока по температуре в устройстве достигается в случае положительной температурной зависимости сопротивления первого резистора, приближающимся к выражению вида

R=R₀T/T₀,

где R1₀ - сопротивление первого резистора при определенной по абсолютной шкале температуре Т₀, чаще всего за Т₀ принимают 298 К, соответствующих нормальной комнатной температуре t=25°С.

Температурную зависимость интегральных резисторов обычно описывают следующей формулой:

R=R₀(1+α_T1(Т-Т₀)+α_Т2(Т-Т₀)²),

она приходит к требуемому виду в случае приближения линейного температурного коэффициент α_T1 к 1/Т₀ и исчезающе малого значения квадратичного температурного коэффициента α_T2. Таким температурными свойствами могут обладать только резисторы из тонких пленок резистивных металлических сплавов определенного состава.

Значения температурных коэффициентов сопротивления наиболее часто применяемых диффузионных кремниевых или пленочных поликремниевых интегральных резисторов могут существенно отличаться от 1/273 К^-1 и даже иметь отрицательные значения. В таких случаях требуемая термостабильность оказывается недостижимой. Это является недостатком устройства - аналога.

Применение в устройстве пар последовательно соединенных МДП-транзисторов первого типа в качестве элементов токового зеркала приводит к повышению нижней границы рабочего диапазона напряжения питания.

Технический результат полезной модели заключается в повышении стабильности вырабатываемого тока по температуре и реализации возможности работы при меньшем напряжении питания.

Технический результат достигается тем, что в источник тока, стабилизированный в широком диапазоне напряжения питания, содержащий первый и второй диоды на p-n переходах, первый резистор, с первого по седьмой МДП-транзисторы с индуцированным каналом первого типа проводимости, с первого по третий МДП-транзисторы с индуцированным каналом второго типа проводимости, затворы первого и второго из которых соединены со стоками шестого МДП-транзистора первого типа и первого МДП-транзистора второго типа, сток второго и затвор третьего МДП-транзисторов второго типа соединен со стоком седьмого МДП-транзисторов первого типа, затворы с первого по пятый МДП-транзисторов первого типа соединены со стоками четвертого МДП-транзистора первого типа и третьего МДП-транзистора второго типа, сток первого и затвор шестого МДП-транзисторов первого типа подключены к области первого типа проводимости первого диода, сток второго и затвор седьмого МДП-транзисторов первого типа через первый резистор подключены к области первого типа проводимости второго диода, сток третьего и истоки шестого, седьмого МДП-транзисторов первого типа соединены, а сток пятого МДП-транзистора первого типа является выходом устройства, области второго типа проводимости первого и второго диодов и истоки с первого по третий МДП-транзисторов второго типа соединены со второй шиной напряжения питания, дополнительно введен второй резистор, подключенный между стоком второго МДП-транзистора первого типа и второй шиной напряжения питания, а истоки с первого по пятый МДП-транзисторов первого типа подключены к первой шине напряжения питания.

Указанное выполнение устройства позволяет повысить температурную стабильность выходного тока и расширить диапазон напряжений питания в сторону минимальных значений.

Отличительными признаками полезной модели являются наличие второго резистора и подключение истоков с первого по пятый МДП-транзисторов первого типа.

Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображена электрическая схема источника тока.

Для облегчения понимания работы схемы на чертеже и в последующем описании проводимости полупроводников первого и второго типов представлены соответственно как проводимости p и n типов, а первая и вторая шины напряжения питания - соответственно как шины положительного напряжения питания и нулевого потенциала.

