Источник опорного напряжения Советский патент 1993 года по МПК G05F1/56 

77 78 +f 0--I--} °

СО

С

Изобретение относится к низковольтным стабилизаторам постоянного тока, к так называемым эмиттерно-базовым стабилизаторам напряжения, и может быть использовано в низковольтных измерительных приборах, например во вторичных измерительных преобразователях температуры, давления в унифицированный токовый сигнал 4.,.20 мА.

Целью изобретения является повышение точности и термостабильности опорного напряжения (выбираемого из дискретного ряда).

На чертеже изображена схема предложенного устройства в качестве примера конкретного выполнения.

Устройство содержит первый-пятый 1- 5 транзисторы соответственно, первый- седьмой 6-12 резисторы соответственно, конденсатор 13, транзисторные диоды 14 и 15, первый 16 и второй 17 выходные выводы, балластный резистор 18, являющийся внешним. Транзистор 2 и резистор 8 входят как в измерительный элемент, содержащий кроме того транзистор 1 и резисторы 6 и 7, так и в усилитель напряжения рассогласования, включающий кроме того транзисторы 3-5, резисторы 9-11 и конденсатор 13. Резистор 11 и конденсатор 13 обеспечивают устойчивую (без генерации) работу усилителя, низкое динамическое сопротивление на высоких частотах. Последовательная цепь из резистора 12, транзисторных диодов 14 и 15, в которой порядок расположения элементов может быть любым, служит для увеличения напряжения стабилизации до любого из значений ряда 2,496; 3,744; 4,992... п -1,248 В при сохранении термостабильности выходного напряжения. В дальнейшем описании сопротивление конкретного резистора будем обозначать буквой R с индексом, соответствующим чертежу. Например R6 для резистора 6. Коллекторный ток транзистора 1 обозначим через 11, транзистора 2 - через 12, транзистора 3 - через 13 и т.д. Напряжение в общей точке резисторов 7-9 обозначим U789.

Устройство работает следующим образом.

В начале рассмотрим получение термостабильного напряжения U789 1,248 В в общей точке резисторов 7-9. Это напряжение складывается из падения напряжения на базоэмиттерном переходе транзистора 2, имеющего отрицательный ТКН (температурный коэффициент напряжения) и падения напряжения U67 на последовательно соединенных резисторах 6 и 7. Для термостабильности напряжения U789 в общей точке резисторов 7,8 и 9 необходимо, чтобы

напряжение U67 имело положительный ТКН и определенные абсолютные температурные приращения, что достигается выбором сопротивлений R6, R7 резисторов 6 и 7. Положительный ТКН напряжения U67 достигается тем, что режим измерительного элемента выбран таким, что 11 I2. Конкретно в частном случае было принято И 1012, что обеспечено выбором сопротивлений резисторов согласно соотношению R8 10(R6 + R7), а кроме того согласно соотношению R8 R9. В этом практическом варианте устройства было также принято следующее равенство R7 10R6. Более точ5 ное соотношение между резисторами выведено ниже. Устройство работает таким образом, что разность падений напряжения между коллекторами транзисторов 1 и 2 поддерживается практически близкой нулю.

0 Примем вначале коэффициенты усиления токов баз транзисторов достаточно высокими, что позволяет пренебречь влиянием базовых токов. В дальнейшем откорректируем расчет с учетом базовых токов транзисто5 ров. На резисторе 6 выделяется разность падений напряжения на базоэмиттерных переходах транзисторов 1 и 2, имеющая положительный ТКН. ТКН напряжения U67 также будет положительным, так как справедливо соотношение U67 -в-й- U6.

к о

Токи 11,12,13 коллекторов транзисторов 1-3 практически прямо пропорциональны абсолютной температуре, что также можно 5 сказать и о суммарном токе 1123, протекающем через последовательную цепь из транзисторных диодов 15 и 14 и резистора 12.

Минимум ТКН напряжения U789 будет выражен соотношением

0 cR7 + ivin.R8 иЬо-ивБ(Гв) ЧТБ + 1) |ПК/ + К6 ---k-r

qTR -(4,29-d) 0, (1)

5 где cl - параметр материала полупроводника, принимающий значения 1,5...2,7, в нашем случае для ИМСКР198НТ1Б равен 1,8; к- постоянная Больцмана; q - заряд электрона;

0 TR - опорная температура, например ЗООК;

UBE(TR) - падение напряжения на базоэмиттерном переходе транзистора 2 при опорной температуре;

5 UGO - энергетическая ширина запрещенной зоны кремния при абсолютном нуле, равная 1,170 В;

R6, R7, R8 - сопротивление соответствующих резисторов.

