ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2024. №11

УДК: 621.3.049.774

Основы проектирования высокотемпературных
карбид-кремниевых операционных усилителей
в свободно распространяемых средах MicroCap и LTspice

В.Е. Чумаков¹, И.В. Фролов², Д.В. Клейменкин¹, Н.Н. Прокопенко¹

¹Донской государственный технический университет
344000, Ростов-на-Дону, площадь Гагарина, 1

²Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники
им. В.А. Котельникова РАН
432071, Ульяновск, ул. Гончарова, 48/2

Статья поступила в редакцию 15 июля 2024 г.

Аннотация. Для моделирования аналоговых схем в свободно распространяемых средах MicroCap и LTSpice при температурах до 452 °С разработаны шаблонные модели SiC транзисторов с применением методики шаблонного моделирования, при котором постоянные параметры модели заменяются дробно-рациональными функциями, позволяющими более точно описать физические процессы в JFET без нарушения характера их изменения. Разработана инструкция для тестирования моделей SiC JFet транзисторов в средах LTspice
и MicroCap. Цель работы состоит в исследовании схемотехнических решений высокотемпературных базовых аналоговых функциональных узлов, реализуемых на основе карбид-кремниевых полевых транзисторов, с использованием разработанных шаблонных моделей. Приведены параметры SiC двухполюсников опорного тока и динамических нагрузок усилительных каскадов операционных усилителей с разным числом последовательно включенных SiC JFet, которые могут использоваться в высокотемпературной аналоговой схемотехнике. Исследованы основные характеристики SiC дифференциальных каскадов и простейших SiC операционных усилителей с парафазным выходом на их основе при температурах 25 °С и 452 °С. Полученные результаты рекомендуется использовать при проектировании высокотемпературных операционных и инструментальных усилителей, применяемых в космическом приборостроении, оборудовании для бурения глубоких скважин, автомобилестроении, атомных реакторах и т.п. для обработки сигналов датчиков физических величин и преобразования радиотехнических сигналов.

Ключевые слова: карбид кремния, шаблонная модель, операционный усилитель, дифференциальный каскад, источник опорного тока, динамическая нагрузка.

Финансирование: исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-79-10069, https://rscf.ru/project/23-79-10069/.

Автор для переписки: Фролов Илья Владимирович, ilya-frolov88@mail.ru

Литература

1. Lien W. C. Harsh environment silicon carbide UV sensor and junction Field-Effect transistor. – University of California, Berkeley, 2013.

2. Vert A. et al. Silicon carbide high temperature operational amplifier //Additional Papers and Presentations. – 2012. – V. 2012. – №. HITEC. – P. 000378-000383. https://doi.org/10.4071/HITEC-THP12

3. Bhuyan S. A. Design of a High Performance Silicon Carbide CMOS Operational Amplifier. – University of Arkansas, 2014.

4. Yang J. et al. An all silicon carbide high temperature (450+° C) high voltage gain AC coupled differential amplifier //Materials Science Forum. – Trans Tech Publications Ltd, 2011. – V. 679. – P. 746-749. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.679-680.746

5. Stum Z. et al. 300° C silicon carbide integrated circuits //Materials Science Forum. – Trans Tech Publications Ltd, 2011. – V. 679. – P. 730-733. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.679-680.730

6. Clark D. T. et al. High temperature silicon carbide CMOS integrated circuits //Materials Science Forum. – Trans Tech Publications Ltd, 2011. – Т. 679. – С. 726-729. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.679-680.726

7. Neudeck P. G. et al. Prolonged 500 C operation of 6H-SiC JFET integrated circuitry //Materials Science Forum. – Trans Tech Publications Ltd, 2009. – V. 615. – P. 929-932. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.615-617.929

8. Vert A. V., Andarawis E. A., Chen C. P. Reliability of Silicon Carbide Integrated Circuits at 300° C //Materials Science Forum. – Trans Tech Publications Ltd, 2012. – V. 717. – P. 1265-1268. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.717-720.1265

