НИЗКОВОЛЬТНЫЙ ТЕМПЕРАТУРНО СТАБИЛЬНЫЙ РАДИАЦИОННО СТОЙКИЙ ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G05F3/00 

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

Известен низковольтный источник опорного напряжения (ИОН), обладающий относительно высокой температурной стабильностью, но достаточно сложный в схемотехнической реализации [Hung Chang Yu. Low voltage supply dfndgap reference circuit using PTAT and PTVBE current source / US patent No. 6366071 B1, Apr. 2, 2002, fig.5].

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ИОН, приведенный в [Ionel Gheorghe, Florinel G. Balteanu. Low power bandgap circuit/US patent N6788041, Sep.7, 2004].

На фиг.1 приведена схема прототипа, содержащая первый транзистор, эмиттер которого подключен к общей шине, его база и коллектор объединены и через первый резистор подключены к выходу устройства, второй резистор, включенный между выходом устройства и общей шиной, второй транзистор, эмиттер которого через третий резистор подключен к общей шине, база второго транзистора соединена с базой и коллектором третьего транзистора, коллектор второго транзистора подключен ко входу повторителя тока, первый выход повторителя тока подключен к коллектору третьего транзистора, второй выход повторителя тока подключен к коллектору первого транзистора, а третий вход повторителя тока соединен с выходом устройства.

Недостатком прототипа является его сложность и относительно низкая температурная стабильность.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение схемы, повышение температурной стабильности выходного напряжения ИОН и повышение радиационной стойкости.

Для решения поставленной задачи в схему прототипа, содержащую первый транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, первый резистор, включенный между точкой соединения базы и коллектора первого транзистора и выходом устройства, второй резистор, включенный между выходом устройства и общей шиной, второй транзистор и третий резистор, введены первый и второй полевые транзисторы с управляющим р-n переходом, причем третий резистор включен между базой второго транзистора и шиной питания, коллектор второго транзистора подключен к шине питания, истоки первого и второго полевых транзисторов объединены и подключены к эмиттеру второго транзистора, затворы первого и второго полевых транзисторов соединены с шиной питания, сток первого полевого транзистора соединен с коллектором первого транзистора, а сток второго полевого транзистора подключен к выходу устройства.

Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит первый транзистор 1, эмиттером подключенный к общей шине, первый резистор 2, включенный между точкой соединения базы и коллектора первого транзистора 1 и выходом устройства, второй резистор 3, включенный между выходом устройства и общей шиной, второй транзистор 4, база которого через третий резистор 5 соединена с шиной питания, его коллектор подключен к шине питания, а эмиттер - к точке соединения истоков первого полевого транзистора 6 и второго полевого транзистора 7, затворы которых соединены с шиной питания, сток первого полевого транзистора 6 соединен с коллектором первого транзистора 1, а сток второго полевого транзистора 7 подключен к выходу устройства.

Работу заявляемого ИОН можно пояснить следующим образом. На полевых транзисторах 6 и 7 выполнен источник тока с положительным температурным дрейфом. Действительно, наличие второго транзистора 4 в истоке полевого транзистора приводит к тому, что запирающее транзистор напряжение с ростом температуры уменьшается, следовательно, ток стока полевых транзисторов возрастает.

Ток, протекающий через первый резистор 2, пропорционален напряжению база-эмиттер первого транзистора 1, следовательно, этот ток убывает с ростом температуры. Поэтому сумма токов на втором резисторе 3 создает падение напряжения, которое при соответствующем параметрическом синтезе элементов схемы может иметь температурный дрейф, равный нулю.

Для выходного напряжения схемы заявляемого ИОН можно записать:

$$U_{вых}=I_7{R}_3+\frac{U_{БЭ.1}-U_{ВЫХ}}{R_2},\left(1\right)$$

где I₇ - ток стока второго полевого транзистора 7; U_БЭ.1 - напряжение база-эмиттер первого транзистора 1; R₂, R₃ - сопротивление соответствующего резистора.

