ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G05F1/00 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может использоваться в стабилизаторах напряжения, аналогово-цифровых преобразователях, измерительных схемах и других устройствах 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, И.. 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. Компенсационно-параметрические методы повышения температурной стабильности источника опорного напряжения / Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: Сб. материалов IX Международного научно-практического семинара. - Шахты: ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2012, с.116-117, рис.3].

На фиг.1 показана схема прототипа, содержащая полевой транзистор с управляющим p-n переходом, затвор которого подключен к шине питания, а сток подключен к выходу устройства, первый транзистор, эмиттером подключенный к истоку полевого транзистора, коллектором - шине питания, первый резистор, включенный между базой первого транзистора и шиной питания, второй резистор, включенный между выходом устройства и точкой соединения базы и коллектора второго транзистора, эмиттер которого подключен к общей шине.

Недостатком прототипа является его низкая нагрузочная способность - при изменении тока нагрузки выходное напряжение меняется в недопустимо широких пределах.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение стабильности выходного напряжения при изменении тока нагрузки при сохранении высокой температурной стабильности.

Для решения поставленной задачи в схему прототипа, содержащую полевой транзистор с управляющим p-n переходом, первый транзистор, эмиттером подключенный к истоку полевого транзистора, коллектором - шине питания, первый резистор, включенный между базой первого транзистора и шиной питания, второй резистор, включенный между выходом устройства и точкой соединения базы и коллектора второго транзистора, эмиттер которого подключен к общей шине, введены третий резистор, третий и четвертый транзисторы, причем третий резистор включен между затвором полевого транзистора и шиной питания, база третьего транзистора соединена с базой второго транзистора, коллектор третьего транзистора подключен к точке соединения стока полевого транзистора и базы четвертого транзистора, эмиттер третьего транзистора подключен к общей шине, коллектор четвертого транзистора соединен с затвором полевого транзистора, а эмиттер четвертого транзистора подключен к выходу устройства.

Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит полевой транзистор 1, первый транзистор 2, эмиттером подключенный к истоку полевого транзистора 1, коллектором - шине питания, первый резистор 3, включенный между базой первого транзистора и шиной питания, второй резистор 4, включенный между выходом устройства и точкой соединения базы и коллектора второго транзистора 5, эмиттер которого подключен к общей шине, третий резистор 6, третий транзистор 7, и четвертый транзистор 8, причем третий резистор 6 включен между затвором полевого транзистора 1 и шиной питания, база третьего транзистора 7 соединена с базой второго транзистора 5, коллектор третьего транзистора 7 подключен к точке соединения стока полевого транзистора 1 и базы четвертого транзистора 8, эмиттер третьего транзистора 7 подключен к общей шине, коллектор четвертого транзистора 8 соединен с затвором полевого транзистора 1, а эмиттер четвертого транзистора 8 подключен к выходу устройства.

Заявляемое устройство работает следующим образом. На полевом транзисторе 1 и транзисторе 2 выполнен источник тока с положительным температурным дрейфом. Ниже будет показано, что ток эмиттера транзистора 8 практически равен току стока полевого транзистора 1 (при условии, что коэффициент передачи повторителя тока на транзисторах 5 и 7 равен единице). Это значит, что ток эмиттера транзистора 8 также имеет положительный температурный дрейф. Таким образом, падение напряжения на резисторе 4 имеет положительный температурный дрейф, а напряжение база - эмиттер транзистора 5 - отрицательный температурный дрейф. Следовательно, при соответствующем выборе сопротивления резистора 4 результирующий температурный дрейф выходного напряжения U_ВЫХ может быть сделан равным нулю.

При изменении тока нагрузки приращение тока коллектора транзистора 8 выделяется на резисторе 6, за счет чего возникает приращение тока стока полевого транзистора 1. При соответствующем выборе сопротивления резистора 6 в базу транзистора 8 будет поступать приращение тока, необходимое для обеспечения тока нагрузки, а ток через резистор 4 будет оставаться постоянным, чем и обеспечивается повышенная стабильность выходного напряжения ИОН при изменении тока нагрузки.

