ИСТОЧНИК ОБРАЗЦОВЫХ НАПРЯЖЕНИЙ Российский патент 1997 года по МПК G05F3/16 G05F3/22 

Изобретение относится к электронике, а именно к стабилизированным источникам образцовых напряжений, в частности используемых в логических устройствах на переключателях тока.

Для обеспечения работы логических устройств на переключателях тока необходимы источники стабилизированных напряжений, используемых в качестве образцового логического напряжения и опорного напряжения для источников тока (Немудров В. Г. Лебедев В.Н. Гладков В.Н. Иванов Ю.П. Быстродействующие БИС на переключателях тока, М. Радио и связь, 1982, с. 104, рис. 3.26). Надежность работы логических устройств во многом зависит от стабильности источников образцовых напряжений, которой указанные источники в достаточной степени не обладают.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является источник образцовых напряжений, описанный в статье H. Muller, W. Owens, P. Verhofstadt. Fylly Compensated Emitter Coupled Logic: Eliminating the Drawbacks of Conventional ECL. IEEE Jornal of Solid State Curenits, vol. SС-8, N 5, October, 1973. Это устройство выбрано за прототип.

Устройство-прототип состоит из первого и второго токозадающих транзисторов, первого и второго токоограничивающих резисторов, потенциалозадающего транзистора, первого, второго и третьего транзисторов связи, с первого по пятый резисторов смещения, резистора компенсации и токоограничивающего транзистора противоположного типа проводимости. Первый выход первого токоограничивающего резистора подключен к эмиттеру первого токозадающего транзистора, база которого соединена с первым выводом резистора компенсации. Коллектор первого токозадающего транзистора соединен с базой потенциалозадающего транзистора и с первым выводом первого резистора смещения, у второго токозадающего транзистора коллектор и база подключены к первому выводу второго резистора смещения и к второму выводу резистора компенсации. Вторые выводы первого и второго резисторов смещения подключены соответственно к эмиттерам первого и второго транзисторов связи. Коллектор первого транзистора связи соединен с первым выводом третьего резистора смещения и с базой третьего транзистора связи, эмиттер которого подключен к коллектору второго транзистора связи и является выходом первого образцового напряжения. Коллектор потенциалозадающего транзистора подключен к первому выводу четвертого резистора смещения, второй вывод которого соединен с базами первого и второго транзистора связи, первым выводом второго токоограничивающего резистора и с базой токоограничивающего транзистора. Эмиттер второго токоограничивающего транзистора и второй вывод второго токоорганичивающего резистора соединен с первым выводом пятого резистора смешения, второй вывод которого, коллектор третьего транзистора связи и второй вывод третьего резистора смещения подключены к шине нулевого потенциала. Второй вывод первого токоограничивающего транзистора и эмиттеры потенциалозадающего и второго токозадающего транзистора подключены к шине напряжения питания. Эмиттер второго транзистора связи является выходом второго образцового напряжения.

