Источник опорного напряжения
Владельцы патента RU 2518974:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)
Устройство относится к области электротехники. Технический результат заключается в получении температурно-стабильного выходного напряжения при значениях, близких к удвоенной ширине 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, второй резистор включен между выходной клеммой и объединенными эмиттерами четвертого и пятого транзисторов, эмиттеры первого и третьего транзисторов подключены к общей шине, базы третьего, четвертого и пятого транзисторов объединяются с коллекторами второго и четвертого транзисторов, коллектор третьего транзистора подключен к выходной клемме. 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, третий транзистор, база которого соединяется с коллектором второго транзистора, первый резистор, включенный между общей шиной и эмиттером второго транзистора, второй резистор, подключенный первым выводом к выходной клемме, источник тока, включенный между шиной питания и выходной клеммой, при этом эмиттеры первого и третьего транзисторов подключены к общей шине, а коллектор третьего транзистора подключен к выходной клемме, введены четвертый и пятый транзисторы, базы которых соединяются с коллекторами четвертого и второго транзисторов, коллектор пятого транзистора подключен к коллектору первого транзистора, эмиттеры четвертого и пятого транзисторов подключены ко второму выводу второго резистора.
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, базы транзисторов 3, 4 и 5 соединяются с коллекторами транзисторов 2 и 4, коллектор транзистора 3 подключен к выходной клемме, резистор 6 включен между выходной клеммой и объединенными эмиттерами транзисторов 4 и 5.
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 φт-=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 р-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:
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 эмиттерных токов I1 и I2 транзисторов 1 и 2 соответственно (фиг.2) обеспечивается уже более точно повторителем тока на транзисторах 4, 5. При этом ток I2 равен току I1 (а также эмиттерным токам транзисторов 4 и 5) и определяется выражением:
где R7 - сопротивление резистора 7; N - отношение площадей эмиттеров транзисторов 2 и 1.
А выходное напряжение определяется еще и значением напряжения база-эмиттер Uбэ4 транзистора 4, что описывается следующим выражением:
где R6 - сопротивление резистора 6; I3 - ток эмиттера транзистора 3. Дифференцируя выражение (11), можно вывести равенства:
Дифференцируя выражение (12), с учетом (6) и (11) 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=2φт+Е, а для схемы заявляемого устройства Uвых=2(2φт+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 1.131 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, третий транзистор, база которого соединяется с коллектором второго транзистора, первый резистор, включенный между общей шиной и эмиттером второго транзистора, второй резистор, подключенный первым выводом к выходной клемме, источник тока, включенный между шиной питания и выходной клеммой, при этом эмиттеры первого и третьего транзисторов подключены к общей шине, а коллектор третьего транзистора подключен к выходной клемме, отличающийся тем, что введены четвертый и пятый транзисторы, базы которых объединяются с коллекторами четвертого и второго транзисторов, коллектор пятого транзистора подключен к коллектору первого транзистора, эмиттеры четвертого и пятого транзисторов подключены ко второму выводу второго резистора.
