Источник опорного напряжения на основе утроенной ширины запрещенной зоны кремния

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей и других элементов автоматики. Достигаемым техническим результатом является повышение выходного напряжения источника опорного напряжения до уровня, соответствующего утроенной ширине запрещенной зоны кремния, и повышение коэффициента стабилизации при изменении питающего напряжения при высокой температурной стабильности выходного напряжения. Источник опорного напряжения содержит первый, второй и третий транзисторы, коллектор которого подключен к входу управления регулирующего элемента, выход которого является выходом устройства, а его питающий вход соединен с шиной питания, источник тока, включенный между шиной питания и коллектором третьего транзистора, коллектор первого транзистора соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с базой первого транзистора, второй резистор, первым выводом подключенный к выходу устройства, а также четвертый, пятый и шестой транзисторы. 8 ил.

 

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в качестве температурно-стабильного источника опорного напряжения (ИОН) с повышенным коэффициентом стабилизации.

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 источника тока, стабильность которого также будет влиять на стабильность выходного напряжения ИОН.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ИОН, приведенный на фиг.1 [Yoshida, Y. Constant voltage circuit. US Patent No 5206581, Apr. 27, 1993, FIG.11].

Схема прототипа (фиг.1) содержит первый, второй и третий транзисторы, эмиттеры которых подключены к общей шине, коллектор первого транзистора соединен с базой второго транзистора, коллектор второго транзистора соединен с базой третьего транзистора, коллектор третьего транзистора соединен с управляющим входом регулирующего элемента, выход регулирующего элемента подключен к выходу устройства, вход регулирующего элемента соединен с шиной питания, первый резистор, включенный между коллектором и базой первого транзистора, второй резистор, включенный между базой первого транзистора и выходом устройства, третий резистор, включенный между выходом устройства и коллектором второго транзистора, источник тока, включенный между шиной питания и входом управления регулирующего элемента.

Основным недостатком прототипа является его низкое выходное напряжение, определяемое шириной запрещенной зоны кремния.

Задачей предлагаемого изобретения является возможность повышения выходного напряжения до утроенной ширины запрещенной зоны кремния.

Для решения поставленной задачи в схему прототипа, содержащего первый, второй и третий транзисторы, эмиттеры которых подключены к общей шине, коллектор первого транзистора соединен с базой второго транзистора, коллектор второго транзистора подключен к базе третьего транзистора, коллектор третьего транзистора подключен ко входу управления регулирующего элемента, выход регулирующего элемента является выходом устройства, а его питающий вход соединен с шиной питания, источник тока, включенный между шиной питания и коллектором третьего транзистора, коллектор первого транзистора соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с базой первого транзистора, второй резистор, первым выводом подключенный к выходу устройства, введены четвертый, пятый и шестой транзисторы, причем коллектор четвертого транзистора подключен к коллектору второго транзистора, база четвертого транзистора соединена с базой первого транзистора, эмиттер четвертого транзистора подключен к точке соединения коллектора и базы пятого транзистора и базы шестого транзистора, эмиттеры пятого и шестого транзистора объединены и подключены ко второму выводу второго резистора, а коллектор шестого транзистора соединен с базой первого транзистора.

Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит первый транзистор 1, второй транзистор 2, третий транзистор 3, эмиттеры которых объединены и подключены к общей шине, первый резистор 4, включенный между базой и коллектором первого транзистора 1, четвертый транзистор 5, база которого подключена к базе первого транзистора 1, коллектор четвертого транзистора 5 соединен с коллектором второго транзистора 2, эмиттер четвертого транзистора 5 подключен к точке соединения коллектора и базы пятого транзистора 6 и базы шестого транзистора 7, эмиттеры пятого транзистора 6 и шестого транзистора 7 объединены и через второй резистор 8 подключены к выходу устройства, источник тока 9, включенный между шиной питания и точкой соединения коллектора третьего транзистора 3 и входом управления регулирующего элемента 10, вход питания которого подключен к общей шине, а выход - к выходу устройства.

Работу заявляемого стабилизатора напряжения можно пояснить следующим образом.

Для выходного напряжения заявляемого устройства можно записать:

где U_БЭ.i - напряжение база-эмиттер i-того транзистора; U_R8 - падение напряжения на втором резисторе 8.

В свою очередь, с учетом того, что коэффициент передачи тока повторителя тока на транзисторах 5, 6 и 7 равен единице, падение напряжения на резисторе 8 можно представить как

где

- ток, протекающий через резистор R4, обусловленный разностью напряжений база-эмиттер транзисторов 1 и 2.

