ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G05F3/26 

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

Известен источник опорного напряжения (ИОН), имеющий относительно высокую температурную стабильность, однако он схемотехнически и технологически сложен, так как содержит в своем составе как биполярные, так и полевые транзисторы [Ozalevli, E. at al. Method and apparatus for higher-order correction of a bandgap voltage reference/ US patent No. 7728575, Jim. 1, 2010].

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ИОН, приведенный в [Bernard, P. Voltage generator for generating a stable voltage independent of variations in the ambient temperature and of variations in the supply voltage / US Patent No Re.34772, Nov. 1994].

На фиг.1 показана схема прототипа, содержащая первый транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, базой - к коллектору второго транзистора, второй транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, третий транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору первого транзистора, коллектор третьего транзистора подключен к точке соединения базы и коллектора четвертого транзистора, а база третьего транзистора подключена к положительному выводу источника ЭДС смещения, отрицательный вывод которого подключен к общей шине, пятый транзистор, базой подключенный к базе четвертого транзистора, а коллектором - к выходу устройства, шестой транзистор, база и коллектор которого объединены и подключены к эмиттеру пятого транзистора, эмиттер шестого транзистора подключен к шине питания, седьмой транзистор, коллектором подключенный к эмиттеру четвертого транзистора, базой - к базе шестого транзистора, а эмиттером - к шине питания, первый резистор, включенный между коллектором и базой второго транзистора, второй резистор, включенный между базой второго транзистора и выходом устройства.

Недостатком прототипа является его относительно низкая температурная стабильность и высокая сложность схемы, требующая дополнительного источника ЭДС смещения.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение температурной стабильности выходного напряжения ИОН при одновременном упрощении устройства.

Для решения поставленной задачи в схему прототипа, содержащую первый транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, базой - к коллектору второго транзистора, второй транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, третий транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору первого транзистора, а коллектор третьего транзистора подключен к точке соединения базы и коллектора четвертого транзистора, пятый транзистор, базой подключенный к базе четвертого транзистора, шестой транзистор, база и коллектор которого объединены, первый резистор, первым выводом подключенный к коллектору второго транзистора, а вторым выводом - к первому выводу второго резистора, второй вывод которого соединен с выходом устройства, введены третий, четвертый и пятый резисторы, причем третий резистор включен между базой второго транзистора и вторым выводом первого резистора, четвертый резистор включен между эмиттером четвертого транзистора и шиной питания, пятый резистор включен между эмиттером пятого транзистора и шиной питания, объединенные база и коллектор шестого транзистора соединены с базой третьего и коллектором пятого транзисторов, а эмиттер шестого транзистора подключен к выходу устройства.

Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит первый транзистор 1, эмиттер которого подключен к общей шине, база - к коллектору второго транзистора 2, а коллектор - к эмиттеру третьего транзистора 3, коллектор третьего транзистора 3 подключен к точке соединения базы и коллектора четвертого транзистора 4 и базы пятого транзистора 5, коллектор которого подключен к точке соединения базы и коллектора шестого транзистора 6 и базы третьего транзистора 3, первый резистор 7, первым выводом подключенный к коллектору второго транзистора 2, а вторым выводом соединенный с первым выводом второго резистора 8, третий резистор 9, включенный между базой второго транзистора 2 и точкой соединения первого резистора 7 со вторым резистором 8, четвертый резистор 10, включенный между эмиттером четвертого транзистора 4 и шиной питания, пятый резистор 11, включенный между эмиттером пятого транзистора 5 и шиной питания, а точка соединения эмиттера шестого транзистора 6 со вторым выводом второго резистора 8 является выходом устройства.

Работа устройства основана на том, что отрицательный температурный дрейф напряжения база-эмиттер второго транзистора 2 (фиг.2) компенсируется положительным температурным дрейфом разности напряжений база-эмиттер первого транзистора 1 и второго транзистора 2, за счет чего выходное напряжение ИОН слабо зависит от температуры.

Для выходного напряжения заявляемого ИОН можно записать:

где I₂ - ток коллектора второго транзистора 2; U_БЭ.2 - напряжение база-эмиттер второго транзистора 2; β₂ - коэффициент усиления тока базы второго транзистора 2; R₈ - сопротивление второго резистора 8; R₉ - сопротивление третьего резистора 9.

Ток коллектора второго транзистора 2 может быть определен из следующего соотношения:

где φ_T - температурный потенциал; N - отношение площадей эмиттеров первого транзистора 1 и второго транзистора 2.

(Справедливость приближенного равенства (2) обусловлена тем, что R₇>>R₃/β₂).

