Источник опорного напряжения Советский патент 1984 года по МПК G05F1/56 

11084 Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в различных устройствах автоматики, измерительной и вычислительной техники. Известны источники опорного напряжения (ион), равного ширине запрещенной зоны полупроводникового материала, в частности кремния 11. Источники наиболее широко исполь- 10 более зуются при конструировании интеграпь Hbjx микросхем (ИМС) различного функционального назначения, таких, напри мер, как стабилизаторы напряжения, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи (ЦАП и АЦП), посколь ку строятся на базе основных элементов полупроводниковых ИМС: кремниевых биполярных транзисторах и резисторах. Принцип построения таких ИОН заключается в компенсации отрицательного температурного коэффициен та (ТК) напряжения на прямосмещенном кремниевом р-п -переходе с помощью напряжения, пропорционального абсолютной температуре (ПАТ). Для получения напряжения ПАТ используется, как правило, прямопропорциональная зависимость от абсолютной температуры разности напряжений двух кремниевых прямосмещенных р-п-пере ходов, работающих при различных плот ностях тока. Нулевой температурньш коэффициент (ТК) таких ИОН достигается, в общем случае, при опорном напряжении, равном ширине запрещенной зоны кремния при абсолютном нуле - VAP (« 1,205В). Однако известные ИОН обладают низ кой температурной стабильностью. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ис точник опорного напряжения, содер- . жащий операционный усилитель (ОУ), три резистора и два транзистора, причем первые выводы первого и второго резисторов соединены с выходом операционного усилителя, второй вывод первого резистора соединен с первым выводом третьего резистора и с базой первого транзистора, второй вывод третьего резистора соединен с коллектором первого и базой второго транзисторов, коллектор второго транзисто ра соединен с вторым выводом второго резистора, эмиттеры первого и второго транзисторов подключены к общей шине, неинвертирующий вход операцион55 ного усилителя подключен к базе первого транзистора,а инвертирующий его вход подключен к коллектору второго транзистора, выход «чперационного усилителя является выходом устройства С2. Благодаря введению дополнительной связи с коллектора первого транзистора на базу второго такой ИОН имеет высокую стабильность, однако недостаточную для применения, например, в высокоразрядных (свьше 12 раз рядов) ЦАП и АЦП. Недостаток известного ИОН - относительно низкая температурная стабильность. Объясняется это тем, что зависимость выходного напряжения ИОН такого типа UqQ от абсолютной температуре Т описывается выражением иоаЧзо-фС%(и)-(и)} где (р. термодинамический потенциал при температуре коэффициент, зависящий от степени легирования кремния и равный приблизительно 2,5 для кремниевых интегральных транзисторов, Выражение (1) показывает, что ыходное напряжение ИОН и темпераура связаны параболической завиимостью, что подтверждается экспеиментом. Коэффициент передачи по току (В) ранзистора, включенного по схеме с бщим эмиттером, имеет положительый ТК, что является второй причиой, не учтенной при выводе выраения (1), приводящей к параболиеской зависимости от температуры коменсирующего напряжения ПАТ. Влияние того фактора можно учесть в первом риближении, добавив еще один член выражение (1), т.е. (ri)-f(ri)(f)-ASj fe) де- А - коэффициент, зависящий от значения В и его температурного коэффициента. Параболическая зивисимость выходого напряжения ИОН, описываемая

выражением (1), носит принципиальный характер и не устраняется подстройкой, подбором элементов и т.п. методами. 1Три подстройке удается только менять положение вершины параболы на оси температур.

Влияние второго фактора можно в значительной степени устранить, используя транзисторы с очень высоким исходным значением В 1000,

Однако изготовление таких транзисторов требует особой технологии, а применение затруднено низкими пробив ными напряжениями, что приводит к удорожанию ИОН, выполненных, например, по технологии ИМС.

Цель изобретения - повышение температурной стабильности выходного напряжения источника опорного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в источник опорного напряжения, содержащий операционный усилитель,, три резистора и два транзистора, причем первые выводы первого и второго резисторов соединены, второй вывод первого резистора соединен с первым выводом третьего резистора и с базой первого транзистора, второй вывод третьего резистора соединен с коллектором первого и базой второго транзисторов, коллектор второго транзистора соединен с вторым выводом второго резистора, эмиттеры первого и второго транзисторов подключены к общей шине, неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к базе первого транзистора, а инвертирующий его вход подключен к коллектору второго транзистора, выход операционного усилителя, является выходом источника, введены блок преобразования и генератор тока, при этом первьй вход блока преобразования соединен с базой первого транзистора, второй вход блока преобразования подключен к точке соединения первых вьтодов первого и второго резисторов, управляющий вход блока преобразования подключен к выходу генератора тока, а управляющий вход генератора тока и выход блока преобразований подключены к выходу источника.

