Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2005 №2

Микроэлектронные преобразователи переменного напряжения в постоянное по уровню среднеквадратического значения. Часть 3. Применение термоэлектрических преобразователей

Дворников Олег


В третьей статье цикла рассматриваются вакуумные, пленочные и полупроводниковые термоэлектрические преобразователи, обеспечивающие метрологические характеристики широкополосных ПСКЗ.

Все статьи цикла:

Известно, что экспоненциально-логарифми ческие ПСКЗ обладают большой точностью преобразования, но небольшим частотным диапазоном [1, 2]. ПСКЗ на аналоговых умножите лях напряжения могут обрабатывать сигналы даже в гигагерцовой полосе частот, но их погрешность пре образования довольно велика. Эта ситуация приве ла к тому, что в широкополосных прецизионных ПСКЗ применяются технологически сложные и до рогие термоэлектрические преобразователи (ТЭП).

Наиболее распространены вакуумные, пленочные и полупроводниковые ТЭП с нагревательным элемен том в виде резистора и различными датчиками тем пературы: термопарой, полупроводниковым диодом, транзистором. Нагревательный элемент и датчик тем пературы имеют тепловую связь, поэтому в ТЭП вы ходное напряжение постоянного тока VOUTDC зави сит от мощности входного напряжения vINP(t) пере менного тока:

(1)
(2)

где KPV — коэффициент термоэлектрического пре образования входной мощности в выходное напря жение [В/Вт], PH — мощность, рассеиваемая вход ным сигналом на нагревательном элементе, RH — со противление нагревательного элемента, VINPRMS — среднеквадратическое значение входного напряже ния переменного тока vINP(t), tJ+1 – tJ — заданный ин тервал времени, N — показатель степени, так назы ваемый «N-фактор».

При идеальном термоэлектрическом преобразо вании N=2. В реальном ТЭП коэффициент преобра зования KPV может зависеть от температуры, кроме того, сопротивление нагревательного резистора име ет нелинейность RH=f(vINP) и температурный коэф фициент сопротивления (ТКС). Все эти факторы могут описываться постоянным коэффициентом KPV и зависимостью показателя степени N от среднеквад ратического значения напряжения N=f(VINPRMS)≠2.

Для применения ТЭП в прецизионной аппарату ре желательно выполнение точного равенства N=2. Однако если N-фактор постоянен в некотором диа пазоне входного (выходного) сигнала или известна и стабильна зависимость N= f(VINPRMS), отличие N от идеального значения может быть учтено при ка либровке или цифровой обработке выходного сиг нала ТЭП.

Наиболее качественными по N-фактору являются вакуумные ТЭП, но их применение ограничено рядом моментов [3]:

  • малым выходным напряжением;
  • крайней чувствительностью к перегрузкам нагре вательного элемента;
  • очень большой постоянной времени, требующей стабильности источника входного напряжения во время всего процесса преобразования — мину ты и более;
  • небольшим динамическим диапазоном, в преде лах которого N-фактор постоянен.

Недостатки вакуумных ТЭП определили основ ные пути совершенствования ТЭП: создание диффе ренциальных термоэлектрических преобразовате лей (ДТЭП) для исключения требований по N-фак тору, изготовление пленочных и полупроводниковых ТЭП для уменьшения постоянной времени.

ДТЭП содержит два термоэлектрических блока (ТЭБ), каждый из которых включает нагревательный элемент, связанный тепловой связью с датчиком тем пературы. Блоки термоизолированы друг от друга, но находятся в одинаковых внешних условиях.

При применении ДТЭП в ПСКЗ входной сигнал подают на один нагревательный элемент, а эталон ное напряжение постоянного тока — на другой. Напряжение постоянного тока на выходе каждого датчика температуры пропорционально подводи мой к соответствующим нагревательным элементам мощности. Если ТЭБ идентичны по электрическим и тепловым характеристикам, то при равенст ве выходных напряжений датчиков темпера туры мощности на нагревательных элементах одинаковы и, следовательно, входной сигнал и эталонное напряжение постоянного тока равны по среднеквадратическому значению.

