SPICE-модели конденсаторных преобразователей физических величин

При разработке интегральных схем (ИС) приема и обработки сигналов с преобразователей физических величин (ПФВ) большое значение имеет возможность высококачественного совместного их моделирования. Зачастую, проведение подобного моделирования обуславливает принципиальную возможность создания проекта, его качество, сроки и стоимость.

Большое количество ПФВ, в настоящее время, выполняется в виде микроэлектромеханических систем (МЭМС). Наиболее известными программами предназначенными для проектирования МЭМС являются: Matlab, SUGAR, EM3DS, IntelliSuite, NODAS, ANSYS. Существуют программы способные проводить моделирование МЭМС с последующим определением электрических характеристик преобразователей. Наиболее широкими возможностями обладает программа CoventorWare, которая позволяет комплексно исследовать вопросы управления, механики и электроники МЭМС. Однако, в CoventorWare расчет модели устройства, составленной из электромеханических элементов, происходит по неизвестным разработчику соотношениям и зависимостям. Это осложняет анализ результатов моделирования и поиск правильного решения при разработке устройств.

Следует отметить, что указанная программа имеет достаточно высокую стоимость. Это делает её недоступной для большинства отечественных разработчиков ПФВ и МЭМС на их основе.

Для проектирования систем на основе ПФВ конденсаторного типа возможен более простой и дешевый подход, основанный на построении SPICE-модели ПФВ, учитывающий влияние электрической схемы и физической величины. Метод построения моделей основан на решении системы дифференциальных уравнений, описывающих поведение ПФВ в программе схемотехнического моделирования.

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ — исследование и создание SPICE-моделей преобразователей физических величин конденсаторного типа для практического проектирования емкостных МЭМС и ИС приема и обработки сигналов.

Основные ЗАДАЧИ, которые нужно решить для достижения цели:

1) Провести анализ существующих методов совместного моделирования ПФВ и электрических схем;

2) Определить математические уравнения, описывающие поведение ПФВ конденсаторного типа;

3) Разработать метод построения SPICE-моделей конденсаторных ПФВ на основе системы математических уравнений, описывающих поведение чувствительного элемента;

4) Разработать SPICE-модели ПФВ конденсаторного типа;

5) Провести анализ достоверности разработанных SPICE-моделей;

6) Разработать и исследовать характеристики сложных функциональных блоков ИС путем совместного моделирования электрической схемы и электростатического микрофона.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА результатов, полученных в настоящей работе, заключается в следующем:

1. Разработан комплекс математических и компьютерных операций, обеспечивающих создание SPICE-моделей емкостных преобразователей физических величин, который заключается в следующем:

1) создается система уравнений, описывающая движение чувствительного элемента и влияние электростатических сил;

2) задаются начальные и граничные условия для системы уравнений;

3) заданная система уравнений представляется в графическом редакторе программы PSPICE в виде схемы, состоящей из математических выражений, переменных и управляемых источников;

4) полученная схема преобразуется в текстовый вид с описанием внутренних элементов и внешних выводов;

5) для дальнейшего использования в качестве библиотечного элемента создается условное графическое обозначение преобразователя с привязкой на текстовый вид схемы;

6) полученная система уравнений решается численным методом при помощи математического аппарата программы PSPICE;

7) выполняется определение параметров SPICE-модели конкретного ПФВ и проверка её достоверности;

2. Разработана SPICE-модель конденсаторного микрофона, позволяющая определять собственную частотную характеристику чувствительности в зависимости от конструктивных параметров преобразователя и параметров электрической схемы усиления сигнала;

3. Показана принципиальная возможность совместного моделирования дифференциальной емкостной микромеханической системы (ЕМС), электрической схемы управления и внешней физической величины.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ результатов, полученных в процессе работы над диссертацией:

1. Разработанный комплекс математических и компьютерных операций позволяет создавать SPICE-модели конденсаторных преобразователей физических величин, проводить оптимизацию конструкции преобразователя, электрической схемы управления, приема и обработки сигнала с целью достижения высоких технических характеристик всей системы.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСИТСЯ.

1. Комплекс математических и компьютерных операций построения SPICE-моделей конденсаторных преобразователей физических величин.

2. SPICE — модель конденсаторного микрофона, позволяющая моделировать перемещение металлизированной мембраны микрофона, звуковое давление и электрическую схему усиления сигнала.

