Источник опорного напряжения отрицательной полярности



Источник опорного напряжения отрицательной полярности
Источник опорного напряжения отрицательной полярности
Источник опорного напряжения отрицательной полярности
Источник опорного напряжения отрицательной полярности
Источник опорного напряжения отрицательной полярности
Источник опорного напряжения отрицательной полярности
Источник опорного напряжения отрицательной полярности

 


Владельцы патента RU 2480810:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей и других элементов автоматики и вычислительной техники. Технический результат заключается в повышении температурной стабильности выходного напряжения ИОН при одновременном упрощении устройства и повышении радиационной стойкости при воздействии потока нейтронов. ИОН отрицательной полярности содержит 2 транзистора, 2 полевых транзистора, 3 резистора, повторитель тока и регулирующий элемент. 7 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может использоваться в стабилизаторах напряжения, аналогово-цифровых преобразователях и других элементах автоматики и вычислительной техники.

Известны источники опорного напряжения (ИОН), имеющие высокую стабильность, но содержащие в своем составе биполярные транзисторы p-n-p типа и полевые транзисторы с изолированным затвором, что снижает их радиационную стойкость [Haiplik, H. Voltage Reference Circuit / US patent No. 7626374, Dec. 1, 2009].

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ИОН, приведенный в [Dobkin R.C., Pease R.A. Voltage regulator and current regulator / US Patent No. 4176308, Nov.27, 1979].

На фиг.1 показана схема прототипа, содержащая первый и второй транзисторы, коллекторы которых подключены к общей шине, база первого транзистора подключена к общей шине, а его эмиттер - к эмиттеру третьего транзистора, эмиттер второго транзистора подключен к эмиттеру четвертого транзистора, первый коллектор третьего транзистора, первый коллектор четвертого транзистора и их базы объединены и через источник тока подключены к шине отрицательной полярности источника питания, первый резистор, включенный между вторым коллектором третьего транзистора и шиной отрицательной полярности источника питания, второй резистор, включенный между вторым коллектором четвертого транзистора и шиной отрицательной полярности источника питания, операционный усилитель, неинвертирующим входом подключенный ко второму коллектору третьего транзистора, инвертирующим - ко второму коллектору четвертого транзистора, третий резистор, включенный между базой второго транзистора и общей шиной, четвертый резистор, включенный между базой второго транзистора и объединенными базой и коллектором пятого транзистора, эмиттер пятого транзистора соединен с выходом операционного усилителя и подключен к выходу устройства.

Недостатком прототипа является его сложность, относительно низкая температурная стабильность и наличие в его составе транзисторов PNP типа, что снижает его радиационную стойкость, в частности, при воздействии потока нейтронов.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение температурной стабильности выходного напряжения ИОН при одновременном упрощении устройства и повышении его радиационной стойкости при воздействии потока нейтронов.

Для решения поставленной задачи в схему прототипа, содержащую первый и второй транзисторы, коллекторы которых подключены к общей шине, первый резистор, включенный между базой второго транзистора и общей шиной, второй резистор, включенный между базой второго транзистора и объединенными базой и коллектором третьего транзистора, эмиттер которого подключен к выходу устройства, четвертый резистор, введены первый и второй полевые транзисторы, повторитель тока и регулирующий элемент, причем третий резистор включен между базой первого транзистора и общей шиной, исток первого полевого транзистора соединен с эмиттером первого транзистора и затвором второго полевого транзистора, затвор первого полевого транзистора подключен к точке соединения эмиттера второго транзистора и истока второго полевого транзистора, исток первого полевого транзистора подключен ко входу повторителя тока, выход повторителя тока соединен с истоком второго полевого транзистора, питающий вход повторителя тока подключен к шине отрицательного источника питания, вход управления регулирующего элемента подключен к истоку второго полевого транзистора, вход питания регулирующего элемента подключен к шине отрицательной полярности источника питания, в выход регулирующего элемента подключен к выходу устройства.

Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит первый транзистор 1, коллектор которого подключен к общей шине, второй транзистор 2, коллектор которого подключен к общей шине, первый полевой транзистор 3, исток которого соединен с эмиттером первого транзистора 1 и затвором второго полевого транзистора 4, исток второго полевого транзистора 4 соединен с эмиттером второго транзистора 2 и затвором первого полевого транзистора 3, первый резистор 5, включенный между базой второго транзистора 2 и общей шиной, второй резистор 6, включенный между базой второго транзистора 2 и объединенными базой и коллектором третьего транзистора 7, эмиттер которого подключен к выходу устройства, третий резистор 8, включенный между базой первого транзистора 1 и общей шиной, исток первого полевого транзистора 3 соединен со входом повторителя тока 8, выход которого соединен с истоком второго полевого транзистора 4, питающий вход повторителя тока 8 соединен с шиной отрицательной полярности источника питания, регулирующий элемент 9 входом управления соединен с истоком второго полевого транзистора 4, вход питания регулирующего элемента 9 подключен к шине отрицательной полярности источника питания, а выход регулирующего элемента 9 подключен к выходу устройства.

