Курсовая работа (т): Проектирование интегрального параметрического стабилизатора напряжения

Проектирование интегрального параметрического стабилизатора напряжения

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: «Микроэлектроника»

Тема: Проектирование интегрального параметрического стабилизатора напряжения

Параметры элементов:

U_ст = 9В, I_ст = 50 мА, К_ст = 300

R₁ = 1±0.1 кОм,

VT:; U_КБ ≥ 20 В.

Содержание

Введение

1.  Стабилизаторы напряжения в интегральных схемах

1.1   Характеристики стабилизаторов

1.2    Интегральные схемы в устройствах стабилизации

1.3   напряжения питания

1.4    Особенности интегральных стабилизаторов

1.5    Кремниевый стабилитрон

1.6    Простейший параметрический стабилизатор напряжения

1.7    Транзисторные стабилизаторы напряжения

2.     Методы изоляции и технологии изготовления интегральных схем

2.1   Изоляция p-n переходом

2.1.1                                                                                                          Стандартная технология

2.1.2 КИД-технология

2.1.3 БИД-технология

2.1.4 Технология на основе двойной диффузии

2.1.5 Технология на основе трех фотошаблонов

2.2   Диэлектрическая изоляция

2.2.1                                                                                                          ЭПИК-технология

2.2.2 Декаль-технология

2.2.3 КНС-технология

2.3   Комбинированная изоляция

2.3.1                                                                                                          Изопланарная технология

2.3.2 Эпипланарная технология

2.3.3 Полипланарная технология

3.     Электрическая схема разрабатываемого элемента

4.      Расчет составных элементов

5.      Топология разрабатываемой ИМС

6.      Разработка профильной схемы технологического маршрута ИМС

7.      Комплект фотошаблонов к топологии

Заключение

Список литературы

Введение

Общеизвестно, что к преждевременному выводу из строя электрооборудования часто приводят периодические скачки напряжения, происходящие по различным причинам, например, в связи с авариями на подстанциях и линиях электропередач, использованием устаревших трансформаторов и проводов. Современная бытовая электроника допускает отклонения параметров электропитания не более чем на 10% от номинала, но даже в крупных городах электросети не всегда гарантируют выполнение этих требований. Из-за этого бытовые электроприборы начинают работать нестабильно, ухудшаются их потребительские характеристики, возможны даже серьезные поломки

Требования к допустимой нестабильности напряжений определяются типом аппаратуры и ее назначением. Для питания задающего генератора передатчика или какого-либо прецизионного прибора допустимая нестабильность намного меньше, чем для обычного усилителя. Для обеспечения заданной стабильности напряжения необходим стабилизатор - устройство, поддерживающее на своем выходе заданные значения напряжений с заданными допустимыми колебаниями при изменениях входного напряжения и сопротивления нагрузки,

В отдельных случаях кроме постоянства питающего напряжения требуется и постоянство тока. Для поддержания постоянства тока служат стабилизаторы тока. Стабилизаторы напряжения и тока часто называют автоматическими регуляторами напряжения и тока.

Задачей данного курсового проекта является разработка топологии ИМС параметрического стабилизатора напряжения и технологического маршрута производства в соответствии с данным техническим заданием.

1. 
Стабилизаторы напряжения в интегральных схемах

1.1 Характеристики стабилизаторов

Стабильность выходного напряжения зависит от изменений входного напряжения, частоты, температуры окружающей среды, нестабильности элементов самого стабилизатора, сопротивления нагрузки. Для оценки качества работы стабилизаторов вводятся понятия коэффициентов стабилизации по напряжению и току:

;   (1)

где -коэффициент стабилизации по напряжению; - коэффициент стабилизации по току;

;

;

.

, ,  - соответственно входное и выходное номинальные напряжения и номинальный выходной ток стабилизатора (ток нагрузки).

Коэффициенты стабилизации показывают, во сколько раз относительное изменение выходного напряжения (тока) меньше относительного изменения входного напряжения (тока). Величина коэффициента стабилизации для различных типов стабилизаторов колеблется от нескольких единиц до нескольких тысяч. Коэффициент стабилизации может быть приведен для медленного (плавного) изменения напряжения сети (статическая нестабильность) и для скачкообразного изменения (динамическая нестабильность). Также может быть указан уход (временной дрейф) выходного напряжения за определенное время, например за 8 ч работы (обычно это относится к источнику питания в целом).

Важным параметром работы стабилизатора является его температурный коэффициент по напряжению (ТКН или ), характеризующий изменение выходного напряжения или тока нагрузки:

, при   (2)

Стабилизатор характеризуется также коэффициентом сглаживания пульсаций

,  (3)

где ,  - соответственно амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения на входе и выходе стабилизатора; ,  - постоянные составляющие напряжения на входе и выходе стабилизатора. Коэффициент сглаживания характеризует способность стабилизатора снижать пульсации выпрямленного напряжения.

