Параметрический стабилизатор напряжения

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве источника опорного напряжения. Для достижения технического результата - повышения коэффициента стабилизации по входному напряжению - устройство содержит первый резистор, подключенный одним выводом к шине питания, второй резистор, подключенный одним выводом к общей шине, транзистор, подключенный затвором к шине питания, а стоком к выходной клемме, стабилитрон, подключенный катодом к выходной клемме, а анодом к общей шине, исток транзистора соединен с другими выводами резисторов. 4 ил.

 

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в качестве источника опорного напряжения.

Известны параметрические стабилизаторы напряжения (ПСН), используемые в качестве источников опорного напряжения (ИОН), содержащие источник тока (резистор) и стабилитрон, отличающиеся максимальной простотой [Вересов Г.П., Смуряков Ю.Л. Стабилизированные источники питания радиоаппаратуры. - М.: Энергия, 1978, стр.46, рис.2-4 (Массовая радиобиблиотека, вып.969)]. Недостатком таких ИОН является недостаточно высокий коэффициент стабилизации по входному напряжению.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ИОН, содержащий источник тока, включенный между шиной питания и выходной клеммой, и стабилитрон, подключенный катодом к выходной клемме, а анодом к общей шине, причем источник тока состоит из полевого транзистора и резистора, сток и затвор транзистора являются выводами источника тока, а резистор включен между истоком и затвором транзистора [Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы. Пер. с англ. - М.: Мир, 1988, (стр.199, рис.3.30; стр.234, рис.33.17)].

Недостатком прототипа является недостаточно высокий коэффициент стабилизации по входному напряжению, что объясняется неидеальностью источника тока, имеющего конечное выходное сопротивление.

Для повышения коэффициента стабилизации по входному напряжению в схему прототипа, содержащую транзистор, подключенный затвором к шине питания, а стоком к выходной клемме, резистор, включенный между шиной питания и истоком транзистора, стабилитрон, подключенный катодом к выходной клемме, а анодом к общей шине, введен второй резистор, включенный между истоком транзистора и общей шиной.

Схема прототипа приведена на фиг.1, а заявляемого устройства - на фиг.2.

Заявляемый ПСН (фиг.2) содержит первый резистор 1, подключенный одним выводом к шине питания, второй резистор 2, подключенный одним выводом к общей шине, транзистор 3, подключенный затвором к шине питания, а стоком к выходной клемме, стабилитрон 4, подключенный катодом к выходной клемме, а анодом к общей шине, исток транзистора 3 соединен с другими выводами резисторов.

Прежде чем рассмотреть работу заявляемого устройства, рассмотрим работу схемы прототипа (фиг.1), так как это необходимо для сопоставительного анализа. Неидеальность источника тока на транзисторе VT1 можно представить наличием дифференциального сопротивления сток-исток r_c, показанного на фиг.1 пунктиром. При изменении входного напряжения на dU_вх возникает приращение тока dI_rc через сопротивление r_c, что ведет к изменению напряжения на резисторе R1 и соответствующему изменению тока стока dI_c. Результирующее приращение тока dI определяется суммой:

Это приращение тока создает падение напряжения на дифференциальном сопротивлении стабилитрона, что обуславливает нестабильность выходного напряжения при изменении входного.

Приращение тока стока dI_c определяется крутизной S (передаточной проводимостью) транзистора и изменением напряжения затвор-исток dU_зи, равного приращению падения напряжения на резисторе R1 (ток затвора считается пренебрежимо малым):

Приращение тока dI_rc можно определить следующим выражением, считая пренебрежимо малым дифференциальное сопротивление стабилитрона и изменение выходного напряжения:

Из выражений (1)-(3) получаем:

откуда

следовательно,

Полученное выражение (6) определяет выходное сопротивление источника тока на полевом транзисторе.

Теперь аналогичным образом рассмотрим работу устройства (фиг.2). При изменении входного напряжения на dU_вх возникает не только приращение тока dI_rc через дифференциальное сопротивление сток-исток r_c транзистора 3, но и приращение тока dI_R2 через резистор 2. Это в большей мере, чем в схеме прототипа, ведет к изменению напряжения на резисторе 1 и, соответственно, тока стока dI_c транзистора. Выражение (1) остается справедливым и для схемы заявляемого ПСН, а приращение тока dI_rc определится следующим выражением:

Найдем dI_R2:

Определим dI_rc:

Из (1), (7)-(9) находим dI:

Из (7)-(8) следует

откуда

находим

Подставим (13) в (10):

Преобразуем равенство (14)

получим

Определим условие, при котором равенство (16) равно нулю:

откуда

Таким образом, при выполнении условия настройки (18) равенство (16) обращается в ноль, а это означает независимость тока dI от dU_вх, т.к. дифференциальное сопротивление источника тока dU_вх/dI обращается в бесконечность. На практике из-за режимной зависимости параметров r_c и S условие настройки может выполняться только в одной точке. Но и в окрестностях этой точки достигается значительный выигрыш в значении модуля коэффициента стабилизации по входному напряжению по сравнению с прототипом.

На фиг.3 приведена схема, а на фиг.4 - соответствующие результаты схемотехнического моделирования. В моделируемой схеме к одному источнику питания для удобства сравнения подключены и прототип (левая часть фиг.3), и заявляемый ПСН (правая часть фиг.3). На фиг.4 представлены графики, показывающие изменение выходного напряжения прототипа (U2, линия со знаками ) и заявляемого ПСН (U_2, линия со знаками □) при изменении питающего напряжения от 6 до 10 В (горизонтальная ось). Из результатов моделирования можно сделать следующий вывод: абсолютное изменение выходного напряжения заявляемого ПСН оказывается на порядок ниже, чем прототипа (для прототипа 266, а для заявляемого ПСН - 28 мкВ), а коэффициент стабилизации - выше.

Таким образом, проведенный анализ и схемотехническое моделирование подтверждают, что достигается заявляемый технический результат - повышение коэффициента стабилизации по входному напряжению.

Параметрический стабилизатор напряжения, содержащий транзистор, подключенный затвором к шине питания, а стоком - к выходной клемме, первый резистор, включенный между шиной питания и истоком транзистора, стабилитрон, подключенный катодом к выходной клемме, а анодом - к общей шине, отличающийся тем, что введен второй резистор, включенный между истоком транзистора и общей шиной.