Первым недостатком устройства-прототипа является отсутствие компенсации изменения величины коэффициента передачи эмиттерного тока транзисторов для второго образцового напряжения. Второй недостаток связан с применением транзистора другого типа проводимости для стабилизации коллекторного тока потенциалозадающего транзистора, что в силу различия структуры компонентов устройства приводит к отклонениям образцовых напряжений от номинала при дестабилизирующем воздействии производственных и эксплуатационных факторов.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является повышение стабильности работы источника образцовых напряжений в условиях воздействия производственных и эксплуатационных факторов в широком диапазоне.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в источник образцовых напряжений, состоящий из первого и второго токозадающих транзисторов, токоограничивающего резистора, первый вывод которого подключен к эмиттеру первого токозадающего транзистора, первого резистора компенсации, первый и второй выводы которого подключены соответственно к базам первого и второго токозадающих транзисторов, первого и второго резисторов смещения, первые выводы которых соответственно подключены к коллекторам первого и второго токозадающих транзисторов, первого и второго транзисторов связи, базы которых соединены, а эмиттеры подключены к вторым выводам первого и второго резисторов смещения соответственно, третьего резистора смещения и третьего транзистора связи, эмиттер которого соединен с коллектором второго транзистора связи и является выходом первого образцового напряжения, база подключена к коллектору первого транзисторы связи и к первому выводу третьего резистора смещения, четвертого резистора смещения и первого потенциалозадающего транзистора, коллектор которого подключен к первому выводу четвертого резистора смещения, а эмиттер, а также эмиттер второго токозадающего транзистора и второй вывод токоограничивающего резистора подключены к шине напряжения питания, пятого резистора смещения, первый вывод которого, второй вывод третьего резистора смещения и коллектор третьего транзистора связи подключены к шине нулевого потенциала, эмиттер второго транзистора связи является выходом второго образцового напряжения, введены со второго по шестой резисторы компенсации, шестой резистор смещения, второй, третий и четвертый потенциалозадающие транзисторы, четвертый, пятый и шестой транзисторы связи, причем первый и второй выводы второго резистора компенсации подключены соответственно к базе и коллектору второго токозадающего транзистора, первый вывод третьего резистора компенсации подключен к базе первого потенциалозадающего транзистора, а второй вывод соединен с коллектором первого токозадающего транзистора, эмиттеры второго и третьего потенциалозадающих транзисторов подключены к шине напряжения питания, коллектор второго потенциалозадающего транзистора соединен с базой третьего потенциалозадающего транзистора и с первым выводом шестого резистора смещения, коллектор третьего потенциалозадающего транзистора, эмиттер четвертого потенциалозадающего транзистора и база четвертого транзистора связи соединены с базами первого и второго транзисторов связи, база второго потенциалозадающего транзистора подключена к первому выводу четвертого резистора компенсации, второй вывод которого соединен с коллектором первого потенциалозадающего транзистора, база четвертого потенциалозадающего транзистора подключена к первому выводу пятого резистора компенсации, второй вывод которого, второй вывод пятого резистора смещения, коллектор четвертого потенциалозадающего транзистора и первый вывод шестого резистора компенсации соединены, база и коллектор пятого транзистора связи подключены к эмиттеру шестого транзистора связи, база которого подключена к второму выводу шестого резистора компенсации, эмиттер первого транзистора связи соединен с вторым выводом шестого резистора смещения, коллекторы четвертого и шестого транзисторов связи подключены к шине нулевого потенциала, а эмиттер четвертого транзистора связи соединен с вторым выводом четвертого резистора смещения.

Недостатком устройства-прототипа является также возможность возникновения в нем автоколебаний благодаря наличию отрицательной обратной связи в цепи компенсации изменений напряжения питания.

Для устранения данного недостатка в вышеописанное устройство дополнительно введен стабилизирующий конденсатор, первый и второй выводы которого соответственно подключены к шине нулевого потенциала и к коллектору четвертого потенциалозадающего транзистора.

Таким образом, отличительными признаками предлагаемого изобретения являются наличие в устройстве с второго по шестой резисторов компенсации, шестого резистора смещения, второго, третьего и четвертого потенциалозадающих транзисторов связи, стабилизирующего конденсатора, а также связи перечисленных компонентов.

Указанный технический результат достигается за счет значительного повышения с помощью введенных признаков степени эквивалентности режимов первого потенциалозадающего транзистора и второго токозадающего транзистора, повышения степени равенства напряжений на первом и втором резисторах смещения и степени равенства напряжения на третьем резисторе смещения, сумме напряжений на втором резисторе смещения и втором резисторе компенсации в условиях изменения температуры, напряжения питания и изменений параметров компонентов группового характера в широких пределах. Устойчивость к возбуждению автоколебаний в источнике образцовых напряжений достигается за счет снижения коэффициента усиления в цепи обратной связи на высоких частотах.

На чертеже изображена принципиальная электрическая схема источника образцовых напряжений.