Подставляя (3) и (2) в (1) и учитывая, что U_БЭ.i примерно равны, получаем:

Дифференцируя (4) по температуре и приравнивая производную нулю, получаем условие температурно стабильного выходного напряжения:

Выполнение условия (5) позволяет скомпенсировать суммарный отрицательный температурный дрейф трех переходов база-эмиттер положительным температурным дрейфом, пропорциональным разности напряжений база-эмиттер двух транзисторов, работающих при разных плотностях токов эмиттеров.

Поскольку компенсации требует падение напряжения на трех переходах, температурно стабильное выходное напряжение будет близко к утроенному напряжению ширины запрещенной зоны кремния.

Для схемы прототипа можно записать вполне очевидное соотношение для выходного напряжения в соответствии с позиционными обозначениями фиг.1:

,

откуда следует, что температурно стабильное выходное напряжение будет соответствовать единичному напряжению ширины запрещенной зоны кремния.

Проведенный анализ можно подтвердить результатами моделирования. Моделирование в среде PSpice проводилось для схем, приведенных на фиг.3 (схема прототипа) и фиг.4 (схема заявляемого ИОН). В качестве моделей использованы компоненты аналогового базового матричного кристалла (АБМК), выпускаемого Минским НПО «Интеграл» [Дворников, О.В. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями / О.В. Дворников, В.А. Чеховской // Chip News. - 1999. - №2. - С.21-23]. Транзисторы n-p-n типа - GC_05_NPN, транзисторы p-n-p типа - PNPJF_JFET. Модели резисторов имеют линейный температурный коэффициент 0,15%/°C.

Результаты моделирования схемы прототипа приведены на фиг.5, а схемы заявляемого устройства - на фиг.6. (Отметим, что элементная база в обоих случаях использована одинаковая и статические режимы элементов схем близки).

Приведенные результаты показывают, что выходное напряжение заявляемого устройства близко к трем напряжениям ширины запрещенной зоны, а температурный дрейф в диапазоне температур не превышает ±2,6 ppm/K.

В ИОН, выполненном по схеме прототипа выходное напряжение близко ширине запрещенной зоны кремния, а температурный дрейф составляет ±18 ppm/K.

Кроме того, вследствие значительно большего петлевого усиления в схеме заявляемого ИОН его коэффициент стабилизации при изменении входного напряжения существенно выше. Действительно, коэффициент усиления транзистора VT2 (фиг.1) определяется тем, что он нагружен на параллельное соединение входного сопротивления транзистора VT1 и резистора R1, который относительно низкоомен. В схеме заявляемого ИОН (фиг.2) нагрузкой второго транзистора 2 можно считать только входное сопротивление третьего транзистора 3, так как выходное сопротивление четвертого транзистора 5 много больше входного сопротивления третьего транзистора 3. Вследствие этого петлевое усиление в ИОН, выполненного по схеме прототипа существенно выше, что подтверждается результатами моделирования. По этой же причине и температурная стабильность заявляемого ИОН также выше.

На фиг.7 приведены результаты моделирования схемы прототипа при изменении питающего напряжения на ±1 В относительно среднего напряжения. Коэффициент стабилизации, определяемый как K_СТ=ΔU_ВХ/ΔU_ВЫХ этом случае составляет 7750.

В аналогичной ситуации измерения в схеме заявляемого устройства коэффициент стабилизации превышает 16000, что более чем вдвое выше, чем в схеме прототипа. (фиг.8)

Таким образом, поставленная задача решена, так как заявляемый ИОН имеет в два раза больший коэффициент стабилизации и выходное напряжение, близкое к утроенному напряжению ширины запрещенной зоны кремния.

Источник опорного напряжения, содержащий первый, второй и третий транзисторы, эмиттеры которых подключены к общей шине, коллектор первого транзистора соединен с базой второго транзистора, коллектор второго транзистора подключен к базе третьего транзистора, коллектор третьего транзистора подключен к входу управления регулирующего элемента, выход регулирующего элемента является выходом устройства, а его питающий вход соединен с шиной питания, источник тока, включенный между шиной питания и коллектором третьего транзистора, коллектор первого транзистора соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с базой первого транзистора, второй резистор, первым выводом подключенный к выходу устройства, отличающийся тем, что в устройство введены четвертый, пятый и шестой транзисторы, причем коллектор четвертого транзистора подключен к коллектору второго транзистора, база четвертого транзистора соединена с базой первого транзистора, эмиттер четвертого транзистора подключен к точке соединения коллектора и базы пятого транзистора и базы шестого транзистора, эмиттеры пятого и шестого транзистора объединены и подключены ко второму выводу второго резистора, а коллектор шестого транзистора соединен с базой первого транзистора.