Разработка интегральной микросхемы истокового повторителя для слухового аппарата (стр. 2 из 9)
Отличие ЭМ от конденсаторных состоит в том, что постоянное напряжение в них обеспечивается зарядом электрета – тонким слоем, нанесённым на мембрану и сохраняющим этот заряд продолжительное время. Не все материалы пригодны для создания электретов, поэтому обычно приходится идти на компромисс между сложностью производства и качеством звука. Существуют также ЭМ, которые относятся к тыльно-электретным, в которых из электрета сделана только тыльная пластина конденсатора.
ЭМ являются наиболее высокочувствительными преобразователями звуковых колебаний в электрический сигнал и имеют повышенные электроакустические и технические характеристики, такие как:
– широкий частотный диапазон;
– малую неравномерность частотной характеристики;
– низкие нелинейные и переходные искажения;
– высокую чувствительность;
– низкий уровень собственных шумов.
Однако из-за высокого выходного сопротивления они требуют наличия в своем составе согласующего элемента, снижающего выходное сопротивление и повышающего мощность выходного сигнала до уровня, который обеспечивал бы нормальную работу последующего усилителя низкой частоты. Такими согласующими элементами обычно являются интегральные микросхемы усилителей, построенные по схеме ИП и монтируемые непосредственно в корпусе ЭМ [3]
В прошлом широкое применение имели усилители-повторители КБ1402УЕ и КБ1403УЕ, выпускаемые предприятиями в Таллине и Ташкенте соответственно. Эти интегральные микросхемы использовались в микрофонах типа М4 с емкостью мембраны порядка 10 пФ, при этом коэффициент передачи по напряжению, который они обеспечивали, составлял, соответственно, 0,4÷0,5 и 0,34÷0,4. Микросхема КБ1402УЕ имеет отрицательную полярность питания, что не совсем удобно при ее подсоединении к усилителю низкой частоты (УНЧ), которые, как правило, имеют положительное питание.
Миниатюризация ЭМ, как правило, сопровождается уменьшением емкости микрофонной мембраны. Это приводит к уменьшению вырабатываемого ею сигнала и к ухудшению соотношения «сигнал-шум» на выходе согласующего усилителя. Ухудшение соотношения «сигнал-шум» ставит проблему повышения качества согласующих микросхем, что означает увеличение коэффициента передачи по напряжению и уменьшение собственного шума микросхемы при малой емкости источника сигнала.
Значение коэффициента передачи согласующей микросхемы, работающей в миниатюрном микрофоне, определяется в первую очередь значением ее входной емкости, которая в паре с емкостью мембраны микрофона образует емкостной делитель, шунтирующий входную цепь микросхемы по переменному сигналу. Поэтому разработка согласующей микросхемы для миниатюрных ЭМ, в первую очередь связана с решением задач уменьшения ее эффективной входной емкости и снижения входного тока утечки, который определяет основную составляющую собственного шума микросхемы.
В микросхеме ИП типа КБ1402УЕ входная емкость складывается из емкости p-n-перехода затвора ПТУП и паразитных емкостей контактных площадок стока, истока и общей относительно затвора.
Величина входной емкости снижена за счет минимизации размеров затвора транзистора до 1 – 1,2 мкм и контактных площадок. При этом достаточно высокие усилительные характеристики ПТУП обеспечены за счет оптимизации его топологии – соотношения геометрических размеров и концентрационных профилей в активных слоях. Кроме того, микросхема, как и последующий УНЧ, рассчитана на положительную полярность питания, то есть, применен n-канальный вариант ПТУП. Все это дало возможность, не ухудшая шумовые характеристики микросхемы по сравнению с КБ1402УЕ, достичь уровня КУ 0,60÷0,72 при емкости источника сигнала 10 пФ.
Дальнейшая минимизация размеров элементов микросхемы в таком топологическом варианте уже практически невозможна, как с точки зрения технологии присоединения выводов при сборке микросхемы, так и из-за неизбежного ухудшения параметров ПТУП и микросхемы в целом [3].
1.2 Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом. Физические принципы функционирования
 |
ПТУП – полупроводниковый прибор, принцип работы которого заключается в управлении тока электрическим полем. Структура полевого транзистора с n-каналом показана на рисунке 2 [4].
VDS – напряжение перехода затвор-сток, VGS – напряжение перехода затвор-исток, IS – ток истока, ID – ток стока, IG – ток затвора.
