dsd1-10 / dsd-06=Kruglov+АИС / PDF_VERSION pic / ЛАБ. РАБОТА 2 ИТ_Shishina

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИСТОЧНИКОВ ТОКА В АНАЛОГОВЫХ ИС МЕТОДОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ЭВМ.

Цель работы : ознакомление со способами реализации источников тока в аналоговых ИС, с методами их моделирования и расчета параметров.

1.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1.Изучить способы реализации источников тока в аналоговых ИС.

2.Выполнить домашнее задание.

3.Выполнить исследовательскую часть работы.

4.Оформить отчет и сдать работу.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.

Для широкого класса аналоговых БИС необходима реализация источников токов с параметрами близкими к идеальным.

Рассмотрим некоторые схемотехнические приемы, используемые в различных элементных базисах, для создания таких источников.

2.1. Источники постоянного тока на основе биполярных транзисторов.

Активные элементы БИС – биполярные и МДП транзисторы (БТ и МДПТ обладают выходными характеристиками в той или иной степени похожими на источники тока. Идеальные источники тока характеризуются двумя параметрами: величиной и направлением тока. Для реальных источников приходиться использовать дополнительные параметры, характеризующие степень их приближения к идеальным. В перечень этих параметров входит:

-дифференциальная выходная проводимость;

-диапазон рабочих напряжений;

∂ Uип

Наиболее широко распространенной схемой источника тока является так называемое токовое зеркало, показанное на рис.1. В этой схеме базы транзисторов соединены и потому напряжение U бэ у обоих транзисторов одно и

тоже. Если транзисторы выполнены идентичными, то их базовые и коллекторные токи одинаковы. А поскольку ток I1 , задаваемый через резистор R состоит из коллекторного тока T1 и двух базовых токов, то при достаточно большом коэффициенте усилений β токи в левой и правой половинах схемы будут совпадать I1 ≈ I2 . Легко показать, что более точное соотношение между этими токами составит

Здесь и в дальнейшем анализе предполагается, что напряжение Uбэ не зависит от величины базового тока и составляет ≈ 0,7 В.

Направление источника тока зависит от типа транзистора и для прп БТ ток втекающий, а для рпр – вытекающий.

Диапазон выходного рабочего напряжения в схеме токового зеркала лежит в пределах от напряжения коллектор-эмиттер насыщения U кэн ≈ 0,2 В до напряжения

пробоя U кэпр ≈ 40…60 В.

Выходная проводимость источника тока определяется выходным сопротивлением транзистора при включении с общим эмиттером и обусловлена эффектом модуляции толщины базы. Поскольку выходная проводимость пропорциональна току коллектора, то в наиболее простой форме выходную проводимость можно записать в виде [1]:

где U А - эффективное напряжение Эрли, обратное коэффициенту модуляции толщины базы. Типичные значения U А составляют 100…300 В в зависимости толщины базы транзистора и способа его изготовления.

В рассмотренной схеме напряжение питания непосредственно влияет на величину тока источника и как следует из формулы (1)

Температурный коэффициент источника тока находится путем дифференцирования выражения (2)

Температурный коэффициент резистора положителен и обычно равен + 2 10−3 / 0 C . Значение ∂ Uбэ / ∂ T зависит от величины тока эмиттера [1].

Его типовое значение можно положить равным − 2мВ/ 0 C . Таким образом результирующий ТКI2 может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от Uип .

Кроме статических параметров, рассмотренных выше, существенное значение для ряда применений имеет комплексная выходная дифференциальная проводимость, зависящая от частоты (ω ). Ее величина кроме активной составляющей G содержит мнимую, обусловленную емкостями коллектор-база Скб и коллектор-подложка Скп :

При использовании источника тока в усилителях в качестве активной нагрузки модуль комплексной проводимости может быть существенно больше активной составляющей уже на частотах выше 1кГц. Это приводит к понижению коэффициента усиления с частотой.