3. Результаты исследования схемы, поддерживающей резонансные колебания чувствительного элемента PSICE-модели дифференциальной ЕМС: а) показана зависимость амплитуды и частоты резонансных колебаний подвижного элемента, добротности колебательной системы от постоянной составляющей напряжения раскачки подвижного элемента ЕМСб) показана возможность применения SPICE-моделей конденсаторных преобразователей физических величин для проведения оптимизации конструкции преобразователей.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

Проведена классификация SPICE-моделей дифференциальной ЕМС и электростатического микрофона как СФ блока.

Предложен способ формирования входной физической величины в программе PSPICE с помощью аналитического оборудования, для приближения результатов моделирования электрической схемы и преобразователя физической величины к реально существующим результатам.

Разработана структурная схема совместного моделирования SPICE-модели электретного микрофона и интегральных схем микрофонного усилителя и формирователя импульсов в программе PSPICE. При использовании SPICE-модели конденсаторного микрофона в НПК «Технологический центр» МИЭТ были разработаны ИСМУ и ИСФИ.

По результатам моделирования микросхемы микрофонного усилителя определены:

— зависимость коэффициента усиления от номинала внешнего подстроичного резистора;

— зависимость амплитуды выходного сигнала от номинала внешнего подстроичного резистора;

— зависимость времени отпускания и времени установления от номинала внешней подстроичной емкости;

— АЧХ и ФЧХ усилителя с отключенной системой АРУ и максимальным коэффициентом усиления, сопротивление нагрузки 20 кОм;

— СКЗ тока потребления.

Представлены результаты испытаний образцов интегральной схемы формирователя импульсов у заказчика, которые показали соответствие полученных характеристик требованиям ТЗ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе проведена разработка и исследование SPICE-моделей конденсаторных преобразователей физических величин для практического применения при проектировании ИС специального назначения. Основные результаты выполненной работы заключаются в следующем:

1. Проведен анализ существующих методов совместного моделирования МЭМС и электрических схем. Из многообразия средств проектирования МЭМС и ИС определены программы, обладающие максимальной точностью и достоверностью результатов.

2. Показана возможность совместного моделирования в программе PSPICE SPICE-модели дифференциальной ЕМС совместно с электрической схемой, поддерживающей резонансные колебания. По результатам моделирования проведена оптимизация конструкции преобразователя и электрической схемы управления с целью достижения высоких технических характеристик всей системы.

3. Разработана новая SPICE-модель электростатического конденсаторного преобразователя физических величин. Показана практическая возможность моделирования перемещения металлизированной мембраны конденсаторного микрофона, звукового давления и электрической схемы усиления сигнала.

4. Проведено моделирование SPICE-модели конденсаторного микрофона в программе PSPICE совместно с распространенной схемой усиления. По результатам моделирования определена их совместная частотная характеристика чувствительности.

5. Проведена классификация SPICE-моделей дифференциальной ЕМС и электростатического микрофона как СФ блока. Предложен способ формирования входной физической величины в программе PSPICE с помощью аналитического оборудования, для приближения результатов моделирования электрической схемы и преобразователя физической величины к реально существующим результатам.

6. При использовании SPICE-модели конденсаторного микрофона в НПК «Технологический центр» МИЭТ были разработаны микросхемы микрофонного усилителя и формирователя импульсов. По результатам их моделирования совместно с SPICE-моделью электретного микрофона определены основные параметры микросхемы. Представлены результаты испытаний образцов интегральной схемы формирователя импульсов, проведенных у заказчика, которые показали соответствие полученных характеристик требованиям ТЗ.

Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в Государственном Учреждении Научно-производственный комплекс «Технологический центр» МИЭТ для выполнения работ: «Разработка SPICE-моделей, библиотеки элементов и правил проектирования микроэлектромеханических систем и интегрированных систем типа «МЭМС+ИС» (Шифр: Микромодель, № ГР У85 739), ОКР «Разработка и изготовление БИС формирователя импульсов» (Шифр: Корпус, ГК № 05−22н), ОКР «Разработка библиотеки стандартных ячеек для проектирования микропотребляющих цифро-аналоговых микросхем», (Шифр: Лимит, ГК № 2006/251/06−06н/1), НИР «Исследование возможности создания СБИС речевого кодека», (Шифр: Юность-СБИС, ГК № 2005/418/ 05−23н).

Таким образом, в результате выполнения диссертационной работы созданы новые SPICE-модели конденсаторных преобразователей физических величин для практического применения их при проектировании емкостных МЭМС и ИС приема и обработки сигналов с целью достижения высоких технических характеристик всей системы.