Основными требованиями к ДТЭП являют ся высокая эффективность преобразования «сигнал нагревательного элемента — тепло— сигнал датчика температуры», определяющая KPV; идентичность электрических и тепловых характеристик блоков; хорошая электроизо ляция нагревательного элемента от датчика температуры внутри ТЭБ и теплоизоляция од ного ТЭБ от другого; технологичность изго товления (отсутствие сложных технологиче ских операций, дорогостоящих материалов и комплектующих изделий).

Пленочные резисторно-термопарные ДТЭП [4–8] обеспечивают высокий KPV, малую по стоянную времени и менее чувствительны к перегрузкам нагревательного элемента, чем вакуумные ТЭП, но довольно сложны при из готовлении и поэтому дороги (табл. 1).

Таблица 1. Сравнение основных параметров пленочных ДТЭП [4–8]
Сравнение основных параметров пленочных ДТЭП [4–8]
Таблица 2. Сравнение основных параметров полупроводниковых ДТЭП [4, 5, 10–12]
Сравнение основных параметров полупроводниковых ДТЭП [4, 5, 10–12]

Наиболее технологичны и дешевы при мас совом производстве ДТЭП с полупроводнико выми ТЭБ. Из большого многообразия суще ствующих полупроводниковых ТЭП [9] наи более пригодны для ПСКЗ резисторно-диодные и резисторно-транзисторные. Как видно из таб лицы 2, полупроводниковые ДТЭП имеют не высокий коэффициент преобразования KPV, однако схема включения резисторно-транзис торных ДТЭП обеспечивает значительное уве личение KPV без дополнительных активных элементов.

Принцип работы резисторно-транзистор ного ДТЭП поясняет рис. 1 [13], на котором показаны два идентичных термоизолирован ных друг от друга блока 1 и 2, каждый из ко торых включает нагревательный элемент RI, имеющий тепловую связь с датчиком темпе ратуры — n-p-n-транзистором QI.

Типовая схема включения
резисторно9транзисторного ДТЭП
Рис. 1. Типовая схема включения резисторно9транзисторного ДТЭП

Известно, что температура резистора явля ется линейной функцией от рассеиваемой резистором мощности и, следовательно, опреде ляется квадратом среднеквадратического зна чения приложенного напряжения или тока.

(3)

где PM — средняя мощность, рассеиваемая на пряжением vINP(t) на резисторе R за время T.

Если изменяющийся во времени сигнал vINP(t) приложен к резистору R1, то мощность, рассеиваемая на этом резисторе, приводит к его нагреванию, передаче тепла к транзисто ру Q1 и изменению напряжения на прямосме щенном эмиттерном переходе Q1. Если напря жение на резисторе R2 отличается от напряже ния на R1, то напряжение ошибки, равное разности коллекторных потенциалов Q1 и Q2, будет усиливаться DA1. Выходное напряже ние постоянного тока усилителя DA1, подава емое на резистор R2, будет приводить к из менению мощности рассеиваемой R2, темпе ратуры R2, Q2, изменению напряжения на прямосмещенном эмиттерном и, следова тельно, обратносмещенном коллекторном переходе Q2. Обратная связь через DA1 приве дет к такому изменению напряжения на рези сторе R2, при котором коллекторное напряже ние Q1 и Q2 будет одинаковым. Если резисто ры R1, R2 и транзисторы Q1, Q2 имеют идентичные характеристики, в этом случае (при нулевом напряжении ошибки) выходное напряжение постоянного тока DA1 будет пря мо пропорционально среднеквадратическому значению VINPRMS изменяющегося во време ни входного сигнала vINP(t). Другими слова ми, мощность напряжения постоянного тока, подаваемого на резистор R2 от усилителя DA1, равна мощности, рассеиваемой резистором R1 от изменяющегося во времени сигнала.

