ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G05F3/00 

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в качестве температурно-стабильного источника опорного напряжения (ИОН) с повышенной нагрузочной способностью.

Известны температурно-стабильные источники опорного напряжения, определяемого удвоенной шириной запрещенной зоны полупроводника, к недостаткам которых относится излишняя сложность, вызванная использованием большого количества элементов [U.S. Patent 4380706. Voltage reference circuit / Robert S. Wrathall.- Dec. 24, 1980], и необходимость дополнительного источника тока, стабильность которого также будет влиять на стабильность выходного напряжения ИОН.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является источник опорного напряжения, приведенный на фиг.1 [US Patent No 6528979 В2. Reference current circuit and reference voltage circuit (fig.23) / Kimura, K. - Mar. 4, 2003].

Схема прототипа (фиг.1) содержит первый транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, коллектор которого через первый резистор соединен с первым выходом повторителя тока, питающий вход которого подключен к шине питания, база первого транзистора соединена с первым выходом повторителя тока, второй транзистор, эмиттер которого подключен к общей шине, база - к коллектору первого транзистора, а коллектор второго транзистора соединен со входом повторителя тока, третий транзистор, эмиттер которого подключен к общей шине, его база и коллектор объединены и через второй резистор подключены ко второму выходу повторителя тока, являющегося выходом устройства.

Основным недостатком прототипа является его относительно низкая температурная стабильность и низкое выходное напряжение.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение температурной стабильности при одновременном повышении выходного напряжения до удвоенной ширины запрещенной зоны кремния.

Для решения поставленной задачи в схему прототипа, содержащего первый транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, коллектором - к точке соединения первого вывода первого резистора и базы второго транзистора, база первого транзистора соединена со вторым выводом первого резистора, а эмиттер второго транзистора соединен с общей шиной, повторитель тока, питающий вход которого соединен с шиной питания, выход повторителя тока соединен с первым выводом второго резистора и выходом устройства, третий транзистор, согласно изобретению в устройство введен третий резистор, включенный между базой третьего транзистора и точкой соединения коллектора второго транзистора и второго вывода второго резистора, причем эмиттер третьего транзистора подключен ко второму выводу первого резистора, а его коллектор - ко входу повторителя тока.

Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит первый транзистор 1, эмиттером подключенный к общей шине, второй транзистор 2, база которого подключена к точке соединения коллектора первого транзистора 1 и первого вывода первого резистора 3, эмиттер второго транзистора 2 подключен к общей шине, третий транзистор 4, эмиттером подключенный к точке соединения базы первого транзистора 1 и второго вывода первого резистора 3, а коллектором подключенный ко входу повторителя тока 5, питающий вход которого соединен с шиной питания, выход повторителя тока 5 соединен с выходом устройства и первым выводом второго резистора 6, второй вывод резистора 6 подключен к точке соединения коллектора второго транзистора 2 и первого вывода третьего резистора 7, второй вывод которого соединен с базой третьего транзистора 4.

Работу заявляемого ИОН можно пояснить следующим образом.

Выходное напряжение заявляемого ИОН можно представить следующим образом:

$$U_{ВЫХ}=\frac{I_{K.4}}{\beta }{R}_7+U_{БЭ.4}+U_{БЭ.1}+I_3{R}_6,(1)$$

где I_K.4 - ток коллектора третьего транзистора 4; β - коэффициент усиления тока базы третьего транзистора 4; U_БЭ.1, U _БЭ.4 - напряжение база-эмиттер первого транзистора 1 и второго транзистора 2 соответственно; I₃ - ток, протекующий через первый транзистор 3; R₆, R₇ - сопротивление второго резистора 6 и третьего резистора 7 соответственно.

Поскольку можно считать, что

$$I_{K.4}\approx I_3=\frac{\Delta U_{БЭ1.2}}{R_3}=\frac{{\varphi }_T}{R_3}\ln N,(2)$$

где ΔU_БЭ1.2 - разность напряжений база-эмиттер первого транзистора 1 и второго транзистора 2; φ_T - температурный потенциал; N - отношение площадей эмиттеров второго транзистора 2 и первого транзистора 1.