Источник тока, стабилизированный в широком диапазоне напряжения питания, содержит первый и второй диоды 1 и 2 на p-n переходах, первый и второй резисторы 3 и 4, с первого по седьмой МДП-транзисторы 5-11 с индуцированным каналом p-типа проводимости, с первого по третий МДП-транзисторы 12-14 с индуцированным каналом n-типа проводимости. Затворы первого и второго n-МДП-тран-зисторов 12 и 13 соединены со стоками шестого p-МДП-транзистора 10 и первого n-МДП-транзистора 12. Сток второго и затвор третьего n-МДП-транзисторов 13 и 14 соединены со стоком седьмого p-МДП-транзистора 11. Истоки с первого по пятый p-МДП-транзисторов 5-9 подключены к шине +U_П положительного напряжения питания, а их затворы соединены со стоками четвертого p-МДП-транзистора 8 и третьего n-МДП-транзистора 14. Сток первого и затвор шестого p-МДП-транзисторов 5 и 10 подключены к p-области первого диода 1, а сток второго и затвор седьмого p-МДП-транзисторов 6 и 11 через первый резистор 3 подключены к p-области второго диода 2. Второй резистор 4 подключен между стоком второго p-МДП-транзистора 6 и шиной нулевого потенциала. Сток третьего и истоки шестого, седьмого p-МДП-транзисторов 7 и 10, 11 соединены, а сток пятого p-МДП-транзистора 9 является выходом устройства. N-области первого, второго диодов 1, 2 и истоки с первого по третий n-МДП-транзисторов 12-14 соединены с шиной нулевого потенциала.

Устройство работает следующим образом.

Все МДП-транзисторы 5-14 устройства работают в области насыщения. У каждого из них прямо приложенное напряжение U_СИ между стоком и истоком превосходит превышение напряжением U_ЗИ затвор-исток своего порогового значения U_ПОР, то есть U_СИ>U_ЗИ-U_ПОР, Следовательно, для транзисторов 5-14 справедлива известная формула (1) для вольт-амперной характеристики в области насыщения,

где I_C - ток стока, β - крутизна.

Необходимым условием правильной работы устройства также является равенство пороговых напряжений U_{ПОР Р} и U_{ПОР N} у всех МДП-транзисторов каждого типа.

Р-МДП-транзисторы 5-8 образуют токовое зеркало, в котором отношения возвращаемых токов стоков p-МДП-транзисторов 5, 6, 7, 9 к принимаемому току стока p-МДП-транзистора 8 прямо пропорциональны отношениям крутизны β₅, β₆, β₇, β₉ этих транзисторов к крутизне β₈ p-МДП-транзистора 8.

Соотношения (2) следуют из формулы (1) в условиях общности напряжения на объединенных затворах p-МДП-транзисторов 5-9.

Р-МДП-транзисторы 10, 11 и n-МДП-транзисторы 12, 13 составляют операционный усилитель, питаемый током стока p-МДП-транзистора 7, который управляет источником тока на n-МДП-транзисторе 14, задающим ток стока p-МДП транзистора 8. Регулируя ток стоков МДП-транзисторов 8 и 14, операционный усилитель устанавливает равенство падения напряжения на цепи из диода 2 и резисторов 3, 4, создаваемого током стока p-МДП-транзистора 6, падению напряжения на диоде 1, создаваемому током стока p-МДП-транзистора 5.

Соотношения площадей p-n переходов S_D1, S_D2 диодов 1, 2 и их токов обеспечивают более высокую плотность тока в диоде 1, поэтому напряжение на диоде 1 выше, чем на диоде 2.

Ток в диоде 2 равен току стока p-МДП-транзистора 6 за вычетом тока в резисторе 4, напряжение на котором в силу равенства потенциалов на затворах p-МДП-транзисторов 10 и 11 равно напряжению на диоде 1.

Напряжение U_D на полупроводниковом диоде в зависимости от абсолютной температуры Т и протекающего тока I_D выражает формула

где U_D0 - напряжение на диоде при плотности тока J_D0 и температуре Т₀, S_D - площадь p-n перехода диода.