Из (1) следует, что

$$U_{ВЫХ}=\frac{R_2{R}_3}{R_2+R_3}{I}_7+U_{БЭ.1}\frac{R_3}{R_2+R_3}.\left(2\right)$$

Для того чтобы найти условие, при котором температурный дрейф выходного напряжения обращается в ноль, продифференцируем (2) и приравняем производную нулю:

$$\frac{\partial U_{ВЫХ}}{\partial T}=\frac{\partial I_7}{\partial T}\frac{R_2{R}_3}{R_2+R_3}+\frac{\partial U_{БЭ.1}}{\partial T}\frac{R_3}{R_2+R_3}=0$$

откуда условие температурной компенсации имеет вид:

$$\frac{\partial U_{БЭ.1}}{\partial T}=-\frac{\partial I_7}{\partial T}{R}_2.\left(3\right)$$

С другой стороны, ток 1₇ как ток стока полевого транзистора можно представить как

$$I_7=I_{С.НАЧ}{\left(\frac{U_{БЭ.4}+\frac{I_7}{{\beta }_4}{R}_5}{U_{ОТС}}\right)}^2\left(4\right)$$

где I_С.НАЧ - начальный ток стока полевого транзистора; U_ОТС - напряжение отсечки полевого транзистора; β₄ - коэффициент усиления тока базы второго транзистора 4; U_БЭ.4 - напряжение база-эмиттер второго транзистора 4; R₅ - сопротивление третьего резистора 5.

Найдем производную по температуре тока I₇, считая, что сопротивление резистора R₅=0; в этом случае получим условие температурной компенсации в первом приближении, которое подтверждает работоспособность заявляемого устройства:

$$\frac{\partial I_7}{\partial T}=\frac{2I_{С.НАЧ}}{U_{ОТС}}\left(1-\frac{U_{БЭ.4}}{U_{ОТС}}\right)\frac{\partial U_{БЭ.4}}{\partial T}=-S_0\left(1-\frac{U_{БЭ.4}}{U_{ОТС}}\right)\frac{\partial U_{БЭ.4}}{\partial T},\left(5\right)$$

где S₀=2_IС.НАЧ/U_ОТС - крутизна прямой передачи полевого транзистора при начальном токе стока.

Подставляя (5) в (3), находим:

$$\frac{\partial U_{БЭ.4}}{\partial T}=R_2{S}_0\left(1-\frac{U_{БЭ.4}}{U_{ОТС}}\right)\frac{\partial U_{БЭ.4}}{\partial T}.\left(6\right)$$

С учетом очевидного факта, что

$$\frac{\partial U_{БЭ.1}}{\partial T}=\frac{\partial U_{БЭ.4}}{\partial T}$$

условие температурной компенсации выглядит следующим образом:

$$R_2{S}_0\left(1-\frac{U_{БЭ.4}}{U_{ОТС}}\right)=1.\left(7\right)$$

С учетом (7) представим выражение (4) в следующем виде:

$$I_7=\frac{2I_{С.НАЧ}{U}_{ОТС}}{2U_{ОТС}}\left(1-\frac{U_{БЭ.4}}{U_{ОТС}}\right)\left(1-\frac{U_{БЭ.4}}{U_{ОТС}}\right)=\frac{U_{ОТС}}{2R_2}\left(1-\frac{U_{ОТС}}{U_{ОТС}}\right)\left(8\right)$$

Подставляя (8) в (2), находим:

$$U_{ВЫХ}=\frac{U_{ОТС}+U_{БЭ.1}}{2}=\frac{R_3}{R_2+R_3}.\left(9\right)$$

Это выражение показывает, что выходное напряжение не связано с шириной запрещенной зоны кремния и может быть существенно меньше его. Например, при U_ОТС=2,1 B, U_БЭ=0,7 B, R₃=500 Ом и R₂=2 кОм выходное напряжение U_ВЫХ=280 мВ, чем подтверждается возможность создания низковольтного температурно стабильного ИОН.

Учет влияния сопротивления резистора R₅ приводит к весьма значительному усложнению выражений для определения условий температурной компенсации. В этом случае решение может быть получено только числено, например, при компьютерном моделировании. Усложнение анализа связано с тем, что коэффициент усиления тока базы также зависит от температуры [Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesingLab 8.0. - М.: СОЛОН-Р, 2003. С.301]:

$$\beta ={\beta }_0\sqrt{\frac{T_3}{T_0^3}}$$ ,

где β₀ - коэффициент усиления тока базы при начальной (комнатной) температуре; T₀ - начальная (комнатная) температура.

