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

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

Известны источники опорного напряжения (ИОН), имеющие высокую стабильность, но обладающие высокой сложностью [Haiplik, Н. Voltage Reference Circuit. / US patent No. 7626374, Dec. 1, 2009].

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ИОН, приведенный в [Scoones, K. 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 низкий коэффициент стабилизации выходного напряжения при изменении входного.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение коэффициента стабилизации выходного напряжения и сохранение высокой температурной стабильности.

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, введены третий транзистор, четвертый транзистор и повторитель тока, причем эмиттер третьего транзистора соединен с коллектором первого транзистора, его коллектор соединен с входом повторителя тока, а его база подключена к точке соединения базы и коллектора четвертого транзистора с выходом повторителя тока, эмиттер четвертого транзистора подключен к выходу устройства, вывод питания повторителя тока подключен к шине питания.

Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит первый транзистор 1, эмиттером подключенный к эмиттеру второго транзистора 2, первый резистор 3, включенный между эмиттером первого транзистора 1 и общей шиной, второй резистор 4, включенный между коллектором и базой второго транзистора 2, третий транзистор 5, эмиттером соединенный с коллектором первого транзистора 1, коллектор третьего резистора 5 подключен к входу повторителя тока 7 (ПТ 7), а его база подключена к точке соединения базы четвертого транзистора 6, коллектора четвертого транзистора 6 и выхода ПТ 7, эмиттер четвертого транзистора 6 соединен с базой второго транзистора 2 и является выходом устройства, вывод питания ПТ 7 подключен к шине питания.

Работу заявляемого ИОН можно пояснить на примере конкретной схемотехнической реализации (фиг.3) следующим образом.

Для выходного напряжения ИОН можно записать

где I₁, I₂ - токи коллекторов транзисторов VT1 и VT2 соответственно; R₁, R₂ - сопротивление соответствующего резистора; ΔU_БЭ - разность напряжений база-эмиттер транзисторов VT1 и VT2; U_БЭ.2 - напряжение база-эмиттер транзистора VT2.

Разность напряжений база-эмиттер при отношении N площадей эмиттеров транзисторов VT1 и VT2 можно выразить как

при условии, что коэффициент передачи повторителя тока на транзисторах VT5-VT7 равен единице.

Дифференцируя (1) по температуре и приравнивая производную нулю, находим условие, при котором температурный дрейф выходного напряжения обращается в нуль:

.

Это условие является типичным для всех источников опорного напряжения на основе ширины запрещенной зоны кремния и достаточно просто выполняется.

Результаты моделирования заявляемого устройства при изменении температуры приведены на фиг.4. (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].) Результаты моделирования показывают, что высокая температурная стабильность заявляемого устройства имеет место, так как максимальный относительный температурный дрейф выходного напряжения V(OUT) не превышает ±15 ррm/°С, а максимальное отклонение выходного напряжения составляет 689 мкВ в диапазоне температур от -40 до 120°С.

Сопоставим коэффициент стабилизации схемы прототипа и заявляемого ИОН.

Оценим коэффициент стабилизации схемы прототипа. Для этого запишем выходное напряжение в схеме прототипа в виде:

где U_БЭ.2 - напряжение база-эмиттер транзистора VT2 (фиг.1); I₁, I₂ - токи коллекторов транзисторов VT1 и VT2 соответственно; R₂ - сопротивление резистора R2.

Чтобы определить нестабильность выходного напряжения в схеме прототипа, продифференцируем выражение (3) по входному напряжению Е_П:

Заметим, что приращение тока через резистор R1 за счет действия глубокой отрицательной обратной связи равно приращению тока через резистор R3 и равно приращению тока коллектора I₁ транзистора VT1.

Приращение тока I_R3 через резистор R3 и, следовательно, приращение тока I₁ можно найти следующим образом:

при условии, что dE_П>>dU_ВЫХ.

