Источник опорного напряжения
Владельцы патента RU 2504817:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)
Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в качестве температурно-стабильного источника опорного напряжения, определяемого удвоенной шириной запрещенной зоны.
Устройство содержит пять транзисторов, два резистора и источник тока, включенный между шиной питания и выходной клеммой, базы первого и второго транзисторов соединяются с коллекторами первого и пятого транзисторов, первый резистор включен между общей шиной и эмиттером второго транзистора, эмиттеры первого и третьего транзисторов подключены к общей шине, коллектор третьего транзистора подключен к выходной клемме, база третьего транзистора соединяется с коллектором второго транзистора и первым выводом второго резистора, базы четвертого и пятого транзисторов соединяются с коллектором четвертого транзистора и вторым выводом второго резистора, эмиттеры четвертого и пятого транзисторов подключены к выходной клемме.
Достигаемый технический результат заключается в получении температурно-стабильного выходного напряжения при значениях, близких к удвоенной ширине запрещенной зоны. 3 ил.
Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в качестве температурно-стабильного источника опорного напряжения (ИОН).
Известны температурно-стабильные источники опорного напряжения, определяемого удвоенной шириной запрещенной зоны полупроводника, к недостаткам которых относится излишняя сложность, вызванная использованием большого количества элементов [U.S. Patent 4380706. Voltage reference circuit / Robert S. WrathalL- Dec. 24, 1980], и необходимость дополнительного подключения к источнику питающего напряжения, а не только к источнику тока [Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - С.240, рис.33.27], что существенно затрудняет их использование в качестве опорного диода.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является диод Видлара, приведенный на фиг.1 [Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - С.206, рис.3.33]. Недостатком, а точнее особенностью прототипа является возможность его использования в качестве температурно-стабильного ИОН только тогда, когда опорное напряжение близко к значению ширины запрещенной зоны.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении заявляемого технического результата - получении температурно-стабильного выходного напряжения при значениях, близких к удвоенной ширине запрещенной зоны.
Для достижения заявляемого технического результата в схему прототипа, содержащую первый и второй транзисторы, базы которых соединяются с коллектором первого транзистора, первый резистор, включенный между общей шиной и эмиттером второго транзистора, третий транзистор, база которого соединяется с коллектором второго транзистора и первым выводом второго резистора, источник тока, включенный между шиной питания и выходной клеммой, при этом эмиттеры первого и третьего транзисторов подключены к общей шине, коллектор третьего транзистора подключен к выходной клемме, введены четвертый и пятый транзисторы, базы которых соединяются с коллектором четвертого транзистора и вторым выводом второго резистора, коллектор пятого транзистора подключен к коллектору первого транзистора, эмиттеры четвертого и пятого транзисторов подключены к выходной клемме.
Схема прототипа приведена на фиг.1. Схема заявляемого устройства представлена на фиг.2. На фиг.3 приведены результаты моделирования.
Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит пять транзисторов (с первого по пятый), обозначенных, соответственно, цифрами 1-5, два резистора, обозначенные цифрами 6 и 7, и источник тока 8, включенный между шиной питания и выходной клеммой, при этом базы транзисторов 1 и 2 соединяются с коллекторами транзисторов 1 и 5, резистор 7 включен между общей шиной и эмиттером транзистора 2, эмиттеры транзисторов 1 и 3 подключены к общей шине, база транзистора 3 соединяется с коллектором транзистора 2 и первым выводом резистора 6, коллектор транзистора 3 подключен к выходной клемме, базы транзисторов 4 и 5 соединяются с коллектором транзистора 4 и вторым выводом резистора 6, эмиттеры транзисторов 4 и 5 подключены к выходной клемме.
Прежде чем рассмотреть работу заявляемого устройства, рассмотрим работу схемы прототипа (фиг.1), так как это необходимо для сопоставительного анализа. При этом допустим, что токи баз транзисторов пренебрежимо малы, а ток нагрузки отсутствует. Выходное напряжение Uвых прототипа определяется значением напряжения база-эмиттер Uбэ3 транзистора VT3 и падением напряжения U2 на резисторе R2, что может быть описано следующим выражением:
где φT=kT/q - температурный потенциал; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; q - заряд электрона; I2 и I3 - токи эмиттеров транзисторов VT2 и VT3 соответственно; Is - ток насыщения обратносмещенного p-n-перехода, пропорциональный его площади; R2 - сопротивление резистора R2.