Рассмотренная выше базовая схема токового зеркала имеет ряд модификаций. На рис. 2 представлена схема токового зеркала Уилсона, которая обладает значительными преимуществами перед базовой схемой.

Рассмотрим токи протекающие в левой и правой половинах схемы. Согласно принятым обозначениям токов на рис. 2 и законам Киргофа можно написать следующие уравнения :

Полагая транзисторы идентичными получим, что

Уравнение (9) говорит о полной симметрии токового зеркала Уилсона, которое

вреальных схемах реализуется с хорошей степенью точности. Дифференциальная выходная проводимость в токовом зеркале Уилсона может

быть найдена из эквивалентной схемы представленной на рис. 3. В этой схеме предполагается, что I1=const, а потенциалы на базах транзисторов Т2 и Т3 постоянны. В таком приближении выходную проводимость схемы определяет выходная проводимость транзистора Т2, которая на эквивалентной схеме изображена отдельно.

При изменении выходного напряжения на величину ∆ U произойдет изменение выходного тока на величину ∆ I . Поскольку ток транзистора Т1

изменится также на ∆ I , базовый ток Т2 составит - ∆ I (I1 = const) . В результате баланс токов для Т2 имеет вид

Таким образом выходная проводимость токового зеркала Уилсона в ( β +1) раз

меньше, чем в рассмотренном ранее базовом варианте. Это объясняется отрицательной обратной связью по току, которая имеет место в данной схеме. Уменьшение выходной проводимости может быть достигнуто и за счет использования составных источников тока, как например у представленного на рис. 4.

Токовые зеркала могут быть несимметричными и иметь несколько выходов. На рис. 5 показана схема, в которой величины выходных токов задаются очевидными соотношениями:

Транзистор Т1 позволяет уменьшить различие между токами I1 и In ,что позволяет соединять параллельно большое количество выходных транзисторов Т3…Тn . Соотношение (12) может быть точным, если площади эмиттеров масштабированы. В случае, если все транзисторы одинаковы, а токи через них различны, напряжения Uбэ также будут немного отличаться и равенства (12)

становятся приблизительными. Этот эффект может быть учтен коррекцией номиналов резисторов.

Отметим, что в источниках тока на основе БТ, у которых в эмиттере стоит резистор R, выходное сопротивление заметно повышается и стремится к β / G при

Rэ → ∞ [1].

2.2 Источники тока на основе полевых транзисторов.

Полевые транзисторы (МДПТ) в зависимости от наличия канала между стоком и истоком при нулевом напряжении затвор-исток делится на две группы: c индуцированным и со встроенным каналом.

Наиболее просто источники тока реализуются на основе транзисторов со встроенным каналом. На рис. 6 показаны включение транзистора с управляющим барьерным переходом, при котором он в определенной области выходных напряжений является источником тока и его выходная ВАХ.

Выходная вольтамперная характеристика МДПТ во многом совпадает с аналогичной характеристикой БТ. Выходная же проводимость на участке насыщения тока G в быстродействующих МДПТ, как правило, значительно выше, чем в биполярных, что объясняется эффектами короткого канала. Напряжение UА для МДПТ лежит в пределах от 50 до 200 В в зависимости от длины канала и полупроводника, из которого он изготовлен.

Уменьшить выходную проводимость в источниках тока на основе ПТ можно с помощью их каскадного включения, показанного на рис. 7.

На рис. 7,а на затворе транзистора Т2 задается опорное напряжение

U оп = UипR1 (R1 + R2 ) > U син , что обеспечивает работу Т1 в пологой области ВАХ. В

такой схеме ширина канала обоих транзисторов может быть одинаковой.

