ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК G05F1/10 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может использоваться в стабилизаторах напряжения, аналогово-цифровых преобразователях и других элементах автоматики и вычислительной техники.

Известны источники опорного напряжения (ИОН), имеющие высокую стабильность, но содержащие в своем составе биполярные транзисторы p-n-p типа и полевые транзисторы с изолированным затвором, что снижает их радиационную стойкость [Haiplik, H.. Voltage Reference Circuit. / US patent No. 7626374, Dec. 1, 2009].

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ИОН, приведенный в [Scoones, К. Voltage Reference Circuit with Increased Intrinsic Accuracy. / US Patent No. 6642777, Nov. 4, 2003].

На фиг.1 показана схема прототипа, содержащая первый транзистор, эмиттером соединенный с эмиттером второго транзистора, база которого подключена к коллектору первого транзистора и первому выводу первого резистора, второй вывод которого подключен к точке соединения базы первого транзистора, неинвертирующего входа операционного усилителя, выхода операционного усилителя, первого вывода третьего резистора и является выходом устройства, второй резистор, включенный между эмиттером первого транзистора и общей шиной, третий резистор, вторым выводом подключенный к первому выводу четвертого резистора и к шине питания, второй вывод четвертого резистора подключен к коллектору второго транзистора и отрицательному входу операционного усилителя.

Недостатком прототипа является сложность схемы.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение схемы при сохранении высокой температурной стабильности выходного напряжения.

Для решения поставленной задачи в схему прототипа, содержащего первый транзистор, эмиттером подключенный к эмиттеру второго транзистора, первый резистор, включенный между эмиттером первого транзистора и общей шиной, второй резистор, первым выводом подключенный к точке соединения базы первого транзистора с коллектором второго транзистора, второй вывод второго резистора подключен к базе второго транзистора и к выходу устройства, третий резистор, первым выводом подключенный к шине питания, введены третий транзистор и полевой транзистор, причем коллектор первого транзистора подключен к шине питания, база третьего транзистора соединена с базой второго транзистора, его эмиттер подключен к эмиттеру второго транзистора, коллектор третьего транзистора соединен со вторым выводом третьего резистора и с истоком полевого транзистора, затвор которого подключен к шине питания, а сток - к выходу устройства.

Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит первый транзистор 1, эмиттером подключенный к эмиттеру второго транзистора 2, а коллектором - к шине питания, первый резистор 3, включенный между эмиттером первого транзистора 1 и общей шиной, второй резистор 4, первым выводом подключенный к точке соединения базы первого транзистора 1 с коллектором второго транзистора 2, третий транзистор 5, база которого подключена к базе второго транзистора 2 и к выходу устройства, эмиттер третьего транзистора 5 соединен с эмиттером второго транзистора 2, коллектор третьего транзистора 5 подключен к истоку полевого транзистора 6, затвор которого подключен к шине питания, а сток - к выходу устройства, третий резистор 7 включен между истоком полевого транзистора 6 и шиной питания.

Работу заявляемого ИОН можно пояснить следующим образом.

При подаче питающего напряжения на ИОН полевой транзистор 6 начинает работать как источник тока, обеспечивая базовый и коллекторный токи второго транзистора 6. При этом третий транзистор 5 совместно со вторым транзистором 2 формируют токовое зеркало и обеспечивает управление током стока полевого транзистора 6, повышая его стабильность при воздействии различных дестабилизирующих факторов. Ток коллектора второго транзистора 6 создает на втором резисторе 4 падение напряжения, в результате чего ток коллектора первого транзистора 2 обусловлен разностью напряжений база-эмиттер ΔU первого транзистора 1 и второго транзистора 2:

где I₂ - ток коллектора второго транзистора 2; R₄ - сопротивление второго резистора 4; φ_Т - температурный потенциал; I₁ - ток коллектора первого транзистора 1, n - отношение площади эмиттера первого транзистора 1 к площади эмиттера второго транзистора 2.

Таким образом, ток коллектора первого транзистора 1 определяется разностью напряжений база-эмиттер транзисторов и, как известно, имеет положительный температурный дрейф.

