Моделирование работы схемы источника опорного напряжения в условиях совместного воздействия высокой температуры и радиации космического пространства
Влияние температуры и ионизирующего излучения на характеристики полупроводниковой структуры транзисторов. Анализ системы схемотехнического моделирования LTspice IV. Проектирование вариантов схем источника опорного напряжения с учетом внешних воздействий.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 02.09.2018 |
| Размер файла | 3,9 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Рис. 35(б). Сток-затворная характеристика p-канального МОП-транзистора при 100оС и дозе 400 крад
Рис. 35(в). Сток-затворная характеристика p-канального МОП-транзистора при 100оС и дозе 1000 крад
Параметры p-канального МОП-транзистора при температуре 100оС и радиации в 400 крад, приняли следующий вид: VTH0 = 0.07, а U0 = 0.0155. При той же температуре и при повышении радиации до 1000 крад, параметры p-канального МОП-транзистора приняли следующие значения: VTH0= 0.05, а U0=0.0124.
Рис. 35(г). Сток-затворная характеристика p-канального МОП-транзистора при 200оС и дозе 400 крад
Рис. 35(д). Сток-затворная характеристика p-канального МОП-транзистора при 200оС и дозе 1000 крад
При высокой температуре и радиации в 400 крад, параметры p-канального МОП-транзистора стали следующими: VTH0= -0.03, а U0=0.0155. А при повышенной радиации в 1000 крад, приняли изменения: VTH0= -0.08, а U0=0.0108.
Полученные результаты моделирования, соответствуют результатам, приведенным в статье [1], значит они подходят для моделирования схемы источника опорного напряжения.
2.2 Моделирование вариантов схем источника опорного напряжения с учетом внешних воздействий
Были смоделированы 2 схемы источника опорного напряжения, приведенные в статье [1]. Данная схема была взята авторами данной статьи из следующего материала [10]. Данная схема представлена на рис. 36. При моделирование схемы, была выбрана комнатная температура, при этом параметры моделей не изменялись. Было получено выходное напряжение размеров в 1,68 В.
Рис. 36. Схема источника опорного напряжения цепи, построенная авторами статьи [10]
Затем была промоделирована схема источника опорного напряжения, созданного авторами статьи[1]. На рис. 37 представлена данная схема. Аналогично была использована комнатная температура и параметры моделей не изменялись. Выходное напряжение составило 1,47 В. В статьи[1] выходное напряжение составило ? 1,48 В. Выходное напряжение практически совпало со статьей[1].
Рис. 37. Схема источника опорного напряжения цепи, построенная авторами статьи [1]
Расчет схем источника опорного напряжения при комнатной температуре
При комнатной температуре выходное напряжение схемы источника опорного напряжения (рис. 36), составляет 1.68 В. Выходное напряжение схемы источника опорного напряжения из рис. 37 составляет 1.47 В. Параметры VTH0 и U0 были взяты из таблицы 2.
Расчет схем источника опорного напряжения при температурах 100 и 200оС
При температуре 100 оС выходное напряжение схемы из рис. 36 равно 1.71 В, а при 200оС - V(out) = 1.74 В. Схема из рис. 37 при 100оС выдает выходное напряжение 1.54 В, а при 200оС - V(out) = 1.64 В. Параметры моделей также брались из таблицы 2.
Расчет схем источника опорного напряжения под воздействием радиации
При комнатной температуры под воздействием радиации в 400 крад схема источника опорного напряжения (рис. 36) выдает следующие выходное напряжение - V(out) = 1.67 В. Под воздействием в 1000 крад, выходное напряжение составляет 1.65 В. Схема из рис. 37, под воздействием радиации получило выходное напряжение размеров в 1.45 В. А при 1000 крад V(out) = 1.43 В. Параметры моделей, были взяты из таблицы 2.