В этом случае в температурной зависимости источника тока с положительным температурным дрейфом появляется составляющая, позволяющая скомпенсировать составляющие температурного дрейфа второго порядка в напряжении база-эмиттер.

Результаты компьютерного моделирования заявляемого ИОН приведены на фиг.3. В качестве моделей элементов использовались компоненты радиационно стойкого аналогового базового матричного кристалла, 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].

Нижний график на фиг.3 показывает, что при выходном напряжении 284 мВ абсолютное отклонение выходного напряжения заявляемого ИОН не превышает 64 мкВ, а относительный температурный дрейф выходного напряжения (верхний график) не превышает ±8,8 ppm/K. Кроме того, эти графики демонстрируют, что доминирующая составляющая температурного дрейфа выходного напряжения имеет третий порядок.

Результаты моделирования ИОН, выполненного по схеме прототипа, приведены на фиг.4, а схема прототипа в среде PSpice приведена на фиг.5.

В качестве моделей использовались те же компоненты, что и при моделировании схемы прототипа.

Выходное напряжение в схеме прототипа имеет абсолютное отклонение 694 мкВ, а относительный температурный дрейф ±65 ppm/К. Таким образом, относительная стабильность схемы заявляемого ИОН выше, чем в схеме прототипа более чем в 7 раз, а абсолютная нестабильность схемы прототипа почти в 10 раз выше, чем в схеме заявляемого ИОН.

На фиг.6 приведены результаты моделирования схемы заявляемого ИОН при воздействии потока нейтронов. Известно, что наиболее сильной деградации параметров при радиационном воздействии подвержены транзисторы p-n-p типа, а наименьшей - полевые транзисторы с управляющим переходом и каналом p-типа [Дворников О.В. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями / О.В.Дворников, В.А.Чеховской // Chip News - 1999. №2 - С.21-23]. Поскольку в заявляемом ИОН отсутствуют транзисторы p-n-р типа, он обладает радиационной стойкостью, позволяющей функционировать ему при плотности потока нейтронов F=10¹⁴ [n/см²].

Таким образом, задача предлагаемого изобретения - повышение температурной стабильности и упрощение схемы за счет сокращения количества элементов решена, что подтверждается проведенным анализом и результатами компьютерного моделирования. Кроме того, заявляемый ИОН обладает радиационной стойкостью за счет исключения из схемы транзисторов p-n-р типа.

Изобретение 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, а также ее высокая радиационная стойкость. Устройство содержит первый транзистор, эмиттер которого подключен к общей шине, первый резистор, включенный между точкой соединения базы и коллектора первого транзистора и выходом устройства, второй резистор, включенный между выходом устройства и общей шиной, второй транзистор и третий резистор, первый и второй полевые транзисторы с управляющим р-n переходом, причем третий резистор включен между базой второго транзистора и шиной питания, коллектор второго транзистора подключен к шине питания, истоки первого и второго полевых транзисторов объединены и подключены к эмиттеру второго транзистора, затворы первого и второго полевых транзисторов соединены с шиной питания, сток первого полевого транзистора соединен с коллектором первого транзистора, а сток второго полевого транзистора подключен к выходу устройства. 6 ил.

Источник опорного напряжения, содержащий первый транзистор, эмиттер которого подключен к общей шине, первый резистор, включенный между точкой соединения базы и коллектора первого транзистора и выходом устройства, второй резистор, включенный между выходом устройства и общей шиной, второй транзистор и третий резистор, отличающийся тем, что в устройство введены первый и второй полевые транзисторы с управляющим р-n переходом, причем третий резистор включен между базой второго транзистора и шиной питания, коллектор второго транзистора подключен к шине питания, истоки первого и второго полевых транзисторов объединены и подключены к эмиттеру второго транзистора, затворы первого и второго полевых транзисторов соединены с шиной питания, сток первого полевого транзистора соединен с коллектором первого транзистора, а сток второго полевого транзистора подключен к выходу устройства.