Покажем, что заявляемый ИОН обладает температурной стабильностью.

Определим ток, протекающий через резистор 4 из следующего условия:

$$\left(I_1-I_{4}K\right)\left({\beta }_8+1\right)=I_4\left(1\right)$$

где I₁ - ток стока полевого транзистора 1; I₄ - ток, протекающий через резистор 4; β₈ - коэффициент усиления тока базы транзистора 8; K - коэффициент передачи повторителя тока на транзисторах 5 и 7, откуда следует, что

$$I_4=\frac{{\beta }_8+1}{1+K\left({\beta }_8+1\right)}{I}_1=\frac{{\beta }_8+1}{{\beta }_8+2}{I}_1\approx I_1,\left(2\right)$$

при условии, что K = 1.

Поскольку

$$U_{ВЫХ}\approx I_1{R}_4+U_{БЭ.5}\left(3\right)$$

где U_БЭ.5 - напряжение база - эмиттер транзистора 5; R₄ - сопротивление резистора 4, то условие температурной стабильности можно получить, дифференцируя (3) по температуре и приравнивая производную нулю:

$$\frac{\partial U_{ВЫХ}}{\partial T}=\frac{\partial I}{\partial T}{R}_4+\frac{\partial U_{БЭ.5}}{\partial T}=0.\left(4\right)$$

Ток стока полевого транзистора можно представить следующим образом:

$$I_1=I_{С.НАЧ}{\left(1-\frac{U_{БЭ.2}+\frac{I_1{R}_3}{{\beta }_2}-{\alpha }_8{I}_8{R}_6}{U_{ОТС}}\right)}^2,\left(5\right)$$

где I_С.НАЧ - начальный ток стока полевого транзистора 1; U_ОТС - напряжение отсечки полевого транзистора 1; U_БЭ.2 - напряжение база - эмиттер транзистора 2; α₈ - коэффициент передачи тока эмиттера транзистора 8; I₈ - ток эмиттера транзистора 8; β₂ - коэффициент усиления тока базы транзистора 2; R₃, R₆ - сопротивления резисторов 3 и 6 соответственно.

Дальнейший анализ температурной стабильности проведем в предположении, что R₃=R₆ = 0. Учет влияния этих сопротивлений весьма усложняет анализ и позволяет получить решение либо числено либо в процессе моделирования, что будет сделано позднее. Тогда выражение (5) преобразуется к виду:

$$I_1=I_{С.НАЧ}{\left(1-\frac{U_{БЭ.2}}{U_{ОТС}}\right)}^2.\left(6\right)$$

Тогда дифференцирование (6) по температуре дает:

$$\frac{\partial I_1}{\partial T}=-\frac{2I_{С.НАЧ}}{U_{ОТС}}\left(1-\frac{U_{БЭ.2}}{U_{ОТС}}\right)\frac{\partial U_{БЭ.2}}{\partial T}.\left(7\right)$$

Положим

$$\frac{\partial I_1}{\partial T}=-\frac{2I_{С.НАЧ}}{U_{ОТС}}\left(1-\frac{U_{БЭ.2}}{U_{ОТС}}\right)=S,\left(8\right)$$

тогда выражение (7) можно представить в следующем виде:

$$\frac{\partial I_1}{\partial T}=-S\frac{\partial U_{БЭ.2}}{\partial T}.\left(9\right)$$

Подстановка (9) в (4) дает:

$$-S{R}_4\frac{\partial U_{БЭ.2}}{\partial T}+\frac{\partial U_{БЭ.5}}{\partial T}=0,\left(10\right)$$

откуда, с учетом того, что транзисторы 2 и 5 работают, практически при одинаковых плотностях токов эмиттеров и температурный дрейф их напряжений база-эмиттер одинаков, получаем условие равенства нулю температурного дрейфа выходного напряжения:

$$S{R}_4=1.\left(11\right)$$

Представим выражение (6) следующим образом:

$$I_1=\frac{2I_{С.НАЧ}{U}_{ОТС}}{2U_{ОТС}}\left(1-\frac{U_{БЭ.2}}{U_{ОТС}}\right)\left(1-\frac{U_{БЭ.2}}{U_{ОТС}}\right)=\frac{S{U}_{ОТС}}{2}\left(1-\frac{U_{БЭ.2}}{U_{ОТС}}\right).\left(12\right)$$