Расчет схем источника опорного напряжения при совместном влиянии повышенных температурах и радиации
При температуре 100оС и радиации 400 крад, схема источника опорного напряжения из рис. 36, выдает выходное напряжение в 1,67 В, а при такой же температуре с излучением в 1000 крад -V(out) = 1,65 В. При аналогичной температуре и радиации 400 крад, схема источника опорного напряжения из рис. 37 выдает выходное напряжение 1,50 В, а при 1000 крад выдает 1,56 В. При температуре 200оС, а радиации 400 крад, схема из рис. 36 выдает напряжение в 1,65 В, а при самых экстремальных условиях: 200оС и 1000 крад -- выходное напряжение равно 1,67 В. Вторая схема источника опорного напряжения при 200оС и 400 крад выдает 1,62 В, а при экстремальных условиях 1,66 В. Параметры моделей, были взяты из таблицы 2.
2.3 Вывод о полученных результатах
После проведенных исследований, полученные результаты были занесены в таблицы 2 и 3. Из данных таблиц видно, что у схемы из рис. 36, при росте температуры от комнатной до 200оС выходное напряжение увеличивается от 1,68 В до 1,74 В. При комнатной температуре, при отсутствии радиации выходное напряжение равно 1,68 В, а при росте радиации выходное напряжение уменьшается до 1,67 В (при 400 крад), а при 1000 крад до 1,65 В. При 100оС-200оС и радиации 400-1000 крад выходное напряжение незначительно меньше, чем без них. При самых экстремальных условиях оно составляет 1,67 В. По данным из таблицы 3, можно обратить внимание, что при отсутствие каких-либо влияний на МОП транзисторы, схема из рис. 37, выдает выходное напряжение размеров в 1,47 В. При росте температуры до 200оС выходное напряжение уваливается до 1,64 В. При комнатной температуре и влиянию радиации до 1000 крад, выходной напряжение уменьшается от 1,47 до 1,43 В. При совместной влияние радиации от 400 до 1000 крад и температуры от 100 до 200оС, выходное напряжение увеличивается, чем при отсутствии внешнего воздействия, выходное напряжение составляет 1,66 В - при самых экстремальных условиях. Таблица 3 -- схема из рис. 36, Таблица 4 - схема из рис. 37. Данные выходного напряжения из статьи [1] были занесены в Таблицу 5.
Таблица 3 Выходное напряжение схемы из рис. 36
|
Схема источника опорного напряжения из рис. 36 |
Температура |
||||
|
25оС |
100оС |
200оС |
|||
|
Полученная доза |
0крад |
1,68 В |
1,71 В |
1,74 В |
|
|
400крад |
1,67 В |
1,67 В |
1,65 В |
||
|
1000крад |
1,65 В |
1,65 В |
1,67 В |
Таблица 4 Выходное напряжение схемы из рис. 37
|
Схема источника опорного напряжения из рис. 37 |
Температура |
||||
|
25оС |
100оС |
200оС |
|||
|
Полученная доза |
0крад |
1,47 В |
1,54 В |
1,64 В |
|
|
400крад |
1,45 В |
1,50 В |
1.62 В |
||
|
1000крад |
1,43 В |
1,56 В |
1,66 В |
Таблица 5 Выходное напряжение из статьи[1]
|
Схема источника опорного напряжения из статьи [1] |
Температура |
||||
|
25оС |
100оС |
200оС |
|||
|
Полученная доза |
0крад |
1,48 В |
1,54 В |
1,6 В |
|
|
400крад |
1,57 В |
1,68 В |
1,48 В |
||
|
1000крад |
1,58 В |
1,39 В |
1,48 В |
Затем был произведен сравнительный анализ схемы источника опорного напряжения из рис. 37, со статьей [1]. Сравнение приведены на рис. 38, цветными значками обозначены получившиеся результаты. Комнатная температура обозначена кружочками, температура в 100оС - квадратиками, 200оС - треугольниками.
