PUAV – projekt Ćwiczenie 5-6

PUAV – projekt
Ćwiczenie 5-6
Tematyka: projekt układu stabilnego termicznie źródła napięcia.
Cel ćwiczenia: wykonanie projektu układu źródła dostarczającego napięcie
niezależne od teperatury, zapoznanie się z niektórymi problemami projektowania i
symulacji takich układów. Pokazanie zastosowania podłożowych tranzystorów
bipolarnych w układzie CMOS.
Przygotowanie do zajęć: oczekiwana jest ogólna znajomość układów źródeł napięcia
oraz ich podstawowych parametrów. Wskazane jest przypomnienie sobie, jak
wyglądają struktury podłożowych tranzystorów bipolarnych w ukladach CMOS.
Używane oprogramowanie: pakiet zintegrowany AppleWorks oraz programy pakietu
IMiOCAD: IMiOSpice, Syprus, Excess, Uncle. Wszystkie te programy były już
używane w poprzednich zajęciach, ewentualne wątpliwości dotyczące ich używania
będzie wyjaśniał prowadzący zajęcia.
Przebieg zajęć:
Należy zaprojektować układ stabilnego temperaturowo źródła napięcia o schemacie
jak niżej:
V DD
T5
T6
T7
Uwy
T3
R2
T1
T4
R1
R3
T2
R4
Jest to układ działający na zasadzie omawianej na wykładzie. Należy dobrać
wymiary tranzystorów MOS, stosunek powierzchni złącz emiterowych
tranzystorów bipolarnych oraz rezystancje rezystorów tak, by na wyjściu uzyskać
napięcie równe 1.5 V (przy nap. zasilania równym 5 V), możliwie jak najmniej
zmieniające się w zakresie temperatur: -20 oC – 120 oC. Wymiarów tranzystorów
bipolarnych pnp (które w układzie byłyby zrealizowane jako tranzystory
podłożowe) nie projektujemy. Tranzystory te mają topografie podane przez
producenta układów, i do takich tranzystorów odnosi się model do symulacji.
Należy wykonać obliczenia i symulacje układowe, a następnie projekt topografii.
Należy dążyć do tego, by układ spełniając wymagania techniczne miał zarazem
jak najmniejszą powierzchnię.
1
Do projektu należy założyć, że:
• Tranzystory T3 i T4 są identyczne,
• Tranzystory T5, T6 i T7 są identyczne,
• Wszystkie tranzystory MOS pracują w zakresie nasycenia,
• Rezystory R2 i R3 są identyczne,
• Tranzystor bipolarny T2 ma powierzchnię złącza emiterowego p razy
większą, niż tranzystor T1, gdzie p jest liczbą całkowitą (uwaga: z punktu
widzenia projektu topografii jest korzystne, aby była to liczba parzysta),
• Tranzystory bipolarne mają gotowe topografie podane przez producenta
układu, zatem powierzchnię złącza emiterowego p razy większą osiąga
się łącząc równolegle p tranzystorów,
•
•
•
•
Rezystancja rezystora R1 powinna spełniać warunek: R1 =
R2 ln( p)
(jest
25,6
to w przybliżeniu warunek stałości temperaturowej napięcia wyjściowego),
Model tranzystora bipolarnego dla programu SPICE będzie podany przez
prowadzącego zajęcia,
!
Modele tranzystorów MOS jak dla technologii ECPD10,
Rezystory będą wykonane ze ścieżek obszarów p+, n+ lub
polikrzemowych, do wyboru.
Należy kolejno wykonać:
• obliczenia teoretyczne – stosunek powierzchni złącz emiterowych
tranzystorów, wartości rezystancji itp.,
• symulacje programem IMiOSpice w celu zbadania i minimalizacji
zmienności napięcia wyjściowego w funkcji temperatury,
• projekt topografii układu przy wykorzystaniu gotowego tranzystora
bipolarnego,
• ekstrakcję schematu z topografii i ponowną symulację,
• jeśli po ekstrakcji układ działa gorzej (stałość napięcia w funkcji
temperatury jest gorsza), a czasu starcza, wskazana jest próba
wprowadzenia zmian do topografii w celu poprawienia stabilności
napięcia w funkcji temperatury.
Uwaga: w tym ćwiczeniu nie wykonujemy symulacji statystycznej.
Wskazówki do wykonania zadania:
Na początku należy założyć, że rezystor R4 jest taki sam, jak R2 i R3. Zostanie
on w końcowej fazie dobrany tak, by uzyskać dokładną wartość napięcia
wyjściowego. Należy założyć wstępnie wartości prądów płynących w układzie,
przyjąć konkretne wartości W/L tranzystorów MOS oraz rezystancje rezystorów i
wykonać symulację .OP dla kilku wartości temperatury z zadanego zakresu.
Regułą będzie, że nie zostanie od razu uzyskana dobra stabilność. Doprowadzić
do niej można zmieniając wartości rezystorów. Stałość temperaturowa napięcia
wyjściowego zależy m.in. od punktów pracy tranzystorów. Warto zmieniając
rezystor R1 starać się o uzyskanie jednakowych napięć na rezystorach R2 i R3
(dla temperatury 20oC, z zachowaniem warunku R1 =
R2 ln( p)
). Współczynnik
25,6
25,6 wynika z założenia, że napięcie UBE w tranzystorze bipolarnym maleje
z temperaturą o 2,2 mV/K. W rzeczywistości szybkość zmian UBE z temperaturą
zależy od wartości prądu kolektora tranzystora. Ponadto założenie, że UBE
zmienia się z temperaturą liniowo, jest! przybliżeniem. Zmieniając wartości
rezystancji zmieniamy prądy płynące w układzie i tym samym warunki pracy
tranzystorów. Zazwyczaj obserwuje się, że przy rezystancjach większych od
optymalnych napięcie wyjściowe rośnie z temperaturą, a dla rezystancji
2
mniejszych od optymalnych – maleje. Przy optymalnym doborze rezystancji
zależność napięcia od temperatury wykazuje bardzo płaskie maksimum w
zakresie temperatur bliskich 20 oC.
Zmiana temperatury przy symulacjach programem IMiOSpice jest możliwa przy
wykorzystaniu polecenia .OPTIONS, np. .OPTIONS TEMP=120 ustawia
temperaturę elementów równą 120 oC.
Po otrzymaniu właściwych wartości rezystancji należy zmienić rezystancję R4
tak, by na wyjściu uzyskać 1.5 V przy temperaturze +20 oC. Następnie należy
jeszcze raz zbadać zależność napięcia od temperatury.
Do projektu topografii przyjmujemy, że w technologii ECPD10 rezystancje
warstwowe są następujące:
•
dla ścieżek typu p+: 75 Ω na kwadrat,
•
dla ścieżek typu n+: 55 Ω na kwadrat,
•
dla ścieżek polikrzemowych: 25 Ω na kwadrat.
Wszystkie dane projektowe (prądy, wymiary tranzystorów, rezystancje),
otrzymaną charakterystykę Uwy(T), zaprojektowaną topografię oraz wyniki
symulacji po ekstrakcji z topografii należy zamieścić w sprawozdaniu.
3