dsd1-10 / dsd-06=Kruglov+АИС / PDF_VERSION pic / ЛАБ. РАБОТА#3 U0
.pdf
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИСТОЧНИКОВ НАПРЯЖЕНИЯ В АНАЛОГОВЫХ ИС МЕТОДОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ЭВМ.
Цель работы : ознакомление со способами реализации источников напряжения в аналоговых ИС, с методами их моделирования и расчета параметров.
1. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.
1. Изучить способы реализации источников напряжения 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 напряжения с параметрами близкими к идеальным.
Рассмотрим некоторые схемотехнические приемы, используемые в различных элементных базисах, для создания таких источников.
2.1. Источники напряжения на основе биполярных транзисторов. Источник напряжения – это схема с точкой с низким импедансом для переменного тока. Напряжение, снимаемое с этой схемы должно быть стабильным в заданном диапазоне температур и не зависеть от мощности нагрузки. Устройства с низким выходным импедансом – это источники напряжения, а источники с независимым от нагрузки и температуры выходным напряжением – это источники опорного напряжения.
Низкий выходой импеданс обеспечивает схема эмиттерного повторителя (рис.1)
UCC
R1 |
|
|
|
|
|
I1 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
UCM |
||
|
|
|
|
|
|
|
T1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
D1 |
|
|
Uo |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Z |
|
||
R2 |
|
|
|
H |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.1 Каскад с общим коллектором. |
|
||||||||||
Выходное сопротивление схемы (эмиттерный узел Т1) можно записать в виде |
|||||||||||
R0 ≈ |
ϕ T |
+ |
R1R2 |
R0 ≈ |
ϕ |
T |
+ |
R1R2 |
|
. |
|
I1 |
β (R1 + R2) |
I1 |
β (R1 + R2) |
||||||||
|
|
|
|
|
|||||||
Диод в цепи смещения здесь используется для температурной компенсации падения напряжения на Т1. Выходное напряжение в таком источнике приблизительно равно
Uo ≈ UDD R1R2R2 .
Напряжение смещения и+, значит, выходное напряжение в этой схеме зависит от величины напряжения источника питания из-за резистивного характера цепи смещения. Стабильность UСМ достигается при использовании в цепи смещения диодов и стабилитронов (рис.2), но при этом ухудшается температурная стабильность выходного напряжения.
При необходимости получения от одного источника опорного напряжения нескольких источников напряжения, относительно изолированных друг от друга по переменному току, используют многоэмиттерные транзисторы (рис. 2)
Ucc
R1
UCM |
|
T12 |
|
|
Dst |
|
U01 |
|
U02 |
D1 |
|
Z1 |
|
Z2 |
|
|
|
|
|
Рис.2. Формирование нескольких источников напряжения от одного источника опорного напряжения
2.2.Источники опорного нгапряжения
Для получения схемы источника опорного напряжения необходимо обеспечить хорошую температурную стабильность выходного сигнала (не хуже 10-4 1/0С). При хорошем подборе параметров схемы возможно получить компенсацию тепловых
дрейфов порядка 10-6. Основной подход при проектировании источников опорного напряжения (ИОН) заключается в компенсации известных температурных дрейфов при помощи введения источника дрейфа противоположного знака и соответствующей величины.
На рис.3 показана практическая схема ИОН с низким (менее 5*10-5 0С -1) температурным коэффициентом, использующая противоположные знаки ТКН и ТКР.
Ucc |
|
I0 |
|
UCM |
T1 |
Dst |
D1 |
|
R1 |
|
UO |
|
D2 |
|
R2 |
|
|
|
||
Рис.3 Температурнонезависимый источник опорного напряжения. |
||||
Величина выходного опорного напряжения в такой схеме определяется выражением |
||||
|
Uo = |
UCM R2 + UBE (R1 − 2R2) |
||
|
|
R1 + R2 |
||
Температурный коэффициент изменения выходного напряжения можно сделать практически |
||||
равным нулю при условии |
|
= − (∂ UCM ∂ T) . |
||
|
|
R1 − 2R2 |
||
|
|
|
R2 |
(∂ UBE ∂ T) |
На рис 4. показана схема температурно-независимого источника опорного напряжения.
Ucc
I0
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I1 |
|
|
R1 |
|
R2 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
T2 |
|
T3 |
U0 |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
I2 |
|
|
|
R3 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.4. Схема температурно-независимого источника опорного напряжения.