Еще одной характеристикой является выходное сопротивление, общее выражение для которого имеет вид:

,  (4)

где  - выходное напряжение холостого хода, т.е. без нагрузки;  - ток в выходной цепи при коротком замыкании.

Для стабилизаторов переменного тока, в которых важна неискаженная форма выходного напряжения, вводится понятие коэффициента нелинейных искажений.

Для полной характеристики стабилизаторов необходимо знать КПД, т. е. отношение выходной мощности ко входной. КПД в зависимости от принципа построения, схемного решения, высокой мощности может быть от нескольких процентов до 90%.

Стабилизаторы можно классифицировать по мощности, принципу действия, точности поддержания выходного напряжения, назначению и области применения. Стабилизаторы бывают общего назначения и специальные. К первым можно отнести стабилизаторы, например, для питания телевизоров, а ко вторым стабилизаторы в источнике питания задающего генератора передатчика или для прецизионной контрольно-измерительной аппаратуры.

По мощности стабилизаторы подразделяются на маломощные (до 50 Вт), средней (до 2 кВт) и большой мощности (свыше 2 кВт).

По принципу действия стабилизаторы подразделяются на параметрические, компенсационные и импульсные.

1.2 Интегральные схемы в устройствах стабилизации напряжения питания

Повышенная точность работы электронной системы может быть достигнута лишь в том случае, если все устройства, входящие в нее, будут иметь стабильные передаточные функции. Все усилительные параметры и уровни ошибок интегральных схем в определенной мере зависят от питающих напряжении. Как показывает опыт, для аппаратуры, построенной на большом количестве ИС, при изменениях питающих напряжений могут возникать значительные ошибки. Чем сложнее электронная схема, тем сильнее ее параметры зависят от питающих напряжений.

Аналогичная ситуация имеет место и для устройств, выполненных на цифровых интегральных схемах, несмотря на стандартность их логической функции. В цифровых устройствах при значительных колебаниях питающих напряжений может снижаться помехоустойчивость. Этот эффект определяется нестабильностью линейного режима, в котором находится ключевая схема в момент смены состояний.

1.3 Особенности интегральных стабилизаторов

Интегральные схемы, работающие в режиме стабилизации питающих напряжений, имеют следующие особенности. В интегральном исполнении преобладают так называемые последовательные стабилизаторы напряжения. Они могут иметь непрерывный или импульсный режимы управления. Схемы с импульсным управлением по-другому называются ключевыми стабилизаторами напряжения. Стабилизаторы могут строиться для положительных или отрицательных напряжений питания. Если разнополярные стабилизаторы обслуживают устройство, выполненное на интегральных ОУ, то они размещаются непосредственно на этой монтажной плате. Выходное напряжение интегрального стабилизатора может быть меньше или больше, чем напряжение, выделяющееся на интегральном стабилитроне или на схеме, синтезирующей опорное напряжение. Для обслуживания блоков, собранных на цифровых ИС, конструируются специальные стабилизаторы, рассчитанные на напряжение 5 В, но генерирующие значительные токи (сотни миллиампер).

Интегральные стабилизаторы появились относительно поздно отчасти потому, что их очень трудно спроектировать многофункциональными, чтобы удовлетворить разнообразные требования потребителей. От различных систем питания требуются разные напряжения, токи и коэффициенты стабилизации, в то же время уровни токов, генерируемых монолитными ИС, ограничены, так как для мощных структур необходимы кристаллы увеличенных размеров (соответственно необходимы сложные многовыводные корпуса с увеличенной мощностью рассеяния).

Интегральные стабилизаторы постоянно совершенствуются. Схемотехника такой ИС по сложности соответствует ОУ, причем внутри кристалла стабилизатора существует сильная тепловая обратная связь. К интегральному стабилизатору желательно подключать наименьшее количество обслуживающих элементов. С этой точки зрения наиболее перспективны стабилизаторы, имеющие всего три вывода: вход, выход и общий полюс. Трехвыводные стабилизаторы имеют меньшую универсальность применения, но рассчитаны на повышенную мощность, для них не требуются дополнительные проходные транзисторы. Эти стабилизаторы смонтированы в корпусах мощных транзисторов, имеющих два или три изолированных вывода. Однако появлению этих ИС предшествовало широкое распространение относительно маломощных универсальных ИС.

1.4 Кремниевый стабилитрон. Простейший параметрический стабилизатор напряжения

Структура принципиальной схемы стабилизатора во многом определяется типом опорного элемента - стабилитрона. В настоящее время для интегральных стабилизаторов используются три типа опорных элементов: пробивной стабилитрон с напряжением примерно 6,3 В, низковольтный термокомпенсированный источник с напряжением 1,8 В, также основанный на пробивном стабилитроне, и опорный элемент без пробивного диода, основанный на генераторах стабильных токов.

Наиболее просто в качестве стабилитрона использовать переход база-эмиттер стандартного интегрального транзистора [2]. При обратном смещении этот переход пробивается при напряжении ~5-6 при лавинном механизме и при напряжении ~2-5 В при туннельном механизме пробоя, причем температурный коэффициент опорного напряжения .