Устройство составляют следующие компоненты. Первый и второй токозадающие транзисторы 1 и 2 и токоограничивающий резистор 3, пеpвый вывод которого подключен к эмиттеру первого токозадающего транзистора 1. Первый и второй резисторы 4 и 5 компенсации, первые выводы которых подключены к базам первого и второго токозадающих транзисторов 1 и 2 соответственно, а вторые выводы соответственно соединены с базой и коллектором второго токозадающего транзистора 2. Первый и второй резисторы 6, 7 смещения, первые выходы которых соответственно подключены к коллекторам первого и второго токозадающих транзисторов 1 и 2. Первый и второй потенциалозадающие транзисторы 8, 9, третий и четвертый резисторы 10, 11 компенсации, первые выводы которых подключены к базам первого и второго потенциалозадающих транзисторов 8 и 9 соответственно, а вторые выводы соответственно подключены к коллектору первого токозадающего транзистора 1 и коллектору первого потенциалозадающего транзистора 8. С первого по третий транзисторы 12, 13, 14 связи и третий резистор 15 смещения, первый вывод которого соединен с базой третьего транзистора 14 связи и с коллектором первого транзистора 12 связи, эмиттеры первого и второго транзисторов 12, 13 связи подключен к вторым выводам первого и второго резисторов 6, 7 смещения, эмиттер третьего транзистора 14 связи соединен с коллектором второго транзистора 13 связи. Четвертый транзистор 16 связи и четвертый резистор 17 смещения, первый вывод которого подключен к коллектору первого потенциалозадающего транзистора 8, а второй вывод соединен с эмиттером четвертого транзистора 16 связи. Третий и четвертый потенциалозадающие транзисторы 18 и 19 соответственно, коллектор и эмиттер которых и база четвертого транзистора 16 связи соединены с базами первого и второго транзисторов 12, 13 связи. Пятый резистор 20 компенсации, первый и второй выводы которого подключены к базе и коллектору четвертого потенциалозадающего транзистора 19. Пятный резистор 21 смещения и шестой резистор 22 компенсации, первые выводы которых подключены к коллектору четвертого потенциалозадающего транзистора 19. Шестой резистор 23 смещения, первый вывод которого подключен к коллектору второго потенциалозадающего транзистора 9, и пятый транзистор 24 связи, эмиттер которого соединен с вторым выводом шестого резистора 23 смещения. Шестой транзистор 25 связи, база которого подключена к второму выводу шестого резистора 22 компенсации, а эмиттер соединен с базой и коллектором пятого транзистора 24 связи. Вторые выводы третьего и пятого резисторов 15, 21 смещения и коллекторы третьего, четвертого и шестого транзисторов 14, 16 и 25 связи подключены к шине 26 нулевого потенциала, эмиттеры второго токозадающего транзистора 2, первого, второй и третьего потенциалозадающих транзисторов 8, 9 и 18 и второй вывод токоограничивающего резистора 3 соединены с шиной 27 напряжения питания. Эмиттеры третьего и второго транзисторов 14, 13 связи являются выходами 28 и 29 первого и второго образцовых напряжений соответственно. Стабилизирующий конденсатор 30, первый и второй выводы которого соответственно подключены к шине 26 нулевого потенциала и к коллектору четвертого потенциалозадающего транзистора 19.

Устройство работает следующим образом.

В рабочем состоянии источника образцовых напряжений на его шину 27 поступает отрицательное напряжение питания, что приводит к возникновению тока, направленного к шине 27, во всех цепях, существующих между шинами 26 и 27. Токи коллекторов транзисторов 1, 2 и 8 обратно пропорциональны соответствующим резисторам 6, 7 и 1 в силу того, что напряжение на резисторах 6, 7 и 17 равны с точностью до разброса напряжений между базой и эмиттером в группе транзисторов 12, 13 и 16, в группе транзисторов 2, 8, 9, а также различия напряжений на резисторах 5, 10, 11. Упомянутые разбросы напряжений с помощью соблюдения соотношения
S_э12 • R₆ S_э13 • R₇ S_э16 • R₁₇ (1)
где S_э12, S_э13, S_э16 площади эмиттерных р-п переходов соответственно 12, 13 и 16 транзисторов, а
R₆, R₇, R₁₇ сопротивления соответственно 6, 7 и 17 резисторов и других приводимых ниже соотношений параметров рассматриваемых компонентов сводятся к минимуму и поэтому далее ими пренебрегается.