PR1 = PR2 (4)

(5)

при R1=R2

(6)

В ПСКЗ, показанном на рис. 1, усилитель обратной связи DA1 усиливает только диффе ренциальный сигнал и, если элементы R1, R2, Q1, Q2 имеют идентичные характеристики, влияние на точность преобразования темпе ратуры окружающей среды будет пренебре жимо мало.

Для средне и высокочастотных входных сигналов тепловая постоянная времени ТЭБ №1 выступает усреднителем входной мощности, обеспечивая постоянное напряже ние на коллекторе Q1. Для медленно изменя ющихся входных сигналов температура Q1 будет отслеживать мгновенное значение v2 INP(t), а VOUT будет стремиться к vINP(t). Для того чтобы выходное напряжение ПСКЗ было постоянным даже для медленно изме няющегося входного сигнала, вводят отрица тельную обратную связь (ОС) по переменно му сигналу DA2, RF, CF, как показано на рис. 2. В ПСКЗ также дополнительно введен диод D1 для устранения положительной ОС, возника ющей при отрицательном выходном напря жении VOUT, и конденсаторы C1, C2 для обес печения устойчивой работы последователь но включенных дифференциального каскада Q1, Q2, R3, R4 и усилителя DA1 при любых па раметрах отрицательной ОС.

Схема включения ДТЭП для обработки медленно изменяющихся входных сигналов
Рис. 2. Схема включения ДТЭП для обработки медленно изменяющихся входных сигналов

Анализ схемы, приведенной на рис. 2, вы полнен в работе [14] для термоэлектрической модели ТЭБ, показанной на рис. 3. Поток теп ла заменен источником тока v2(t)/RH с размер- ностью [Вт], температура окружающей среды — источником напряжения TAM [°C], теплоемкость — электрической емкостью γ[Вт·с/°C], тепловое сопротивление — электрическим сопротивлением θ[°C/Вт], температурный коэффициент p-n перехода отражен усилителем M [В/°C]:

Термоэлектрическая модель
резисторно9транзисторного ТЭБ
Рис. 3. Термоэлектрическая модель резисторно9транзисторного ТЭБ
(7)

Из уравнений Эберса-Молла следует, что M≈–2 мВ/°C и имеет нелинейность менее 2% в диапазоне температур от 0 до 100 °C.

Конденсаторы CSTR описывают распределен- ную паразитную емкость между нагревательным резистором RH и выводом STR (STR — вывод изолирующего кармана, если нагревательный резистор полупроводниковый, или вывод подложки, если резистор тонкопленочный и расположен на окисле, покрывающем подложку).

Если пренебречь влиянием CSTR, напряжением на резисторах R5=R6=RB из-за протекания по ним базовых токов транзисторов Q1, Q2 и выбрать сопротивление обратной связи RF так, чтобы обеспечить нулевой коэффици- ент передачи цепи ОС (DA2, CF , RF) по пере- менному току при известной тепловой постоянной времени термоэлемента:

(8)

то для среднечастотного входного синусои- дального сигнала с частотой ƒ>> τ–1 F, ƒ>> τ–1 T1, ƒ>> τ–1 T2 или входного напряжения постоянного тока будет справедливо:

(9)

где

— тепловое усиление на постоянном токе

(AT0 нелинейно из-за температурной зависи- мости M, RH, θи зависимости RH=RH(V)), τT= γθ— тепловая постоянная времени, VBE— напряжение на прямосмещенном эмиттерном переходе при отсутствии входного сигнала, τF — постоянная времени фильтра, индекс «1», «2» — номер ТЭБ.

Из (9) следует, что для среднечастотной области мультипликативную погрешность будет определять различие теплового усиления

а аддитивную погрешность — разность прямого падения напряжения на эмиттерном переходе (VBE1 – VBE2) теплочувствительных транзисторов Q1, Q2 при отсутствии входного сигнала.