9. Kashyap A. S., Chen C. P., Tilak V. Compact modeling of silicon carbide lateral MOSFETs for extreme environment integrated circuits //2011 International Semiconductor Device Research Symposium (ISDRS). – IEEE, 2011. – P. 1-2. https://doi.org/10.1109/ISDRS.2011.6135185

10. Girardi M. A., Peterson K. A., Vianco P. T. Thick Film Process Characterization for Thin Film Metallized LTCC //Journal of Microelectronics and Electronic Packaging. – 2016. – V. 13. – № 3. – P. 136-142. https://doi.org/10.4071/imaps.512

11. Patil A. C. et al. Fully-monolithic, 600 C differential amplifiers in 6H-SiC JFET IC technology //2009 IEEE Custom Integrated Circuits Conference. – IEEE, 2009. – P. 73-76. https://doi.org/10.1109/CICC.2009.5280889

12. Hedayati R. et al. A monolithic, 500 C operational amplifier in 4H-SiC bipolar technology //IEEE Electron Device Letters. – 2014. – V. 35. – № 7. – P. 693-695. https://doi.org/10.1109/LED.2014.2322335

13. Patil A. C. Silicon carbide JFET integrated circuit technology for high-temperature sensors : Thesis for PhD. – Case Western Reserve University, 2009.

14. Lauenstein J. M. et al. Room temperature radiation testing of a 500 C durable 4H-SiC JFET integrated circuit technology //2019 IEEE Radiation Effects Data Workshop. – IEEE, 2019. – P. 1-7. https://doi.org/10.1109/REDW.2019.8906528

15. Patil A. C. et al. 6H-SiC JFETs for 450 °C Differential Sensing Applications //Journal of microelectromechanical systems. – 2009. – V. 18. – № 4. – P. 950-961. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2009.2021831

16. Mudholkar, M. Characterization and Modeling of 4H-SiC Low Voltage MOSFETs and Power MOSFETs : Thesis for PhD. – University of Arkansas, Fayetteville, 2012.

17. Bergmann J., ten Have A. High temperature operational amplifier with low offset voltage //Proceedings of ISSE'95-International Symposium on Signals, Systems and Electronics. – IEEE, 1995. – P. 451-454. https://doi.org/10.1109/ISSSE.1995.498029

18. Habib H., Wright N. G., Horsfall A. B. Complementary JFET Logic for Low-Power Applications in Extreme Environments //Materials Science Forum. – Trans Tech Publications Ltd, 2013. – V. 740. – P. 1052-1055. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.740-742.1052

19. Allen S. T., Palmour J. W., Alcorn T. S. Silicon carbide metal-semiconductor field effect transistors : pat. 6686616 USA. – 2004.

20. Tomana M. et al. A hybrid silicon carbide differential amplifier for 350 degrees C operation //IEEE transactions on components, hybrids, and manufacturing technology. – 1993. – V. 16. – № 5. – P. 536-542. https://doi.org/10.1109/33.239885

21. Jouha W. et al. Silicon carbide power MOSFET model: An accurate parameter extraction method based on the levenberg–marquardt algorithm //IEEE Transactions on Power electronics. – 2018. – V. 33. – № 11. – P. 9130-9133. https://doi.org/10.1109/TPEL.2018.2822939

22. Бирюков В. Н. и др. Шаблонная модель комплементарных полевых транзисторов с управляющим pn-переходом //Журнал радиоэлектроники. – 2019. – №. 8. – С. 10-10. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.8.5

Для цитирования:

Чумаков В.Е., Фролов И.В., Клейменкин Д.В., Прокопенко Н.Н. Основы проектирования высокотемпературных карбид-кремниевых операционных усилителей в свободно распространяемых средах MicroCap и LTSpice. // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – №. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.11.11