Температурно стабильный радиационно стойкий источник опорного напряжения на основе дифференциальной пары полевых транзисторов

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей и других элементов автоматики. Техническим результатом является возможность регулировать выходное напряжение в широких пределах - как ниже ширины запрещенной зоны кремния, так и выше этого напряжения. Для этого устройство содержит первый и второй полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом, истоки которых объединены, первый резистор, включенный между стоками первого и второго полевых транзисторов, второй резистор, включенный между стоком первого полевого транзистора и общей шиной, третий резистор, первым выводом подключенный к шине питания, первый биполярный транзистор, коллектором подключенный к шине питания, затвор первого полевого транзистора подключен к шине питания, четвертый и пятый резисторы и источник тока, причем второй вывод третьего резистора подключен к истокам полевых транзисторов, затвор первого полевого транзистора соединен с шиной питания, четвертый резистор включен между шиной питания и затвором второго полевого транзистора, пятый резистор включен между затвором второго полевого транзистора и эмиттером первого биполярного транзистора, база которого соединена с шиной питания, источник тока включен между эмиттером первого биполярного транзистора и общей шиной, а сток второго полевого транзистора является выходом устройства. 6 ил.

 

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

Известен источник опорного напряжения (ИОН), обладающий относительно высокой температурной стабильностью и позволяющий получить выходное напряжение как выше, так и ниже ширины запрещенной зоны кремния, но достаточно сложный в схемотехнической реализации и не обладающий надлежащей радиационной стойкостью, так как содержит в своем составе транзисторы p-n-p-типа [US].

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ИОН, приведенный в [Патент РФ №2517683. Барилов И.В., Старченко Е.И., Кузнецов П.С., Гавлицкий А.И. Низковольтный температурно стабильный радиационно стойкий источник опорного напряжения. - Апрель, 2014].

На фиг.1 приведена схема прототипа, содержащая первый и второй полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом, истоки которых объединены и подключены к эмиттеру первого биполярного транзистора, а их затворы соединены с общей шиной, первый резистор, включенный между стоками первого и второго полевых транзисторов, второй резистор, включенный между стоком первого полевого транзистора и общей шиной, третий резистор, включенный между базой первого биполярного транзистора и шиной питания, второй биполярный транзистор, база и коллектор которого объединены и подключены к стоку второго полевого транзистора, его эмиттер подключен к общей шине, а выходом устройства является сток первого полевого транзистора.

Недостатком прототипа является невозможность изменять выходное напряжение в широких пределах, поскольку для достижения температурной стабильности оно будет всегда меньше напряжения база-эмиттер транзистора.

Задачей предлагаемого изобретения является получение возможности регулировать выходное напряжение в широких пределах - как ниже ширины запрещенной зоны кремния, так и выше этого напряжения.

Для решения поставленной задачи в схему прототипа, содержащую первый и второй полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом, истоки которых объединены, первый резистор, включенный между стоками первого и второго полевых транзисторов, второй резистор, включенный между стоком первого полевого транзистора и общей шиной, третий резистор, первым выводом подключенный к шине питания, первый биполярный транзистор, коллектором подключенный к шине питания, затвор первого полевого транзистора подключен к шине питания, введены четвертый и пятый резисторы и источник тока, причем второй вывод третьего резистора подключен к истокам полевых транзисторов, база первого полевого транзистора соединена с шиной питания, четвертый резистор включен между шиной питания и затвором второго полевого транзистора, пятый резистор включен между затвором второго полевого транзистора и эмиттером первого биполярного транзистора, база которого подключена к шине питания, источник тока включен между эмиттером первого биполярного транзистора и общей шиной, а сток второго полевого транзистора является выходом устройства.

Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит первый полевой транзистор 1 и второй полевой транзистор 2, между стоками которых включен первый резистор 3, второй резистор 4 включен между стоком первого полевого транзистора 1 и общей шиной, третий резистор 5, включенный между объединенными истоками первого полевого транзистора 1 и второго полевого транзистора 2 и общей шиной, четвертый резистор 6, включенный между шиной питания и затвором второго полевого транзистора 2, пятый резистор 7, включенный между затвором второго полевого транзистора 2 и эмиттером первого биполярного транзистора 8, база и коллектор которого подключены к шине питания и источник тока 9, включенный между эмиттером первого биполярного транзистора 8 и общей шиной, база первого биполярного транзистора подключена к шине питания, а сток первого полевого транзистора 1 подключен к выходу устройства.

Работу заявляемого ИОН можно пояснить следующим образом. На первом полевом транзисторе 1 и втором полевом транзисторе 2 выполнен дифференциальный каскад, к одному из входов которого (затвор второго полевого транзистора 2) через делитель напряжения на четвертом резисторе 6 и пятом резисторе 7 подключено напряжение перехода база-эмиттер первого биполярного транзистора 8. Известно, что напряжение база-эмиттер биполярного транзистора имеет отрицательный температурный дрейф, поэтому и ток стока второго полевого транзистора 2 будет уменьшаться с ростом температуры. Но поскольку полевые транзисторы представляют собой дифференциальный каскад, ток стока первого полевого транзистора 1 будет расти с ростом температуры, причем скорость его дрейфа будет пропорциональна скорости температурного дрейфа тока стока второго полевого транзистора 2. Таким образом, если просуммировать токи стоков полевых транзисторов 1 и 2, как показано на фиг.2, для выходного напряжения можно записать:

где I₁, I₂ - токи стоков соответствующих полевых транзисторов; R₃, R₄ - сопротивления соответствующих резисторов.

