Разработка интегральной микросхемы истокового повторителя для слухового аппарата (стр. 6 из 9)

Поскольку I_SRD >> I_SD, то I_Dr >> I_Dn и обратный ток затвора течет в основном через неидеальный диод VD1. Следовательно, напряжение на затворе определяется из соотношения (52) и равно прямому падению напряжения на неидеальном диоде VD1

.(56)

Ток через диод VD1

.(57)

Учитывая, что I_S << I_SR, и подставляя (46), (47), (49), (50) в (57), получим

.(58)

Подставив (58) в (56), получим

,(59)

Отношение генерационно-рекомбинационных токов пропорционально отношению площадей p-n-переходов канала ПТУП и диода смещения затвора

,(60)

где A_can, A_diod – площади p-n-переходов соответственно ПТУП и диода смещения затвора.

Подставив (60) в (59)

.(61)

Далее определяется коэффициент модуляции длины канала. Его можно оценить из измерения зависимости коэффициента передачи от напряжения питания. Если ПТУП работает в режиме насыщения (V_ds > V_gs–V_TO), токи стока будут определяться соотношениями:

,(62)

,(63)

из которых крутизна

,(64)

,(65)

Поделив соотношение (64) на (65) и учитывая, что крутизна прямой передачи связана с коэффициентом передачи истокового повторителя соотношением (33)

,(66)

,(67)

получим уравнение

,(68)

где

V_ds1 = V_SS1 – I_d1R_L ,(69)

V_ds2 = V_SS2 – I_d2R_L ,(70)

V_gs1 = V_D1 – I_d1R_L ,(71)

V_gs2 = V_D2 – I_d2R_L ,(72)

V_D1, V_D2 – падение напряжения на диоде смещения затвора при двух значениях напряжения питания истокового повторителя.

Введем обозначение

.(73)

С учетом (73) уравнение (68) перепишется

.(74)

Из уравнения (74) можно выразить λ

.(75)

С учетом соотношений (69) – (73) уравнение (75) перепишется

,(76)

где I_d1, I_d2 – токи стока при двух значениях напряжения питания V_SS1 и V_SS2;

A₁, A₂ – коэффициенты передачи при двух значениях напряжения питания V_SS1 и V_SS2 и проходной емкости C_S2 >> C_i, где C_i – входная емкость ПТУП;

ΔV_D1, ΔV_D2 – падение напряжения на диоде смещения при двух значениях напряжения питания.

Падение напряжения на диоде смещения затвора определяется по соотношению (61). Разность падений напряжения на диоде при изменении напряжения питания истокового повторителя

,(77)

и при изменении V_SS от 1,5 до 2 В падение напряжения на диоде изменяется не более чем на 20 мВ.

С учетом полученного значения λ уточняются параметры β и пороговое напряжение V_TO по соотношениям (38) и (44), а также самого λ для лучшего соответствия экспериментальных результатов и результатов моделирования.

Токи насыщения диодов IS, ISR ПТУП и диода смещения IS_D, ISR_D практически не влияют на передаточные характеристики ИП, поэтому они могут быть выбраны произвольно, но пропорционально площадям соответствующих p-n переходов, поскольку это отношение влияет на величину напряжения затвор-исток и ток потребления. Остальные параметры модели ПТУП можно выбрать по умолчанию, поскольку они еще менее (кроме емкостей) влияют на передаточную характеристику ИП [7].

2.1 Расчет параметров модели ПТУП и диода

Параметры модели ПТУП, рассчитанные из соотношений, указанных выше с учетом уточнения: b = 8,71·10^-5 А/В²; V_TO = –1,21 В; l = 0,11 В^-1.

Емкости в модели ПТУП и диода C_P, C_GD, C_GS, C_JD вычленяются из величины эквивалентной входной емкости ИП.

Эквивалентная входная емкость рассчитывается по формуле (35). Подставляя в нее значение A₁ = 0,565 и C_S1 = 9,9 пФ, получаем

.(78)

Емкость C_P, описывающая емкость контактной площадки затвора, рассчитывается по формуле

,(79)

где ε₀ = 8,85·10^-14 Ф/см – диэлектрическая постоянная,

ε = 3,8 – диэлектрическая проницаемость окисла кремния SiO₂,

S – площадь контактной площадки затвора ИМС, мкм²,

d – толщина окисла, мкм.