Рисунок 2 – Базовая структура ПТУП с n-каналом
Она состоит из проводящего канала, который имеет два омических контакта, один из которых является истоком, а другой стоком, между которыми приложено напряжение сток-исток. Третий электрод, затвор, формирует область канала p-n-перехода. Таким образом, ПТУП – по существу резистор, управляемый напряжением, и его сопротивление изменяется с изменением ширины обедненной области, простирающейся внутрь канала.
Так как процессы проводимости преимущественно осуществляется одним типом носителей заряда, в отличие от биполярного транзистора (БТ), в котором используются оба типа носителей, ПТУП также называется униполярным транзистором.
Обозначения и полярности напряжений переходов для n-канального и p-канального ПТУП показаны на рисунке 3.
 |
а) б)
а) ПТУП с n-каналом. б) ПТУП с p-каналом.
Рисунок 3 – Обозначения ПТУП и полярности напряжений переходов
Направление стрелки затвора ПТУП указывает направление протекания тока затвора, если переход затвора смещен в прямом направлении.
Таким образом, для n-канального ПТУП напряжение затвор-исток должно быть нулевым или отрицательным, а напряжение сток-исток положительным. P-канальный ПТУП требует противоположных полярностей напряжения.
Чтобы проанализировать физические принципы функционирования ПТУП, для полевого транзистора с n-каналом рассмотрим сначала очень малые напряжения сток-исток Vds (рисунок 2). В этом режиме смещение затвор-канал, а, следовательно, и ширина обедненной области у затвора одинаковы по всему каналу. Вид канала в разрезе показан на рисунке 4.
 |
Рисунок 4 – Область канала ПТУП с обедненными областями
Рассмотрим одномерную структуру с длиной затвора L между областями истока и стока. Ширина Z перпендикулярна к плоскости бумаги (обычно Z > L), ток стока протекает вдоль направления y.
Также рассмотрим резкий асимметричный переход затвора с концентрацией акцепторов Na в p-области много большей, чем концентрация доноров Nd в канале, Na >> Nd. Поэтому, обедненная область простирается, прежде всего, в n-канал. Расстояние между затвором p-типа и подложкой d, толщина обедненной области затвора в n-канале W, и толщина нейтральной части канала Xw. Для того чтобы сосредоточиться на роли затвора, предположим, что обедненная область перехода подложки простирается, прежде всего, в подложку, так что
Xw ~ d – W,(1)
что обычно выполняется на практике.
Сопротивление области канала может быть записано как
(2)где ρ – удельное сопротивление канала.
Следовательно, ток стока равен
(3)Зависимость W от напряжения затвора определяется соотношением
,(4)где φ0 – встроенный потенциал.
Подставим (4) в (1), а (1) в (3). Ток теперь может быть записан как функция напряжений на затворе и на стоке.
.(5)Коэффициенты перед скобками представляют выходную проводимость GO n-области, таким образом, уравнение (5) перепишется как
.(6)Следовательно, зависимость ID (VDS) линейная при условии малых напряжений сток-исток. Квадратичная зависимость ID (VGS) в уравнении (6) следует из предположения о резком характере перехода затвор-канал.
Из уравнения (6) видно, что ID будет максимальным при напряжении VGS = 0, будет уменьшаться с увеличением Vgs и станет равным нулю при таком Vgs, при котором вся область канала будет обеднена.
Теперь рассмотрим произвольные значения Vds и Vgs при условии, что
Vgs < 0.
 |
Когда значения напряжения Vds произвольные, напряжение затвор-канал – функция координаты y. Следовательно, ширина обедненной области, а, следовательно, и поперечное сечение канала также изменяется с координатой. В данном n-канальном ПТУП падение напряжения на обедненной области вблизи стока больше, чем вблизи истока. Поэтому, вблизи стока обедненная область шире, как показано на рисунке 5.
Рисунок 5 – Изменение ширины обедненной области вдоль канала, когда напряжение на стоке больше напряжения на истоке
При рассмотрении физических принципов работы используется аппроксимация плавного канала. Эта аппроксимация предполагает, что ширина канала и обедненной области изменяются медленно от истока к стоку так, что ширина обедненной области зависит только от полей в вертикальном направлении, а не от полей, простирающихся от стока к истоку. Другими словами, поле в обедненной области в направлении y – намного меньше, чем в направлении x, и ширина обедненной области может быть выражена, проведя одномерный анализ структуры.