Разность напряжений на диодах 1 и 2, приложенная к резистору 3, определяющему ток диода 2, соответствует выражению

при том, что токи стоков p-МДП-транзисторов 5 и 6 связаны вытекающей из выражений (2) пропорцией:

Напряжение на диоде 1 при I_D=J_D0×S_D, будет выражено как

Ток истока p-МДП-транзистора 6 складывается из токов в резисторах 3 и 4 согласно выражению (7):

в котором первое слагаемое внутри левых скобок возрастает с увеличением температуры Т, что следует из (4), а второе - убывает, согласно (6), так как для кремниевых p-n переходов Е₀>U_D0. В формуле (7) учтена также температурная зависимость сопротивлений резисторов, которая предполагается одинаковой и выражена через линейный и квадратичный коэффициенты α_T1 и α_Т2.

Выходным током устройства является ток стока p-МДП-транзистора 9, пропорционального току стока p-МДП-транзистора 6 согласно паре из равенств (2), содержащих I_С6 и I_C9.

Формулы (4) - (7) демонстрируют устойчивость величины вырабатываемого тока к воздействию дестабилизирующих факторов тем, что в них присутствуют только конструктивные параметры элементов схемы - отношения крутизн β МДП-транзисторов, определяемые отношением ширин W и длин L каналов транзисторов, и площадей S_D p-n переходов диодов, физические параметры Е₀ и α_T1, α_Т2 полупроводникового материала, а также опорные точки U_D0 и R₀ вольтамперных характеристик диодов и резисторов одинаковые для всех типов элементов, формируемых в одном производственно-технологическом процессе.

С математической точки зрения выражения (4) - (7) образуют систему уравнений, среди которых есть трансцендентные, поэтому решение системы относительно величины I_C6 в общем случае невозможно получить в виде аналитического выражения.

Поиск номинальных величин R3₀ и R4₀ сопротивлений резисторов 3 и 4, обеспечивающих требуемое значение тока I_С6 и его минимальное отклонение от номинала в заданном температурном диапазоне, на практике осуществляется подбором R3₀ и R4₀ в процессе моделирования схемы с помощью САПР. Затем может следовать уточнение значений по результатам исследований экспериментальных образцов, изготовленных с вариациями величин сопротивлений, покрывающими все поле погрешностей моделирования.

При моделировании КМДП-схем средствами САПР для тока стока МДП-транзистора в области насыщения применяется более точное уравнение Шичмена - Ходжеса

в котором через коэффициент λ учтена модуляция длины канала при изменении напряжения U_СИ между областями стока и истока.

Тем не менее у пар МДП-транзисторов 5 и 6, 10 и 11, 12 и 13, симметричность параметров которых имеет существенное значение для стабильной работы устройства, влияние модуляции длин каналов сведена к минимуму, так как перечисленные пары МДП-транзисторов имеют практически одинаковые напряжения областей стоков и, следовательно, изменения этих напряжений не нарушает критическое отношение (5) для токов стоков I_C5 и I_C6.

Наличие второго резистора 4 упрощает процесс запуска работы источника тока при включении напряжения питания. Первоначально закрытые транзисторы 5-9 начинают проводить токи утечки, которые, не смотря на очень малу величину, создают падение напряжения на диоде 1, существенно превышающее падение напряжение на цепи из элементов 2-4. Это приводит к ответвлению тока стока МДП-транзистора 7 в МДП-транзистор 11 и повышению потенциала его стока, а, следовательно, и затвора МДП-транзистора 14. Канал МДП-транзистора 14 начинает открываться и проводить увеличивающийся ток, принимаемый токовым зеркалом на МДП-транзисторах 5-9, Возвращаемые зеркалом токи увеличиваются до тех пор, пока напряжения на стоках МДП-транзисторов 5 и 6 не становятся равными и устройство входит в рабочий режим.

Таким образом, источник вырабатывает ток, температурная стабильность которого с учетом физических параметров полупроводникового материала - ширины запрещенной зоны и температурных коэффициентов сопротивления резисторов задается конструктивными параметрами элементов, определяющими отношения сопротивлений резисторов, размеров МДП-транзисторов одинаковых типов проводимости и площадей диодов, и не зависящими от воздействий дестабилизирующих производственных и эксплуатационных факторов.