На рис. 1.1. (а) показана схема включения стабилитрона, а на рис. 1.1. (б) - его эквивалентная схема, из которой видно, что опорное напряжение U_oп выделяющееся на стабилитроне, суммируется из ЭДС Е_оп и падения напряжения от тока I_ст, протекающего через стабилитрон. Оно выделяется на внутреннем сопротивлении диода R_D. По данному эквиваленту можно сделать два важных для проектирования схем стабилизаторов вывода: ток стабилитрона I_ст следует устанавливать минимальным и обязательно фиксировать.

Рис. 1.1. Включение планарного интегрального транзистора в режиме стабилитрона (а) и его эквивалентная схема (б)

На рис. 1.2. (а) представлена вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона, на рис. 1.2, (б) - ее наиболее распространенное начертание (сплошная линия отражает нормальную температуру t₁, штриховая - повышенную температуру t₂). При подведении к полупроводниковому стабилитрону прямого напряжения он ведет себя как обычный полупроводниковый диод (рис. 1.2, б). Обратная ветвь вольт-амперной характеристики совпадает с аналогичной характеристикой обычного диода, пока приложенное обратное напряжение меньше напряжения пробоя.

Рис. 1.2. Вольт-амперные характеристики полупроводникового стабилитрона

Когда напряжение становится равным напряжению электрического пробоя (точка 1), стабилитрон открывается и проходящий через него ток (ток стабилизации) будет определяться сопротивлением нагрузки. В этом состоянии кремниевый стабилитрон может находиться продолжительное время, если мощность рассеивания на нем не превышает допустимой. При превышении максимально допустимого тока стабилизации наступает необратимый тепловой пробой, стабилитрон теряет свои стабилизирующие свойства и выходит из строя. Таким образом, при применении кремниевых стабилитронов используется участок обратной ветви вольт-амперной характеристики (участок между точками 1 и 2). Стабилитроны включаются в электрическую схему полярностью, противоположной полярности обычных выпрямительных диодов.

На рис. 1.3. приведена схема включения полупроводникового стабилитрона (простейший вариант стабилизатора напряжения). При изменении входного напряжения изменяется ток в стабилитроне. Если входное напряжение U_вх увеличилось, то ток I_ст через стабилитрон увеличивается, при этом увеличивается падение напряжения на балластном или гасящем резисторе R_Г а напряжение U_вых на стабилитроне и, следовательно, на нагрузке R_н остается постоянным. Сопротивление R_Г берется таким, чтобы падение напряжения на нем составляло (0,5 ÷ 3,0) U_вых. В таком стабилизаторе КПД составляет 20-30%, коэффициент стабилизации - 20-50.

Далее следует заметить, что поскольку общий ток практически неизменен, увеличение выходного тока сопровождается уменьшением тока стабилитрона. При коротком замыкании выходных зажимов (R_н = 0) получаем I_ст = 0, т.е. диодный стабилизатор «не боится» коротких замыканий на выходе. Эта особенность свойственна всем стабилизаторам параллельного типа, у которых регулирующий элемент включен параллельно нагрузке.

Рис. 1.3. Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения на опорном диоде (стабилитроне)

Для увеличения коэффициента стабилизации применяют каскадное включение стабилитронов. Для этого на выходе приведенной схемы включаются еще один балластный резистор и стабилитрон с более низким напряжением стабилизации. Общий коэффициент стабилизации будет равен произведению коэффициентов стабилизации отдельных стабилизаторов. При этом резко уменьшается КПД. Например, при двухкаскадном включении стабилизаторов с КПД, равным 25%, общий КПД равен нескольким процентам.

Рис. 1.4. Схемы параметрических стабилизаторов напряжения с термокомпенсацией

Параметры кремниевых стабилитронов сильно зависят от температуры окружающей среды, что вызывает необходимость специальной термокомпенсации. У кремниевых стабилитронов с ростом температуры напряжение стабилизации увеличивается, т. е. они имеют положительный температурный коэффициент по напряжению (ТКН). Включение в стабилизатор элементов R_t° с отрицательным ТКН позволяет уменьшить влияние температуры (рис. 1.4. а). В качестве термокомпенсирующего элемента используются обычные полупроводниковые диоды либо кремниевые стабилитроны, включенные в прямом направлении (рис. 1.4, б). В отличие от стабилитрона, включенного в обратном направлении, кремниевый стабилитрон, включенный в прямом направлении, имеет отрицательный ТКН. Так как изменение напряжения стабилизации с ростом температуры превышает изменение прямого падения напряжения на одном стабилитроне, для полной компенсации используются несколько стабилитронов. Термокомпенсирующими элементами часто служат полупроводниковые термосопротивления с отрицательным ТКН (термисторы). Для увеличения выходного напряжения стабилитроны включаются последовательно. Из-за разброса напряжения стабилизации параллельное включение кремниевых стабилитронов недопустимо. В этом случае стабилитрон с более низким напряжением стабилизации оказывается перегруженным по току.