Рис. 38. Сравнительный анализ полученных результатов (цветные значки) с используемой литературой [1]
При моделировании схемы источника опорного напряжения (рис. 38), было получено выходное напряжение в 1,47 В, это на 0,01 В меньше, чем получено в статье [1]. В статье при комнатной температуре выходное напряжение составляло ? 1,48 В. При моделировании при такой же температуре и при радиации в 400 крад выходное напряжение на 0,12 В меньше чем в данной статье, оно составило 1,45 В, в статье соответственно ?1,57 В. А при радиации в 1000 крад, оно составило 1,43 В, что на 0,15 В меньше, чем в статье ?1,58 В. При 100оС - V(out) в точности совпало с представленной статьей и составило 1,54 В. При текущей температуре и при излучении в 400 крад, выходное напряжение при моделировании составило 1,50 В, что на 0,18 В меньше чем в указанной статье, оно составило ?1,68 В. При повышении радиации до 1000 крад V(out) при моделировании получилось 1,56 В, что превысило выходное напряжение в статье на 0,17 В, т.к. составило ?1,39 В. При высокой температуре в 200оС выходное напряжение получилось 1,64 В, что на 0,04 В больше чем в статье, в статье оно составило ?1,6 В. При воздействии радиации 400 крад, V(out) составило 1,62 В, что на 0,14 В больше чем в статье, в статье оно вышло ?1,48 В. И при самых экстремальных условиях выходное напряжение составило 1,66 В, что превысило данные из статьи на 0,18 В, в статье оно составило ?1,48 В.
Заключение
В ходе выполнения работы были решены следующие задачи:
1) Была подобрана и проанализирована литература о влияние температуры и радиации на параметры МОП-транзисторов.
2) Была подобрана и проанализирована литература по источникам опорного напряжения на КМОПТ.
3) На основании литературных данных были получены параметры моделей МОП-транзисторов.
4) Была смоделированы 2 варианта схемы и оптимизирована схема источника опорного напряжения с учетом влияния повышенной (до +200С) температуры и полученной дозы до 1 Мрад.
Сравнительный анализ результатов моделирования показал, что характеристики схемы опорного напряжения под влиянием температуры и радиации деградируют сильнее, чем при отдельном воздействии указанных факторов. Однако, за счет оптимизации схемы изменения выходного напряжения при колебаниях температуры и воздействии излучения меняются не более, чем на 0.19 В (12.9%), при влиянии температуры на 0.17 В (11.5%), а при воздействии излучения на на 0.04 В (2.7%). Это согласуется с опубликованными в литературе результатами.
Материал был представлен на ежегодную межвузовскую научно-техническую конференцию студентов, аспирантов и молодых специалистов имени Е.В.Арменского [12].
Список используемой литературы
1. E.H. Boufouss *, L.A. Francis, V. Kilchytska, P. Gґerard, Pascal S. and D. Flandre, Ultra-Low Power High Temperature and Radiation Hard Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) Silicon-on-Insulator (SOI) Voltage Reference// Sensors 2013, 13, 17265-17280.
2. P.S. Winokur, F.W. Sexton, J.R. Schwank, D.M. Fleetwood, P.V. Dressendorfer, T.F. Wrobel, and D.C. Turpin, Total-Dose Radiation and Annealing Studies: Implications for Hardness Assurance, IEEE Trans. Nuc. Sci, NS-33 1343 (1986).
3. P.S. Winokur, F.W. Sexton, G.L. Hash, and D.C. Turpin ,"Total-Dose Failure Mechanisms of Integrated Circuits in Laboratory and Space Environments", IEEE Trans. Nuc. Sci. NS-34, 1448 (1987).
4. D. M. Fleetwood, P. S. Winokur, R. W. Beegle, P. V. Dressendorfer, and B . L . Draper, "Accounting f o r Dose Enhancement Effects with CMOS Transistors," IEEE Trans. Nuc. Sci. NS-32, 4369 (1985).
5. C.M. Dozier, D.M. Fleetwood, D.B. Brown, and P. S. Winokur, "An Evaluation of Low-Energy X-Ray and Cobalt-60 Irradiations of MOS Transistors", IEEE Trans. Nuc. Sci. NS-34, 1535 (1987).
6. Ka, N.L.; Mok, P.K.T. A CMOS Voltage Reference Based on Weighted Difference of Gate-Source Voltage between PMOS and NMOS Transistors for Low Dropout Regulators. In Proceedings of the 27th European Solid-State Circuits Conference, Villach, Austria, 18-20 September 2001; pp. 61-64.
