1.5 Измерение электрических параметров и характеристик ИМС

Измерение электрических параметров проводилось по методу 500-1 ОСТ 11.073.013-83 на ИМС истокового повторителя производства ОАО «НИИМЭ и «Микрон» г. Зеленоград. При этом измерение коэффициента передачи по напряжению, тока потребления, а также входного и выходного сопротивлений проводились при двух значениях напряжения питания V_SS1 = 1,5 В, V_SS2 = 2,0 В по установившемуся значению выходного напряжения [5].

Измерение коэффициента передачи по напряжению A_V и тока потребления I_SS проводились согласно ГОСТ 19799-74, метод 2570 в режимах и условиях, указанных в таблице 1.1. Схема включения ИМС приведена на рисунке 13.

G1 - стабилизированный источник питания; PA - прибор комбинированный Щ68000;

G2 - генератор сигналов Г3-107; PV1, PV2 - милливольтметр В3-59; D1 - измеряемая ИМС.

Рисунок 13 - Схема включения ИМС при измерении коэффициента

передачи A_V и тока потребления I_SS

2. Измерение полного входного сопротивления R_i проводились согласно ГОСТ 19799-74, метод 7500 в режимах и условиях, указанных в таблице 1.1. Схема включения ИМС приведена на рисунке 14.

G1 - стабилизированный источник питания; G2 - генератор сигналов Г3-107; PV - милливольтметр В3-59; D1 - измеряемая ИМС.

Рисунок 14 - Схема включения ИМС при измерении полного входного

сопротивления R_i

Значения напряжений на выходе ИМС представлены в таблице 1.3, где V_O и V_O” - напряжения на выходе ИМС соответственно при разомкнутом и при замкнутом переключателе В₁.

Таблица 1.3 - Значения V_O и V_O”, измеренные при V_SS1 и V_SS2

Полное входное сопротивление ИП определяется по формуле [5]

.(23)

Подставив в (23) значения V_O и V_O^”, измеренные при V_SS1 = 1,5 В

(таблица 1.3), получим

.(24)

3. Измерение выходного сопротивления R_О проводят согласно ГОСТ 19799-74, метод 7510 в режимах и условиях, указанных в таблице 1.1. Цепочка C₃R₃ через переключатель В₂ шунтирует переменный сигнал на общую шину. Схема включения ИМС приведена на рисунке 15.

G1 - стабилизированный источник питания; G2 - генератор сигналов Г3-107; PV - милливольтметр В3-59; D1 - измеряемая ИМС.

Рисунок 15 - Схема включения микросхем при измерении выходного

сопротивления R_О

Значения напряжений на выходе ИМС представлены в таблице 1.4, где V_O1 и V_O2 - напряжения на выходе ИМС соответственно при разомкнутом и при замкнутом переключателе В₂.

Таблица 1.4 - Значения V_O1 и V_O2, измеренные при V_SS1 и V_SS2

Выходное сопротивление ИП определяется по формуле [5]

.(25)

Подставив в (25) значения V_O1 и V_O2, измеренные при V_SS2 = 1,5 В

(таблица 1.4), получим

.(26)

Результаты измерений электрических параметров ИП представлены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 - Результаты измерений электрических параметров ИМС

Из таблицы 1.5 видно, что с увеличением напряжения питания от 1,5 до 2 В коэффициент передачи по напряжению, ток потребления возрастают соответственно на 0,8 и 1,7 %, полное входное сопротивление возрастает на 4 %, а выходное сопротивление уменьшается на 1 %.

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.в - коэффициент пропорциональности, определяющий крутизну

ПТУП;

2.V_TO - пороговое напряжение;

3.л - 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

лV_ds << 1.(40)

Тогда в первом приближении рассчитаем в 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 = ДV_D - I_d R_L,(43)

где V_g = ДV_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.

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 л

.(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;

ДV_D1, ДV_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 л уточняются параметры в и пороговое напряжение V_TO по соотношениям (38) и (44), а также самого л 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].