Подставляя эти значения в (79), получаем

.(80)

Таким образом, из формулы (27) емкость переходов ПТУП и барьерная емкость диода

.(81)

Для вычленения этих емкостей оценим соотношение площадей p-n-переходов ПТУП и диода по топологии измеряемой ИМС.

Площадь p-n-перехода затвора ПТУП S_can = 3,504·10^-5 см². Площадь p-n-перехода диода S_diod = 5,28·10^-6 см². Соотношение площадей p-n-переходов

.(82)

Так как площади переходов затвор-исток и затвор-сток равны, то емкость диода в 6,64 раза меньше емкости переходов ПТУП

.(83)

Барьерная емкость резкого p-n-перехода зависит от приложенного к переходу напряжения по закону

,(84)

где С₀ – барьерная емкость p-n-перехода при нулевом смещении;

V – приложенное напряжение;

p_b – контактная разность потенциалов.

С учетом (81), (83), (84), а также напряжений на диоде и переходах ПТУП, запишем уравнение для вычисления С₀

,(85)

откуда С₀ = 8,934 пФ. Умножая полученное значение на соответствующий коэффициент, получаем значения барьерных емкостей при нулевом смещении для переходов ПТУП и диода: С_J0 = 1,34 пФ, С_GS = 3,80 пФ, С_GD = 3,80 пФ.

Рассчитанные параметры модели ПТУП и диода представлены соответственно в таблице 2.1 и 2.2.

Таблица 2.1 – Параметры модели ПТУП

BETA	VTO	LAMBDA	IS	ISR	CGD	CGS
А/В2	В	1/В	А	А	Ф	Ф
8,71·10-5	–1,21	0,11	6,64∙10-16	6,64·10-14	3,8∙10-12	3,8∙10-12

Таблица 2.2 – Параметры модели диода

IS	ISR	CJO
А	А	Ф
10-16	10-14	1,34∙10-12

2.2 Моделирование схемы ИП

Моделирование схемы ИП проводится в системе программ схемотехнического анализа OrCAD 9.2. Рассчитанные значения параметров задаем в модели ПТУП и диода, и проводим моделирование схемы ИП при двух значениях напряжения питания: V_SS1 = 1,5 В, V_SS2 = 2,0 В.

Схема включения истокового повторителя при моделировании представлена на рисунке 19.

Рисунок 19 – Схема включения ИП при моделировании

где VT₁ – полевой транзистор с n-каналом;

D₁ – диод смещения перехода затвора;

V₁ = 10 мВ – источник синусоидального напряжения;

V₂ = 1,5 В – источник постоянного напряжения;

C₁ = 1500 пФ – входная разделительная емкость;

С₂ = 0,8 пФ – емкость, описывающая емкость контактной площадки

затвора;

C₃ = 3,3 нФ – выходная разделительная емкость;

R₁ = 25,71 кОм – сопротивление нагрузки истокового повторителя,

измерялось вольтметром В7-23, погрешность не более

±0,5 %;

R₂ = 4 МОм – входное сопротивление измерительного прибора.

Схема моделируется при двух значениях напряжения питания V_SS1 = 1,5 В и V_SS2 = 2,0 В. При определении полного входного сопротивления сначала схема моделируется при значении входной разделительной емкости C₁ = 1500 пФ, а затем при C₁ = 10 пФ (рисунок 19).

Для сравнения расчетных и экспериментальных значений, параметры схемы ИП, полученные при моделировании, а также в ходе измерений приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 – Сравнительная характеристика экспериментальных и расчетных параметров ИП

Значение	AV		ISS, мкА		Ri, МОм		RO, кОм
	VSS1 = 1,5 В	VSS2 = 2,0 В	VSS1 = 1,5 В	VSS2 = 2,0 В	VSS1 = 1,5 В	VSS2 = 2,0 В	VSS1 = 1,5 В	VSS2 = 2,0 В
Измеренное	0,730	0,736	30,76	31,28	20,87	21,70	1,97	1,95
Расчетное	0,715	0,722	30,65	31,11	28,86	30,21	6,69	6,55
Погрешность %	-2,0	-1,9	-0,4	-0,5	38	39	240	236

Из таблицы 2.3 видно, что расчетные значения коэффициента передачи по напряжению A_V и тока потребления I_SS из результатов моделирования практически полностью соответствуют их экспериментальным значениям (погрешность не более 2 %). Однако значительное несоответствие между расчетом и экспериментом наблюдается у двух параметров: полное входное сопротивление R_i (погрешность 38 %) и выходное сопротивление R_O (погрешность 240 %).