В этой схеме Т1 фиксирует ток в Т2, включенном по схеме генератора тока. |
|
Транзистор Т4 – генератор тока смещения Напряжение на R2 равно разности |
|
падений напряжения на диоде Б-Э ∆UБЭ: ∆ UBE = UBE1 − UBE2 = ϕ T ln I1 |
. |
|
!2 |
Пренебрегая базовым током транзистора и при условии β >>1, можно записать, что |
||
падение напряжения на резисторе R2 |
||
а выходное напряжение Uo |
UR2 = (R2/R3)∆UBE, |
|
Uо = UBE3 +(R2/R3)∆UBE. |
||
|
||
Температурный коэффициент ∆UBE положителен и равен |
||
|
∂(∆UBE)/∂T = (φT/T)ln(I1/I2) |
|
При правильном выборе уровней токов I1 и I2 и отношении сопротивлений R2/R3 температурный коэффициент U0 может быть примерно равным нулю. Например, при
R2/R3 = 10 = I1/I2 получим практически нулевой температурный коэффициент изменения выходного напряжения при его номинале U0 ≈ 1.2 В. Недостатком такой схемы является взаимозависимость величины выходного
напряжения и его температурного коэффициента: эти величины нельзя выбрать независимо.
3. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ
3.1.Домашнее задание.
3.1.1. Изучить и законспектировать методы реализации источников напряжения. 3.1.2. Определить номер варианта индивидуального задания и ознакомиться с его
содержанием.
3.1.3. Провести расчет номиналов сопротивлений в схеме в соответствии с вариантом.
3.1.4. При выполнении индивидуальных заданий можно считать, что все однотипные биполярные транзисторы идентичны.
3.1.5. Варианты индивидуальных заданий.
В ходе выполнения индивидуального задания проводится расчет и анализ заданного в варианте источника напряжения в зависимости от заданного диапазона температур и уровня тока.
Варианты индивидуальных заданий.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
№ |
Велич |
Температу |
Ампли |
|
№ |
Величин |
Температу |
Ампли |
вари |
ина |
рный |
туда |
|
вари |
а тока I0 |
рный |
туда |
анта |
тока |
диапазон |
выход |
|
анта |
МА |
диапазон |
выход |
|
I0 |
|
ного |
|
|
|
|
ного |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
МА |
|
сигна- |
|
|
|
|
сигна- |
|
|
|
ла, В |
|
|
|
|
ла, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0.1 |
-25 +25 |
1,5 |
|
13 |
0.1 |
-25 +25 |
1,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
0.2 |
-25 +50 |
|
|
14 |
0.2 |
-25 +50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
0.3 |
-25 +80 |
|
|
15 |
0.3 |
-25 +80 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
0.4 |
-25 +100 |
|
|
16 |
0.4 |
-25 +100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
.5 |
-25 +125 |
|
|
17 |
0.5 |
-25 +125 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
0.6 |
0 +25 |
|
|
18 |
.6 |
0 +25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
0.7 |
0 +50 |
|
|
19 |
0.7 |
0 +50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
0.8 |
0 +80 |
|
|
20 |
0.8 |
0 +80 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
0.9 |
0 +100 |
|
|
21 |
0.9 |
0 +100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
1 |
0 +125 |
|
|
22 |
1 |
0 +125 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
1.0 |
-20 +80 |
|
|
23 |
1.1 |
-20 +80 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
1.2 |
|
|
|
24 |
1.2 |
-25 +25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.2.Лабораторное задание
Рис.5 Источник опорного напряжения Brokaw.
3.2.1. Подготовка к работе:
1.Задать отношение площадей Q2 и Q1 М=10.
2.Задать напряжение питания Vcc = 3.3В.
3.Задать значение тока источника I0 в соответствии с вариантом (0,1 – 1 мА) и токов эмиттера транзисторов Q1 и Q2 IeQ1=IeQ2=I0/2.
4.Рассчитать R3 = ϕ TIlneQ1M .
5.Выбрать из существующей библиотеки транзисторы. (В соответствии с токами и плотностью тока je.)
3.2.2. Работа в лаборатории:
1.Провести DC анализ схемы источника опорного напряжения рис. 5 в заданном диапазоне температур от T- до T+. Температуры выбрать в соответствии с вариантом.
2.Отобразить и подкорректировать величину IeQ1 при комнатной температуре, изменяя R3.
3.Повторить расчет и получить зависимость Vnref(T) (рис 7). Если кривая растущая, то уменьшить R1=R2. Если кривая убывающая, то увеличить R1=R2. Получить выпуклую кривую с одинаковыми значениями напряжения при крайних температурах.
4.Измерить величину температурного разброса напряжения Vnref.
5.Рассчитать величину температурного разброса напряжения Vnref для шести значений тока I0 (при помощи схемы рис.6): 0/0,2/0,4/0,6/0,8/1,0 мА. Построить график вида рис. 7..
3.3.Оформление отчета
Отчет в тетради должен содержать: - название работы;
- краткий конспект теоретической части; - аналитические расчеты схем; - распечатки результатов моделирования; - выводы по работе.
4. Литература.
А.Б.Гребен. Проектирование аналоговых интегральных схем. М., Энергия, 1976г.
рис.6 Схема для исследований зависимости выходного напряжения от уровня тока.
рис.7 Зависимость выходного напряжения от температуры.