Мультипликативную погрешность можно уменьшить введением масштабирующего усилителя на выходе ПСКЗ, а аддитивную — стандартными методами компенсации напряжения смещения дифференциальных каскадов, но при этом остается температурный дрейф погрешности.

Как отмечалось ранее, тепловое усиление AT0 нелинейно, но из (9) вытекает, что при компенсации аддитивной погрешности (VBE1 –VBE2)≈0 погрешность преобразования ПСКЗ определяется не величиной AT0, а соотношением теплового усиления

двух ТЭБ, которое при полупроводниковом исполнении довольно близко к единице.

Так как оба кристалла функционируют при практически равной температуре и в одинаковых внешних условиях, то происходящее с течением времени небольшое изменение электропараметров элементов, в основном сопротивления нагревательных резисторов, не вызывает изменения отношения теплового усиления

и мультипликативной погрешности. Это свойство ДТЭП позволяет создавать ПСКЗ с высокой долговременной стабильностью характеристик.

Для низкочастотных сигналов выходное напряжение будет включать постоянную составляющую VOUTDC и пульсации VOUTRIPPLE

(10)

Если пульсации невелики, то можно рассчитать погрешность, вносимую ими в зависимости от частоты входного сигнала [14]:

где ADA2 — коэффициент усиления DA2.

Из (11) видно, что для линейного усилителя DA2 (то есть ADA2 = Const) погрешность преобразования низкочастотного сигнала прямо пропорциональна уровню выходного напряжения ПСКЗ.

Следует заметить, что с источником входного сигнала соединен только один элемент ПСКЗ — резистор R1, все остальные элементы работают с напряжением постоянного тока, поэтому высокочастотный предел ПСКЗ будет определять паразитная емкость, индуктивность R1 и проходная емкость между R1 и транзистором Q1. На частотную погрешность также могут влиять поверхностные эффекты в цепи входного нагревательного резистора [17].

Иногда в ПСКЗ (рис. 4) последовательно и параллельно с входом включают корректирующие RC-цепи [4]: последовательная цепь R3C1 выравнивает амплитудно-частотную ха- рактеристику (АЧХ), а параллельная R4C2 поз- воляет сохранить постоянным входное сопротивление при наличии паразитных параметров корпуса и нагревательного резистора.

Корректирующие цепи для улучшения высокочастотных параметров ДТЭП
Рис. 4. Корректирующие цепи для улучшения высокочастотных параметров ДТЭП

Для всех ТЭП необходима защита по входу, поскольку избыточное среднеквадратическое значение входного напряжения может вывести из строя нагревательный элемент. Для входных синусоидальных сигналов достаточно на входе ПСКЗ расположить диодный ограничитель напряжения. Однако для сложных сигналов с большим коэффициентом амплитуды входная защита должна включаться в том случае, если среднеквадратическое значение входного сигнала превышает предельно допустимую величину.

Типовая схема защиты ТЭП [15] показана на рис. 5. При температуре окружающей среды TAM ≈25 °С и нулевом входном напряжении устанавливается величина опорного напряжения VREF, приблизительно на 200 мВ превышающая напряжение на объединенных эмиттерах VE термочувствительных транзисторов Q1, Q2. Для любого сочетания температуры окружающей среды TAM и среднеквадратического значения входного сигнала VINPRMS , при котором температура кристалла увеличивается до предельно допустимого для кремния значения, равного 125 °С, включается усилитель защиты DAP и отключается источник входного сигнала. В этом случае предельно допустимое среднеквадратическое значение входного сигнала составит

Типовая схема защиты входа ДТЭП
Рис. 5. Типовая схема защиты входа ДТЭП
(12)

Если опорное напряжение устанавливается при TAM≠25 °С, то его величина выбирается из соотношения

VREF=VE+|MU|×125 °С–TAM) (13)