7. Behazd, R. Design of Analog CMOS Integrated Circuit, 1st ed.; McGraw-Hill: New York, NY, USA, 2000; pp. 27-28.
9. D.M. Fleetwood, F.V. Thome, S.S. Tsao, P.V. Dressendorfer, V.J. Dandini, and J.R. Schwank HIGH-TEMPERATURE SILICON-ON-INSULATOR ELECTRONICS FOR SPACE NUCLEAR POWER SYSTEMS: REQUIREMENTS AND FEASIBILITY//October 1988, Vol. 35, No. 5.
10. Assaad, M.; Boufouss, E.; Gґerard, P.; Francis, L.; Flandre, D. Ultra Low Power CMOS Circuits Working in Subthreshold Regime for High Temperature and Radiation Environments. In Proceedings of the International Conference and Exhibition on High Temperature Electronics Network, Oxford, UK, 18-20 July 2011.
11. Э.Н. Вологдин, А.П. Лысенко. Московский государственный институт электроники и математики (технический университет). Радиационные эффекты в некоторых классах полупроводниковых прибор. Учебное пособие. Москва 2001г.
12. Александрова Е.А., Максимов Д.Е., Моделирование работы цифровых КМОП схем с учетом низкой и высокой температуры// Материалы ежегодной межвузовской научно-технической конференцию студентов, аспирантов и молодых специалистов имени Е.В.Арменского, 2018, Москва, НИУ ВШЭ, с. 17.
13. Shihabudheen, T.; Babu, V.S.; Baiju, M.R. A Low Power Sub 1V 3.5-ppm/C Voltage Reference Featuring Subthreshold MOSFETs. In Proceedings of the 15th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems, St. Julien's, Malta, 31 August-3 September 2008; pp. 442-445.
14. Filanovsky, I.M.; Allam, A. Mutual compensation of mobility and threshold voltage temperature effects with applications in CMOS circuits. IEEE Trans. Circ. Syst. I: Fundament. Theory Appl. 2001, 48, 876-884.
15. Rudenko, T.; Kilchytska, V.; Colinge, J.; Dessard, V.; Flandre, D. On the high-temperature subthreshold slope of thin-film SOI MOSFETs. IEEE Electr. Dev. Lett. 2002, 23, 148-150.
16. Boufouss, E.; Alvarado, J.; Flandre, D. Compact Modeling of the High Temperature Effect on the Single Event Transient Current Generated by Heavy Ions in SOI 6T-SRAM. In Proceedings of the International Conference on High Temperature Electronics, Albuquerque, NM, USA, 11-13 May 2010.
17. Alvarado, J.; Boufouss, E.; Kilchytska, V.; Flandre, D. Compact model for single event transients and total dose effects at high temperatures for partially depleted SOI MOSFETs. Microelectr. Reliab. 2010, 50, 1852-1856.
18. L.J. Palkuti, J.L. Prince , and A.S. Glista, "Semiconductor Device Characteristics at 26OєC for Aircraft Engine Control Applications, IEEE Trans. Comp. Hybr. Manu. Technol. CHMT-2, 405 (1979).
19. D.W. Palmerand, R.C. Heckman, "Extreme Temperature Range Microelectronics, IEEE Trans. Comp. Hybr. Manu. Technol. CHMT-1, 333 (1978).
20. B.L. Draper and D.W. Palmer, "Extension of High-Temperature Electronics, IEEE Trans. Comp. Hybr. Manu. Technol. CHMT-2, 399 (1979).
21. J.L. Prince, B.L. Draper, E.A. Rapp, J.N. Kronberg, and L.T. Fitch, "Performance of Digital Integrated Circuit Technologiesat Very High Temperatures, IEEE Trans . Comp. Hybr. Manu. Technol. CHMT-3, 571 (1980).
22. J.D. Beasom, R.D. Moore, G. Mohammed, and B.L. Draper, 35OєC CMOS Logic Process, IEDM-81, 350 (1981).
23 - S.S. Tsao, D.M. Fleetwood, H.T. Weaver, L. Pfeiffer , and G.K. Celler , Radiation-Tolerant, Sidewall-Hardened SOI/MOS Transistors, IEEE Trans. Nuc. Sci. -NS-34, 1686 (1987).