Полагая, что U_БЭ.4≈U_БЭ.1=U_БЭ, выражение (1) с учетом (2) можно представить следующим образом:

$$U_{ВЫХ}=\frac{{\varphi }_T}{\beta R_3}\ln N+2U_{БЭ}+\frac{R_6}{R_3}{\varphi }_T\ln N.(3)$$

Так как зависимость коэффициента усиления тока базы [Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesingLab 8.0. - М.: СОЛОН-Р, 2003. С.301] может быть представлена как

$$\beta ={\beta }_0{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{\frac{3}{2}},(4)$$

подстановка (4) в (3) дает

$$U_{ВЫХ}=\frac{R_7{\varphi }_T\sqrt{T_0^3}}{R_3{\beta }_0\sqrt{T^3}}\ln N+2U_{БЭ}+\frac{R_6}{R_3}{\varphi }_T\ln N,(5)$$

где T₀ - начальная (комнатная) температура; β₀ - коэффициент усиления тока базы при начальной температуре; T - текущая температура в К.

Второе и третье слагаемые в правой части выражения (5) представляют собой элементы классического уравнения для ИОН на основе ширины запрещенной зоны кремния. В [Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988 - С.240] показано, что положительный температурный дрейф разности напряжений база-эмиттер компенсирует только линейную составляющую отрицательного температурного дрейфа напряжения база-эмиттер транзистора.

Первое слагаемое U₁ в правой части выражения (5) можно представить как следующую функцию температуры:

$$U_1=f\left(T^{-\frac{1}{2}}\right)$$

что позволяет при выполнении определенных условий компенсировать квадратичную составляющую температурного дрейфа выходного напряжения заявляемого ИОН.

Проведенный анализ можно подтвердить результатами компьютерного моделирования. На фиг.3 приведена схема заявляемого ИОН в среде PSpice. В качестве активных компонентов использованы модели транзисторов 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].

Результаты моделирования заявляемого ИОН приведены на фиг.4. Кривая выходного напряжения заявляемого ИОН имеет явно выраженный третий порядок и выходное напряжение, близкое к удвоенной ширине запрещенной зоны кремния - 2, 33 В. Показано, что абсолютное отклонение выходного напряжения в диапазоне температур -40-120°C не превышает 64 мкВ, что в относительных единицах составляет 0,0027%, а температурный дрейф выходного напряжения составляет ±1,25 ppm/К, что позволяет отнести такой ИОН к разряду прецизионных.

На фиг.5 приведен ИОН, выполненный в среде PSpice по схеме прототипа на моделях тех же компонентов, что и заявляемый ИОН, а результаты моделирования прототипа приведены на фиг.6.

Выходное напряжение ИОН по схеме прототипа составляет 1,1 В, а его абсолютное отклонение в диапазоне температур достигает 1,43 мВ. В относительных единицах это составляет 0,13%. Относительный температурный дрейф составляет±34 ррт/К.

Следовательно, результаты моделирования показывают, что по такому параметру, как относительная стабильность выходного напряжения в диапазоне температур, заявляемый ИОН превосходит прототип в 200 раз, а по температурной стабильности - почти в 30 раз.

Таким образом, задача предлагаемого изобретения - повышение выходного напряжения и повышение относительной температурной стабильности - решена.

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в качестве температурно-стабильного источника опорного напряжения, определяемого удвоенной шириной запрещенной зоны. Техническим результатом является повышение выходного напряжения, а также повышение относительной температурной стабильности. Устройство содержит первый транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, коллектором - к точке соединения первого вывода первого резистора и базы второго транзистора, база первого транзистора соединена со вторым выводом первого резистора, а эмиттер второго транзистора соединен с общей шиной, повторитель тока, питающий вход которого соединен с шиной питания, выход повторителя тока соединен с первым выводом второго резистора и выходом устройства, третий транзистор, третий резистор, включенный между базой третьего транзистора и точкой соединения коллектора второго транзистора и второго вывода второго резистора, причем эмиттер третьего транзистора подключен ко второму выводу первого резистора, а его коллектор - ко входу повторителя тока. 6 ил.

Источник опорного напряжения, содержащий первый транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, коллектором - к точке соединения первого вывода первого резистора и базы второго транзистора, база первого транзистора соединена со вторым выводом первого резистора, а эмиттер второго транзистора соединен с общей шиной, повторитель тока, питающий вход которого соединен с шиной питания, выход повторителя тока соединен с первым выводом второго резистора и выходом устройства, третий транзистор, отличающийся тем, что в устройство введен третий резистор, включенный между базой третьего транзистора и точкой соединения коллектора второго транзистора и второго вывода второго резистора, причем эмиттер третьего транзистора подключен ко второму выводу первого резистора, а его коллектор - ко входу повторителя тока.