Как указывалось ранее, отрицательная ОС по переменному сигналу необходима для того, чтобы обеспечить работу ПСКЗ с ТЭП на сверхнизких частотах, когда период входного сигнала сравним или меньше тепловой постоянной времени. Для реализации этой ОС в базы термочувствительных транзисторов вводят резисторы величиной RB=(0,1–1) кОм. Несмотря на малую величину, эти резисторы приводят к увеличению погрешности ПСКЗ из-за собственных шумов и дополнительных температурных дрейфов, вызванных разным напряжением на резисторах RB. В связи с этим предпочтительным является ПСКЗ с заземленными базами термочувствительных транзисторов, например показанный на рис. 6. В нем обратная связь с коллектора термочувствительного n-p-n на нагревательный элемент осуществляется через усилители DA3, DA5 и n-p-n-транзисторы DA4, которые реализуют функцию извлечения квадратного корня. Такая обратная связь улучшает переходную характеристику ПСКЗ [16].

ПСКЗ на ДТЭП с улучшенной переходной характеристикой
Рис. 6. ПСКЗ на ДТЭП с улучшенной переходной характеристикой

Проведенный анализ ТЭП позволил выработать общий подход к проектированию ши- рокополосного прецизионного ПСКЗ [17].

  1. Все существующие ТЭП имеют степенную зависимость выходного напряжения посто- янного тока от среднеквадратического зна- чения входного напряжения переменного тока VOUTDC=Const UVINPRMSN. Если N-фак- тор постоянен в некотором диапазоне входных напряжений или известна зависимость N=ƒ(VINPRMS), то влияние Nна точность преобразования сигнала в ПСКЗ может быть учтено при цифровой калибровке выходного сигнала ТЭП. Однако наиболее простым и дешевым способом уменьшения влияния N-фактора на точность ПСКЗ является применение дифференциальных ТЭП с высокой идентичностью электрических и тепловых характеристик ТЭБ. Так как абсолютной идентичности параметров достичь невозможно, то желательно иметь минимальные температурные изменения основных параметров:
  2. Максимальную идентичность характеристик элементов можно получить в полупроводниковых ДТЭП, в которых ТЭБ находятся при одинаковых внешних условиях.
  3. Большинство полупроводниковых ТЭП имеют коэффициент термоэлектрического преобразования KPV меньший, чем пленочные. В связи с этим наиболее перспективным является резисторно-транзисторный ТЭП, позволяющий получить дополнительное усиление.
  4. Для увеличения KPV необходимо максимально улучшить теплопередачу от нагревательного элемента к датчику температуры и увеличить тепловое сопротивление между ТЭБ и окружающей средой, то есть уменьшить отвод тепла от каждого ТЭБ.
  5. Для обеспечения N≈2 необходимо уменьшить ТКС и нелинейность вольт-амперной характеристики (ВАХ) нагревательного элемента.

Рассмотрим более подробно наиболее известные полупроводниковые ДТЭП.

Наилучшим сочетанием технических параметров обладает ДТЭП 489377 фирмы Fluke [12, 16, 18], на основе которого созданы вольтметры переменного тока 8920, 8921, 8506, калибраторы 5720, 5700, 792A AC/DC Transfer Standard, AC/DC-преобразователь SL851.

ДТЭП фирмы Fluke [18], показанный на рис. 7, включает два полупроводниковых кристалла (ТЭБ) 1, 2, каждый из которых содержит биполярный транзистор Q1, Q2 и тонкопленоч- ный резистор R1, R2. Оба кристалла расположе- ны внутри полупроводниковой рамки 3 размером 2U1,5 мм и удерживаются на межсоединениях 4, присоединяющих окна к нагревательному резистору и областям базы, эмиттера, коллектора с контактными площадками 5, расположенными на полупроводниковой рамке. Между кристаллами и между кристаллами и рамкой имеется воздушный зазор. В данной конструкции тепловая связь нагревательного резистора и транзистора внутри кристалла очень велика, а воздушный зазор обеспечивает максимальную теплоизоляцию между кристаллами и между кристаллами и полупроводниковой рамкой.

