Разработка интегральной микросхемы истокового повторителя для слухового аппарата (стр. 5 из 9)

Параметры I_SS и A_V, а также значения напряжений на выходе ИМС V_O’ и V_O”, измеренные по вышеуказанным методикам, требуются в дальнейшем для расчета параметров модели ПТУП.

2 Метод экстракции параметров модели ПТУП из измерений

параметров ИМС истокового повторителя

Предлагаемый метод позволяет рассчитать параметры модели ПТУП из результатов измерений параметров ИМС истокового повторителя. Он включает следующие этапы:

1. Расчет параметров модели ПТУП, используя результаты измерений ИМС истокового повторителя.

2. Моделирование схемы ИП в системе программ OrCAD 9.2, используя рассчитанные параметры модели ПТУП.

3. Проверка соответствия экспериментальных и расчетных значений параметров ИМС истокового повторителя из результатов моделирования.

Величина коэффициента передачи истокового повторителя определяется входной емкостью, которая последовательно с емкостью мембраны образует емкостной делитель, шунтирующий входную цепь микросхемы по переменному сигналу, и выходным сопротивлением ПТУП, образующим с нагрузочным сопротивлением R_L резистивный делитель. Принципиальная электрическая схема истокового повторителя показана на рисунке 16, а эквивалентная схема для схемотехнического расчета на рисунке 17.

Рисунок 16 – Принципиальная электрическая схема ИМС истокового повторителя

Рисунок 17 – Эквивалентная схема ИМС истокового повторителя

где C_S – разделительная емкость, отражающая выходную емкость электретного микрофона;

C_p – паразитная емкость контактной площадки и соединительной дорожки относительно общей шины и шины питания;

C_jd – барьерная емкость диода VD1;

C_gs – барьерная емкость p-n перехода затвор-исток ПТУП;

r_O = 1/g_fs – выходное сопротивление истока ПТУП;

g_fs – крутизна прямой передачи ПТУП при рабочем токе через ПТУП;

R_L – сопротивление нагрузки ПТУП;

VD1– диод, задающий смещение затвора.

Все емкости можно заменить одной эквивалентной входной емкостью

C_i = C_p + C_jd + C_gd +C_gs .(27)

Как следует из рисунка 17, коэффициент передачи истокового повторителя можно представить как произведение двух коэффициентов передачи

,(28)

где A₁ – коэффициент передачи, задаваемый емкостным делителем C_S, C_i

,(29)

A₂ – коэффициент передачи, зависящий от крутизны ПТУП и сопротивления нагрузки R_L:

.(30)

Как следует из (29) и (30), для увеличения коэффициента передачи A_V необходимо увеличивать крутизну прямой передачи ПТУП g_fs и уменьшать входную емкость C_i.

Из результатов измерения коэффициента передачи истокового повторителя можно выделить крутизну прямой передачи g_fs и входную емкость ПТУП – C_i. Если разделительную емкость C_S выбрать достаточно большой, так чтобы выполнялось условие

,(31)

то A₁ ≈ 1 и коэффициент передачи ИП в основном будет определяться коэффициентом передачи A₂

.(32)

Тогда из выражения (30) можно рассчитать крутизну

.(33)

Измерив, коэффициент передачи при номинальном значении разделительной емкости C_S1 = 10 пФ, можно рассчитать коэффициент передачи, обусловленный емкостным делителем на входе

,(34)

а по значению A₁ рассчитать величину входной емкости с использованием соотношения (29)

.(35)

Из эквивалентной входной емкости можно вычленить емкости C_p, C_jd, C_gd, C_gs, зная геометрические размеры ПТУП, диода, контактных площадок и величины удельных емкостей p-n переходов и окислов.

В системе программ схемотехнического анализа OrCAD 9.2 заложена для ПТУП модель Шихмана-Ходжеса. Основными параметрами модели, влияющими на коэффициент передачи, являются [7]:

1.β – коэффициент пропорциональности, определяющий крутизну

ПТУП;

2.V_TO – пороговое напряжение;

3.λ – коэффициент модуляции длины канала, определяющий

выходную стоковую проводимость;

4.C_gd – емкость перехода затвор-сток при нулевом смещении;

5.C_gs – емкость перехода затвор-исток при нулевом смещении;

6.I_S – ток насыщения p-n перехода затвора;

7.I_SR – параметр тока рекомбинации p-n перехода затвора.

Последовательность экстракции параметров модели ПТУП Шихмана-Ходжеса из результатов измерения коэффициента передачи истокового повторителя будет следующая:

ПТУП, работающий в режиме насыщения нормального включения, имеет следующую зависимость тока стока I_d от напряжения затвор-исток и сток-исток

.(36)

Крутизна прямой передачи, как следует из (36)

,(37)

Откуда

,(38)

гдеg_fs определяется по соотношению (33);

I_d – ток стока, равный току потребления истокового повторителя;

V_ds – напряжение сток-исток ПТУП

V_ds = V_SS – I_dR_L;(39)

V_SS – напряжение питания ИП;

R_L – сопротивление, включенное последовательно истоку ПТУП.

В качестве начального приближения примем, что

λV_ds << 1.(40)

Тогда в первом приближении рассчитаем β из (38) с учетом (40)

.(41)

Далее на основе соотношения (36) рассчитывается пороговое напряжение

,(42)

где напряжение затвор-исток V_gs, которое трудно замерить из-за очень малых токов затвора, можно оценить в соответствии со схемой ИП как

V_gs = V_g – V_s = ΔV_D – I_d R_L,(43)

где V_g = ΔV_D – напряжение на затворе ПТУП, равное прямому падению напряжения на диоде смещения VD1;

V_s = I_d R_L – напряжение на истоке ПТУП.

С учетом (43) пороговое напряжение будет рассчитываться как

,(44)

которое в первом приближении с учетом неравенства (40) упрощается до соотношения

.(45)

Падение напряжения на диоде смещения рассчитывается исходя из анализа схемы замещения элементов ИП математическими моделями. Она показана на рисунке 18 [8].

Рисунок 18 – Схема замещения элементов ИП математическими моделями

Схема замещения (рисунок 18) описывается следующей системой уравнений в режиме насыщения и нормального включения.

Нормальный ток стока через идеальный диод VD3 описывается выражением

.(46)

Ток генерации стока и коэффициент генерации стока неидеального диода VD4

,(47)

где n_r = 2 – коэффициент неидеальности.

Ток стока в режиме насыщения

.(48)

Нормальный ток через идеальный диод VD5 определяется соотношением

.(49)

Ток генерации и коэффициент генерации неидеального диода VD6:

.(50)

Прямой ток через идеальный диод VD2 и рекомбинационный ток через неидеальный диод VD1 описываются соответственно соотношениями

,(51)

.(52)

Коэффициенты генерации неидеальных диодов стока VD4 и истока VD6 определяются соответственно

,(53)

.(54)

Коэффициент рекомбинации неидеального диода VD1 определяется

,(55)

где p_b = 1 В – контактная разность потенциалов.