Подставляя (12) в (3) и полагая, что напряжения база - эмиттер транзисторов 2 и 5 равны, а также учитывая условие (11), получаем:

$$U_{ВЫХ}\approx \frac{S{U}_{ОТС}}{2}\left(1-\frac{U_{БЭ.5}}{U_{ОТС}}\right)R_4+U_{БЭ.5}=\frac{U_{ОТС}}{2}\left(1-\frac{U_{БЭ.2}}{U_{ОТС}}\right)+U_{БЭ.5}=\frac{U_{ОТС}-U_{БЭ}}{2}.\left(13\right)$$

Учет влияния сопротивлений резисторов 3 и 6 приводит к весьма существенному усложнению анализа и приводит к уравнениям, которые, как уже упоминалось, можно решить численно или в процессе моделирования. Качественные рассуждения о влиянии сопротивления резистора 3 приводят к следующему. Поскольку зависимость коэффициента усиления тока базы от температуры имеет вид [Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesingLab 8.0. - М.: СОЛОН-Р, 2003. С.301]:

$$\beta ={\beta }_0\sqrt{\frac{T^3}{T_{}^3}},\left(14\right)$$

где β₀ - значение коэффициента усиления тока базы при начальной (комнатной) температуре T₀.

Учет выражения (4) при определении температурного дрейфа тока стока полевого транзистора 1 приводит к появлению составляющих высших порядков, за счет чего удается скомпенсировать доминирующую составляющую температурного дрейфа выходного напряжения ИОН второго порядка и существенно повысить температурную стабильность выходного напряжения.

Все выше сказанное можно подтвердить результатами моделирования, приведенными на фиг.3. На фиг.4 и фиг.5 приведены схемы заявляемого ИОН и схемы прототипа, выполненные в среде PSpice. В качестве элементов использованы модели компонентов аналогового базового матричного кристалла, выпускаемого НПО «Интеграл» (г.Минск, Белоруссия) [Дворников, О.В. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями / О.В. Дворников, В.А. Чеховской // Chip News. - 1999. - №2. - С.21-23.].

На фиг.3 кривые V(OUT1) ИОН, выполненные по схеме заявляемого устройства, а кривые V(OUT) - схеме прототипа. Результаты моделирования показывают, что температурная стабильность и той и другой схемы примерно одинаковы, только на несколько милливольт отличаются по абсолютному значению. Абсолютное отклонение выходного напряжения в диапазоне температур не превышает 500 мкВ, а относительный температурный дрейф ± 16ppm/K.

Покажем, что заявляемый ИОН обладает низким выходным сопротивлением, что существенно повышает его нагрузочную способность по сравнению с ИОН, выполненным по схеме прототипа.

С учетом тока нагрузки 1_H можно записать следующее выражения:

$$\left(I_1-I_4\right)\left({\beta }_8+1\right)=I_4+I_{Н};\left(15\right)$$

$$I_1=I_{С.НАЧ}{\left(1-\frac{U_{БЭ.2}-{\alpha }_8{R}_6\left(I_4+I_{Н}\right)}{U_{ОТС}}\right)}^2;\left(16\right)$$

$$I_4=\frac{U_{ВЫХ}-U_{БЭ.5}}{R_4}.\left(17\right)$$

Дифференцируя выражения (15) -(17) по току нагрузки, получаем систему уравнений:

$$\{\begin{array}{c}\frac{\partial I_1}{\partial I_{Н}}=\frac{S{\alpha }_8{R}_6}{1+S{r}_{Э.2}}\left(\frac{\partial I_4}{\partial I_{Н}}+1\right)\\ \frac{\partial I_1}{\partial I_{Н}}=\frac{\partial I_4}{\partial I_{Н}}\frac{{\beta }_8+2}{{\beta }_8+1}+\frac{1}{{\beta }_8+1},\\ \frac{\partial I_4}{\partial I_{Н}}=\frac{\partial U_{ВЫХ}}{\partial I_{Н}}+\frac{1}{R_4+r_{Э.5}}\end{array}\left(18\right)$$

где r_Э.2, r_Э.5 - дифференциальное сопротивление эмиттеров транзисторов 2 и 5.