Кристалл ДТЭП фирмы Fluke
Рис. 7. Кристалл ДТЭП фирмы Fluke

Фирмой Fluke был модернизирован технологический процесс изготовления кристаллов и конструкция корпуса.

  • Для получения воздушного зазора толщина полупроводниковой пластины со сформированными элементами вначале уменьшается от стандартной величины 380–460 мкм до 75 мкм, а потом проводится анизотропное травление. Преимуществом такого способа является то, что каждый ТЭБ не содержит относительно больших контактных площадок (они расположены на рамке), имеет минимальную площадь, толщину и, следовательно, малый теплорассеиваю- щий объем (см. табл. 3). Это особенно важно, поскольку теплопроводность кремния значительно больше, чем теплопроводность воздуха и наиболее распространенных изолирующих подложек из ситалла, поликора, текстолита. С другой стороны, при травлении изолируются два кристалла, расположенные максимально близко друг от друга на полупроводниковой подложке. Идентичность электрических и тепловых параметров кристаллов ТЭБ в этом случае максимальна.
  • Для уменьшения емкостного взаимодействия между тонкопленочным нагревательным резистором и транзистором вывод резистора, соединяемый с землей, выполнен в виде экранирующего полукольца (6 на рис. 7), размещенного между нагревательным резистором и транзистором. Так как база теплочувствительного транзистора обычно соединяется с землей, то между эмиттерным переходом и нагревательным элементом расположены две заземленные экранирующие области.
  • Для удержания кристаллов в воздухе используются двухслойные межсоединения: нижний адгезионный слой — хром, титан или нихром, который одновременно применяется для формирования нагревательного элемента, верхний слой — материал с хорошей электропроводностью и плохой теплопроводностью, например 304 нержавеющая сталь. Удельная теплопроводность таких межсоединений меньше, чем традиционно используемых при разварке кремниевых кристаллов алюминия и золота. Кроме того, поперечное сечение межсоединений значительно меньше, чем минимально возможное для алюминиевой проволоки диаметром 27 мкм или золотой проволоки диаметром 15 мкм, поэтому теплоотвод от кристаллов по межсоединениям пренебрежимо мал.
  • При сборке в корпус ТЭП размещают на теплоизолирующей керамической мезаструктуре 1 (рис. 8) так, что только полупроводниковая рамка 2 контактирует с керамикой, причем не по всему периметру, а в минимально возможных точках 3. В мезаструктуре под кристаллами выполнено отверстие 4, чтобы исключить соприкосновение кристаллов с керамикой и ухудшить отвод тепла от ТЭБ.
Особенности конструкции ДТЭП фирмы Fluke
Рис. 8. Особенности конструкции ДТЭП фирмы Fluke
Таблица 3. Конструктивные особенности полупроводниковых ДТЭП
Конструктивные особенности полупроводниковых ДТЭП

Все принятые меры обеспечили рекордно высокое тепловое сопротивление θ>8400 °С/Вт и недостижимый в других конструкциях коэффициент преобразования KPV>16,0 мВ/мВт, однако большое количество уникальных технологических операций, не применяемых нигде, за исключением ДТЭП, делают их произ- водство чрезмерно дорогим.