Результаты моделирования заявляемой полезной модели «Источник тока, стабилизированный в широком диапазоне напряжения питания»

Для подтверждения работоспособности источника тока и достижения технического результата автором проведено его моделирование в сравнении с аналогом при помощи программы SpectreS САПР Cadence с использованием следующих моделей биполярных, применяемых в качестве диодов, и КМДП-транзисторов.

Параметры модели биполярных PNP транзисторов:

Тип модели	pnp
Ток насыщения при температуре 27°С	IS=1,56Е-17 А
Максимальный коэффициент усиления тока в нормальном режиме в
схеме с ОЭ	BF=15,1
Коэффициент неидеальности в нормальном режиме	NF=1
Коэффициент неидеальности в инверсном режиме	NR=0,995
Максимальный коэффициент усиления тока в инверсном режиме в
схеме с ОЭ	BR=0,12
Обратный ток эмиттерного p-n перехода	ISE=2,25E-16 А
Обратный ток коллекторного p-n перехода	ISC=5,12Е-15 А
Коэффициент неидеальности эмиттерного p-n перехода	NE=2
Коэффициент неидеальности коллекторного p-n перехода	NC=1,06
Напряжение Эрли в нормальном режиме	VAF=199,2 В
Напряжение Эрли в инверсном режиме	VAR=19,9 В
Точка начала спада зависимости BF от тока коллектора в
нормальном режиме	IKF=2,748E-4 А
Точка начала спада зависимости BR от тока коллектора в инверсном
режиме	IKR=1,0E-3 A
Объемное сопротивление базы (max) при нулевом смещении	RB=84,66 Ом
Максимальное сопротивление базы при больших токах	RBM=25 Ом
Ток базы, при котором сопротивление базы уменьшается на 50% от
полного перепада между RB и RBM	IRB=8,0E-5 A
Объемное сопротивление эмиттера	RE=6 Ом
Объемное сопротивление коллектора	RC=129,7 Ом
Емкость эмиттерного р-n перехода при U_ЭБ=0	CJE=1,72Е-14 Ф
Контактная разность потенциалов эмиттерного p-n перехода	VJE=0,91 В
Коэффициент, учитывающий плавность эмиттерного p-n перехода	MJE=0,477
Емкость коллекторного p-n перехода при U_КБ=0	CJC=1,79E-14 Ф
Контактная разность потенциалов коллекторного p-n перехода	VJC=0,5 В
Коэффициент, учитывающий плавность коллекторного p-n перехода	MJC=0,207
Емкость p-n перехода коллектор-подложка при U_КП=0	CJS=0 Ф
Контактная разность потенциалов p-n перехода коллектор-подложка	VJS=0,75 В
Коэффициент, учитывающий плавность p-n перехода кол-p-подложка	MJS=0,
Время переноса заряда в нормальном режиме	TF=6,4E-9 с
Время переноса заряда в инверсном режиме	TR=0 с
Температурный коэффициент BF и BR	ХТВ=2,21
Коэффициент нелинейности барьерных емкостей прямосмещенных
p-n переходов	FC=0,5
Ширина запрещенной зоны	EG=1,115 эВ
Температурный коэффициент IS	XTI=5,749

На рис. 1 и 2 представлены схемы моделирования заявляемого устройства и его ближайшего аналога.

Обозначения элементов на схемах соответствуют их названиям в формуле полезной модели. То есть М1р, … М7р - это с первого по седьмой p-МДП-транзисторы, на чертеже заявки они имеют номера 5-11, а М1n, … М3n - с первого по третий n-МДП с номерами 12-14. Q1, Q2 - PNP транзисторы, представляющие первый и второй диоды 1 и 2, R1 и R2 - первый и второй резисторы 3 и 4. Транзисторы с обозначением MLn в схемах моделирования выполняют функцию нагрузки. На схеме аналога в обозначениях элементов добавлен индекс "а", в ней также содержатся отсутствующие в заявляемом устройстве восьмой - двенадцатый p-МДП-транзисторы М8ра, … М12ра.