Условие температурной стабильности ИОН можно получить дифференцируя выражение (1) по температуре и приравнивая производную нулю:

откуда

Поскольку, как было сказано выше, дрейф тока стока полевого транзистора 2 I₂ обусловлен дрейфом напряжения база эмиттер биполярного транзистора 8, он имеет отрицательный знак. Из-за дифференциальной связи токов I₁ и I₂ ток стока полевого транзистора 1 будет иметь противоположный знак. В то же время крутизна преобразования изменения тока I₂ и тока I₁ будут несколько отличаться, поэтому абсолютное значения температурных дрейфов указанных токов будет разным, что компенсируется выбором резисторов R₃ и R₄.

(Необходимо отметить, что начальные токи стоков полевых транзисторов необходимо выбирать в окрестности температурно стабильной точки [Достал И. Операционные усилители: Пер. с англ. М., 1982. С.60-66]).

Из выражений (1) и (3) вполне очевидно, что изменение выходного напряжения заявляемого ИОН возможно в широких пределах изменением абсолютных значений сопротивлений R₃ и R₄ при сохранении их отношения.

Для моделирования схемы заявляемого ИОН использовались компоненты аналогового базового матричного кристалла [Дворников О.В., Чеховской В.А. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями // ChipNevs - 1999. №2 - С.21-33].

Схема заявляемого ИОН в среде PSpice приведена на фиг.3.

Результаты моделирования заявляемого ИОН при изменении температуры приведены на фиг.2. Выходное напряжение заявляемого ИОН имеет две точки экстремума по температуре, что объясняется компенсацией составляющих температурного дрейфа не только первого, но и второго порядка, поскольку температурные дрейфы токов I₁ и I₂ обусловлены температурным дрейфом одного источника - напряжения база-эмиттер биполярного транзистора.

Абсолютное отклонение выходного напряжения заявляемого ИОН при выходном напряжении 1,569 В составляет 250 мкВ, а температурный дрейф в диапазоне температур не превышает ±6 ppm/K.

При изменении (уменьшении) абсолютных значений сопротивлений резисторов R₃ и R₄ вдвое, выходное напряжение заявляемого ИОН также уменьшается в два раза (фиг.5). Относительные изменения выходного напряжения в диапазоне температур остаются в пределах предыдущего результата моделирования.

Как показано в [Дворников О.В., Чеховской В.А. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями // ChipNevs - 1999. №2 - С.21-33], полевые транзисторы, входящие в БМК, практически нечувствительны при радиационном воздействии, в частности, до уровня воздействия потока нейтронов вплоть до F=10¹⁴ n/см², а параметры транзисторов n-p-n-типа также слабо подвержены деградации при указанных уровнях воздействия потока нейтронов.

Результаты моделирования заявляемого ИОН при радиационном воздействии приведены на фиг.6. Кривая, помеченная символом (□) соответствует F=0, символом (◇) F=10¹² n/см², символом (∇) - F=10¹³ n/см², символом (Δ) - F=10¹⁴ n/см².

Максимальное отклонение выходного напряжения заявляемого ИОН при радиационном воздействии составляет 230 мкВ при полном сохранении функционирования и даже сохранении прецизионности.

Таким образом, задача предлагаемого изобретения решена, что подтверждается приводимыми результатами моделирования: заявляемый источник опорного напряжения позволяет получит выходное напряжение как ниже, так и выше напряжения база-эмиттер при сохранении радиационной стойкости и температурной стабильности.

Температурно стабильный радиационно стойкий источник опорного напряжения на основе дифференциальной пары полевых транзисторов, содержащий первый и второй полевые транзисторы с управляющим pn-переходом, истоки которых объединены, первый резистор, включенный между стоками первого и второго полевых транзисторов, второй резистор, включенный между стоком первого полевого транзистора и общей шиной, третий резистор, первым выводом подключенный к шине питания, первый биполярный транзистор, коллектором подключенный к шине питания, затвор первого полевого транзистора подключен к шине питания, отличающийся тем, что в устройство введены четвертый и пятый резисторы и источник тока, причем второй вывод третьего резистора подключен к истокам полевых транзисторов, затвор первого полевого транзистора соединен с шиной питания, четвертый резистор включен между шиной питания и затвором второго полевого транзистора, пятый резистор включен между затвором второго полевого транзистора и эмиттером первого биполярного транзистора, база которого соединена с шиной питания, источник тока включен между эмиттером первого биполярного транзистора и общей шиной, а сток второго полевого транзистора является выходом устройства.