Эмиттерные р-п переходы транзисторов 1 и 2 имеют площади, находящиеся в заданном соотношении, которое устанавливается таким образом, что плотность эмиттерного тока у транзистора 2 значительно выше, чем у транзистора 1. Это необходимо для того, чтобы на эмиттерных р-п переходах транзисторов 1 и 2 возникла разность напряжений, прикладываемая к выводам резистора 3, она определяется формулой:

где kT/l термодинамический потенциал, выраженный в единицах электрического напряжения;
R₆, R₇ сопротивления резисторов 6 и 7 соответственно;
S_э1 и S_э2 площади эмиттерных р-п переходов, соответственно транзисторов 1 и 2,
V_R4 напряжение на резисторе 4.

Из выражения (2) видно, что величина напряжения на резисторе 3 в основном зависит только от температуры и соотношений параметров компонентов устройства, что справедливо также и в отношении напряжения на резисторах 6, 7 и 15. Транзистор 8 и резистор 10 предназначены для фиксации потенциала на коллекторе транзистора 1, который должен быть максимально близким к потенциалу на коллекторе транзистора 2. Данная задача решается достижением равенства напряжений база-эмиттер у транзисторов 2 и 8 и равенства напряжений на резисторах 5 и 10 посредством выполнения соотношений для площадей эмиттеров транзисторов 2, 8, 13, 16

и сопротивлений резисторов 5, 7, 10 и 17

Первое образцовое напряжение V₀₁ на выходе 28 формируется как сумма напряжения на резисторе 15 и напряжения между выводами базы и эмиттера транзистора 14. В токе резистора 15 главную часть составляет ток резистора 3, который, как это следует из выражения (2), имеет положительный температурный коэффициент. Следовательно, напряжение из резистора 15 также имеет положительный температурный коэффициент. Напряжение на эмиттерном р-п переходе транзистора 14 уменьшается с ростом температуры, что является общеизвестным свойством биполярных кремниевых транзисторов, поэтому суммарная температурная зависимость первого образцового напряжения V₀₁ при определенном подборе режимов работы компонентов может быть практически нулевой.

Второе образцовое напряжение равно напряжению питания V_n плюс напряжения на резисторах 5 и 7 и напряжение база-эмиттер транзистора 2. Принцип формирования второго образцового напряжения V₀₂ такой же, как у первого образцового напряжения V₀₁и если напряжения на резисторах 7 и 15 одинаковы, напряжения V₀₁ и V₀₂ будут иметь одинаковую температурную зависимость.

В резисторе 15 кроме коллекторного тока транзистора 12 протекает ток базы транзистора 14, что при колебаниях величины коэффициента передачи эмиттерного тока транзисторов может привести к значительным отклонениям первого образцового напряжения V₀₁ от номинала. Резистор 4, а также резисторы 5, 10, 11, 20 и 22 предназначены для компенсации изменений коэффициента передачи эмиттерного тока одновременно у всех транзисторов устройства. При уменьшении величины коэффициента ток в резисторе 4 возрастает, что, согласно выражению (2), приводит к уменьшению напряжения на резисторе 3 и тока в коллекторе транзистора 12, которое компенсирует увеличение базового тока транзистора 14.

Уменьшение тока в резисторе 6, обусловленное компенсирующим действием резистора 4 при уменьшении коэффициента передачи эмиттерного тока, вызывает пропорциональное уменьшение тока в резисторе 7. Соответствующее уменьшение напряжения на резисторе 7 с целью стабилизации второго образцового напряжения V₀₂ компенсируется увеличением напряжения на резисторе 5, в котором протекают базовые токи транзисторов 1 и 2, возрастающие при уменьшении коэффициента передачи эмиттерного тока.