Для моделирования выбраны две температурные зависимости сопротивлений резисторов с положительными и отрицательными температурными коэффициентами:

R=R₀(1+0,5⋅10^-3(Т-300 K)+0,2⋅10^-6(Т-300 K)²),

R=R₀(1-0,5⋅10^-3(Т-300 K)-0,2⋅10^-6(Т-300 K)²).

Ближайший аналог дополнительно промоделирован при оптимальной для его работы температурной зависимости сопротивления резистора, отвечающей формуле: R=R₀(1+3,223⋅10^-3(Т-300 K)).

Подобранные номинальные сопротивления резисторов R1=13,97 кОм, R2=173 кОм для заявляемого устройства при положительных температурных коэффициентах сопротивлений, R1=20,86 кОм, R2=121,5 кОм - для отрицательных и R1a=7,304 кОм для устройства - аналога обеспечивают выработку токов с номиналом 50 мкА при отношении токов стоков I_C5:I_C6 = 2:1 и отношении площадей p-n переходов диодов S_D1:S_D2 = 1:8.

Полученные при помощи моделирования значения выходных токов устройств - токов стоков транзисторов М5р и М5ра в диапазоне температур при напряжении питания V_CC=5 В представлены табл. 1 и графиками на рис. 3 а-г. Температурная нестабильность выходных токов устройства - аналога и заявляемого устройства в диапазоне от -60 до 125°С для более благоприятных - положительных температурных коэффициентах сопротивлений резисторов при номинальном напряжении питания V_CC=5,0 В равны соответственно -25,6, 26,1 и -1,06%. Это демонстрирует то, что изменение схемы существенно повышает температурную стабильность устройства. Для температурной стабилизации устройства - аналога используемый в нем резистор должен иметь определенное значение линейного температурного коэффициента сопротивления α_Ti≈1/Т₀, см. график на рис. 4

Разбросы выходных токов при отклонении напряжения питания V_CC в диапазоне от 3,0 до 10,0 В для заявляемого устройства и от 4,5 до 10,0 В для его аналога представляют табл. 2 и графики на рис. 5-8. Для заявляемого устройства разбросы существенно ниже, в диапазоне температур они не превышают 1%, в то время как у аналога более 40%.

Таким образом, результаты моделирования показали более высокую стабильность заявляемого устройства при изменении температуры и работоспособность при более низком напряжении питания.

Claims

Источник тока, стабилизированный в широком диапазоне напряжения питания, содержащий первый и второй диоды на p-n переходах, первый резистор, с первого по седьмой МДП-транзисторы с индуцированным каналом первого типа проводимости, с первого по третий МДП-транзисторы с индуцированным каналом второго типа проводимости, затворы первого и второго из которых соединены со стоками шестого МДП-транзистора первого типа и первого МДП-транзистора второго типа, сток второго и затвор третьего МДП-транзисторов второго типа соединены со стоком седьмого МДП-транзистора первого типа, затворы с первого по пятый МДП-транзисторов первого типа соединены со стоками четвертого МДП-транзистора первого типа и третьего МДП-транзистора второго типа, сток первого и затвор шестого МДП-транзисторов первого типа подключены к области первого типа проводимости первого диода, сток второго и затвор седьмого МДП-транзисторов первого типа через первый резистор подключены к области первого типа проводимости второго диода, сток третьего и истоки шестого, седьмого МДП-транзисторов первого типа соединены, а сток пятого МДП-транзистора первого типа является выходом устройства, области второго типа проводимости первого и второго диодов и истоки с первого по третий МДП-транзисторов второго типа соединены со второй шиной напряжения питания, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй резистор, подключенный между стоком второго МДП-транзистора первого типа и второй шиной напряжения питания, а истоки с первого по пятый МДП-транзисторов первого типа подключены к первой шине напряжения питания.