ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G05F3/20 

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

Известны источники опорного напряжения (ИОН), имеющие высокую стабильность, но содержащие в своем составе биполярные транзисторы p-n-p типа и полевые транзисторы с изолированным затвором, что снижает их радиационную стойкость [Haiplik, H.. Voltage Reference Circuit./ US patent No. 7626374, Dec. 1, 2009.].

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ИОН, приведенный в [Барилов И.В., Старченко Е.И. Параметрический стабилизатор напряжения. / Пат. РФ 2383050, 27.02.2010, Бюл. №6.].

На фиг.1 показана схема прототипа, содержащая стабилитрон, анодом подключенный к общей шине, катодом - к стоку полевого транзистора и выходу устройства, затвор полевого транзистора подключен к шине питания, первый резистор, включенный между общей шиной и истоком полевого транзистора, второй резистор, включенный между истоком полевого транзистора и шиной питания.

Недостатком прототипа является его низкая стабильность выходного напряжения при изменении температуры.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение температурной стабильности.

Для решения поставленной задачи в схему прототипа, содержащего полевой транзистор, первый и второй резисторы, введены первый и второй транзисторы; причем эмиттер первого транзистора подключен к общей шине, его база соединена с его коллектором и подключена к первому выводу первого резистора, второй вывод первого резистора подключен к стоку полевого транзистора и к выходу устройства, эмиттер второго транзистора соединен с истоком полевого транзистора, база второго транзистора через второй резистор подключена к его коллектору и шине питания.

Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит полевой транзистор 1, затвор которого подключен к шине питания, а сток - к выходу устройства, первый резистор 2, включенный между выходом устройства и точкой соединения базы и коллектора первого транзистора 3, эмиттер которого соединен с общей шиной, эмиттер второго транзистора 4 подключен к истоку полевого транзистора 1, коллектор второго транзистора 4 соединен с шиной питания, а второй резистор 5 включен между базой второго транзистора 4 и шиной питания.

Работу заявляемого устройства можно пояснить следующим образом.

Выходное напряжение ИОН определяется суммой напряжений база-эмиттер первого транзистора 3 падения напряжения на первом резисторе 2. Температурный дрейф напряжения база-эмиттер имеет отрицательный знак, поэтому, если обеспечить положительный температурный дрейф падения напряжения на первом резисторе 2, при выполнении определенных условий результирующий температурный дрейф выходного напряжения ИОН можно сделать нулевым.

Действительно, для выходного напряжения ИОН можно записать;

$$U_{ВЫХ}=U_{БЭ.3}+I_C{R}_2,\left(1\right)$$

где U_БЭ.З - напряжение база-эмиттер первого транзистора 3; I_C - ток стока полевого транзистора 1; R₂ - сопротивление первого резистора 2.

Ток стока полевого транзистора 1 можно представить следующим образом:

$$I_C=I_{C.НАЧ}{\left(1-\frac{U_{ЗИ}}{U_{ОСТ}}\right)}^2,\left(2\right)$$

где I_C.НАЧ - начальный ток стока при напряжении затвор-исток, равном нулю; U_ЗИ - напряжение затвор-исток полевого транзистора 1; U_ОСТ - напряжение отсечки полевого транзистора 1.

В свою очередь, напряжение затвор-исток полевого транзистора 1 определяется, в основном, напряжением база-эмиттер транзистора 4, а также падением напряжения на втором резисторе 5 за счет протекания базового тока второго транзистора 4:

$$U_{ЗИ}=U_{БЭ.4}+\frac{I_C}{{\beta }_4}+R_5,\left(3\right)$$

где β₄ - коэффициент усиления тока базы второго транзистора 4. Подставляя (3) в (2), получим:

$$I_C=I_{C.НАЧ}{\left(1-\frac{U_{БЭ}+\frac{I_C}{\beta }{R}_5}{U_{ОТС}}\right)}^2\left(4\right)$$

Как показано в [Разевиг В. Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesingLab 8.0. - М.: СОЛОН-Р, 2003. С.301], зависимость коэффициента усиления тока базы транзистора от температуры имеет вид:

$$\beta ={\beta }_0{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{\frac{3}{2}},\left(5\right)$$

где T - абсолютная температура; β₀ - коэффициент усиления тока базы при комнатной (номинальной) температуре T₀.

Таким образом, можно найти производную тока стока по температуре:

$$\frac{\partial I_C}{\partial T}=\frac{\frac{2I_{C.НАЧ}}{U_{ОТС}}\left(1-\frac{U_{ИЗ}}{U_{ОТС}}\right)\left(\frac{3}{2}\frac{I_C{R}_5}{\beta T}-\frac{\partial U_{БЭ.5}}{\partial T}\right)}{1+2I_{C.НАЧ}\left(1-\frac{U_{ЗИ}}{U_{OTC}}\right)\frac{R_5}{\beta U_{OTC}}}$$

Вполне очевидно, что производная $$\frac{\partial I_C}{\partial T}>0$$ , поэтому выполнение условия

$$\frac{\partial U_{ВЫХ}}{\partial T}=\frac{\partial U_{БЭ.5}}{\partial T}+R_5\frac{\partial I_C}{\partial T}=0$$

при соответствующем выборе сопротивлении первого резистора 2 возможно.

Наличие второго резистора 5 вводит в составляющую температурного дрейфа тока стока компоненту второго порядка, за счет чего температурная нестабильность выходного напряжения ИОН имеет доминирующую компоненту третьего порядка, в отличие от большинства известных, в которых температурная нестабильность имеет доминирующую компоненту второго порядка.

Очевидно, что в схеме прототипа температурный дрейф выходного напряжения определяется температурной стабильностью стабилитрона, значение которого составляет 2-3 мВ/К.

Доказательство решения поставленной задачи можно подтвердить и результатами моделирования. На фиг.3 приведена схема заявляемого ИОН, предназначенная для моделирования в среде PSpice. В качестве элементов использованы модели компонентов аналогового базового матричного кристалла АБМК-1, 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 представлены на фиг.4. Выходное напряжение заявляемого ИОН имеет абсолютную нестабильность 435 мкВ в диапазоне температур от -40 до +120, а относительный температурный дрейф не превышает ± 12,6 ppm/K. Причем доминирующая составляющая температурной нестабильности выходного напряжения имеет явно выраженный третий порядок.

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

Устройство относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей и других элементов автоматики. Техническим результатом является высокая температурная стабильность выходного напряжения. Для этого предложен источник опорного напряжения, содержащий полевой транзистор, затвор которого подключен к шине питания, сток - к выходу устройства, первый и второй резисторы, при этом в устройство введены первый и второй транзисторы, причем эмиттер первого транзистора подключен к общей шине, его база соединена с его коллектором и подключена к первому выводу первого резистора, второй вывод первого резистора подключен к выходу устройства, эмиттер второго транзистора соединен с истоком полевого транзистора, база второго транзистора через второй резистор подключена к его коллектору и шине питания. 4 ил.

Источник опорного напряжения, содержащий полевой транзистор, затвор которого подключен к шине питания, сток - к выходу устройства, первый и второй резисторы, отличающийся тем, что в устройство введены первый и второй транзисторы, причем эмиттер первого транзистора подключен к общей шине, его база соединена с его коллектором и подключена к первому выводу первого резистора, второй вывод первого резистора подключен к выходу устройства, эмиттер второго транзистора соединен с истоком полевого транзистора, база второго транзистора через второй резистор подключена к его коллектору и шине питания.