Для определения выходного сопротивления источника можно воспользоваться эквивалентной схемой выходной цепи для переменного сигнала на рис. 8 . Поскольку затворными токами в транзисторах Т1 и Т2 можно пренебречь, то через оба транзистора протекают одинаковые токи

части уравнения (13) стоит переменный ток транзистора Т1, обусловленный его выходной проводимостью. В правой части находятся переменные составляющие тока транзистора Т2. Первый член связан с выходной проводимостью МДПТ, а второй – с проходной проводимостью, то есть, обусловлен изменением тока стока из-за изменения напряжения затвор-исток. Определяя из уравнения (13) ∆ Uи2 и

(14)

Поскольку отношение g / G = кi соответствует собственному максимальному коэффициенту усиления ПТ, выражение (14) можно привести к виду

Таким образом, благодаря стабилизации напряжения на стоке транзистора Т1 выходная проводимость источника тока на рис. 7,а уменьшается в (кi+2) раза. Рассмотренный источник тока не является двухполюсником (третий вывод - Uип), что ограничивает возможности его применения.

На рис. 7,б представлен двухполюсный источник тока, принцип действия которого аналогичен рассмотренному выше. Отличие состоит только в том, что затворы обоих транзисторов соединены с истоком Т1. Благодаря такому включению данный источник тока имеет малую выходную проводимость, как со стороны стока Т2, так и со стороны истока Т1, если на обоих ПТ падает достаточное напряжение.

Чтобы определить падение напряжения, которое приходится на транзистор Т1, рассмотрим вольтамперную диаграмму на рис. 9. Здесь цифрами обозначены: 1 – выходная характеристика Т1 [Ic=f1(Uси) при Uзи=0]; 2 – проходная характеристика Т2 [Ic=f2(Uзи) при Uси >Uсн] для случая когда ширина каналов w у обоих транзисторов одинакова (w1=w2); 2 –та же характеристика при w2=3w1. Диаграмма построена исходя из того, что в данной схеме выполняются соотношения: Uси1 = −U зи2 и Ic1 = Ic2.

Точка пересечения кривых 1 и 2 определяет падение напряжения Uси1 в

зависимости от соотношения w2/w1. Для МДПТ со встроенным каналом на основе кремния U син = [U пор] при U зи = 0 ; поэтому, как видно из диаграммы, транзистор Т1 не попадает в пологую область ни при каких отношениях w2/w1. Однако с увеличением этого отношения выходная стоковая проводимость G1 транзистора

Т1 падает.

Уменьшение выходной проводимости в схеме на рис. 7,б меньше, чем рассмотренном ранее случае, поскольку Т1 не находится в пологой области. При этом выходная проводимость составляет:

Дополнительное уменьшение выходной проводимости может быть достигнуто при включении еще одного транзистора Т3 , как это показано на рис. 7,в.

Для обоснованного выбора конкретного схемотехнического варианта источника тока на основе МДПТ следует иметь ввиду, что двухполюсные источники более универсальны, но занимают большую площадь на кристалле и обладают худшими частотными характеристиками, что связано с необходимостью выполнять соотношение w 2 /w1 3…5.

По сравнению с источниками тока на основе БТ аналогичные источники на основе МДПТ требуют большего напряжения питания поскольку Uсин > U кэн .

Источники тока на основе МДПТ с индуцированным каналом могут во многих случаях использовать схемотехнику, разработанную для токовых зеркал на основе БТ. На рис. 10 показаны варианты токового зеркала, реализованный на основе МДПТ с индуцированным каналом. На рис. 10,а представлен простейший вариант токового зеркала, выходная проводимость которого определяется стоковой проводимостью транзистора Т2 . На рис. 10,б показан составной источник, выходная проводимость которого значительно уменьшается за счет стабилизации напряжения на стоке транзистора Т4 .

Расчет выходной проводимости для данной схемы совпадает с аналогичным расчетом для схем на рис. 7. Отметим только что на выходную проводимость МДПТ также влияет управление по подложке, которая может быть рассмотрена как дополнительный затвор в тех случаях, когда напряжение на истоке МДПТ не фиксировано.

Соотношение между токами в левой и правой частях токового зеркала определяется соотношением между размерами ширины транзисторов Т1 и Т2 , то есть I2 / I1 = w2 / w1 , для первого варианта схемы и I2 / I1 = w3 / w4 для второго.

