PUAV – projekt Ćwiczenie 5-6
Transkrypt
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