Создавая условия для равенства напряжений на резисторах 6 и 7, необходимо учитывать, что вместе с коллекторными токами транзисторов 1 и 2, в резисторе 6 протекает базовый ток транзистора 8, а в резисторе 7 транзисторов 1 и 2, которые также должны создать равные падения напряжений. Из данного требования следует выражение для сопротивления резистора 17:

При определении сопротивления компенсирующего резистора 4 следует иметь в виду, что наряду с током базы транзистора 14 с резисторе 15 протекает базовый ток транзистора 8, а доля тока транзистора 3 резисторе 15 уменьшена на сумму базовых токов транзисторов 1 и 12. Выражение

является решением уравнения, полученного приравниванием нулю суммы всех членов выражения для напряжения V₀₁, соответствующих базовым токам транзисторов 1, 2, 8, 12, 13, 14.

Аналогичным образом на основе выражения для V₀₂ установлено требование для величины сопротивления резистора 5:

Транзистор 9 и резистор 11 предназначены для формирования напряжения на коллекторе транзистора 8, равным коллекторному напряжению транзистора 1. Поэтому базовый ток транзистора 9 должен создать на резисторах 11 и 17 падения напряжений, соответственно равные падениям напряжений на резисторах 10 и 6, вызываемым током базы транзистора 8. Следовательно,

Коллекторный ток транзистора 9 определяет резистор 23, напряжение на котором формирует цепь из компонентов 18 22, 24, 25, равным напряжению на резисторе 17. Это достигается при соблюдении следующего требования к параметрам компонентов 9, 11 и 23:

Напряжение на первом выходе резистора 23 равно напряжению шины 27 плюс напряжение база-эмиттер транзистора 18, а напряжение на его втором выводе равно базовому напряжению транзисторов 12, 13, 16 плюс напряжение база-эмиттер транзистора 19 и минус напряжения база-эмиттер транзисторов 24 и 25. Для формирования напряжения на резисторе 23, равным напряжению на резисторе 17, транзисторы 18 и 19, проводящие приблизительно одинаковые токи, должны иметь одинаковое конструктивное исполнение, что позволяет скомпенсировать влияние этих транзисторов на разность потенциалов. Напряжение база-эмиттер у транзисторов 24 и 25 должны быть равны аналогичным напряжениям соответственно у транзисторов 16 и 9. Последнее требование легко удовлетворить выполнив соотношения:
S_э25 S_э9, (10)
(11)
В резисторе 23 кроме коллекторного тока транзистора 9 протекает ток базы транзистора 18, а в резисторе 17 дополнительно течет базовый ток транзистора 9. В этих условиях стабильная работа устройства достигается, если доли напряжений на резисторах 17 и 23, создаваемые коллекторными токами транзисторов 8 и 9, соответственно будут равны. С этой целью устройство содеpжит резисторы 20 и 22, функция первого из которых состоит в компенсации падения напряжения на резисторе 23, вызываемого протеканием базового тока транзистора 18, а резистор 22 предназначен для компенсации напряжения на резисторах 11 и 17, создаваемого током базы транзистора 9. Резисторы 20 и 22 выполняют свои функции, если их сопротивления соответствуют выражениям:
R₂₂ R₁₁ + R₁₇ (12)
R₂₀ R₂₃ (13)
Резисторы 21 предназначены для формирования напряжения отрицательной обратной связи, компенсирующей изменение напряжения питания V_n на шине 27. При изменении напряжения на шине 27 рассматриваемая обратная связь вызывает аналогичное изменение напряжения на базах транзисторов 12, 13 и 16, что и позволяет исключить влияние изменений V_n на условия формирования выходных напряжений. Конденсатор 30, шунтирующий резистор 21, ослабляет коэффициент усиления в цепи обратной связи в области высоких частот, что необходимо для предотвращения возбуждения автоколебаний.

Таким образом, данное техническое решение позволит повысить стабильность работы источника образцовых напряжений в условиях дестабилизирующего воздействия как эксплуатационных, так и производственных факторов, к которым в первую очередь относятся колебания температуры и напряжения питания в широких пределах и отклонение от номинала величины коэффициента передачи эмиттерного тока транзисторов.