Работа устройства основана на том, что отрицательный температурный дрейф напряжения база-эмиттер третьего транзистора 7 компенсируется положительным температурным дрейфом разности напряжений база-эмиттер первого транзистора 1 и второго транзистора 2, которая возникает из-за разных плотностей токов, протекающих через эмиттеры первого транзистора 1 и второго транзистора 2. Повторитель тока 8 совместно с регулирующим элементом 9 обеспечивает равенство токов транзисторов 1 и 2 по абсолютной величине, чем достигается поддержание требуемой разности напряжений база-эмиттер транзисторов 1 и 2.

Покажем, что заявляемое устройство имеет преимущество перед прототипом по температурной стабильности.

Для выходного напряжения схемы прототипа (фиг.1) можно записать:

UБЭ.5 - напряжение база-эмиттер транзистора VT5; R3, R4 - сопротивления соответствующих резисторов R3, R4; I0 - ток через резистор R3, обусловленный разностью напряжений база-эмиттер транзисторов VT1 и VT3.

Для тока I0 будет справедливо следующее выражение:

где IЭ.1, IЭ.3 - токи эмиттеров транзисторов VT1 и VT3 соответственно; φТ - температурный потенциал; N=S3/S1 - отношение площадей эмиттеров транзисторов VT1 и VT3 соответственно.

С учетом того, что в устройстве действует глубокая отрицательная обратная связь с помощью операционного усилителя AD1, токи эмиттеров транзисторов VT1 и VT3 можно считать равными, поэтому выражение (2) можно представить в виде:

и тогда с учетом (3) выражение (1) перепишем в виде:

Вид выражения (4) является общим практически для всех ИОН, выполненных на основе ширины запрещенной зоны кремния. Дифференцируя это выражение по температуре и приравнивая производную нулю можно найти условие, при котором выходное напряжение не зависит от температуры. Но ввиду достаточно сложной зависимости напряжения база-эмиттер от температуры, таким образом, удается скомпенсировать только линейную составляющую температурного дрейфа, а с доминирующей после такой компенсации составляющей второго порядка в выходном напряжении приходится мириться.

Утверждение, приведенное выше, можно подтвердить результатами моделирования. На фиг.3 приведена схема прототипа, предназначенная для моделирования в среде PSpice, а на фиг.4 - результаты моделирования.

В качестве моделей использованы компоненты аналогового базового матричного кристалла, выпускаемые НПО «Интеграл» (Белоруссия, г. Минск) [Дворников О.В. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями / О.В.Дворников, В.А.Чеховской // Chip News. - 1999. №2. - С.21-23], а в качестве операционного усилителя использовалась макромодель uA741 из библиотеки analog.lib.

Результаты моделирования показывают, что производная выходного напряжения по температуре обращается в нуль только в одной точке - при температуре 35°С, а функциональная зависимость выходного напряжения от температуры близка к квадратичной. При этом максимальное отклонение выходного напряжения в диапазоне температур от -40°С до +120°С составляет 1,88 мВ, а относительный температурный дрейф - ±40 ppm/°C.

Моделирование схемы прототипа при воздействии потока нейтронов не проводилось, так как отсутствует модель операционного усилителя, учитывающая радиационное воздействие. Однако можно утверждать, что даже при использовании компонентов вышеназванного радиационно-стойкого АБМК деградация параметров транзисторов PNP типа столь велика, что нарушаются не только условия температурной компенсации, но и сама функциональная годность устройства [Дворников О.В. Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем. Часть 1. Учет влияния проникающей радиации в «Spice-подобных» программах / О.В.Дворников, В.Н.Гришков. Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем. - 2010. Сборник трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л.Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2010. С.301-306].

Приведем аналитические выражения, описывающие поведение выходного напряжения для схемы заявляемого устройства.

В этом случае выходное напряжение может быть представлено по аналогии с (1):

где UБЭ.5 - напряжение база-эмиттер третьего транзистора 5; I0 - ток через первый резистор 5; R5, R6 - сопротивления соответствующих резисторов (фиг.2).

Ток I0 определим из следующего соотношения:

где UБЭ.1, UБЭ.2 - напряжение база-эмиттер первого и второго транзисторов соответственно; IБ.1 - ток базы первого транзистора 1.

Из (6) следует:

где IЭ.1, IЭ.2 - токи эмиттеров первого транзистора 1 и второго транзистора 2 соответственно; β1 - коэффициент усиления тока базы первого транзистора 1.

Токи эмиттеров первого 1 и второго 2 транзисторов определяются начальным током истока полевых транзисторов 3 и 4, поскольку они функционируют при нулевом напряжении между затвором и истоком. Отметим, что этот ток практически не зависит от температуры.

Коэффициент усиления тока базы в зависимости от температуры можно представить как [Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesingLab 8.0. - М.: СОЛОН-Р, 2003. С.301]

где Т - абсолютная температура; β0 - коэффициент усиления тока базы при комнатной (номинальной) температуре Т0.