ТЭП BB4130/BB4131 фирмы Burr-Brown [14, 15] и ДТПТ1 (ННИПИ «Кварц», РФ) [4] имеют одинаковую электрическую схему, показанную на рис. 9, близкие значения коэффициентов преобразования и сопротивлений нагревательных резисторов, но отличаются по частотным свойствам. Оба ТЭП содержат теплоизолирующую подложку, на которой расположены два полупроводниковых кристалла. Каждый кристалл включает n-p-n-транзистор и окружающий его нагревательный полупроводниковый резистор. В ИС BB4130/BB4131 нагревательный резистор выполнен из области p-типа, расположенной в изолированной области n-типа с отдельным контактом IS. Для обеспечения изоляции на вывод IS подают напряжение, превышающее напряжение на выводах резистора при любом режиме работы. Эквивалентная электрическая схема одного ТЭБ приведена на рис. 10а. Кристаллы изготовлены по стандартной биполярной технологии с одной дополнительной технологической операцией уменьшения толщины полупроводниковой пластины. Паразитная емкость полупроводникового резистора может быть значительно уменьшена при подаче на вывод IS максимально возможного положительного напряжения, ограниченного только напряжением пробоя VBR перехода p-резистор — n-изолирующий карман, ориентировочно VBR>30 В. Для уменьшения теплоотвода в кристаллах исключены проводники, соединяющие полупроводниковую подложку с отдельным выводом корпуса. Подложка каждого кристалла соединена с эмиттером соответствующего транзистора, что обеспечивает электрическую изоляцию n-кармана от коллектора, если на эмиттере n-p-n-транзистора наиболее низкое напряжение.

Схема электрическая BB4130/BB4131 и ДТПТ1
Рис. 9. Схема электрическая BB4130/BB4131 и ДТПТ1

Основным конструктивным недостатком BB4130/BB4131 является использование для формирования нагревательного резистора полупроводниковой области p-типа. Для кремниевых ИС максимально возможная концентрация примеси в области p-типа меньше, чем для области n-типа, поэтому низкоомный нагревательный p-резистор имеет большую ширину и, следовательно, большую паразитную емкость. Кроме того, ТКС р-резистора больше, чем n+ резистора [9], что приводит к дополнительной нелинейности.

При разработке ДТПТ1 попытались уменьшить ТКС резистора и максимально упростить технологический процесс изготовления кристаллов, перейдя на так называемую «двухдиффузионную планарную технологию». В этой конструкции ТЭБ коллектором является эпитаксиальная пленка n- типа, расположенная на высоколегированной подложке n+ типа. Нагревательный резистор выполнен на области n+ эмиттера, а изолирующий карман — на области p- базы n-p-n-транзистора [4]. Эквивалентная электрическая схема кристалла приведена на рис. 10б. Преимуществом конструкции является низкий ТКС нагревательного резистора. Однако нагревательный резистор выполнен на сильно легированных областях n+ эмиттера и p- базы n-p-n-транзистора и имеет большую удельную емкость, а ее уменьшение за счет обратного смещения ограничено малым пробивным напряжением резистор — изолирующий карман, равным напряжению пробоя эмиттерного перехода n-p-n VBR=(6–12) В, поэтому нагревательный резистор имеет плохие частотные свойства.

Схема электрическая эквивалентная одного кристалла: а) BB4130/BB4131, б) ДТПТ1
Рис. 10. Схема электрическая эквивалентная одного кристалла: а) BB4130/BB4131, б) ДТПТ1

В микросборке РБПН001 (ОАО «МНИПИ» [19], РБ) каждый ТЭБ имеет два нагревательных резистора (рис. 11). Резисторы при необходимости можно соединить параллельно — для увеличения амплитуды выходного сигнала при неизменном входном сигнале либо последовательно — для увеличения входного сопротивления и ослабления требований к усилителю, находящемуся перед ДТЭП, который должен обеспечивать высокую скорость нарастания, большую амплитуду выходного напряжения при предельно малых нелинейных искажениях.

Особое внимание при разработке микросборки уделялось увеличению KPV и идентичности параметров [17], для чего:

Схема электрическая РБПН001
Рис. 11. Схема электрическая РБПН001
  • в топологии биполярного транзистора и нагревательного резистора были применены технические решения, разработанные ранее для входных каскадов прецизионных ОУ;
  • максимально уменьшено (до 5 мкм) расстояние между нагревательным резистором и датчиком температуры — эмиттерным переходом n-p-n транзистора;
  • значительно уменьшен отвод тепла от элементов ТЭБ за счет выбора материала теплоизолирующей подложки, минимизации площади и толщины кристаллов до размеров 650U750U150 мкм, уменьшения длины и диаметра проводников, соединяющих контактные площадки кристалла и траверсы корпуса.