Для нахождения тока I2 следует учесть напряжения база-эмиттер Uбэ1 и Uбэ2, соответственно, транзисторов VT1 и VT2 и падение напряжения U3 на резисторе R3, записав выражение
U3=Uбэ1-Uбэ2,
или 
где R3 - сопротивление резистора R3; I1 - ток эмиттера транзистора VT1; N - отношение площадей эмиттеров транзисторов VT2 и VT1.
Приближенное соотношение (2) справедливо при равенстве токов I1 и I2. Отсюда можно определить ток
Дифференцируя выражение (3), можно определить зависимость приращения тока I2 от температуры Т:
Дифференцируя выражение (1), получим
Для нахождения приращения dUбэ3 следует учесть зависимость
где С - постоянный коэффициент, определяемый технологией производства интегрального транзистора; Е - энергетическая ширина запрещенной зоны при абсолютном нуле, полученная линейной экстраполяцией от комнатной температуры к абсолютному нулю, равная для кремния 1,205 В.
Можно показать, что выражение (5), с учетом (1), (4), (6), приводится к виду
Приравнивая (7) к нулю, при неизменном токе I3, получаем
Следовательно, при выходном напряжении, определяемом в основном шириной запрещенной зоны, нестабильность выходного напряжения по температуре близка к нулю.
Так как сумма токов I1, I2 и I3 постоянна, то приращение dI3=-dI1-dI2, a при равных токах I1, I2, I3 и приближенном равенстве приращений dI1 и dI2, с учетом (4), получаем
Выражение (7), с учетом (9), можно записать в следующем виде:
Работа заявляемого устройства аналогична работе диода Видлара (фиг.1). Однако равенство токов транзисторов 1 и 2 (фиг.2) обеспечивается уже более точно повторителем тока на транзисторах 4, 5. А выходное напряжение определяется еще и значением напряжения база-эмиттер Uбэ4 транзистора 4, что описывается следующим выражением:
где R6 - сопротивление резистора 6; I2 и I3 - токи эмиттеров транзисторов 4 и 3 соответственно.
Ток I2 равен току I1 эмиттера транзистора 1 и определяется выражением
где R7 - сопротивление резистора 7; N - отношение площадей эмиттеров транзисторов 2 и 1.
Дифференцируя выражение (12), можно вывести равенства
Дифференцируя выражение (11), с учетом (6) и (12), получим
Или, с учетом (9) и (13):
Следовательно, нестабильность выходного напряжения заявляемого устройства по температуре близка к нулю при выходном напряжении, определяемом в основном удвоенной шириной запрещенной зоны.
Полагая, что для схемы прототипа Uвых=2φT+Е, а для схемы заявляемого устройства Uвых=2(2φT+Е), можно получить оценку абсолютного изменения выходного напряжения через приращение температуры. Примечательно, что эта оценка оказывается одинаковой для обеих схем:
А поскольку выходное напряжение заявляемого устройства вдвое больше, чем у прототипа, то относительная нестабильность оказывается вдвое меньше.
Представленные на фиг.3 результаты моделирования отображают зависимость выходного напряжения прототипа (out2) и заявляемого устройства (out1) от температуры. При этом для удобства сравнения напряжение out2 увеличено на 1.135 В. Отклонение от расчетного значения не превышает 10%.
Таким образом, и проведенный анализ, и данные схемотехнического моделирования подтверждают, что для заявляемого устройства достигается заявляемый технический результат - получается температурно-стабильное выходное напряжение при значениях, близких к удвоенной ширине запрещенной зоны.
Источник опорного напряжения, содержащий первый и второй транзисторы, базы которых соединяются с коллектором первого транзистора, первый резистор, включенный между общей шиной и эмиттером второго транзистора, третий транзистор, база которого соединяется с коллектором второго транзистора и первым выводом второго резистора, источник тока, включенный между шиной питания и выходной клеммой, при этом эмиттеры первого и третьего транзисторов подключены к общей шине, коллектор третьего транзистора подключен к выходной клемме, отличающийся тем, что введены четвертый и пятый транзисторы, базы которых соединяются с коллектором четвертого транзистора и вторым выводом второго резистора, коллектор пятого транзистора подключен к коллектору первого транзистора, эмиттеры четвертого и пятого транзисторов подключены к выходной клемме.
