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.