На чертеже представлена схема источника опорного напряжения.

Источник содержит операционный усилитель 1, первый 2 второй 3 и третий 4 резисторы, первый 5 и второй 6 транзисторы, блок преобразования 7 и генератор тока 8.

Первые выводы первого 2 и второго

3 резисторов соединены с вторым входом 9 блока преобразования 7, второй вывод первого резистора 2 соединен с первым выводом третьего резистора 4, с базой первого транзистора 5,

с неинвертирующим входом ОУ 1и с первым входом 10 блока преобразования 7, второй вывод третьего резистора

4соединен с коллектором первого

5и с базой второго 6 транзисторов,

второй вывод второго резистора 3 соединен с коллектором второго транзистора бис инвертирующим входом ОУ 1, эмиттеры первого 5 и второго 6 тран- зисторов соединены с общей шиной 11,

управляющий вход 12 блока преобразования 7 подключен к выходу генерато-. ра тока 8, управляющий вход генератора тока 8, выход 13 блока преобра;зования 7 и выход ОУ 1 подключены к

выходу. 14 устройства.

Блок преобразования 7 содержит невертирующий усилитель постоянного тока 15, третий 16 и четвертый 17 транзисторы и четвертый резистор 18.

причем вход усилителя постоянного тока 15 соединен с первым входом 10 блока преобразования 7, выход усилителя постоянного тока 15 соединен с базой третьего транзистора 16, коллектор которого подключен к клемме питания 19, а эмиттер соединен с базой четвертого транзистора 17 и с управляющим входом 12 блока преоб- . разования 7., эмиттер четвертого транзистора 17 подключен к общей шине 11 а коллектор соединен с первым выводом четвертого резистора 18 и с вторым входом 9 блока преобразования 7, второй вывод четвертого резистора 18 соединен с выходом 13 блока преобразования 7.

Устройство работает следующим образом.