Для выходного напряжения ИОН можно записать

где U_БЭ2 - напряжение база-эмиттер второго транзистора 2; R₃ - сопротивление первого резистора 3.

Дифференцируя (2) по температуре и приравнивая производную нулю, можно найти условие, при котором выходное напряжение не будет зависеть от температуры. Такое условие существует, так как напряжение база-эмиттер имеет отрицательный температурный дрейф, а разность напряжений база-эмиттер - положительный температурный дрейф. Отметим, что и ток I₁ имеет положительный температурный дрейф, что можно подтвердить результатами моделирования.

На фиг.3 приведена схема заявляемого ИОН в среде PSpice. В качестве моделей использованы компоненты аналогового базового матричного кристалла (АБМК), выпускаемого Минским НПО «Интеграл» [Дворников О.В. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями / О.В.Дворников, В.А.Чеховской // Chip News. - 1999. - №2. - С.21-23.]. Транзисторы VT1 - VT3 - GC_05_NPN, транзистор VT4 -PNPJF_JFET. Модели резисторов имеют линейный температурный коэффициент 0,15%/°С.

Результаты моделирования заявляемого ИОН приведены на фиг.4 и фиг.5.

График, приведенный на фиг.4, иллюстрирует зависимость выходного напряжения от температуры (нижний плот) и производные по температуре от напряжения база-эмиттер транзистора VT2 (фиг.3) и падения напряжения на резисторе R3 (верхний плот). В данном случае температурный дрейф выходного напряжения не хуже ±13 ppm/°C, а максимальное относительное отклонение выходного напряжения во всем диапазоне изменения температуры составляет ±0,017%.

Таким образом, налицо упрощение схемы ИОН за счет исключения операционного усилителя. То есть, поставленная задача решена.

Дополнительным преимуществом предлагаемого изобретения является его повышенная радиационная стойкость, так как транзисторы n-p-n типа, входящие в состав АБМК, обладают повышенной радиационной стойкостью, а полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и каналом p-типа практически нечувствительны к потоку нейтронов вплоть до интенсивности F=10 n/см²·с. Результаты моделирования схемы заявляемого ИОН при различных уровнях радиационного воздействия, приведенные на фиг.6, показывают, что сохраняется не только функциональная годность заявляемого ИОН, но и в значительной мере сохраняется его свойство температурной стабильности вплоть до F=10¹³ n/см²·с.

Устройство относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей и других элементов автоматики. Техническим результатом изобретения является упрощение схемы при высокой температурной стабильности выходного напряжения. Устройство содержит первый транзистор, эмиттером подключенный к эмиттеру второго транзистора, первый резистор, включенный между эмиттером первого транзистора и общей шиной, второй резистор, первым выводом подключенный к точке соединения базы первого транзистора с коллектором второго транзистора, второй вывод второго резистора подключен к базе второго транзистора и к выходу устройства, третий резистор, первым выводом подключенный к шине питания, третий транзистор и полевой транзистор, причем коллектор первого транзистора подключен к шине питания, база третьего транзистора соединена с базой второго транзистора, его эмиттер подключен к эмиттеру второго транзистора, коллектор третьего транзистора соединен со вторым выводом третьего резистора и с истоком полевого транзистора, затвор которого подключен к шине питания, а сток - к выходу устройства. 6 ил.

Источник опорного напряжения, содержащий первый транзистор, эмиттером подключенный к эмиттеру второго транзистора, первый резистор, включенный между эмиттером первого транзистора и общей шиной, второй резистор, первым выводом подключенный к точке соединения базы первого транзистора с коллектором второго транзистора, второй вывод второго резистора подключен к базе второго транзистора и к выходу устройства, третий резистор, первым выводом подключенный к шине питания, отличающийся тем, что в устройство введен третий транзистор и полевой транзистор, причем коллектор первого транзистора подключен к шине питания, база третьего транзистора соединена с базой второго транзистора, его эмиттер подключен к эмиттеру второго транзистора, коллектор третьего транзистора соединен со вторым выводом третьего резистора и с истоком полевого транзистора, затвор которого подключен к шине питания, а сток - к выходу устройства.