Первое слагаемое в выражении (4) можно представить как

где r_Э.2 - дифференциальное сопротивление эмиттера транзистора VT2.

Поскольку для тока I₂ справедливо выражение

,

следует, что

С учетом выражения (5) выражение (7) можно представить как

Подставляя (5), (6) и (8) в (4), получаем:

Таким образом, если определить коэффициент стабилизации через конечные приращения как

,

из (9) следует:

Фактически предельно возможный коэффициент стабилизации в этом случае определяется отношением сопротивлений R₃/R₂.

Результат моделирования схемы прототипа при изменении входного напряжения приведен на фиг.5.

Оценим коэффициент стабилизации схемы заявляемого ИОН. Для анализа будем использовать схему, представленную на фиг.3.

Как уже отмечалось ранее, для входного напряжения заявляемого ИОН справедливо выражение (3).

Тогда приращение выходного напряжения на выходе заявляемого ИОН можно найти, дифференцируя по изменению питающего напряжения выражение (3).

С учетом того, что приращение напряжения, попадающее на выход схемы заявляемого ИОН, поступает только за счет прямой передачи тока через конечные дифференциальные сопротивления транзисторов VT7, VT5, VT4, а коэффициент передачи повторителя тока равен единице, можно записать:

где - прямой ток со входа на выход; r_ПР - сопротивление прямой передачи, примерно равное сопротивлению коллектор-база транзистора VT5.

Приращение тока, которое возникает в левом по схеме плече повторителя тока, пренебрежимо мало, так как транзисторы VT1 и VT3 включены каскодно и выходное сопротивление транзистора VT3 со стороны коллектора весьма велико.

С учетом того, что производная

,

относительное изменение выходного напряжения заявляемого ИОН при изменении питающего напряжения можно записать в виде

Поскольку ток коллектора транзистора VT2 определяется разностью напряжений база-эмиттер транзисторов VT1 и VT2, запишем:

откуда

поскольку дифференциальное сопротивление эмиттера r_Э1 транзистора VT1 примерно равно дифференциальному сопротивлению эмиттера r_Э2 транзистора VT2:

r_Э.1≈r_Э.2=r_Э.

Подставляя (14) в (12), находим:

Тогда для коэффициента стабилизации заявляемого ИОН можно записать:

Так как r_ПР может достигать нескольких мегом, а результирующее сопротивление резисторов в знаменателе не превышает нескольких десятков Ом, коэффициент стабилизации заявляемого ИОН достигает значительной величины.

Результаты моделирования заявляемого ИОН при изменении питающего напряжения представлены на фиг.6.

Из представленных результатов моделирования видно, что коэффициент стабилизации заявляемого ИОН по крайней мере в тысячу раз больше, чем в схеме прототипа.

Таким образом, задача предлагаемого изобретения - повышение коэффициента стабилизации - решена.

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 увеличение коэффициента стабилизации выходного напряжения. Такой технический результат достигается тем, что устройство содержит первый транзистор, эмиттером подключенный к эмиттеру второго транзистора, первый резистор, включенный между эмиттером первого транзистора и общей шиной, второй резистор, включенный между коллектором и базой второго транзистора, третий транзистор, эмиттером соединенный с коллектором первого транзистора, коллектор третьего резистора подключен к входу ПТ, а его база подключена к точке соединения базы четвертого транзистора, коллектора четвертого транзистора и выхода ПТ, эмиттер четвертого транзистора соединен с базой второго транзистора и является выходом устройства, вывод питания ПТ подключен к шине питания. 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, отличающийся тем, что в устройство введен третий транзистор, четвертый транзистор и повторитель тока, причем эмиттер третьего транзистора соединен с коллектором первого транзистора, его коллектор соединен с входом повторителя тока, а его база подключена к точке соединения базы и коллектора четвертого транзистора с выходом повторителя тока, эмиттер четвертого транзистора подключен к выходу устройства, вывод питания повторителя тока подключен к шине питания.