Низковольтный опорный элемент Советский патент 1992 года по МПК G05F3/20 

Изобретение относится к прецизионным термостабильным низковольтным опорным элементам и может быть использовано, например, в преобразователях давления в токовый сигнал 4-20 ,мА, цифровых вольтметрах и т.д.

Известен низковольтный опорный элемент, содержащий первый-четвертый транзисторы, база каждого последующего транзистора соединена с коллектором предыдущего, а база первого транзистора соединена с коллектором этого транзистора, два вывода, первый из которых соединен через первый-третий резисторы с коллектором соответствующих транзисторов и непосредственно с коллектором четвертого транзистора, второй вывод соединен через

четвертый резистор с эмиттером первого транзистора и непосредственно с эмиттерами второго-четвертого транзисторов конденсатор, включенный между коллектором и базой второго транзистора.

Это известное устройство имеет два недостатка: малую точность из-за большого базового тока второго транзистора, работающего при большем коллекторном токе по сравнению с первым транзистором, а также из-за малого коэффициента усиления усилителя рассогласования, ЧТ Й ВЫЗР ЭНО малым количеством транзисторов, большое динамическое сопротивление, особенно на высоких частотах из-за мал ого количества транзисторов усилителя рассогласования а также из-за включения конденсатора, сниvj О 00 О Јь

жающего полосу пропускания усилителя рассогласования.

Известен и низковольтный опорный элемент, содержащий два транзистора, три резистора и операционный усилитель. Это устройство имеет два недостатка: сложность и малую надежность из-за наличия опе- рационного усилителя; большое динамическое сопротивление на высоких частотах из-за малой полосы пропускания операционного усилителя.

Наиболее близким к изобретению является низковольтный опорный элемент, содержащий пять транзисторов одного типа проводимости, шесть резисторов, конденсатор и два вывода, причем первый вывод соединен с базой первого транзистора через первый резистор, с коллектором второго и базой третьего транзисторов - через второй резистор, с коллектором третьего и базой четвертого транзисторов - через третий резистор, с коллектором четвертого и базой пятого транзисторов - через четвертый резистор, с коллектором пятого транзистора непосредственно, а второй вывод соединен с эмиттерами перв ого и третьего транзисторов непосредственно.

Первым недостатком известного низковольтного опорного элемента является сложность и пониженная надежность из-за наличия седьмого резистора. Вторым недостатком этого устройства является большое динамическое сопротивление особенно на высоких частотах из-за снижения коэффициента усиления усилителя рассогласования, вызванного включением резистора в эмиттерную цепь второго транзистора, а на высоких частотах также из-за включения конденсатора между коллектором и базой четвертого транзистора.

Цель изобретения - повышение надежности и снижение динамического сопротивления на высоких частотах.

Поставленная цель достигается тем, что коллектор первого транзистора соединен через пятый резистор с базой этого же транзистора и с базой второго транзистора непосредственно; эмиттеры второго и пятого транзисторов соединены с вторым выводом непосредственно,эмиттер четвертого транзистора соединен с вторым выводом через шестой резистор, а с первым выводом - через конденсатор.

Изобретение иллюстрируется примером электрической принципиальной схемы по чертежу.

Низковольтный опорный элемент содержит первый-пятый транзисторы 1-5, первый-шестой резисторы 6-11, конденсатор 12, первый 13, второй 14 выводы. Балластный резистор 15 и источник напряжения постоянного тока 16 непосредственно в элемент не входят и являются элементами внешнего обрамления (интерфейса). База

каждого последующего транзистора соединена с коллектором предыдущего, база первого транзистора Ч присоединена к общей точке первого 6 и пятого 10 резисторов. Последовательная RC-цепь из шестого рези0 стора 11 и конденсатора 12 включена между вторым 14 и первым 13 выводами, эмиттер транзистора 4 соединен с отводом RC-цепи, эмиттеры транзисторов 1-3, 5 соединены непосредственное вторым выводом 14, пер5 вый вывод 13 соединен через второй-чет- вертый резисторы 7-9 коллекторами соответствующих транзисторов 2-4 и непосредственно с коллектором пятого транзистора 5. База первого транзистора 1

0 соединена через первый резистор 6 с первым выводом 13 и через пятый резистор 10 с коллектором этого же транзистора. Датчик низковольтного опорного элемента выполнен на транзисторах 1,2,резисторах 6,7,10

5 усилитель сигнала рассогласования выполнен на транзисторах 3-5, резисторах 8, 9 11, конденсаторе 12.

При дальнейшем рассмотрении токами баз транзисторов будем пренебрегать.

0 Устройство работает следующим образом.