Из выражения (I) с учетом значений паТк ЗОСГК;

раметров - 0,0862

d 1.8; UGO 1.170 В; UBE(TR) 580 мВ;

R7 отношения сопротивлений резисторов кг-

10 и численного значения сопротивления R6 196 Ом можно определить сопротивление резистора R8. Численно практически получим: R8 10(R6 -I- R7) 21.5 кОм, что соответствует приведенным выше данным,

Из выражения (1) можно также определить

U789 |-TR(S+1)R6

In

R8

R7+R6 (2)

+ UBE(TR) UGO + (4,29 - d) TR.

С учетом численных значений получим U789 1,234 В. Учет базовых токов транзисторов (расчет мы опускаем из-за громоздкости) приводит к уточнению результата до U789 1,248 В.

Далее рассчитаем напряжение стабилизации устройства в целом. Суммарный ток 1123 коллекторов транзисторов 1-3, как было отмечено выше, прямо пропорционален абсолютной температуре, что вызывает и такую же зависимость падения напряжения U12 на резисторе 12. Напротив, падения напряжений на базоэмиттерных переходах транзисторных диодов 14.и 15 имеют отрицательный ТКН. Нулевой общий ТКН устройства достигается практическим подбором или расчетом сопротивления R12 резистора 12. В общем виде расчет сопротивления резистора 12 приводить не будем ввиду громоздкости вывода.

Для рассматриваемого же конкретного практического варианта это сопротивление определяется формулой

R12 0,07522 R8 (п-1),(3) где (п-1) - количество включенных транзисторных диодов;

При п 2 численно получим R12 1,62 к.

Можно показать, что выходное напряжение устройства будет равно

UCT n -U789,(4) где U789 - напряжение, определяемое формулой (2), равное в практическом рассматриваемом случае с учетом базовых токов транзисторов 1,248 В. а без учета- 1,234 В. Эта величина слабо зависит от параметра d материала примененных транзисторов, для примененной ИМС КР198НТ1Б практически определенное значение параметра d равно 1,8.

Таким образом, включением определенного количества транзисторных диодов

5 и расчетом сопротивления резистора 12 по формуле (3) (или экспериментальным подбором) можно получить следующий ряд напряжений стабилизации: 1,248; 2.496; 3,744; 4,992; 6,240 ... 1,248-п В.

0 Транзисторы 1-4; 14; 15 должны быть изготовлены в единой ИМС, например типа КР198НТ1Б. Транзистор 5 может быть принят и дискретным, ввиду его малого влияния на точность.

5 Практическое испытание устройства, выполненного на ИМС КР198НТ1Б и резисторах С2-14 показали, что в устройстве, например, при работе в диапазоне температур от 20 до 100°С можно достигнуть ТКН

0 5 . °С . Это подтверждает достижение цели изобретения,

Технико-экономическая эффективность применения предложенного устройства состоит в упрощении устройства по сравне5 нию с более сложными устройствами той же точности.

Формула изобретения Источник опорного напряжения, содер0 жащий пять транзисторов, база последующего транзистора соединена с коллектором предыдущего, эмиттеры первого, второго, третьего и пятого транзисторов соединены с первым выходным выводом, база первого

5 транзистора соединена с первыми выводами первого и второго резисторов, базы третьего, четвертого и пятого транзисторов соединены с первыми выводами соответственно третьего, четвертого и пятого рези0 сторов, второй вывод первого резистора соединен с коллектором первого транзистора, вторые выводы второго, третьего,.и четвертого резисторов соединены друг с другом, второй вывод пятого резистора сое5 динен с коллектором пятого транзистора и с вторым выходным выводом, эмиттер четвертого транзистора соединен через шестой резистор с первым выходным выводом и через конденсатор - с вторым выходным

0 выводом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и термостабильности опорных напряжений, второй вывод второго резистора соединен через введенную цепь последовательно согласно соеди5 ценных транзисторных диодов и седьмой резистор с вторым выходным выводом.

Область использования: в низковольтных измерительных приборах. Сущность изобретения: устр-во содержит пять транзисторов 1-5, шесть резисторов 6-11, причем база последующего транзистора соединена с коллектором предыдущего, эмиттеры транзисторов 1,2,3 и 5 соединены с первым выходным выводом. В устр-во введена цепь последовательно согласно соединенных транзисторных диодов 14 и 15 и резистор 12, которая включена между вторым выходным выводом и одним из выводов резистора 7. Такое построение схемы повышает точность и термостабильность опорных напряжений. 1 ил.