Первый транзистор 5 работает при плотности тока J.| , большей чем плотность тока через второй 6 транзистор 0 т.е. . Разная плотность тока достигается в результате меньшего сопротивления резистора 2 по сравнению с резистором 3, или большей площади база-эмиттерного перехода транзистора 6 по сравнению с транзистором 5. При подаче питаSния на ОУ 1 (цепи питания ОУ ввиду их непринципиальности не показаны) он автоматически стремится к баланс (равенству напряжений на входах) за счет преобладающей отрицательной об ратной связи, введенной с помощью блока преобразования 7, резисторов 2 - 4 и транзисторов 5 и 6, причем условием баланса является равенство падения напряжения на резисторе 4Ugразности напряжений на переходах база эмиттер транзисторов 5 и 6 вследствие различной плотности токади5сг еи т.е. условие баланса можно записать в виде -%. (к- постоянная Больцмана); заряд электрона. Таким образом, для сохранения баланса ток через резистор 4 должен быть пропорционален абсолютной температуре. Если пренебречь входными токами ОУ 1 и блока преобразования 7, а также базовыми токами тран зисторов (при ), то ток через резистор 2 равен току через резистор 4, а следовательно, тоже пропорционален абсолютной температуре. Опорное напряжение, заданное выражением (2), формируется на втором входе 9 блока преобразования 7 как сумма напряжения на переходе база - эмиттер транзистора 5 и падения напряжения на резисторе 2, которое пропорционал но абсолютной температуре. Аналогично эмиттерный ток транзистора 5 также пропорционален абсолютной температуре и может быть представлен в виде 1 О J тде ФЭР - эмиттерный ток транзистора 5 при температуре . Напряжение на база-эмиттерном перехо де транзистора может быть представлено в виде U9cf 45.n, - ток насыщения, зависящий где fc в основном от площади бата-эмиттерного перехода. 15 Следовательно, на первом входе 10 блока преобразования формируется напряжение . На управляющий вход 12 блока преобразования 7 подается ток генератора тока jr . Блок преобразования 7 выполняет функцию, описываемую выражением .vci«xpfe- Y напряжение на втором входе 9 блока преобразования; -у - напряжение на п-рвом входе 10 блока преобразования 7, j С - коэффициент, зависящий от параметров блока преобр аз ов ания 7; - выходное напряжение блока преобразования. Учитывая выражения (2), (4) и (Ь), получают «выражение для выходного напряжения блока преобразования 7, которое и будет выходным напряжением предлагаемого ИОН u.aVft7--)- C;-i)(f)-А© 1®3,4: Коэффициент С выбирается таким чтобы последний член выражения ском- . пенсировал третий и четвертый члены, при этом выражение для выходного напряжения заявляемого ИОН приобретал ет вид UonV o fT.Cr .е., в отличие от вьфажения (2) для звестных ИОН, не содержит членов, зависящих от температуры. Блок преобразования 7 по приведеной схеме работает следующим образом. Неинвертирующий усилитель постояного тока 15 имеет коэффициент усилеия по напряжению равный двум, поэтоу при подаче на его вход напряжения 1J на его выходе, т.е. на базе ранзистора 16, напряжение равно 2п ак как эмиттерный ток транзистора 16 авен Рг ,то напряжение на его базамиттерном переходе Ugci равно U9(fTV, (полагают, что транзисторы 5, 16 и 17 идентичны, т.е. их токи насьпцени ;равныЗс5Тд5ЗаГ1б° ата° в ог общем случае, это условие не является обязательным). Тогда напряжение на базе транзистора 17 равно t ,-% и коллекторный ток транзистора 17 равен ,,,,--,.e.pyfL..,exef- :| 3.exp( Учитывая, что ток через резистор 18 есть сумма токов, протекающих через резисторы 2 и 3, и коллекторного тока транзистора 17, а напряже ние на выходе 13 блока преобразования 7 есть сумма напряжения на ег втором входе 9 У и падения напряжения на резисторе 18, получают выражение для выходного напряжения блока преобразования .7 в виде j Vx iiegl e ez cO. где 3g и Ja - токи через резисторы 2 и 3 соответственно; RAJ - сопротивление резистора 18. По сравнению с вьфажением (5) выражение (7) содержит третий дополнительный член, который Б предлагаемом устройстве компенсируется соответствующим уменьшением сопротивлеНИИ резисторов 2 и 3, т.е. фактически уменьшением значения X на величину, равную третьему члену выражения (7). Подстройка схемы может осуществляться как подстройкой резистора 18, так и регулировкой генератора тока 8. Использование опорного напряжения для задания тока, подаваемого на управляющий вход 12 блока преобразования 7 с помощью генератора тока 8, позволяет застабилизировать этот ток в диапазоне температур и питакицих напряжений.

1. ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯ- ЖЕНИЯ, содержащий операционный усилитель, три резистора и два транзистора, причем первые выводы первого и второго резисторов соединены, второй вывод первого резистора соединен с первым выводом третьего резистора и с базой первого транзистора, второй вывод третьего резистора соединен с коллектором первого и базой второго транзисторов, коллектор второго транзистора соединен с вторым выводом второго резистора, эмиттеры первого и второго Tpai зисторов подключены к общей шине, неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к базе первого транзистора, а инвертирующий его вход подключен к коллектору второго транзистора, выход операционного усилителя является выходом источника, отличающий с. я тем, что, с целью повышения температурной стабильности, в него введены блок преобразования и генератор тока, при этом первый вход блока преобразования соединен с базой первого транзистора, второй вход блока преобразования подключен к точке соединения первых выводов первого и второго резисторов, управляющий вход блока преобразования подключен к выходу генератора тока, а управляющий вход генератора тока и выход блока преобразования подключены к выходу источника. 2. .Источник по п. 1, отличающийся тем, что блок преобразования состоит из неинвертирующего усилителя постоянного тока с коэффициентом усиления по напряжению равным двум, вход которого является первым входом блока преобразования, двух транзисторов и резистора, причем база первого транзистора соединена с выходом указанного усилителя постоянного тока, коллектор первого транзистора подключен к клемме питания, а его эмиттер соединен с базой второго тран90 зистора и с управляющим входом блока преобразования, эмиттер второго тран зистора соединен с общей шиной, а сл его коллектор - с первым вьгоодом резистора и с вторым входом блока преобразования, второй вывод резистора является выходом блока преобразования.