24. J.R. Schwank, P.S. Winokur, P.J. McWhorter, F.W. Sexton, P.V. Dressendorfer, and D.C. Turpin, "Physical Mechanisms Contributing to Device Rebound," IEEE Trans. Nuc. Sci. NS-31, 1434 (1984).
25. P.S. Winokur, J.R. Schwank, P. J. McWhorter, P.V. Dressendorfer, and D.C. Turpin, Correlating the Radiation Response of MOS Capacitors and Transistors, IEEE Trans. Nuc. Sci . NS-31 , 1453 (1984).
26. P.S. Winokur, E.B. Errett, D.M. Fleetwood, P.V. Dressendorfer, and D.C. Turpin, Optimizing and Controlling the Radiation Hardness of a Si-Gate CMOS Process, IEEE Trans. Nuc. Sci. NS-32, 3954 (1985).
27. F.W. Sexton and J.R. Schwank, Correlation of Radiation Effect sin Transistors and Integrated Circuits, IEEE Trans. Nuc. Sci. NS-32, 3975 (1985).
28. A.H. Johnston, "Super Recovery of Total Dose Damage in MOS Devices", IEEE Trans. Nuc. Sci. NS-31, 1427 (1984).
Приложение
Параметры МОП транзисторов
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Рассмотрение разных вариантов схем источника опорного напряжения, равного ширине запрещённой зоны. Выбор конструкции, расчёт реакции на изменение температуры и напряжения питания. Изучение основ измерения параметров устройств при технологическом уходе.
диссертация [2,2 M], добавлен 07.09.2015Выбор элементов и разработка принципиальной электрической схемы источника опорного напряжения (ИОН), электрическое моделирование одного из узлов системы. Область применения прецизионных ИОН, их стоимость. Мостовой выпрямитель, стабилизатор, коммутатор.
курсовая работа [198,6 K], добавлен 25.10.2012Принципиальная схема источника напряжения ВС 4-12 – стандартная, доработанная. Принципиальная схема защитного устройства выпрямителя от перегрузок по току. Выбор типа транзисторов и минимального сопротивления резисторов.
реферат [54,3 K], добавлен 19.03.2007Выбор структурной схемы системы электропитания, марки кабеля и расчет параметров кабельной сети. Определение минимального и максимального напряжения на входе ИСН. Расчет силового ключа, схемы управления, устройства питания. Источник опорного напряжения.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 24.06.2011Измерение температуры с помощью мостовой схемы. Разработка функциональной схемы измерения температуры с применением термометра сопротивления. Реализация математической модели четырехпроводной схемы измерения температуры с использованием источника тока.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 19.09.2019Оптимальные условия возбуждения эксиламп барьерного разряда. Рабочие среды и спектры их излучения. Принцип работы резонансного источника питания гармонического напряжения. Описание экспериментальной установки. Измерение мощности излучения эксилампы.
дипломная работа [3,7 M], добавлен 08.10.2015Расчет источника опорного напряжения, стабилизатора, регулирующего элемента и выходного делителя. Определение значения емкости фильтра. Оценка габаритной мощности трансформатора. Выбор типоразмера магнитопровода. Разработка односторонней печатной платы.
курсовая работа [3,7 M], добавлен 19.06.2014Стабилизация среднего значения выходного напряжения вторичного источника питания. Минимальный коэффициент стабилизации напряжения. Компенсационный стабилизатор напряжения. Максимальный ток коллектора транзистора. Коэффициент сглаживающего фильтра.
контрольная работа [717,8 K], добавлен 19.12.2010Условия существования разности потенциалов (напряжения) между полюсами источника тока. Понятие и методика определения электродвижущей силы (ЭДС) источника. Измерение и сравнение ЭДС двух батарей с помощью компенсационной схемы, проверка их исправности.
лабораторная работа [346,3 K], добавлен 13.01.2013Разработка вариантов развития сети, расчет мощности его источника сети. Выбор номинального напряжения сети и проводов воздушных линий электропередач. Расчет установившихся режимов сети максимальных нагрузок. Выбор оборудования для радиальной схемы.
курсовая работа [785,6 K], добавлен 19.12.2014
