РОЗДІЛ 2
РОЗРОБКА ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ВУЗЛА ПЕРВИННОГО
ПЕРЕТВОРЮВАЧА З ВІДЛІКОМ ВІДНОСНОЇ ТЕМПЕРАТУРИ
2.1. Структура вузла та принципи перетворення
Проведений у першому розділі дисертації аналіз проблем розробки термосенсорних
однокристальних ІС показав, що, на відміну від ІС з абсолютною температурною
шкалою (ІС з широким діапазоном вимірювання), номенклатура яких є достатньо
широкою, а наукова тематика - вичерпною, термосенсорні ІС з відліком відносної
температури (ІС із вузьким діапазоном вимірювання – від ± 10С) залишаються
практично поза увагою. При цьому актуальність таких термосенсорів, особливо у
біомедичній електроніці, техніці екологічного моніторингу тощо, є значною.
Формування відносної температурної шкали на основі перетворювачів, сигнал яких
визначається абсолютною температурою, не завжди забезпечує достатню
ефективність. Враховуючи тенденцію розвитку сучасної мікроелектроніки на
однокристальне інтегрування пристроїв, очевидною є необхідність вирішення задач
розробки термосенсорних ІС з відліком відносної температури [76].
Основними елементами сенсорів, що визначають точність їх функціонування, є
первинні перетворювачі. В їх якості в термометрії знаходять застосування
терморезистори, термопари, діоди у прямому зміщенні тощо. Однак недостатня
відтворюваність параметрів таких перетворювачів у складі однокристальних ІС
обмежує можливість їх ефективного використання. Тому в якості первинних
перетворювачів температури сенсорних ІС широке застосування отримали
спеціалізовані функціональні вузли, вихідний сигнал яких формується
диференційним увімкненням двох p-n-переходів з різною густиною струму. Як було
вище показано, саме такий принцип функціонування перетворювачів температури
забезпечує високу стабільність характеристик однокристальних ІС [81,87].
Опорна напруга, що забезпечує можливість зміщення сигналу первинного
перетворювача, і тим самим - формування відносної температурної шкали, також
може бути синтезована на вузлах з масштабованою густиною струму. Цей принцип
застосовується в стабілізаторах, що синтезують температурностабільну напругу,
чисельно рівну ширині забороненої зони кремнію [88].
Однак певна нелінійність сигналу первинного перетворювача з відліком
абсолютної температури та нестабільність опорної напруги, призводять до значних
похибок процесу формування відносної температурної шкали. Особливо це має місце
при зміщенні діапазону вимірюваних температур і проявляється у нестабільності
температурного коефіцієнта сигналу та нелінійності функції перетворення.
Вирішення даної проблеми полягає у розробці спеціальних вузлів перетворювачів
з відліком відносної температури, комплексному аналізі похибок
температурнозалежного сигналу та опорної напруги та оптимізації схем
перетворювачів щодо мінімальних структурних затрат, величин напруги живлення і
струму споживання, нестабільності до зміни режиму живлення та невідтворюваності
параметрів елементної бази.
В ході дисертаційної роботи проведено розробку ряду вузлів первинних
перетворювачів, які, в залежності від критеріїв оптимізації, мають різну
структуру та параметри [1,2,66,44,78,79,102,103]. Схеми базового варіанту
перетворювачів з мінімальними структурними затратами наведено на рис. 2.1.
Основними складовими перетворювачів є функціональний стабілізатор - формувач
струму ІT на елементах Т1-Т4, RE, RZ, струмове дзеркало - подільник на Т5-Т7 та
елементи формування відносної температуропровідної шкали D, RT, RL, R0. В
залежності від вимог до параметрів вихідного сигналу, про які буде сказано
нижче, перетворювач може мати модифікації, зокрема схеми 2.1,а, 2.1,б.
Розглянемо принцип функціонування стабілізатора струму. У відповідності до
його схеми можна записати систему рівнянь:
а) б)в)
Рис. 2.1 Електричні схеми базового варіанту первинного перетворювача з відліком
відносної температури (a, б) і фрагмент топології розробленої термосенсорної
інтегральної схеми (в).
де Ubei - напруги на емітерних p-n- переходах транзисторів (Ti), Ic - вихідні
(колекторні) струми транзисторів (Ti).
Враховуючи, що для кремнієвих p-n-переходів при напругах Ube >> jT, тобто
нормальних напругах їх прямого зміщення, вольт-амперна характеристика (ВАХ)
може бути спрощена
де Is - cтрум насичення; jT = kT/q; m - коефіцієнт неідеальності p-n переходу;
k - постійна Больцмана; q - заряд електрона; T - абсолютна температура.
Знехтувавши базовими струмами, запишемо:
Після відповідного зведення отримуємо
Приймемо, що активна площа транзисторів Т1 ? Т3 та електрофізичні параметри їх
структур взаємототожні, тобто Іs1 = Іs2 = Іs3 = Іs, а активна площа емітера Т4
в р разів більша, ніж у Т1-Т3, тобто Іs4 = рЧІs, та враховуючи вихідні рівняння
наведеної системи, отримуємо:
Таким чином, струм ІT в першому наближенні не залежить від напруги живлення та
струму через резистор RZ, тобто має місце стабілізація режиму живлення. Крім
того, величина ІТ характеризується лінійною залежністю від абсолютної
температури Т, а крутизна цієї залежності становить
Розглянутий стабілізатор аналізується в роботі [104], однак, як буде показано
нижче, неврахування в цитованій літературі ряду важливих факторів - напруги
Ерлі транзисторів і температурного коефіцієнта резисторів, призвело до суттєвих
похибок і навіть некоректних висновків щодо режимів стабілізації та
температурної стабільності. Проведені в ході дисертаційної роботи дослідження
схеми стабілізатора дали змогу виявити принципово нові ефекти стабілізації, які
буде відзначено у відповідних розділах.
Струмове дзеркало - подільник Т5 ? Т7 є модифікацією схеми Уілстона, і, на
відміну від
- Київ+380960830922