Таким образом, коэффициент усиления тока базы с ростом температуры возрастает по закону «трех вторых».

Подставляя (7) и (8) в (5), получаем:

Выражение (9), показывающее поведение выходного напряжения заявляемого устройства в зависимости от температуры, отличается от аналогичного для схемы прототипа наличием третьего слагаемого в правой части, которое при правильном выборе сопротивлений резисторов может компенсировать составляющие температурного дрейфа более высоких порядков, что подтверждается результатами моделирования.

На фиг.5 приведена принципиальная электрическая схема, соответствующая схеме прототипа, представленная в моделирующей среде PSpice. На транзисторах q4, q5, q8 и резисторах R5 и R6 выполнен повторитель тока, а регулирующий элемент выполнен на транзисторах q6, q7. Модели компонентов, как и для схемы прототипа, использовались из радиационно-стойкого АБМК [Дворников О.В. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями / О.В.Дворников, В.А.Чеховской // Chip News. - 1999. №2. - С.21-23].

Результаты моделирования заявляемого устройства - зависимость выходного напряжения от температуры - приведены на фиг.6. Как видно из графика для выходного напряжения, доминирующей в нестабильности выходного напряжения является составляющая третьего порядка. В этом случае максимальное отклонение выходного напряжения в диапазоне температур от -40°С до 120°С не превышает 46 мкВ, а температурный дрейф составляет ±2,32 ppm/°C.

Результаты моделирования заявляемого устройства при воздействии потока нейтронов приведены на фиг.7. Интенсивность потока нейтронов F изменялась от нуля до 1013 n/см2сек. Заявляемый источник опорного напряжения вплоть до интенсивности потока нейтронов F=1012 n/см2сек сохраняет прецезионность, а при интенсивности F=1013 n/см2сек - функциональную годность.

Заявляемое устройство в сравнении с прототипом обладает более высокой - в 4 раза - абсолютной температурной стабильностью, в 17 раз более высокой относительной температурной стабильностью в расчете на 1°С и, в отличие от схемы прототипа, обладает радиационной стойкостью. В то же время очевидно упрощение устройства, так как в заявляемом ИОН отсутствует операционный усилитель и необходимость использования дополнительного источника питания.

Таким образом, решена задача предлагаемого изобретения - повышение температурной стабильности выходного напряжения ИОН при одновременном упрощении устройства и повышении его радиационной стойкости при воздействии потока нейтронов.

Источник опорного напряжения отрицательной полярности, содержащий первый и второй транзисторы, коллекторы которых подключены к общей шине, первый резистор, включенный между общей шиной и базой второго транзистора, второй резистор, первым выводом подключенный к базе второго транзистора, вторым выводом к точке соединения базы и коллектора третьего транзистора, эмиттер которого подключен к выходу устройства, третий резистор, отличающийся тем, что в устройство введены первый и второй полевые транзисторы, повторитель тока и регулирующий элемент, причем третий резистор включен между базой первого транзистора и общей шиной, эмиттер первого транзистора подключен к истоку первого полевого транзистора, затвор которого подключен к точке соединения эмиттера второго транзистора и истока второго полевого транзистора, затвор которого подключен к эмиттеру первого транзистора, исток первого полевого транзистора подключен ко входу повторителя тока, вход питания повторителя тока подключен к отрицательному выводу шины питания, вход управления регулирующего элемента подключен к точке соединения выхода повторителя тока и истока второго полевого транзистора, вход питания регулирующего элемента подключен к отрицательному выводу шины питания, а выход регулирующего элемента подключен к выходу устройства.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания радиоаппаратуры. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системе электроснабжения потребителей, расположенных вдоль трасс. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано и может быть использовано в силовой электронике. .

Изобретение относится к источникам электропитания. .

Изобретение относится к системам беспроводной связи, а именно к способам и устройствам для уменьшения мощности в приемопередатчике. .

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способам разряда ЭХИТ. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в повышающих преобразователях. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в повышающих преобразователях. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в источниках вторичного электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в устройствах электропитания аппаратуры различного назначения. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в схеме управления коэффициентом мощности и к универсальному сетевому источнику электропитания

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в схеме управления коэффициентом мощности и к универсальному сетевому источнику электропитания

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах электропитания, в частности в стабилизаторах переменного напряжения

Изобретение относится к области электротехники, в частности к вторичным источникам питания, а его использование позволяет обеспечивать устойчивый режим питания автономных автоматических измерительных устройств, размещенных под высоким потенциалом проводов высоких линий

Изобретение относится к электротехнике

Изобретение относится к вычислительной технике

Изобретение относится к радиоэлектронной технике и может быть использовано при разработке и изготовлении вторичных источников электропитания, содержащих в качестве стабилизирующего устройства линейный аналоговый стабилизатор напряжения компенсационного типа с фиксированным значением выходного напряжения

Изобретение относится к электротехнике, в частности к стабилизирующим преобразователям напряжения
Наверх