Устройство работает в линейном режиме, т.е. все транзисторы проводят ток, при этом все устройство охвачено отрицатель5 ной обратной связью. Транзистор 1 работает в так называемом послеграничном режиме, т.е. при потенциале базы выше потенциала коллектора на величину падения напряжения на резисторе 10. Коллекторный

0 ток транзистора 1 выбран больше тока транзистора 2, например, в 10 раз, что осуществляется выбором сопротивления резистора 7 R7 в 10 раз большей величины (для данного примера), чем сумма сопротивлений ре5 зисторов 6, 10, т.е. 10 (R6 + R10) R7 Сопротивления резисторов 7, 8 целесообразно выбирать равными. Этим обеспечивается равенство коллекторных токов транзисторов 2, 3 и равенство их база-эмит0 терных напряжений. Это позволяет сигнал рассогласования между коллекторами тран- зистров 1, 2 удерживать на нулевом уровне Предположим, что напряжение между первым и вторым выводами повысилось сверх

5 номинального (необходимого) значения. Это приводит к большему отпиранию транзисторов 1, 3, 5, коллекторный ток транзистора 5 увеличивается, что приводит к уменьшению стабилизируемого напряжения до номинального. Аналогично устройство работает и при понижении стабилизируемого напряжения между выводами 13, 14. Сопротивление резистора 11 мало, и оно практически не уменьшает коэффициент усиления усилителя рассогласования, что способствует повышению точности работы устройства и снижению динамического сопротивления. При появлении высокочастотных наводок,на выводе 13 относительно вывода 14 эти наводки шунтируются последовательной RC-цепью из резистора 11 и конденсатора 12. Выделяемая на резисторе 11 часть этой помехи усиливается транзисторами 4, 5 и воздействует на первый вывод 13 в виде отрицательной обратной связи по переменной соответствующей помехи (наводки). Таким образом, в устройстве применено как пассивное, так и активное подавление высокочастотных помех и наводок. Это приводит к уменьшению динамического сопротивления на высоких частотах. Что же касается принципа термостабилизации напряжения, то он заключается в следующем. Стабилизируемое напряжение является суммой двух составляющих напряжений: падения напряжения на эмиттерно- базовом переходе транзистора 2, имеющего отрицательный температурный коэффициент и падение напряжения на последовательно соединенных резисторах, имеющего положительный температурный коэффициент.

Устройство проектируется так, чтобы упомянутые коэффициенты разного знака были равны по модулю. Математически это равенство можно записать следующим образом:

Ео -иэб

-1-0 Л :Л Г R 6 -|- 1

+ q

где Т - абсолютная температура;

К - постоянная Больцмана;

q - заряд электрона;

Е0- ширина запрещенной зоны материала полупроводника при абсолютном нуле, равное 1205 тВ;

иэб - падение напряжения на эмиттер- но-базовом переходе транзистора 2.

Преобразуя выражение (1), можно получить

+ Т (

R6

R7

-Ео+2

10

15

20

25

30

35

40

45

50

R 10 + 1 ) R 6 + R 10 Т(2)

Подставляя в выражение (2) численные константы при Т Тн, можно получить

,5 тВ

Практические эксперименты с низковольтным опорным элементом в части термостабильности показывают, что оптимальным значением напряжения стабилизации является величина 1248 тВ.

Предложенное устройство имеет на один резистор меньше по сравнению с прототипом, и поэтому оно обладает большей надежностью. Оно имеет как пассивную, так и активную фильтрацию высокочастотных помех, широкую полосу пропускания усилителя рассогласования, в связи с чем оно имеет малое динамическое сопротивление и на высоких частотах.

Экспериментальная проверка низковольтного опорного элемента показала практическое соответствие теоретических и экспериментальных данных.

Формула изобретения

Низковольтный опорный элемент, содержащий пять транзисторов одного типа проводимости, шесть резисторов, конденсатор и два вывода, причем первый вывод соединен с базой первого транзистора через первый резистор, с коллектором второго и базой третьего транзисторов через второй резистор, с коллектором третьего и базой четвертого транзисторов через третий резистор, с коллектором четвертого и базой пятого транзисторов через четвертый резистор, с коллектором пятого транзистора непосредственно, а второй вывод соединен с эмиттерами первого и третьего транзисторов непосредственно, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и снижения динамического сопротивления на высоких частотах, коллектор первого транзистора соединен с базой этого же транзистора через пятый резистор а с базой второго транзистора непосредственно, эмиттеры второго и пятого транзисторов соединены с вторым выводом непосредственно, эмиттер четвертого транзистора соединен с вторым выводом через шестой резистор, а с первым выводом через конденсатор.

Использование: во вторичных источниках электропитания радиоэлектронной аппаратуры, где требуются повышенная надежность и низкое динамическое сопротивление на высоких частотах. Сущность изобретения: устройство содержит пять транзисторов, шесть резисторов, конденсатор. Эмиттеры транзисторов, кроме четвертого, соединены с вторым выводом устройства. Коллекторы транзисторов, кроме пятого, соединены с первым выводом устройства через соответствующие резисторы. Коллектор пятого транзистора соединен с первым выводом непосредственно База последующего транзистора соединена с коллектором предыдущего транзистора База первого транзистора соединена с коллектором своего транзистора через пятый резистор Соединение эмиттера четвертого транзистора с вторым выводом через шестой резистор, а с первым выводом через конденсатор позволяет упростить схему и уменьшить выходное динамическое сопротивление на высоких частотах. 1 ил сл С