3.ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

3.1.Домашнее задание.

3.1.1.Изучить и законспектировать методы реализации источников тока в различных элементных базисах.

3.1.2.Определить номер варианта индивидуального задания и ознакомиться с его содержанием.

3.1.3.При выполнении индивидуальных заданий можно считать, что все однотипные биполярные и МДПТ транзисторы идентичны. Остальные характеристики активных и пассивных компонентов приводятся в приложении.

3.1.4.Варианты индивидуальных заданий.

В ходе выполнения индивидуального задания проводится расчет и анализ заданного в варианте источника тока в зависимости от разброса параметров схемы.

Варианты индивидуальных заданий. Рис.12

Для указанных схем проводятся аналитические расчеты следующих величин: - сопротивление резисторов или площадей МДПТ для токов источников

1 мА;

-диапазона рабочих напряжений;

-дифференциальной выходной проводимости;

-зависимости тока источника от напряжения питания;

-ТК источника I −1 ∂∂TI .

3.1.5.Перед выполнением лабораторной работы необходимо провести все аналитические расчеты.

3.2.Лабораторное задание

3.2.1.Изучить характерстики транзисторов, на которых построены схемы исследуемых источников тока (схемы рис.5 a,b,c,d из работы №1). Провести

расчет величин выходных проводиместей G по ВАХ Iвых = f (Uвых ) для Uип = 5

и 5,5 В при Т=300К; 350К.

Сравнить результаты предварительного расчета и машинного эксперимента.

3.2.2.провести моделирование схемы ИТ в соответствии с вариантом.

3.2.3.провести АС анализ исследуемых схем по методике, показанной на рис. 11, в которой использованы конкретные значения проводимости G и тока I, определенные в результате моделирования.

Изучить частотные зависимости выходных проводимостей источников тока. Построить и интерпретировать зависимости U1 /U 2 = f (ω ) .

3.2.4.провести исследования стабильности выходного напряжения в зависимости от разброса - напряжения источника питания +/-10%;

- номиналов резисторов +/-10%; - температуры (-280К, 300К, 320К, 350К).

3.3.Оформление отчета

Отчет в тетради должен содержать: - название работы;

-краткий конспект теоретической части;

-аналитические расчеты схем;

-распечатки результатов моделирования;

-выводы по работе.

ПРИЛОЖЕНИЕ

1. Параметры элементов в БИС на основе биполярных транзисторов: в прп – транзисторов β = 100; рпр - β = 50;

эффективное напряжение Эрли U А = 200В; температурные коэффициенты ТКН U бэ = ∂ ∂UТбэ = −2мВ/ 0 C ;

ТКС = R−1 ∂∂ TR = 2 10−31/ 0 C;

емкости:

коллектор-база - CКБ = 2пф;

коллектор-подложка - СКП = 2пф; эмиттер-база – 1,5пф;

ϕ Т = 25мВпри Т=300К; напряжение пробоя коллектор-эмиттер – 50В.

2.Параметры МДП транзисторов.

3.Резисторы в источниках входного сигнала 100 Ом. Ток в источниках тока равен 1 мА.

Транзисторы Q1 Q2/1 лучше выбрать с коэффициентом от 1 до 10. Например, ток через токозадающую ветку 0,5мА, тогда основной ток получится умножением на коэффициент. Обычно напряжение на нижнем резисторе выбирают равным 110мВ, этого обычно хватает при разбросе питаний и технологии. Резистор в нагрузке выбирают, исходя из требуемого максимального выходного напряжения. Например, коэффициент умножения 2 тогда ток в усилителе (или эквиваленте усилителя) будет 1мА. Если выбрать амплитуду выходного сигнала в 220мВ то нагрузочные резисторы будут 220 Ом.

В токовых зеркалах коэффициент передачи тока равен 1.

ЛИТЕРАТУРА

1. Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы. Пер. с англ.-М.: Мир, 1988.-583с.