Использование: в стабилизированных источниках образцовых напряжений, в частности используемых в логических устройствах на переключателях тока. Сущность изобретения: устройство содержит два токозадающих транзистора 1 и 2, четыре потенциалозадающих транзистора 8, 9, 18 и 19, шесть транзисторов связи 12, 13, 14, 16, 24 и 25, токоограничивающий резистор 3, шесть резисторов компенсации 4, 5, 10, 11, 20 и 22, шесть резисторов смеoения 6, 7, 15, 17, 21 и 23 и стабилизирующий конденсатор 30. Изобретение позволяет повысить стабильность выходных напряжений в условиях воздействия производственных и эксплуатационных факторов в широком диапазоне. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Источник образцовых напряжений, состоящий из первого и второго токозадающих транзисторов, токоограничивающего резистора, первый вывод которого подключен к эмиттеру первого токозадающего транзистора, первого резистора компенсации, первый и второй выводы которого подключены соответственно к базам первого и второго токозадающих транзисторов, первого и второго резисторов смещения, первые выводы которых соответственно подключены к коллекторам первого и второго токозадающих транзисторов, первого и второго транзисторов связи, базы которых соединены, а эмиттеры подключены к вторым выводам первого и второго резисторов смещения соответственно, третьего резистора смещения и третьего транзистора связи, эмиттер которого соединен с коллектором второго транзистора связи и является выходом первого образцового напряжения, база подключена к коллектору первого транзистора связи и к первому выводу третьего резистора смещения, четвертого резистора смещения и первого потенциалозадающего транзистора, коллектор которого подключен к первому выводу четвертого резистора смещения, а эмиттер, а также эмиттер второго токозадающего транзистора и второй вывод токоограничивающего резистора подключены к шине напряжения питания, пятого резистора смещения, первый вывод которого, второй вывод третьего резистора смещения и коллектор третьего транзистора связи подключены к шине нулевого потенциала, эмиттер второго транзистора связи является выходом второго образцового напряжения, отличающийся тем, что устройство содержит с второго по шестой резисторы компенсации, шестой резистор смещения, второй, третий и четвертый потенциалозадающие транзисторы, четвертый, пятый и шестой транзисторы связи, причем первый и второй выводы второго резистора компенсации подключены соответственно к базе и коллектору второго токозадающего транзистора, первый вывод третьего резистора компенсации подключен к базе первого потенциалозадающего транзистора, а второй вывод соединен с коллектором первого токозадающего транзистора, эмиттера второго и третьего потенциалозадающих транзисторов подключены к шине напряжения питания, коллектор второго потенциалозадающего транзистора соединен с базой третьего потенциалозадающего транзистора и с первым выводом шестого резистора смещения, коллектор третьего потенциалозадающего транзистора, эмиттер четвертого потенциалозадающего транзистора и база четвертого транзистора связи соединены с базами первого и второго транзисторов связи, база второго потенциалозадающего транзистора подключена к первому выводу четвертого резистора компенсации, второй вывод которого соединен с коллектором первого потенциалозадающего транзистора, база четвертого потенциалозадающего транзистора подключена к первому выводу пятого резистора компенсации, второй вывод которого, второй вывод пятого резистора смещения, коллектор четвертого потенциалозадающего транзистора и первый вывод шестого резистора компенсации соединены, база и коллектор пятого транзистора связи подключены к эмиттеру шестого транзистора связи, база которого подключена к второму выводу шестого резистора компенсации, эмиттер пятого транзистора связи соединен с вторым выводом шестого резистора смещения, коллекторы четвертого и шестого транзисторов связи подключены к шине нулевого потенциала, а эмиттер четвертого транзистора связи соединен с вторым выводом четвертого резистора смещения. 2. Источник по п.1, отличающийся тем, что устройство содержит стабилизирующий конденсатор, первый и второй выводы которого соответственно подключены к шине нулевого потенциала и коллектору четвертого потенциалозадающего транзистора.