научная статья по теме СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТИ ДИОДНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Энергетика

Текст научной статьи на тему «СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТИ ДИОДНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ»

УДК 681.335.088.8

СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТИ ДИОДНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

P.P. Бабаян

Рассматриваются основные источники температурной погрешности и схемотехнические методы повышения термостабильности диодных нелинейных элементов, позволяющие обеспечить температурный коэффициент погрешности порядка 0,01 %/°С.

Теория и структуры диодных нелинейных элементов (ДН")). в том числе диодных квадраторов, разрабатывались в ряде работ отечественных и зарубежных авторов [ 1 —4]. В настоящее время такие элементы могут изготовляться по различных технологиям и использоваться для построения функциональных или линеаризующих преобразователей сигналов аналоговых датчиков, аналоговых умножителей и др. При этом важную роль играет температурная погрешность преобразования. Известно немало схемотехнических решений, позволяющих в значительной степени компенсировать погрешности от изменения температуры диодов и разработанных с учетом температурных свойств полупроводниковых диодов, стабилитронов, транзисторов и терморезисторов. Имеет смысл рассматривать эти решения, учитывая целесообразность реализации нелинейных устройств в виде пленочных и(или) гибридных микросхем. Три основных подхода к термокомпенсации проиллюстрируем на примере ДНЭ с потенциально-заземляемыми диодами (рис. 1, а). Параметры эквивалентной схемы ДНЭ (рис. 1, б) ЕЭКВ1 и Лэквг- определяются по теореме об эквивалентном источнике

Г; Я:

Е ■= I/ _— - Е_— + е

^эквг --- ** - с„цп,

Ri+n R.+ r,

Л.

Ri+n

(1)

где еинв — потенциал инвертирующего входа операционного усилителя (ОУ).

Изменение температуры приводит к сдвигу воль-тамперной характеристики диода, поэтому для компенсации влияния температуры на ток диода (рис. 1, в) необходимо, чтобы напряжение источника Еэкв г- зависело от температуры следующим образом:

£экв ¡(АТ) = Ежв(то) + еАТ

(2)

где ЕЭКВ(Т()) — эквивалентное напряжение при номинальной температуре 7ц, а АТ— изменение температуры относительно

Анализ выражения (1) показывает, что соблюдение условия (2) может быть обеспечено при выполнении одного из следующих равенств:

£экв/(ДЛ =

UBK + zAT-

R: Г-

Г: J R:+ Г:

R:

7_L_ + р

■ п , еИНВ'

i i

(3)

иг.

д

а)

R,

и„

4

£ Зк'Й!

б)

R,

ЕЭКв1(Т0)^Т

в)

Ежв/(Т0)

Рис. 1

ЕЭКВ,(АТ) = ик

+ Оивн + еА Т),

(4)

ЕэквМТ) = иш

Е+еАТ-

-Л/+/",

_+ е

Ъ+Г; ИНВ' (5)

Каждое из этих соотношений иллюстрирует возможные способы термокомпенсации, которая может быть осуществлена включением термозависимой составляющей либо во входное, либо в опорное напряжение, или в напряжение инвертирующего входа дифференциального выходного ОУ.

На рис. 2 приведена схема термокомпенсации, реализованная в соответствии с выражением (3). На выходе ОУ А1 формируется сигнал

С = 7Г таеАТ> к4 к5

где а — коэффициент пропорциональности составляющей сигнала, подаваемой затем на диодный функциональный преобразователь. Составляющая авАГ формируется с помощью мостовой цепи, выполненной на резисторах Л], /?2, Лз и последовательно включенных диодах /)тк1.../)тки, которые образуют датчик температуры и расположены на одной подложке в непосредственной близости от рабочих диодов ДНЭ. Дифференциальный ОУ А1, на который через резисторы Л5 и поступает температурно-зависимый сигнал, позволяет в достаточной степени усилить сигнал даже при наличии одного диода Отк. Однако для уменьшения погрешности рационально применить несколько диодов, снизив в соответствующее число раз коэффициент передачи ОУ А1.

Главная проблема при проектировании подобных схем термокомпенсации, состоит в обеспечении условия (2) для всех ДНЭ преобразователя, так как значения Лг- и гг- для каждого /-го ДНЭ должны выбираться, исходя из условия обеспечения аппроксимации воспроизводимой функции. Поэтому приходится либо вводить для каждого ДНЭ свой термозависимый источник с соответствующим температурным коэффициентом, что приводит к значительным аппаратурным затратам, либо налагать ограничения на выбор параметров ДНЭ при проектировании преобразователя.

Отметим, что в случае квадратора, в котором включение каждого последующего ДНЭ приводит к увеличению крутизны на одну и ту же величину, эти ограничения легко выполнить, так как параметры всех ДНЭ могут быть выбраны идентичными.

Рассмотренная схема термокомпенсации может быть полезна при построении множительных устройств на диодных квадраторах в соответствии со структурами, приведенными в работе [5].

Реализация схем термокомпенсации в соответствии с выражением (4) позволяет обойтись только одним источником термозависимого напряжения и снять указанные выше ограничения на выбор параметров ДНЭ. Обычно такие схемы выполняются на базе дифференциального ОУ, и в них используется его основное свойство — поддерживать близким к нулю разницу напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами. На рис. 3 приведена одна из таких схем.

