ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G05F3/16 G05F1/56 

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

Известны температурно стабильные источники опорного напряжения, содержащие в своем составе как биполярные так и полевые КМОП транзисторы [Shin-ichi Koazechi. Reference voltage generator of a band-gap regulator type used in CMOS transistor circuit / US patent No. 5568045, Oct. 22, 1996], что позволяет реализовать его только при использовании БиКМОП технологии.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ИОН, приведенный в [Ali Tasdighi/ Lou cost programmable lou dropout regulator / US patent No. 6005374, Dec. 21, 1999].

На фиг.1 приведена схема прототипа, содержащая первый и второй транзисторы, базы которых объединены и подключены к выходу устройства, а их коллекторы соединены с шиной питания, первый резистор, включенный между эмиттером первого транзистора и общей шиной, второй резистор, включенный между эмиттером второго транзистора и первым выводом второго резистора, третий резистор, включенный между вторым выводом второго резистора и общей шиной, операционный усилитель, инвертирующим входом подключенный к первому выводу второго транзистора, неинвертирующим входом подключенный к эмиттеру первого транзистора, выходом - к затвору полевого транзистора, исток которого подключен к шине питания, а сток соединен с выходом устройства.

Недостатком прототипа является его сложность, обусловленная применением операционного усилителя.

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

Для решения поставленной задачи в схему прототипа, содержащую первый и второй транзисторы, базы которых объединены и подключены к выходу устройства, первый резистор, включенный между эмиттером первого транзистора и общей шиной, второй резистор, включенный между эмиттером второго транзистора и первым выводом второго резистора, третий резистор, включенный между вторым выводом второго резистора и общей шиной, введены повторитель тока и третий резистор, причем вход повторителя тока соединен с коллектором второго транзистора, выход повторителя тока подключен к точке соединения коллектора первого транзистора и базы третьего транзистора, питающий вход повторителя тока подключен к шине питания, коллектор третьего транзистора соединен с шиной питания, а его эмиттер подключен к выходу устройства.

Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит первый транзистор 1 и второй транзистор 2, базы которых объединены и подключены к выходу устройства, первый резистор 3, включенный между эмиттером первого транзистора 1 и общей шиной, второй резистор 4, включенный между эмиттером второго транзистора 2 и первым выводом третьего резистора 5, второй вывод которого соединен с общей шиной, повторитель тока 6, вход которого соединен с коллектором второго транзистора 2, выход повторителя тока 6 соединен с коллектором транзистора 1, вход питания повторителя тока 6 соединен с шиной питания, третий транзистор 7, коллектор которого подключен к шине питания, база - к выходу повторителя тока 6, а эмиттер соединен с выходом устройства.

Работу заявляемого ИОН можно пояснить следующим образом.

Если коэффициент передачи повторителя тока 6 равен единице, токи эмиттеров первого транзистора 1 и второго транзистора 2 должны быть равны. В то же время сумма сопротивлений резисторов 4 и 5 должна быть больше сопротивления первого резистора 3. Поэтому равенство токов эмиттеров первого транзистора 1 и второго транзистора 2 возможно только после рассогласования площадей эмиттеров. Поэтому справедливым оказывается следующее уравнение для контурного тока I₁ (фиг.2):

$$I_1{R}_4+I_1{R}_5+U_{БЭ.2}=I_1{R}_3+U_{БЭ.1}\left(1\right)$$

где R_i - сопротивление соответствующего резистора; U_БЭ.i - напряжение база-эмиттер соответствующего транзистора. Если выполняется условие R₅ = R₃, то из выражения (1) следует:

$$I_1=\frac{U_{БЭ.1}-U_{БЭ.2}}{R_4}=\frac{\Delta U_{БЭ}}{R_4}\left(2\right)$$

Поскольку ток I₁, по сути, представляет собой ток эмиттера первого транзистора 1 и второго транзистора 2, то это означает, что ток эмиттера пропорционален разности напряжений база-эмиттер и имеет положительный температурный дрейф.

Таким образом, для выходного напряжения заявляемого ИОН можно записать:

$$U_{ВЫХ}=\frac{R_3}{R_4}{\varphi }_T\ln N+U_{БЭ.1}\left(3\right)$$

где N - отношение площадей эмиттеров второго транзистора 2 и первого транзистора 1.

Дифференцируя (3) по температуре Т и приравнивая производную нулю, находим условие температурной компенсации:

$$\frac{R_3{\varphi }_T}{R_{4}T}=-\frac{\partial U_{БЭ.1}}{\partial T}\left(4\right)$$

То есть снижение напряжения база-эмиттер транзистора с ростом температуры компенсируется положительным температурным дрейфом падения напряжения на первом резисторе 3, что практически не отличает работу заявляемого устройства от работы ИОН, выполненного по схеме прототипа. Но поскольку в схеме прототипа для выравнивания токов эмиттеров первого транзистора 1 и второго транзистора 2 используется операционный усилитель, к нему должны предъявляться специфические требования - допустимый синфазный сигнал для него должен включать напряжение, близкое к нулю. Это может потребовать дополнительного источника питания отрицательной полярности или применения повторителей напряжения на входе операционного усилителя на транзисторах p-n-p типа, что также достаточно сложно.

Таким образом, налицо упрощение схемы при сохранении высокой температурной стабильности.

В качестве подтверждения проведенного анализа представлены результаты компьютерного моделирования. На фиг.3 приведена конкретная схемотехническая реализация в среде PSpice. В качестве моделей использованы компоненты аналогового базового матричного кристалла [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 заявляемого устройства представлены на фиг.4. Абсолютное отклонение выходного напряжения в диапазоне температур не превышает 43 мкВ, а относительный температурный дрейф составляет ±2,2 ppm/K, что позволяет отнести заявляемый ИОН к разряду прецизионных.

Таким образом, задача предлагаемого изобретения - упрощение схемы за счет исключения операционного усилителя при сохранении высокой температурной стабильности решена, что подтверждается результатами анализа и компьютерного моделирования.

Устройство относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей и других элементов автоматики. Технический результат заключается в упрощении схемы при высокой температурной стабильности выходного напряжения. Технический результат достигается за счет устройства, которое содержит первый и второй транзисторы, базы которых объединены и подключены к выходу устройства, первый резистор, эмиттер первого транзистора, общую шину, второй резистор, эмиттер второго транзистора, первый вывод второго резистора, третий резистор, второй вывод второго резистора, повторитель тока, третий резистор, коллектор второго транзистора, точку соединения коллектора первого транзистора, базу третьего транзистора, питающий вход повторителя тока, шину питания, коллектор третьего транзистора. 4 ил.

Источник опорного напряжения, содержащий первый и второй транзисторы, базы которых объединены и подключены к выходу устройства, первый резистор, включенный между эмиттером первого транзистора и общей шиной, второй резистор, включенный между эмиттером второго транзистора и первым выводом второго резистора, третий резистор, включенный между вторым выводом второго резистора и общей шиной, отличающийся тем, что в устройство введены повторитель тока и третий резистор, причем вход повторителя тока соединен с коллектором второго транзистора, выход повторителя тока подключен к точке соединения коллектора первого транзистора и базы третьего транзистора, питающий вход повторителя тока подключен к шине питания, коллектор третьего транзистора соединен с шиной питания, а его эмиттер подключен к выходу устройства.