Устройство для температурной компенсации

 

Изобретение относится к области измерения температур, в частности к устройствам, используемым для температурной компенсации характеристик полупроводниковых схем, преимущественно интегральных. Цель изобретения - повышение точности и расширение функциональных возможностей - достигается путем увеличения числа выходов с температурной характеристикой, соответствующей шкале Кельвина, и калиброванными значениями начального тока и введения дополнительного выхода с произвольно установленным температурным коэффициентом и калиброванным значением начального тока. Устройство содержит дифференциальную пару транзисторов 1 и 2, резисторы 3,5. В устройство дополнительно введены транзистор 6 резистор 7 и многоканальный усилитель. "Токовое зеркало" 8 с калиброванными значениями коэффициента передачи включает входной транзистор 9, выходные транзисторы 10, 11, повторитель 12 напряжения, масштабные резисторы 14 ... 17. Использование устройства позволяет осуществить температурную компенсацию характеристик интегральных схем, а при необходимости и температурную стабилизацию их режимов одновременно по нескольким каналам. 1 ил.

Изобретение относится к области измерения, в частности к устройствам, используемым для температурной компенсации характеристик полупроводниковых схем, преимущественно интегральных схем. Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей устройства за счет увеличения числа выходов с температурной характеристикой, соответствующей шкале Кельвина, и калиброванными значениями начального тока, и введения дополнительного выхода с произвольно устанавливаемым температурным коэффициентом и калиброванным значением начального тока. На чертеже представлена схема предлагаемого устройства. Устройство для температурной компенсации содержит дифференциальную пару транзисторов 1, 2 первого типа проводимости, эмиттеры которых через первый резистор 3 соединены с первой шиной 4 питания, а базы соединены между собой через второй резистор 5, дополнительный транзистор 6 того же типа проводимости, коллектор и база которого соединены с базой первого транзистора 1 дифференциальной пары, а эмиттер через дополнительный резистор 7 соединен с шиной 4, и многоканальный усилитель "токовое зеркало" 8 с калиброванными значениями коэффициента передачи, выполненный на транзисторах второго типа проводимости, и включающий входной транзистор 9, выходные транзисторы 10, 11 и повторитель 12 напряжения, база которого соединена с входом 13 "токового зеркала" 8, а эмиттер повторителя 12 - с базами входного 9 и выходных 10, 11 транзисторов "токового зеркала" 8, эмиттеры которых через масштабные резисторы 14, 15, 16, 17 соединены с второй шиной 18 питания, вход 13 соединен с коллектором транзистора 1 дифференциальной пары, а первый выход 19 - с базой транзистора 2 дифференциальной пары, причем нагрузка 20 тока одного знака включена между коллектором транзистора 2 и второй шиной 18, нагрузка 21 тока другого знака - между дополнительным выходом 22 "токового зеркала" 8 и шиной 4, а нагрузка 23 тока с произвольно устанавливаемым температурным коэффициентом - между коллектором повторителя 12 напряжения и шиной 4. Повторитель 12 может быть выполнен на биполярном транзисторе или на полевом транзисторе, или на составном транзисторе, включенном по схеме Дарлингтона. Схема устройства имеет следующие особенности. Транзисторы 1, 2 дифференциальной пары включены по схеме дифференциального усилителя. Транзистор 6 и транзисторы 1, 2 образуют второй усилитель "токовое зеркало". Первый усилитель "токовое зеркало" 8 с коэффициентом передачи a₁= (1) где I_к - ток коллектора; I_э - ток эмиттера; I_Б - ток базы, причем порядковые номера указывают номер транзистора в схеме, резистор 5 (R5), второй усилитель "токовое зеркало" с коэффициентом передачи a₂= (2) и дифференциальный усилитель образуют контур обратной связи. Резистор 5 и вход дифференциального усилителя образуют цепь регулирования обратной связи. Нормальная работа устройства обеспечивается при выполнении неравенства a₁a₂>> 1. (3) Падение напряжения на резисторе 5, воздействуя на вход дифференциального усилителя, снижает коэффициент передачи К_ос контура обратной связи. Стационарный режим работы устройства устанавливается автоматически и соответствует условию К_ос = 1 (4)
Для анализа устройства используют упрощенные уравнения транзистора
I_к = α I_э
I_Б = (1 -α )I_э. (5)
Уравнение узла токов, включающего оба конца резистора 5, имеет следующий вид
I_к10 - I_Б2 - I_Б1 - I_э6 = 0. Это уравнение приводится к следующему ряду соотношений:
a₁I_к1= (1-α)(I_э1+I_э2) + (I_э1+I_э2) (6)
I_э1 + I_э2 = а₃I_к1 (6а)
I_э6= I_к1 (6b)
I_э1= I_к1 (6с)
I_э2= a₃- I_к1 (6d)
= a₃α-1 (6е) где a₃= - коэффициент передачи части контура обратной связи от входа первого "токового зеркала" до выхода второго "токового зеркала". Смысл соотношений (6) состоит в том, что отношения токов элементов, образующих контур обратной связи, и токов транзисторов 2, 11 поддерживаются постоянными. Уравнение цепи регулирования обратной связи имеет следующий вид:
(I_к10-I_Б2)R₅= I - I где K = 1,38·10 - постоянная Больцмана;
g = 1,6 ˙10^-19 [Кл] - заряд электрона;
Т [K] - абсолютная температура;
I₀₁, (I₀₂) - начальный ток эмиттера первого (второго) транзистора. С помощью замены переменных левую часть уравнения можно выразить как функцию тока I_к1
II1I_к1R₅=
Решая уравнение относительно тока I_к1, получают
I_к1= × I_n + I_n (7)
Уравнение (7) позволяет найти установившееся значение тока I_к1, а его подстановка в уравнении (6) - установившиеся значения тока других элементов схемы. Из уравнения (7) следует, что основной причиной, нарушающей строгое соответствие выходных токов температурной шкале Кельвина, является нарушение симметричности I_о1 ≠ I_о2 транзисторов дифференциальной пары. Уравнение (7) также показывает, что в предлагаемом устройстве имеется дополнительная возможность для улучшения этого соответствия, которая достигается с помощью увеличения отношения токов I_э2/I_э1 дифференциальной пары. В устройстве отношение I_э2/I_э1 токов поддерживается автоматически, а увеличение этого отношения может быть достигнуто с помощью соответствующего выбора параметров а₁, а₂, R₅ схемы. В соответствии с уравнением (7) для этого нужно увеличить коэффициент передачи а₁ первого усилителя "токовое зеркало" и сопротивление резистора R₅. Это в свою очередь уменьшает входной ток I_к1 этого усилителя и снижает точность воспроизведения его коэффициента передачи а₁. Дальнейшее увеличение точности и коэффициента передачи а₁ может быть достигнуто с помощью замены транзистора 12 на составной транзистор, включенный по схеме Дарлингтона, или на полевой транзистор. В устройстве отношение I_э2/I_э1можно увеличить в 5-10 раз по сравнению с аналогом. Для практических расчетов можно рекомендовать формулу
I_к1= (8)
которая получается из формулы (7) с помощью отбрасывания слагаемого I и замены переменных. Температурная зависимость токов, определяемая уравнениями (8), (6), не распространяется на транзистор 12 и подключенную к нему нагрузку 23. Для определения зависимости этих токов от температуры рассмотрим контур, образованный эмиттерным переходом транзистора 9 и резисторами 14, 17. Ток, текущий через эмиттерный переход транзистора 9 и резистор 14, определяется уравнением (8). Поэтому падение напряжения на резисторе 14 имеет ту же температурную зависимость и положительный знак температурного коэффициента. Падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора 9 слабо зависит от тока и имеет отрицательный знак температурного коэффициента. Поэтому сумма падений напряжения, возникающих на этих элементах, может иметь положительное или отрицательное, или нулевое значение температурного коэффициента, в соответствии с выбором параметров а₁, а₂, R₅ и R₁₄ схемы. Эта сумма в свою очередь равна падению напряжения на резисторе 17, а следовательно, пропорциональна эмиттерному и коллекторному токам транзистора 12. Поэтому температурные коэффициенты этих токов и тока, посылаемого в нагрузку 23, можно также произвольно устанавливать с помощью выбора параметров а₁, а₂, R₅, R₁₄ и R₁₇ схемы. Вследствие слабой зависимости температурных коэффициентов слагаемых от температуры, температурный коэффициент тока на этом выходе остается постоянным во всем диапазоне рабочей температуры устройства. Использование устройства позволяет осуществить температурную компенсацию характеристик интегральных схем, а при необходимости и температурную стабилизацию их режимов, одновременно по нескольким каналам. Наибольший эффект от использования устройства может быть получен при его изготовлении на одном кристалле с объектом температурной компенсации.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ КОМПЕНСАЦИИ, содержащее дифференциальную пару транзисторов первого типа проводимости, эмиттеры которых через первый резистор соединены с первой шиной питания, а базы соединены между собой через второй резистор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей за счет увеличения числа выходов с температурной характеристикой, соответствующей шкале Кельвина, и калиброванными значениями начального тока, и введения дополнительного выхода с произвольно устанавливаемым температурным коэффициентом и калиброванным значением начального тока, введены дополнительный транзистор первого типа проводимости, коллектор, база которого соединена с базой первого транзистора дифференциальной пары, а эмиттер через третий резистор соединен с первой шиной питания, и многоканальный усилитель "токовое зеркало" с калиброванными значениями коэффициента передачи, выполненный на транзисторах второго типа проводимости и включающий входной транзистор, выходные транзисторы и повторитель напряжения, база которого соединена с входом токового зеркала, а эмиттер повторителя напряжения соединен с базами входного и выходного транзисторов, эмиттеры которых через масштабные резисторы соединены с второй шиной питания, вход "токового зеркала" соединен с коллектором первого транзистора дифференциаьной пары, а первый выход - с базой второго транзистора дифференциальной пары, между коллектором которого и второй шиной питания включена нагрузка тока одного знака, нагрузка тока другого знака включена между дополнительным выходом "токового зеркала" и первой шиной питания, а нагрузка тока с произвольно устанавливаемым температурным коэффициентом включена между коллектором повторителя напряжения и первой шиной питания, вход повторителя напряжения через масштабный резистор подключен к второй шине питания. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что повторитель напряжения может быть выполнен на биполярном транзисторе, или на полевом транзисторе, или на составном транзисторе, включенном по схеме Дарлингтона.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 21.04.1994

Номер и год публикации бюллетеня: 8-2001

Извещение опубликовано: 20.03.2001        

---