ТЕМПЕРАТУРНО СТАБИЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ СТАБИЛИТРОНА Российский патент 2014 года по МПК G05F3/16 G06F3/02 

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

Известен источники опорного напряжения (ИОН), обладающий высокой температурной стабильностью [Marinca S. Temperature reference circuit. US patent 7372244, May 13, 2008], условие его настройки реализуется путем подбора одного резистора, однако он достаточно сложен.

Известен также ИОН, в котором высокая температурная стабильность достигается компенсацией положительного температурного дрейфа стабилитрона отрицательным температурным дрейфом напряжения база-эмиттер транзистора [Соклофф С. Аналоговые интегральные схемы; Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. С.202, рис.3.32], однако он допускает работу только при выходном напряжении в 2 - 3 раза меньше напряжения стабилизации стабилитрона и обладает относительно высоким выходным сопротивлением.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ИОН, представленный в [Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. - М.: Мир, 1982. С.257, рис.16.5].

Схема прототипа, представленная на фиг.1, содержит источник тока, включенный между шиной питания и базой транзистора, коллектор которого подключен к шине питания, а его эмиттер - к выходу устройства, стабилитрон, катодом подключенный к базе транзистора, а анодом - обшей шине. Недостатком прототипа является его низкая температурная стабильность.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение температурной стабильности выходного напряжения.

Для решения поставленной задачи в схему прототипа, содержащую источник тока, включенный между шиной питания и базой первого транзистора, коллектор которого соединен с шиной питания, его эмиттер подключен к выходу устройства, введены второй и третий транзисторы, причем эмиттеры второго и третьего транзисторов подключены к общей шине, база второго транзистора объединена с коллектором второго транзистора и базой третьего транзистора и подключена к аноду стабилитрона, а коллектор третьего транзистора подключен к выходу устройства.

Заявляемым ИОН (фиг.2) содержит источник тока 1, включенный между шиной питания и базой первого транзистора 2, коллектор первого транзистора 2 соединен с шиной питания, а его эмиттер подключен к выходу устройства, стабилитрон 3, катодом подключенный к базе первого транзистора 2, анодом - к точке соединения базы и коллектора второго транзистора 4 и базы третьего транзистора 5, эмиттеры второго транзистора 4 и третьего транзистора 5 подключены к общей шине, а коллектор третьего транзистора 5 соединен с выходом устройства.

Работу заявляемого устройства можно пояснить следующим образом.

Выходное напряжение заявляемого ИОН определяется следующим образом:

$$U_{ВЫХ}=U_{СТ}+U_{БЭ4}-U_{БЭ2},\left(1\right)$$

где U_СТ - напряжение стабилизации стабилитрона; U_БЭ4 - напряжение база-эмиттер второго транзистора 4; U_БЭ2 - напряжение база - эмиттер третьего транзистора 5.

Разность напряжений база - эмиттер можно представить следующим образом:

$$\Delta U_{БЭ}=U_{БЭ2}-U_{БЭ4}={\varphi }_{Т}\ln \frac{I_2{I}_{S4}}{I_{S2}{I}_4}={\varphi }_{Т}\ln \frac{K}{N},\left(2\right)$$

где φ_Т - температурный потенциал; I₂ - ток эмиттера первого транзистора 2; I₄ - ток коллектора второго транзистора 4; I_S4 - ток насыщения обратно смещенного p-n перехода база - эмиттер второго транзистора 4; I_S2 - ток насыщения обратно смещенного p-n перехода база - эмиттер первого транзистора 2; K=I₂/I₄ - коэффициент передачи повторителя тока на втором транзисторе 4 и третьем транзисторе 5; N=I_S2/I_S4 - отношение площадей эмиттеров первого транзистора 2 и второго транзистора 4.

Подставляя выражение (2) в (1) получаем:

$$U_{ВЫХ}=U_{СТ}-{\varphi }_{Т}\ln \frac{K}{N}.\left(3\right)$$

Таким образом, если продифференцировать выражение для выходного напряжения по температуре и приравнять производную нулю, можно получить условие температурной стабильности:

$$\frac{d{U}_{СТ}}{dT}=\frac{d\left({\varphi }_{Т}\ln \frac{K}{N}\right)}{dT}.\left(4\right)$$

Поскольку температурный дрейф интегрального стабилитрона, выполненного на обратно смещенном переходе база - эмиттер интегрального транзистора, имеет положительный температурный дрейф, и, в свою очередь, разность напряжений база - эмиттер транзисторов также имеет положительный температурный дрейф, то при соответствующем выборе параметров К и N температурный дрейф выходного напряжения можно сделать равным нулю.

Для схемы прототипа (фиг.1) для выходного напряжения можно записать:

$$U_{ВЫХ}=U_{СТ}-U_{БЭ}.\left(5\right)$$

Поскольку температурный дрейф напряжения база - эмиттер транзистора имеет отрицательный температурный дрейф, результирующий температурный дрейф выходного напряжения будет равен сумме температурного дрейфа стабилитрона и температурного дрейфа напряжения база - эмиттер.

Сопоставительное моделирование проведено для схем прототипа и заявляемого ИОН по схемам, представленным на фиг.3 в среде PSpice. В качестве компонентов использованы модели 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, а результаты моделирования ИОН, выполненного по схеме прототипа - на фиг.5.

Температурный дрейф выходного напряжения в схеме заявляемого ИОН составляет ±0,2 ppm/K, а в схеме ИОН прототипа - более 400 ppm/K, то есть выигрыш в температурной стабильности превышает 2000.

Таким образом, проведенный анализ и результаты сопоставительного моделирования показывают, что задача предполагаемого изобретения - повышение температурной стабильности выходного напряжения ИОН - решена.

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей и других элементов автоматики. Техническим результатом является повышение температурной стабильности выходного напряжения. Источник опорного напряжения содержит источник тока, включенный между шиной питания и базой первого транзистора, коллектор которого подключен к шине питания, а эмиттер - к выходу устройства, стабилитрон, катодом подключенный к базе первого транзистора, второй и третий транзисторы, причем эмиттеры второго и третьего транзисторов подключены к общей шине, база второго транзистора объединена с коллектором второго транзистора и базой третьего транзистора и подключена к аноду стабилитрона, а коллектор третьего транзистора подключен к выходу устройства. 5 ил.

Источник опорного напряжения, содержащий источник тока, включенный между шиной питания и базой первого транзистора, коллектор которого подключен к шине питания, а эмиттер - к выходу устройства, стабилитрон, катодом подключенный к базе первого транзистора, отличающийся тем, что в устройство введен второй и третий транзисторы, причем эмиттеры второго и третьего транзисторов подключены к общей шине, база второго транзистора объединена с коллектором второго транзистора и базой третьего транзистора и подключена к аноду стабилитрона, а коллектор третьего транзистора подключен к выходу устройства.