Сенсори температури на основі інтегральної електроніки та оптики

Показано, що основним фактором від'ємної провідності є модуляція товщини бази транзисторів, яка описується напругою Ерлі. Приклади залежності вихідного струму стабілізатора Iout та струму через задаючий резистор RE I (RE) = IT при зміні напруги живлення схеми від 1, 5В (мінімально допустима величина її нормального функціонування) до 10В наведено на рис. 2. Графіки наведені для транзисторів з різним значенням напруги Ерлі |Ua|=50В (рис. 2, а) та |Ua|=500В.

Теоретично та експериментально визначено аналітичні залежності нестабільностей струмів IT, Iout, зумовлених базовими струмами транзисторів; оптимізовано співвідношення між резисторами RZ та RE, при якому для заданої величини коефіцієнта підсилення струму транзисторів має місце рівність Iout=IT; розкрита суть виникнення від'ємних значень вихідної диференційної провідності стабілізатора та обґрунтована можливість використання цього ефекту в схемах температурних перетворювачів; визначено аналітичні залежності, що дозволяють оптимізувати розміщення екстремуму функції струмів IT, Iout у заданому діапазоні напруги живлення. Зокрема, показано, що вихідний струм функціонального стабілізатора – формувача описується як

 

де  ;  ;

 

IZ – струм в колі резистора RZ;  ; b – коефіцієнт підсилення струму транзисторів; UA – напруга Ерлі; Z=IZ/IT.

Розроблено методику та відповідне математичне забезпечення по оптимізації співвідношення між відповідними резисторами схеми, першим етапом якої є розрахунок орієнтовних співвідношень, а другим – їх уточнення на модельному рівні. Залишкова нестабільність сигналу на першому етапі становить 0, 1% при зміні напруги живлення на 1В, та зменшується до (0, 01…0, 05) % після кінцевої оптимізації.

Показано, що оптимальне співвідношення RZ/RE, при якому вихідний струм Iout не залежить від напруги живлення:

 

 ,

 

де UZ – падіння напруги на резисторі RZ,

 

та при  

в першому наближенні –  .

Приклад залежності вихідного струму Iout від напруги живлення в околі оптимізованої величини співвідношення RZ/RE (RE=1кОм) при p=5; b=100; зVaз=70В при RZ=40кОм-Ѓ, RZ=45, 5кОм-‚, RZ=50кОм-ѓ, RZ=55кОм.

Процес дослідження температурних характеристик вузлів первинних перетворювачів термосенсорних ІС та оптимізація режимів їх роботи передбачає розробку математичних моделей елементної бази. Нами проведене уточнення математичних моделей елементної бази, що застосовується в ППП «Spice». Виявлено необхідність введення в моделі додаткових поправочних коефіцієнтів температурної залежності струму насичення p-n-переходів та перерахунку температурних коефіцієнтів опорів резисторів ІС з опорної температури сенсорного пристрою до номінальної температури, що в ППП «Spice» становить Тnom=300K.

Проведено дослідження нелінійності ТКН ВАХ p-n-переходів та аналітичний опис цієї нелінійності. Показана необхідність введення в модель Гумеля-Пуна допоміжного коефіцієнта mG, який дозволяє коректно визначити температурну залежність ВАХ прямозміщених p-n-переходів при зміні коефіцієнта неідеальності m. Коректний опис моделей транзисторів у ППП «Spice» забезпечується визначенням трьох основних параметрів NF, IS та EG, причому параметр EG відповідає за температурний коефіцієнт ВАХ. У ході уточнення моделі можливе досягнення невідповідності між моделлю та ВАХ реальних структур ІС у межах (-0, 8... 0, 7) % в температурному діапазоні (-50... +100) 0С і робочому струмі (1... 100) мкА.

Процедура уточнення моделей здійснюється так:

1) експериментально, за приростом DUbe/DT прямої ВАХ переходів визначається коефіцієнт неідеальності  ;

2) з вольт-амперної характеристики визначається струм насичення Is;

3) експериментально в межах можливої зміни робочих струмів Ie визначається залежність dUbe/dT=f (Ie) ; з метою зменшення кількості оброблюваних даних робочі струми доцільно змінювати експоненціально, наприклад, Ie=1мкA; 10мкA; 100мкA; 1мА;

4) описуються параметри моделі Гумеля-Пуна: NF=m; IS=Is;

5) в першому наближенні задається EG=1, 11/m;

6) проводяться температурні дослідження моделі, в ході яких уточнюють значення EG за критерієм максимального наближення в діапазоні робочих струмів даних dUbe/dT, отримуваних на модельному рівні з експериментальними даними;

7) аналізується пряма ВАХ p-n-переходу на її відповідність між модельними та експериментальними даними.

На основі уточненої моделі, яка описує температурну залежність напруги на p-n переході в схемі первинного перетворювача термосенсорних ІС, проведено аналіз температурної залежності вихідного струму Is=f (T). Показано, що ця залежність визначається температурним коефіцієнтом опору (ТКО) струмозадаючого резистора та ТКН емітерного p-n-переходу транзистора і є нелінійною навіть при ТКО (RE) = const. Нелінійність ТКН на p-n переході в діапазоні зміни температури Tmax=T0+DTm, Tmin=T0-DTm відносно опорної температури T0 становить:

 

 ,

 

де A – лінійна складова TKО; DTm – половина діапазону зміни температури.

Основними результатами проведеного аналізу є:

• температурний коефіцієнт напруги прямої ВАХ p-n-переходу, зміщеного джерелом постійного струму (температурний коефіцієнт рівний нулю А=0) має залишкову нелінійність ±0, 5% в діапазоні температур t= (-50... +100) 0С;

• збільшення лінійного ТКО струмозадаючого резистора приводить до зменшення температурного коефіцієнта вихідного струму та збільшення нелінійності функції Iout=f (T) ;

• при певному значенні ТКО AZ= (3, 0.. 3, 5). 10-3 1/К температурна характеристика вихідного струму проходить через нульові значення, при подальшому збільшенні А функція Iout=f (T) стає нелінійно спадаючою;

• характер нелінійності функції Iout=f (T) при A<AZ практично симетричний по відношенню до опорної температури і стає різко асиметричним при A>AZ.