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

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

Известны температурно-стабильные источники опорного напряжения, к недостаткам которых относится излишняя сложность, вызванная использованием большого количества элементов [U.S. Patent 4380706. Voltage reference circuit / Robert S. Wrathall - Dec. 24, 1980], или необходимость использования «идеального» источника опорного тока [Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988 - С.240, рис.33.27], что существенно затрудняет их использование.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является стабилизатор напряжения (CH), приведенный на фиг.1 [Пат. 2394266 РФ. Компенсационный стабилизатор напряжения / И.В.Барилов, Е.И.Старченко. - Опубл. 10.07.2010, Бюл. №19].

Недостатком прототипа является излишне высокий температурный коэффициент выходного напряжения - около 5·10^-4 /°С. Это объясняется, в основном, суммарным температурным дрейфом напряжения стабилитрона VD1 и перехода база-эмиттер транзистора VT4.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении заявляемого технического результата - снижении температурного коэффициента выходного напряжения ИОН.

Для достижения заявляемого технического результата в схему прототипа, содержащую первый и второй резисторы, подключенные первыми выводами к шине питания, третий резистор, подключенный одним выводом к общей шине, первый транзистор, подключенный истоком ко второму выводу первого резистора, второй транзистор, подключенный эмиттером к общей шине, третий транзистор, подключенный коллектором к соединению затвора первого транзистора со вторым выводом второго резистора, введены четвертый и пятый резисторы, первые выводы которых соединены с коллектором второго транзистора, второй вывод пятого резистора соединен с базами первого и третьего транзисторов, эмиттер третьего транзистора подключен ко второму выводу третьего резистора, второй вывод четвертого резистора и сток второго транзистора подключены к выходной клемме.

Схема прототипа приведена на фиг.1, а заявляемого устройства - на фиг.2. На фиг.3 приведены результаты моделирования.

Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит первый резистор 1 и второй резистор 2, подключенные первыми выводами к шине питания, первый транзистор 3, подключенный истоком ко второму выводу резистора 1, второй транзистор 4, подключенный эмиттером к общей шине, третий резистор 5, подключенный одним выводом к общей шине, третий транзистор 6, коллектор которого подключен к соединению затвора транзистора 3 со вторым выводом резистора 2, четвертый резистор 7 и пятый резистор 8, первые выводы которых соединены с коллектором транзистора 4, эмиттер транзистора 6 соединен со вторым выводом резистора 5, второй вывод резистора 7 объединен с базами транзисторов 4 и 6, второй вывод резистора 8 и сток транзистора 3 подключены к выходной клемме.

Проанализируем работу заявляемого устройства (фиг.2). Выходное напряжение U_ВЫХ такого стабилизатора определяется суммой напряжения база-эмиттер U_БЭ4 транзистора 4 и падений напряжений U₇ и U₈ на резисторах 7 и 8 соответственно.

$$U_{ВЫХ}=U_{БЭ4}+U_7+U_8.\left(1\right)$$

Пренебрегая током затвора и считая коэффициенты передачи по току транзисторов 4 и 6 равными β, запишем выражение (1) в следующем виде:

$$U_{ВЫХ}={\phi }_T\ln \frac{I_4}{I_S}+\frac{I_4+I_6}{\beta }{R}_7+I_1{R}_8,\left(2\right)$$

где φ_T=kT/q - температурный потенциал; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; q - заряд электрона; I₄ и I₆ - токи эмиттеров транзисторов 4 и 6 соответственно; I_S - ток насыщения смещенного в обратном направлении p-n перехода; I₁ - ток стока транзистора 3, равный току через резисторы 1 и 8; R₇ и R₈ - сопротивление резисторов 7 и 8 соответственно.

Зависимость I_S от температуры имеет следующий вид:

$$I_S=C\cdot T^3\exp \left(-\frac{E}{{\varphi }_T}\right),\left(3\right)$$

где С - постоянный коэффициент, определяемый технологией производства интегрального транзистора и пропорциональный площади p-n перехода; Е - энергетическая ширина запрещенной зоны при абсолютном нуле, полученная линейной экстраполяцией от комнатной температуры к абсолютному нулю, равная для кремния 1,205 В.