Известно, что характеристики нагревательного резистора — нелинейность ВАХ, ТКС— значительно влияют на параметры ДТЭП, а паразитная емкость нагревательного резистора, в основном, определяет высокочастотные свойства ТЭП.

Нелинейность ВАХ полупроводникового резистора, расположенного в изолирующем кармане, вызвана изменяющейся разностью потенциалов между выводами резистора и карманом, приводящей к изменению толщины области пространственного заряда (ОПЗ) p-n перехода резистор— карман. Часть ОПЗ распространяется в область резистора, модулирует его токопроводящую толщину и, следовательно, сопротивление.

Обычно для уменьшения нелинейности полупроводникового резистора увеличивают концентрацию примеси в его токопроводящей области, что одновременно уменьшает ТКС.

Применение этих способов в ТЭП невозможно из-за того, что при увеличении концентрации примеси уменьшается пробивное напряжение изолирующего p-n перехода и становится невозможным обрабатывать сигналы с большим коэффициентом амплитуды.

При разработке микросборки РБПН001 опробовались разные конструкции нагреватель ного резистора: тонкопленочная на основе низкоомного поликристаллического кремния (ПКК), полупроводниковая из параллельно соединенных областей n+ эмиттера и p-базы и из отдельной области n+ эмиттера. Экспериментальные исследования выявили, что: ПКК-резистор имеет наименьшую нелинейность ВАХ, ТКС в диапазоне температур –60...+60 °С ПКК-резистора (0,04–0,08 %/°С) меньше, чем n+ полупроводникового (0,14–0,18 %/°С). Так как паразитная емкость ПКК-резистора также меньше, чем полупроводникового, то именно ПКК-резистор был применен в окончательной конструкции микросборки РБПН001.

Эквивалентная схема одного термоэлектри- ческого блока с учетом влияния корпуса приведена на рис. 12 для нулевого смещения всех выводов, при котором паразитные емкости максимальны, а основные параметры микросборки РБПН001 — в таблице 4.

Схема электрическая эквивалентная
одного кристалла РБПН001
Рис. 12. Схема электрическая эквивалентная одного кристалла РБПН001
Таблица 4. Основные параметры микросборки РБПН001 при температуре 25±10 °С
Основные параметры микросборки РБПН001 при температуре 25±10 °

Применение микросборки РБПН001 в макетном образце ПСКЗ позволило получить погрешность преобразования синусоидального сигнала с частотой 1 МГц менее 0,5%, а для частоты 100 МГц— 1,5%. В большей степени погрешность преобразования высокочастотного сигнала объясняется недостаточной проработкой конструкции печатной платы, а также погрешностью задания входного сигнала прибором Wavetek Model 9500, который для более точных измерений необходимо калибровать общепринятыми стандартами с помощью вакуумных термоэлементов.

Литература

  1. Дворников О. Микроэлектронные преобразователи переменного напряжения в постоянное по уровню среднеквадратического значения. Часть 1. Преобразователи с экспоненциально-логарифмической обратной связью // Компоненты и технологии. 2004. № 9.
  2. Дворников О. Микроэлектронные преобра- зователи переменного напряжения в постоянное по уровню среднеквадратического значения. Часть 2. Преобразователи на аналоговых умножителях напряжения // Компоненты и технологии. 2005. № 1.
  3. Katzmann F.L. Recent Improvements to an Automated Precision Wide-Band AC-DC Transfer Standard // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 1987. Vol. IM-36, N 2.
  4. Грязнов М. И., Гуревич М. Л., Рябинин Ю. А. Измерение параметров импульсов. М.: Радио и связь. 1991.
  5. Гуревич М. Л. Разработка методов построения и создание точной аппаратуры контроля уровня напряжений широкополосных сигналов. Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук. Нижний Новгород. 2003.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке