ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H01L23/58 H03F1/30 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к устройствам получения высокостабильного опорного напряжения.

Известны устройства получения опорного напряжения на основе опорных диодов - стабилитронов, но эти устройства требуют питания постоянным током, обладают повышенным коэффициентом шума, высоким температурным коэффициентом напряжения (ТКН).

Так называемые "стабилитронные интегральные микросхемы" позволяют осуществить питание опорного диода практически постоянным током, но обладают повышенным шумом, высоким ТКН.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению являются стабилизаторы опорного напряжения с "напряжением запрещенной зоны". В основе работы лежит идея генерации напряжения с температурным коэффициентом, положительным и равным по величине отрицательному ТКН между базой и эмиттером биполярного транзистора (U_бэ).

Недостатком такого рода схем является небольшая величина компенсирующего напряжения, а также работа транзистора в режиме микротоков, что ведет к повышению уровня помех.

Из теории тонкого p-n-перехода следует, что напряжение на прямосмещенном эмиттерном переходе:

где
I_о - ток обратносмещенного p-n-перехода;
T - абсолютная температура;
I_э - ток эмиттера;
k - постоянная Больцмана;
e - заряд электрона.

При постоянном отношении токов эмиттеров разность напряжений на двух прямосмещенных переходах:

Если отношение обладает положительным ТКН:


Если это напряжение сложить с U_бэ, то термокомпенсированное напряжение:

Отметим, что для получения термокомпенсированного напряжения необходимо выполнить операции вычитания, а затем сложения; причем точность снижается при выполнении нескольких операций.

Кроме того, поскольку для выполнения компенсации используется операционный усилитель, то существенное влияние оказывает отношение температурного дрейфа к величине компенсирующего напряжения (этим параметром обусловлена относительно высокая погрешность компенсации) как было показано выше ΔU при 300 К составляет 60 мВ.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение точности температурной компенсации опорного напряжения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в схему источника опорного напряжения, содержащую усилитель постоянного тока на основе операционного усилителя, дополнительно введены диод на основе широкозонного полупроводника (например, GaP-светодиод), биполярный транзистор, два токозадающих резистора, причем база транзистора соединена с диодом на основе широкозонного полупроводника, эмиттер транзистора - с токозадающим сопротивлением и входом усилителя постоянного тока, выход усилителя постоянного тока соединен с коллектором транзистора и через второй токозадающий резистор с диодом на основе широкозонного полупроводника и базой транзистора, вторые выводы первого токозадающего резистора и диода соединены с общим проводом схемы.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый источник опорного напряжения отличается наличием новых элементов: двумя токозадающими сопротивлениями, диодом на основе широкозонного полупроводника (например, светодиодом на основе GaP), а также связями между ранее предлагавшимися и вновь введенными элементами. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию "новизна".

Способность заявляемого решения к более точной компенсации температурного дрейфа по сравнению с аналогами, а также более низкий коэффициент шума позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показана принципиальная электрическая схема устройства. На фиг. 2 представлены температурные зависимости прямого падения напряжения на светодиоде GaP.

Источник опорного напряжения состоит из усилителя 1 постоянного тока, диода 2 на основе широкозонного полупроводника, биполярного транзистора 3, двух токозадающих резисторов 4 и 5. Причем база транзистора 3 соединена с анодом диода 2 и выводом токозадающего резистора 4, эмиттер транзистора 3 с токозадающим резистором 5 и входом усилителя 1 постоянного тока. Выход усилителя 1 постоянного тока соединен с коллектором транзистора 3 и с вторым выводом токозадающего резистора 4. Вторые выводы диода 2 и первого токозадающего резистора 4 соединены с общим проводом схемы.

Устройство работает следующим образом. Термостабильное напряжение генерируется как разность напряжений на прямосмещенном p-n-переходе, изготовленном на основе широкозонного полупроводника, и эмиттерном переходе маломощного биполярного транзистора.

Как следует из теории тонкого p-n-перехода, напряжение на прямосмещенном переходе определяется соотношением.

(1)
где
ΔE_q1 - ширина запрещенной зоны полупроводника;
e - заряд электрона;
k - постоянная Больцмана;
T - абсолютная температура;
A₁ - некоторая величина, почти не зависящая от температуры;
S₁ - крутизна температурной зависимости;
I₀₁ - ток прямосмещенного p-n-перехода.

Аналогичным выражением описывается напряжение на переходе база-эмиттер биполярного транзистора:

где
ΔE_g2 - ширина запрещенной зоны полупроводникового материала, из которого изготовлен транзистор;
S₂ - крутизна температурной зависимости напряжения на переходе база-эмиттер.

Схема получения разностного напряжения показана на фиг.1.

Это напряжение можно найти следующим образом:

Регулируя ток I₀₁ или I₀₂, можно добиться равенства S₁ = S₂; в этом случае наблюдается независимость разностного напряжения от температуры. В том случае, если в качестве p-n-перехода использован диод из фосфида галлия, а в качестве биполярного транзистора - кремниевый транзистор, то генерируемое схемой разностное напряжение составит:

Это напряжение усиливается с помощью операционного усилителя OA1 и является выходным напряжением источника. С целью повышения стабильности схемы выходное напряжение используется для питания каскада выделения разностного напряжения.

Отметим, что, в отличие от схемы стабилизатора с "напряжением запрещенной зоны", в предлагаемой схеме OA1 усиливает напряжение порядка 1,1 В, в отличие от 60 мВ в схеме прототипа. По этой причине дрейф операционного усилителя оказывает меньшее влияние:

Кроме того, возможна компенсация дрейфа DA1 регулировкой тока I₀₁ или I₀₂.

Были исследованы температурные зависимости прямого падения напряжения на p-n-переходе изготовленного из широкозонного полупроводника - фосфида галлия. Эти зависимости представлены на фиг. 2. Кривая 1 получена при прямом токе 0,1 мА, кривая 2 - при 0,5 мА, кривая 3 - при 1 мА. Как видно из фиг. 2 и формулы 1, полученные зависимости линейны в диапазоне температур от 450 до 650 К.

Отметим, что крутизна линейной зависимости может быть подстроена изменением тока через светодиод. В нашем случае меняется от 2,88 мВ/К при тока 0,1 мА до 2,39 мВ/К при 1 мА.

Нами были проведены исследования температурной стабильности схемы фиг. 1. Исследования проводились в температурном диапазоне от 0 до 100^oC. При выходном напряжении 7 В и входном - от 10 до 30 В.

Термостабильность схемы - на уровне лучших прецизионных стабилитронов. ТКН - порядка 5 • 10^-6 - 10^-5 К^-1. Входное напряжение при его усилении в пределах 10-30 В практически не оказывает влияния на выходное. Отношение не более 10^-5 относительных единиц.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к устройствам получения высокостабильного опорного напряжения. Новым в источнике опорного напряжения, содержащем усилитель постоянного тока на основе операционного усилителя, является то, что в схему введен диод на основе широкозонного полупроводника, биполярный транзистор, два токозадающих резистора, причем база транзистора соединена с диодом, эмиттер транзистора - с токозадающим сопротивлением и входом усилителя постоянного тока, выход усилителя постоянного тока соединен с коллектором транзистора и через второй токозадающий резистор со светодиодом и базой транзистора, вторые выводы светодиода и первого токозадающего резистора соединены с общим проводом схемы. 2 ил.

Источник опорного напряжения, содержащий усилитель постоянного тока на основе операционного усилителя, отличающийся тем, что в схему введен диод на основе широкозонного полупроводника, биполярный транзистор, два токозадающих резистора, причем база транзистора соединена с анодом диода и выводом второго токозадающего резистора, эмиттер транзистора - с первым токозадающим резистором и входом усилителя постоянного тока, выход усилителя постоянного тока соединен с коллектором транзистора и вторым выводом второго токозадающего резистора, вторые выводы диода и первого токозадающего резистора соединены с общим проводом схемы.