Разработка монокристального монофункционального регулятора напряжения для бортовой сети автомобиля (стр. 8 из 10)

Элементы выходного каскада в интегральном исполнении имеют ряд особенностей физико-топологической структуры элементов.

Первой особенностью является исполнение p-n-p- транзистора VT62 с четырьмя коллекторами, два из которых соединены вместе. Транзистор выполнен в латеральном (горизонтальном) исполнении, в котором четыре коллекторные области располагаются вокруг эмиттера, между которыми находится n- область базы.

Второй особенностью является реализация составного n-p-n- транзистора (по схеме Дарлингтона) VT63 – VT64 – VT65. Для всех трех транзисторов выделена общая разделительная область (общий коллектор), в которой проведены отдельно друг от друга три базовых диффузии с различными геометрическими размерами, в которых затем образованы путем диффузии области эмиттеров, с помощью металлизации эти транзисторы соединены в нужном соединении.

Следующей, третьей особенностью, является использование вместо одного общего n-p-n- транзистора VT72 двух n-p-n- транзисторов, выполненных в одной разделительной области (кармане) совместно с двумя резисторами, выполненными на основе базового слоя. Поскольку эти транзисторы выполнены в одном кармане, то коллекторы у них общие. Эмиттеры с помощью металлизации соединены вместе на "землю". А базы этих транзисторов через резисторы различных номиналов (12 Ом и 24 Ом) управляются от одной общей точки. Схема данного транзистора представлена на рис. 3.8.3.

Рис. 3.8.3. Схема транзистора VT72

Такое включение предназначено для разделения функций работы: один транзистор в большей мере отвечает за работу совместно с резистором R88, а другой – за работу с выходным транзистором VT73. Площадь транзистора, отвечающего за работу совместно с резистором R88 в 2 раза больше, чем транзистора, работающего совместно с выходным транзистором VT73.

Четвертой особенностью выходного каскада является мощный выходной транзистор VT73 n-p-n- типа, работающий в ключевом режиме. Данный транзистор вместе с контактными площадками занимает 40 % кристалла и располагается по всей ширине кристалла, имея в своем составе 20 базовых областей, внутри которых находятся по 2 эмиттерные области. Между эмиттерными областями находится базовый металлический контакт, который ведет к эмиттерным перемычкам, переносящим контакт через контактную площадку "земли", которая непосредственно соединена с контактными областями эмиттерных областей всей транзисторной цепочки. После эмиттерных перемычек все они соединяются с помощью металлизации и разводятся согласно принципиальной электрической схеме регулятора напряжения. Коллекторные области находятся между базовыми областями, от контактных площадок которых отводится металлизация на контактную площадку "Ш", к которой также подключается анод мощного гасящего диода. Такая конструкция мощного выходного транзистора необходима для исключения таких вредных эффектов, как эффект вытеснения эмиттерного тока (для создания равномерной по площади работы транзистора), эффект высокого уровня инжекции, характерного для работы транзисторов при больших токах (для исключения электрических полей в базе и модуляции базы), для равномерного теплонагрева и теплоотвода.

И последней, пятой особенностью является конструкция гасящего диода, структура которого аналогична структуре выходного транзистора, за тем лишь исключением, что у диода присутствует сетчатая структура анода (эмиттерного слоя), которая необходима для повышения пробивных напряжений и исключения вторичного пробоя (исключения отрицательного дифференциального сопротивления на выходной характеристике, приводящей к шнурованию тока и в результате к тепловому пробою). Электрические контакты к областям диода осуществляются посредством алюминиевой металлизации, контактирующей с контактными областями анода (эмиттерного слоя) и катода (области, соединенной с базовой областью). Для уменьшения электрических потерь (потребляемого тока), приводящего к дополнительному разогреву кристалла из-за включения в работу паразитных элементов, возникающих в результате того, что резистор R80 не был помещен в отдельный разделительный карман, для данного резистора была предусмотрена своя изолирующая область, и также для уменьшения протекающих токов его номинал был установлен на значении R80 = 10 кОм (вместо 400 Ом). Его разместили в отдельном кармане в виде резистивного слоя с поверхностным сопротивлением R_S= 2 кОм/□. Обоснованность этого была проведена в результате макетирования выходного каскада на дискретных элементах.

3.9 Стабилизатор напряжения

Стабилизатор напряжения выполняет функцию поддержания на постоянном уровне напряжения для питания узлов регулятора напряжения. Стабилизированное напряжение не должно зависеть от питающего напряжения, температуры, технологических разбросов параметров элементов данного стабилизатора, величины нагрузки.

Принципиальная электрическая схема стабилизатора напряжения приведена на рис. 3.9.1.