Выражение (2) показывает, что ток коллектора второго транзистора 2 определяется разностью напряжений база-эмиттер первого транзистора 1 и второго транзистора 2.

С учетом (2) выражение (1) можно преобразовать к виду:

Зависимость коэффициента усиления тока базы от температуры можно представить следующим образом [Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesingLab 8.0. - М.: СОЛОН-Р, 2003. С.301]:

где Т - абсолютная температура; β₀ - коэффициент усиления тока базы при комнатной (номинальной) температуре Т₀.

Таким образом, коэффициент усиления тока базы с ростом температуры возрастает по закону «трех вторых».

Из анализа выражения (3) следует, что наряду с компенсацией линейной составляющей температурного дрейфа напряжения база-эмиттер второго транзистора 2 (второе слагаемое в правой части выражения (3) присутствует квадратичная составляющая (третье слагаемое). Таким образом, падение напряжения на третьем резисторе 9 можно представить как некую функцию

Именно эта составляющая обеспечивает компенсацию температурной зависимости выходного напряжения второго порядка.

Для выходного напряжения схемы прототипа (фиг.1) будет справедливо следующее соотношение:

где R₁, R₂ - сопротивления резисторов, соответствующие позиционному обозначению на фиг.2.

На фиг.3 и фиг.4 приведены схемы прототипа и заявляемого устройства для моделирования в среде PSpice. В качестве моделей использованы компоненты аналогового базового матричного кристалла, выпускаемые НПО «Интеграл» (Белоруссия, г.Минск) [Дворников О.В. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями [Текст] / О.В. Дворников, В.А.Чеховской // Chip News - 1999. №2 - С.21-23].

На фиг.5 приведены результаты моделирования схемы заявляемого ИОН при изменении температуры в диапазоне от -40° до 120°. Абсолютное отклонение выходного напряжения при изменении температуры не превышает 4,2 мкВ при максимальном температурном дрейфе не более 0,472 ppm. Вид кривой изменения выходного напряжения (нижний график) показывает, что в ней доминирует температурная составляющая третьего порядка.

На фиг.6 приведены результаты аналогичного моделирования схемы прототипа. Вид кривой изменения выходного напряжения при изменении температуры говорит о доминировании температурной составляющей второго порядка. Абсолютное отклонение выходного напряжения при воздействии температуры составляет 619 мкВ, что более чем в 140 раз больше, чем в схеме заявляемого ИОН, а максимальный температурный дрейф составляет 19 ppm, что в 40 раз хуже, чем в схеме заявляемого ИОН.

Таким образом, задача предполагаемого изобретения - повышение температурной стабильности и упрощение схемы за счет исключения источника ЭДС смещения решена.

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, и других элементов автоматики. Технический результат - упрощение схемы при высокой температурной стабильности выходного напряжения. Устройство содержит первый транзистор, эмиттер которого подключен к общей шине, база - к коллектору второго транзистора, а коллектор - к эмиттеру третьего транзистора, коллектор третьего транзистора подключен к точке соединения базы и коллектора четвертого транзистора и базы пятого транзистора, коллектор которого подключен к точке соединения базы и коллектора шестого транзистора и базы третьего транзистора, первый резистор, первым выводом подключенный к коллектору второго транзистора, а вторым выводом соединенный с первым выводом второго резистора, третий резистор, включенный между базой второго транзистора и точкой соединения первого резистора со вторым резистором, четвертый резистор, включенный между эмиттером четвертого транзистора и шиной питания, пятый резистор, включенный между эмиттером пятого транзистора и шиной питания, а точка соединения эмиттера шестого транзистора со вторым выводом второго резистора является выходом устройства. 6 ил.

Источник опорного напряжения, содержащий первый транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, базой - к коллектору второго транзистора, второй транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, третий транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору первого транзистора, а коллектор третьего транзистора подключен к точке соединения базы и коллектора четвертого транзистора, пятый транзистор, базой подключенный к базе четвертого транзистора, шестой транзистор, база и коллектор которого объединены, первый резистор, первым выводом подключенный к коллектору второго транзистора, а вторым выводом - к первому выводу второго резистора, второй вывод которого соединен с выходом устройства, отличающийся тем, что в устройство введены третий, четвертый и пятый резисторы, причем третий резистор включен между базой второго транзистора и вторым выводом первого резистора, четвертый резистор включен между эмиттером четвертого транзистора и шиной питания, пятый резистор включен между эмиттером пятого транзистора и шиной питания, объединенные база и коллектор шестого транзистора соединены с базой третьего и коллектором пятого транзисторов, а эмиттер шестого транзистора подключен к выходу устройства.