Номиналы резисторов Л], Л3 и Я4 выбраны таким образом, что при изменении термозависимого напряжения ЛвА71(где к > 1), подаваемого на общую точку резисторов Л] и Я), выходное напряжение не изменяется, в то время как потенциал на выходах ОУ изменяется по закону еинв = енеинв = вАГ. При этом осуществляется практически полная термокомпенсация преобразователя с ДНЭ, имеющими различные номиналы резисторов Л, и гг-. Рассмотренная схема позволяет тер-мокомпенсировать ДНЭ только с одной полярностью включения диодов Д- и не может быть применена для построения множительных устройств по структуре, приведенной в работе [5], что является ее существенным недостатком. Даже при построении перемножителей на одноквадрантных одновходовых квадраторах применение этой схемы приведет к введению двух дополнительных ОУ.

34

Зепэогэ & Зуэгетэ • № 10.2001

-еФ-

АГ=0

**

1

£»2

Рис. 5

Примером реализации схемы термокомпенсации на основе выражения (5) может служить схема, приведенная на рис. 4. При входном напряжении, равном нулю, диод Д закрыт, а эмиттерный переход транзистора открыт. Сопротивления резисторов г/ и Лэ выбраны намного меньшими, чем резисторов г,- и /?,-. При увеличении входного напряжения напряжение на аноде диода Д нарастает в соответствии с параметрами делителя напряжения, определяемыми, в основном, сопротивлениями резисторов Лг-, гг-, Лэ и сопротивлением эмиттер-

ного перехода транзистора Т). Диод Д при определенном значении 1/вх начинает открываться, и его ток нелинейно нарастает.

Когда диод Д полностью откроется, выходной ток нарастает линейно, причем скорость нарастания ограничивается резистором . При дальнейшем увеличении входного напряжения начинает запираться эмиттерный переход транзистора 7}. Выходной ток элемента /дг- снова нарастает по нелинейному закону. Когда транзистор 7} полностью закрывается, эквивалентная схема элемента совпадает со схемой обычного ДНЭ, а выходной ток ¡¡л линейно зависит от входного напряжения 1/вх. Изменяя полярность диодов и тип проводимости транзистора, а также знаки опорных напряжений, можно аппроксимировать функции в различных квадрантах.

Для компенсации температурной погрешности на базу транзистора 7} подается термозависимое напряжение къАТ, которое должно равняться сумме изменений падения напряжений на диоде Д и эмиттерном переходе транзистора 7} в зависимости от температуры. Применение транзистора 7} позволяет увеличить входные сопротивления элемента по входу термозависимого напряжения примерно в р раз (р — коэффициент усиления транзистора по току). Это позволяет уменьшить взаимное влияние элементов при настройке преобразователя в случае применения одного источника термозависимого напряжения.

Также, как и в случае выражения (3) для полной термокомпенсации необходимо, чтобы все элементы имели одинаковые сопротивления. В противном случае необходимо применение для каждого элемента своего источника термозависимого напряжения. Поскольку схема такого источника достаточно проста, то последнее вполне допустимо.

Недостаток рассмотренной схемы состоит в том, что термокомпенсация осуществляется только при открытом эмиттерном переходе транзистора 7} на начальном участке работы элемента и полностью отсутствует при больших входных напряжениях.

Еще одним примером реализации схем термокомпенсации на основе выражения (5) является схема множительного устройства, представленная на рис. 5. Так как диоды Д и Д включены последовательно, то условие полной термокомпенсации имеет вид ^эквДАТ7) = ^эквгСТЬ) + 2вА71. Достоинство данной схемы заключается в возможности применения одного источника термозависимого напряжения на два квадранта, т. е. для реализации четырехквадрантного множительного устройства потребуется два источника термозависимого напряжения, выполненного, например, по схеме рис. 2.

Основным требованием к источнику термозависимого напряжения является линейность термометрической характеристики, которую проще всего обеспечить с помощью полупроводниковых диодов, работающих в режиме микротоков. Для получения высокой термостабильности перемножителя необходимо обеспечить равенство температур диодов ДНЭ и диодов-датчиков температуры. Это обычно достигается применением пассивных термостатов для множительных устройств на дискретных компонентах или расположением этих диодов на подложках с высокой теплопроводностью при изготовлении по гибридной технологии. Еще одна аль-

тернатива заключается в изготовлении диодов и резисторов полностью по тонкопленочной технологии в едином технологическом цикле. Применение такой технологии делает предпочтительным реализацию схем, приведенных на рис. 2 и 3 (как наиболее универсальных для различных структур множительных устройств), другие рассмотренные варианты (рис. 4 и 5) требуют для своей реализации значительно большей площади подложки и усложняют топологию микросхемы.

Рассмотренные схемы термокомпенсации могут обеспечивать температурный коэффициент погрешности порядка 0,01 %/°С, что соответствует аналогичным характеристикам образцов множительных устройств лучших зарубежных фирм.

ЛИТЕРАТУРА

1. Маслов А.А., Сахаров О.Н. Синтез диодных функциональных преобразователей. М.: Энергия, 1976.

2. Справочник по нелинейным сх

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком