Низковольтный источник эталонного напряжения

 

Использование: в качестве источника опорного напряжения низковольтных стабилизаторов постоянного напряжения. Сущность изобретения: устройство содержит операционный усилитель 11 с резисторной цепью отрицательной обратной связи, выходом соединенный с выходным выводом, транзисторную матрицу 6 на транзисторах 2, 3 и 5, резисторы 1, 4, 7 - 10. Транзисторы матрицы 6 включены по схеме диодов в прямом включении, и на них формируется опорное напряжение. Промышленные транзисторные матрицы, изготовленные по планарной технологии, имеют высокий т. к. н. На входы усилителя 11 подаются сигналы от двух транзисторов 2 и 3 и транзистора 5 соответственно. Разностный сигнал усиливается, и на выходе устройства имеется выходное напряжение высокой точности. 1 ил.

Изобретение относится к вторичным низковольтным источникам питания радиоэлектронной аппаратуры. Предлагаемый низковольтный источник эталонного напряжения служит в качестве источника опорного напряжения низковольтных стабилизаторов постоянного напряжения.

Известно, что в качестве источников эталонного напряжения более 6 В используются п/п стабилитроны с температурной компенсацией, для которых необходимо напряжение смещения более 10 В.

Одним из таких источников эталонного напряжения является источник, в котором компенсация влияния температурного коэффициента напряжения (ТКН) опорного элемента (диода Зенера) осуществляется путем включения последовательно с ним диодов с противоположной полярностью опорному элементу [1] .

Такое включение позволяет частично скомпенсировать ТКН опорного элемента, но для более точной термокомпенсации выходного напряжения из-за значительного разброса значений ТКН необходим тщательный индивидуальный подбор термокомпенсирующих диодов для каждого опорного элемента в отдельности.

Известен также источник эталонного напряжения, содержащий операционный усилитель, первый потенциометр, резистор и стабилитрон, причем катод стабилитрон через резистор подключен к входному выводу, а через потенциометр - к неинвертирующему входу операционного усилителя [2] .

Недостатками данного источника эталонного напряжения является значительная зависимость выходного напряжения от температуры окружающей среды и невозможность его использования в качестве низковольтного источника эталонного напряжения.

Известен также источник эталонного напряжения, содержащий операционный усилитель, первый потенциометр, резистор и стабилитрон, причем катод стабилитрона через резистор подключен к входному выводу, а через потенциометр - к неинвертирующему входу операционного усилителя, выход которого соединен с выходным выводом, также второй потенциометр и два термокомпенсирующих диода, имеющих отличные по знаку ТКН, средняя точка второго потенциометра соединена с анодом стабилитрона, а выводы - с анодами указанных диодов, катоды которых подключены к общей шине [3] .

К недостаткам известного источника эталонного напряжения относятся следующие: необходимость наличия источника напряжения смещения, амплитуда напряжения которого значительного выше напряжения стабилизации стабилитрона (т. е. более 10 В); необходимость подбора термокомпенсирующих упоров по величине и противоположному знаку ТКН, что сильно затрудняет построение схемы источника эталонного напряжения; для качественной термокомпенсации напряжения стабилизации стабилитрона приходится осуществлять последовательное соединение нескольких термокомпенсирующих диодов в плечах термокомпенсации в каждом случае; проверять полную термокомпенсацию может только лишь в результате испытаний и настройки путем подбора термокомпенсирующих диодов при работе источника эталонного напряжения в различных температурах окружающей среды, что крайне сложно и нетехнологично.

Целью изобретения является повышение стабильности и уменьшение температурного дрейфа выходного напряжения.

Цель достигается тем, что в низковольтный источник эталонного напряжения, содержащий первый резистор и операционный усилитель, дополнительно введены второй - третий, шестой резисторы, первый, второй и третий транзисторы транзисторной матрицы, при этом первые выводы первого и второго резисторов объединены и соединены с входом питания операционного усилителя и "плюсом" первого источника питания, второй вывод первого резистора соединен с базой и коллектором первого транзистора, через третий резистор с инвертирующим входом операционного усилителя и через пятый резистор с выходами операционного усилителя и источника эталонного напряжения, эмиттер первого транзистора соединен с коллектором и базой второго транзистора, эмиттер которого соединен с общей шиной источников питания, второй вывод второго резистора соединен с коллектором и базой третьего транзистора, через четвертый резистор с неинвертирующим входом операционного усилителя и через шестой резистор с общей шиной источников питания, с которой соединен эмиттер третьего транзистора, при этом второй вход питания операционного усилителя соединен с "минусом" второго источника питания.

Схема низковольтного источника эталонного напряжения приведена на чертеже.

Низковольтный источник эталонного напряжения содержит первый резистор 1, первый 2 второй 3 транзисторы, второй резистор 4, третий транзистор 5, транзисторную матрицу (из транзисторов 2, 3 и 5) 6, третий 7, четвертый 8, пятый 10 и шестой 9 резисторы, операционный усилитель 11, клемму "Выход" 12, клеммы 13 и 14 первого и второго источников питания, общую шину 15 источников питания.

Источник эталонного напряжения работает следующим образом. При подаче напряжения питания с источником питания +Е₁ и -Е₂, имеющих общую шину 15, на транзисторах транзисторной матрицы 6 формируются опорные напряжения, так как транзисторы 2, 3 и 5 включены по схеме диодов в прямом включении. При этом известно, что величина опорного напряжения при таком транзисторов составляет порядка 0,7 В. Таким образом, на инвертирующем входе операционного усилителя 11 будет присутствовать потенциал 0,7 ВХ2 (первого и второго транзисторов в диодном включении), а на неинвертирующем входе операционного усилителя 6 потенциал 0,7 В. Разность напряжений на входах операционного усилителя 6 будет составлять (0,7 ВХ2)--0,7 В= 0,7 В. Известно, что диодное включение транзисторов транзисторных матриц, изготавливаемых по планарной технологии типа 1НТ251, 1НТ251А, 2ТС622, 2ТС622А, Б, позволяет получить опорный элемент в виде диода в прямом включении. Характерной особенностью такого включения транзисторов транзисторной матрицы, изготовленной по планарной технологии, является высокое значение температурного коэффициента напряжения ТКН, который не превышает 0,1 МВ/^оС. При этом известно, что диоды и стабилитроны, серийно выпускаемые отечественной промышленностью, имеют ТКН порядка 4 МВ/^оС (4.10 ^оС)^-1 см.

Кроме того, известные полупроводниковые диоды и стабилитроны требуют для своей работы источника смещения напряженности более 10 В, что приводит к увеличению энергопотребления источника эталонного напряжения. Таким образом, использование диодного включения транзисторов транзисторной матрицы позволило уменьшить температурный дрейф источника эталонного напряжения до значения 0,1 мВ/^оС и стабильность выходного напряжения повысить в интервале температур от -50^оС до 50^оС - в 2-4 раза по сравнению с прототипом.

Разностный сигнал на входах операционного усилителя 11 усиливается последним до требуемого значения, и этим обеспечивается требуемое выходное напряжение источника эталонного напряжения.

Необходимо отметить также, что за счет применения диодного включения транзисторов транзисторной матрицы снижено потребление, так как стабилизация такого опорного элемента происходит при токах 0,5-1МА, которые в 10-15 раз ниже токов стабилизации обычных полупроводниковых диодов и стабилизаторов.

Предложенный низковольтный источник опорного напряжения обладает универсальностью, так как в нем могут быть использованы транзисторные матрицы как p-n-p-типа, так и n-p-n-типа в диодном включении (матрицы типов 1Н251, 1НТ251А или 2ТС622, 2ТС622А, Б соответственно).

Реальный низковольтный источник эталонного напряжения выполнен, например, на операционном усилителе типа 14ОУД6А и планарной транзисторной матрице типа 1НТ251. При этом соотношение резисторов R7/R10 и R8/R9 соответствует равенству R7/R10= R8/R9, причем R7= R8 и R9= R10. Величина резисторов R₁, R₄ выбирается исходя из условий величины напряжения используемого первичного источника питания +Е₁ и минимальной величины тока стабилизации соответствующего напряжению отсечки, равного 0,7 В, транзисторной планарной матрицы, включенного в режиме диода. Соотношением резисторов R7/R10 выбирается необходимый коэффициент усиления операционного усилителя исходя из условия необходимой величины выходного напряжения проектируемого источника эталонного напряжения.

В результате предложенного технического решения получен низковольтный источник эталонного напряжения с малым температурным дрейфом, малым энергопотреблением, стабильность выходного напряжения не превышает 1,5-2% в интервале температур от -50 до +50^оС. (56) 1. Патент США N 4030023, кл. G 05 F 1/56, 1976.

2. Балонай В. Г. и др. Интегральные АЦП и ЦАП. М. : Энергия, 1978, с. 175.

3. Авторское свидетельство СССР N 920665, кл. G 05 F 3/20, 1982.

Формула изобретения

НИЗКОВОЛЬТНЫЙ ИСТОЧНИК ЭТАЛОННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий операционный усилитель с цепью отрицательной обратной связи, выходом соединенный с выходным выводом, первый резистор, выводы для подключения основного источника постоянного напряжения, один из которых соединен с общей шиной, и выводы для подключения источника питания операционного усилителя, отличающийся тем, что в него введены с второго по шестой резисторы и транзисторная матрица на трех транзисторах, причем первые выводы первого и второго резисторов и первая питающая шина операционного усилителя подсоединены к другому выводу для подключения основного источника постоянного напряжения и одному из выводов для подключения источника питания операционного усилителя, вторая питающая шина операционного усилителя соединена с другим выводом для подключения источника питания операционного усилителя, второй вывод первого резистора через последовательно соединенные цепи коллектор - эмиттер первого и второго транзисторов транзисторной матрицы соединен с общей шиной, второй вывод второго резистора через цепь коллектор - эмиттер третьего транзистора соединен с общей шиной, при этом у всех транзисторов транзисторной матрицы базы и коллекторы соединены между собой, третий резистор включен между коллектором первого транзистора и инвертирующим входом операционного усилителя, четвертый резистор - между коллектором третьего транзистора и неинвертирующим входом операционного усилителя, пятый резистор - в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя, а шестой резистор - между неинвертирующим входом операционного усилителя и общей шиной.

РИСУНКИ

Рисунок 1