Следует также учесть, что температурную зависимость коэффициента усиления тока базы можно представить следующим образом

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

где β₀ - коэффициент усиления тока базы при комнатной (номинальной) температуре T₀.

Для нахождения тока I₆ следует учесть напряжения база-эмиттер U_БЭ4 и U_БЭ6, транзисторов 4 и 6, а также падение напряжения на резисторе 5, записав выражение:

$$I_6{R}_5={\varphi }_T\ln \frac{I_4}{I_S}-{\varphi }_T\ln \frac{I_6}{N{I}_S}={\varphi }_T\ln \frac{N{I}_4}{I_6},\left(5\right)$$

где R₅ - сопротивление резистора 5; N - отношение площадей эмиттеров транзисторов 6 и 4.

Ток стока I₁ выражается через напряжение U_ЗИ между затвором и истоком транзистора 3, определяемое разностью падений напряжений на резисторах 1 и 2, которая, в свою очередь, зависит от токов I₁ и I₂:

$$I_1=I_0{\left(1-\frac{U_{ЗИ}}{U_O}\right)}^2=I_0{\left(1-\frac{I_{1}R{}_1-I_2{R}_2}{U_O}\right)}^2,\left(6\right)$$

где I₀ - начальный ток стока, при U_ЗИ=0; U_O - напряжение отсечки; I₂ - ток через резистор 2; R₂ - сопротивление резистора 2.

Так как I₂=I₆β/(β+1), то с учетом выражений (2-6) можно составить систему уравнений, решив которую можно определить значение выходного напряжения. Однако соответствующее точное решение не может быть представлено в виде аналитического выражения, содержащего только элементарные функции. Тем не менее, задавая параметры входящих в устройство элементов, можно получить приближенное решение с применением численных методов.

На фиг.3 показано изменение выходного напряжения заявляемого ИОН при изменении температуры (нижний график). Из результатов моделирования можно сделать следующий вывод: абсолютное изменение выходного напряжения заявляемого ИОН не превышает 0,5 мВ при изменении температуры от -40 до +120°C. При этом температурный коэффициент выходного напряжения (верхний график) не превышает значения 1·10^-5 /°C что на порядок меньше, чем у прототипа.

Таким образом, и проведенный анализ, и данные схемотехнического моделирования подтверждают, что достигается заявляемый технический результат - снижение температурного коэффициента выходного напряжения.

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в качестве температурно-стабильного источника опорного напряжения (ИОН). Техническим результатом является снижение температурного коэффициента выходного напряжения. Устройство содержит первый и второй резисторы, подключенные первыми выводами к шине питания, третий резистор, подключенный одним выводом к общей шине, первый транзистор, подключенный истоком ко второму выводу первого резистора, второй транзистор, подключенный эмиттером к общей шине, третий транзистор, подключенный коллектором к соединению затвора первого транзистора со вторым выводом второго резистора, четвертый и пятый резисторы, первые выводы которых соединены с коллектором второго транзистора, второй вывод пятого резистора соединен с базами первого и третьего транзисторов, эмиттер третьего транзистора подключен ко второму выводу третьего резистора, второй вывод четвертого резистора и сток второго транзистора подключены к выходной клемме. 3 ил.

Источник опорного напряжения, содержащий первый и второй резисторы, подключенные первыми выводами к шине питания, третий резистор, подключенный одним выводом к общей шине, первый транзистор, подключенный истоком ко второму выводу первого резистора, второй транзистор, подключенный эмиттером к общей шине, третий транзистор, подключенный коллектором к соединению затвора первого транзистора со вторым выводом второго резистора, отличающийся тем, что введены четвертый и пятый резисторы, первые выводы которых соединены с коллектором второго транзистора, второй вывод пятого резистора соединен с базами первого и третьего транзисторов, эмиттер третьего транзистора подключен ко второму выводу третьего резистора, второй вывод четвертого резистора и сток второго транзистора подключены к выходной клемме.