Рис. 3.9.1. Принципиальная электрическая схема стабилизатора напряжения

Рассматриваемый стабилизатор напряжения питается от напряжения, снимаемого с выхода генератора (аккумуляторной батареи). Принцип стабилизации в данном стабилизаторе основан на поддержании на постоянном уровне потенциала на базе транзистора VT62. Тогда режим работы этого транзистора будет определенно заданным и постоянным. Разность напряжений между напряжением питания и напряжением стабилизации будет падать на резисторе R73, увеличивая ток, проходящий через него.

Поддержание постоянным напряжения на базе транзистора VT62 осуществляется с помощью транзисторов VT59 и VT60, режим работы которых задается с помощью резисторов R75 и R76, а также стабилитрона VT58, выполненного на эмиттерном p-n- переходе n-p-n- транзистора с напряжением стабилизации 6,5 – 7 В. Именно стабилитрон VT58 определяет стабилизацию напряжения данного блока. Стабилитрон VT61, также выполненный на эмиттерном p-n- переходе n-p-n- транзистора, предназначен для того, чтобы потенциал на базе транзистора VT62 не превышал определенного уровня, то есть он выполняет ограничительно-защитную функцию.

Для оценки качества работы стабилизатора напряжения, приведенного на рис. 3.9.1., проведем анализ влияния различных параметров, влияющих на работу блока. Данный анализ проведем на ПЭВМ Pentium – 133 в прикладной программе DesignLab8.0.

В связи с тем, что в данной схеме нагрузка для стабилизатора напряжения задана и потребляемый ток практически не изменяется, то расчеты будем проводить на эквивалентной нагрузке, сопротивление которой можно рассчитать следующим образом.

R =

;

При Т = 27 ^оС U_стаб = 5,757 В, I_потр = 1,08 мА получаем

R =

= 5,3 кОм;

Именно это сопротивление возьмем в качестве нагрузочного для стабилизатора напряжения, то есть R_нагр = 5,3 кОм.

Так как напряжение в бортовой сети может колебаться в больших пределах, то оказывается очень важным разработать стабилизатор, не зависимый от напряжения питания.

В таблице 3.9.1. приведены результаты расчетов напряжения стабилизации от напряжения питания.

Как видно из таблицы 3.9.1. стабилизатор напряжения держит постоянным выходное напряжение в достаточно широком диапазоне: от 18 В до 9 В. При снижении напряжения питания происходит заметное снижение напряжения стабилизации.

Вторым важным параметром, влияющим на работу стабилизатора, может быть температура окружающей среды (корпуса микросхемы).

В таблице 3.9.2. приведены результаты расчетов напряжения стабилизации при разной температуре и нескольких значениях напряжения питания.

Как видно из таблицы 3.9.2., напряжение стабилизации имеет прямопропорциональную зависимость от температуры, то есть напряжение стабилизации имеет положительный температурный коэффициент. Например, при U_пит = 14,1 В в диапазоне температур от – 60 ^оС до +100 ^оС температурный коэффициент напряжения стабилизации равен

ТКН =

.

Так как входящий в состав регулятора напряжения стабилизатор напряжения изготовляется по микроэлектронной технологии, то на качество работы стабилизатора может очень сильно оказывать влияние разброс параметров элементов микросхемы, в частности стабилизатора.

Поэтому далее проведем оценку работы стабилизатора в зависимости от изменения параметров элементов.

Вначале рассмотрим изменение напряжения стабилизации в зависимости от напряжения стабилизации стабилитронов VT58 и VT61. Результаты расчетов приведены в таблице 3.9.3.

Из таблицы 3.9.3. следует, что напряжение стабилизации стабилизатора очень сильно зависит от напряжения стабилизации стабилитронов VT58 и VT61. Поэтому необходимо очень тщательно выдерживать технологические процессы, имеющие отношение к созданию данных структур.

И, наконец, рассмотрим зависимость напряжения стабилизации от разброса номиналов резисторов R1 – R5. Результаты расчетов приведены в таблице 3.9.4.

По данным таблицы 3.9.4. видно, что напряжение стабилизации незначительно зависит от пропорционального изменения номиналов резисторов, что говорит о пригодности данной схемы для микроэлектронной технологии.

Таблица 3.9.1

Напр-ние питания, В	Напр-ние стабилиза-ции, В	Примечание	Напр-ние питания, В	Напр-ние стабилиза-ции, В	Примеча- ние
18 17 16 15 14 13 12	5,757 5,757 5,757 5,757 5,757 5,756 5,756	Тем-ра окр. среды Т = 27 оС	11 10 9 8,5 8 7,5 7	5,756 5,755 5,752 5,743 5,727 5,685 5,352	Тем-ра окр. среды Т = 27 оС

Таблица 3.9.2