Разрешая систему уравнений (18) относительно ∂U_ВЫХ/∂I_Н, получаем выражение для выходного сопротивления:

$$r_{ВЫХ}=\frac{\partial U_{ВЫХ}}{\partial I_{Н}}=-\left[\frac{\left({\beta }_8+1\right)S{\alpha }_8{R}_6}{1+S{r}_{Э.2}-S{\alpha }_8{R}_6}-1\right]\frac{R_4+r_{Э.5}}{{\beta }_8+2}.\left(19\right)$$

При выполнении вполне очевидного условия:

$$\frac{{\beta }_{8}S{R}_6}{1+S{r}_{Э.2}-S{\alpha }_8{R}_6}=1\left(20\right)$$

выходное сопротивление заявляемого ИОН стремится к нулю.

Естественно предположить, что по причине режимной зависимости параметров, входящих в условие (20), оно может выполняться в некоторой точке, что и подтверждается результатами моделирования, приведенными на фиг.6. На фиг.7 приведены результаты сопоставительного моделирования заявляемого ИОН и схемы прототипа.

Из графиков, приведенных на фиг.6, видно, что в выходном сопротивлении присутствует участок с отрицательным выходным сопротивлением, что может привести к потере устойчивости заявляемого ИОН при скачкообразном изменении тока нагрузки. Однако включение конденсатора С1 емкостью до 10 пФ обеспечивает устойчивость заявляемого ИОН при емкости нагрузки вплоть до 100 нФ при любых уровнях коммутации тока нагрузки - как на участке с положительным, так и на участке с отрицательным выходным сопротивлением, что подтверждается результатами моделирования, приведенными на фиг.8.

Таким образом, результаты проведенного анализа и компьютерного моделирования показывают, что задача предлагаемого изобретения - повышение стабильности выходного напряжения при изменении тока нагрузки при сохранении высокой температурной стабильности решена.

Устройство относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей и других устройств автоматики. Техническим результатом является повышение стабильности выходного напряжения при изменении тока нагрузки при сохранении высокой температурной стабильности. Устройство содержит полевой транзистор с управляющим p-n переходом, первый транзистор, эмиттером подключенный к истоку полевого транзистора, коллектором - шине питания, первый резистор, включенный между базой первого транзистора и шиной питания, второй резистор, включенный между выходом устройства и точкой соединения базы и коллектора второго транзистора, эмиттер которого подключен к общей шине, третий резистор, третий и четвертый транзисторы, причем третий резистор включен между затвором полевого транзистора и шиной питания, база третьего транзистора соединена с базой второго транзистора, коллектор третьего транзистора подключен к точке соединения стока полевого транзистора и базы четвертого транзистора, эмиттер третьего транзистора подключен к общей шине, коллектор четвертого транзистора соединен с затвором полевого транзистора, а эмиттер четвертого транзистора подключен к выходу устройства. 8 ил.

Источник опорного напряжения, содержащий полевой транзистор с управляющим p-n переходом, первый транзистор, эмиттером подключенный к истоку полевого транзистора, коллектором - шине питания, первый резистор, включенный между базой первого транзистора и шиной питания, второй резистор, включенный между выходом устройства и точкой соединения базы и коллектора второго транзистора, эмиттер которого подключен к общей шине, отличающийся тем, что в устройство введены третий резистор, третий и четвертый транзисторы, причем третий резистор включен между затвором полевого транзистора и шиной питания, база третьего транзистора соединена с базой второго транзистора, коллектор третьего транзистора подключен к точке соединения стока полевого транзистора и базы четвертого транзистора, эмиттер третьего транзистора подключен к общей шине, коллектор четвертого транзистора соединен с затвором полевого транзистора, а эмиттер четвертого транзистора подключен к выходу устройства.