Подстроечный резистор, регулируемый нагреванием

Процесс настройки электронных узлов с помощью подстроечных резисторов – неблагодарное заня­тие. Для уменьшения затрат его пытаются автоматизи­ровать. Существенную помощь в этом может оказать новый элемент – резис­тор из поликремния, настраиваемый электронным способом. Его сопротив­ление сохраняется неизменным, пока он не будет перепрограммирован. Он также может быть изготовлен в виде интегрального компонента, встраивае­мого в корпуса больших интегральных схем.

А. Мельниченко

Отказ подстроечного резистора может повлечь за собой выход из строя электронной аппаратуры. Это может произойти из-за потери контакта движка рези­стора вследствие загрязнения, а также из-за измене­ния положения движка в результате вибрации (напри­мер, во время эксплуатации в автомобиле).

Процессы автоматической юстировки, основан­ные на лазерной подгонке или прожигании перемы­чек, имеют два существенных недостатка. Во-первых, они могут протекать только в одном направлении, во-вторых, они необратимы. В идеальном случае подстроечный резистор должен допускать измене­ние его сопротивления в обоих направлениях элек­тронным способом, причем, чтобы это сопротивле­ние сохранялось неизменным в течение длительно­го времени, а энергия расходовалась лишь при его настройке.

Фирма Microbridge Technologies разработала выполненный на основе поликремния подстроечный резистор, рядом с кото­рым расположен нагревательный элемент. Нагрева­ние поликремния вызывает изменение его структу­ры и, как следствие, изменение сопротивления ре­зистора. Если нагревание происходит короткими (порядка 5 мс) импульсами большой мощности, со­противление резистора падает почти до 30% перво­начального значения. При увеличении длительности импульсов до 200 мс с одновременным уменьшени­ем их мощности сопротивление резистора восста­навливается. Процесс настройки требует нескольких циклов и выполняется методом последователь­ных приближений: измерение параметра при нор­мальной температуре, расчет параметров и подача импульсов нагрева, следующее измерение парамет­ра и т.д. Управляет настройкой микропроцессор, расположенный на том же кристалле, что и резис­тор, или подключаемый извне.

Настройка нового резистора, получившего назва­ние “реюстор” (rejustor), может выполняться на лю­бом этапе: от кремниевой пластины до готового изде­лия, установленного на печатной плате.

В первых экспериментах использовался обычный интегральный резистор из поликремния. Из-за боль­шой тепловой инерции и неизбежной потери тепла че­рез подложку процесс настройки требовал много вре­мени. Поэтому такой компонент не пользовался бы спросом на рынке. Для ускорения настройки была разработана новая технология. На поверхность крем­ниевого кристалла (SiO₂) наносился слой окисла тол­щиной в несколько микрон, разделяющий настраивае­мые резисторы и нагревающие их элементы. Сверху резистор покрывался слоями окиси кремния и нитри­да кремния (Si₃N₄) (рис. 1). Снизу подложка вытравли­валась до образования углубления, над которым нахо­дилась тонкая мембрана с резисторами и нагревате­лем (рис. 2). Таким образом тепловое сопротивление между подложкой и резистором повышается пример­но в 50 раз и потери тепла, а следовательно и время настройки, и потребляемая мощность значительно со­кращаются. Имеется также возможность изменения в небольших пределах ТКС (рис. 3), однако о том, как этого достичь, изготовитель умалчивает.

Рис. 1. Поперечное сечение подстроечного резистора

Рис. 2. Внешний вид подстроечных резисторов с общим нагревательным элементом (а) и увеличенный фрагмент, повернутый на 90° (б)

Рис. 3. Область возможных значений сопротивления и ТКС подстроечного резистора с начальным сопротивлением 29 кОм

Выпускаемые в стандартном исполнении микро­схемы содержат один, два и четыре резистора (каж­дый с отдельным нагревателем) в 8- или 16-вывод- ном корпусе. Сопротивления резисторов находятся в диапазоне от 1.2 до 168 кОм и относятся, как 1:1:2:4, при этом отклонение составляет не более 0.1%. Возможно изготовление резисторов по заказу потребителя, в том числе и с сопротивлением от 200 Ом до нескольких мегаом. Точность настройки определяется точностью измерительной системы и находится в диапазоне от 0.01 до 0.001%. Допусти­мое напряжение между нагревателем и резистором составляет 500 В, допустимая рассеиваемая мощ­ность 5 мВт, частотный диапазон резисторов – до 1 ГГц. Для настройки резистора необходимо напря­жение от 2 до 12 В, потребляемый при этом ток не превышает 5 мА. С помощью прилагаемой програм­мы “Rejust-it” процесс настройки выполняется за время менее 1 с.

Существует довольно много областей примене­ния нового резистора. Например, его можно исполь­зовать для настройки напряжения смещения или коэффициента усиления операционных усилителей, а также для юстировки источников эталонного напря­жения. Одновременно с этим можно регулировать температурный коэффициент настраиваемого с ис­пользованием нового резистора параметра. Благо­даря отсутствию движущихся частей надежность но­вых резисторов намного превышает надежность их механических аналогов.

Для экспериментальных исследований возможно­стей нового резистора выпускается набор “Evaluation Kit”, подключаемый к последовательному порту ком­пьютера.