Источник опорного напряжения на основе удвоенной ширины запрещенной зоны кремния

Устройство относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей. Техническим результатом является упрощение схемы при высокой температурной стабильности выходного напряжения. Устройство содержит: пять транзисторов, три регистра и источник тока, включенный между шиной питания и выходной клеммой. 6 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 недостатком 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 [Патент РФ №2473951. Источник опорного напряжения. / Старченко Е.И., Барилов И.В., Кузнецов П.С., Сукманов А.В. - 27.01.2013, Бюл. №3], является устройство, приведенное на фиг. 1. Недостатком прототипа является невозможность получения температурно-стабильного выходного напряжения больше одной ширины запрещенной зоны кремния.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении заявляемого технического результата - получение температурно-стабильного выходного напряжения при значениях, близких к удвоенной ширине запрещенной зоны.

Для достижения заявляемого технического результата в схему прототипа, содержащую первый транзистор, коллектор которого подключен к базе второго транзистора, третий транзистор, четвертый и пятый транзистор, базы четвертого и пятого транзистора объединены, первый резистор включен между базой первого транзистора и первым выводом второго резистора, второй резистор подключен вторым выводом к коллектору первого транзистора, третий резистор подключен первым выводом к выходной клемме, эмиттеры первого и второго транзистора подключены к общей шине, коллектор пятого транзистора подключен к базе третьего транзистора, введен источник тока, включенный между шиной питания и выходной клеммой, а эмиттеры четвертого и пятого транзистора объединены, третий резистор вторым выводом подключен к эмиттеру четвертого транзистора, второй резистор подключен первым выводом к коллектору четвертого транзистора, база четвертого транзистора подключена к коллектору четвертого транзистора, коллекторы второго и пятого транзистора объединены и подключены к базе третьего транзистора, эмиттер третьего транзистора подключен к общей шине, коллектор третьего транзистора подключен 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, обозначенных, соответственно, цифрами 1-5, три резистора, обозначенные цифрами 6, 7 и 8, и источник тока 9, включенный между шиной питания и выходной клеммой, при этом коллектор транзистора 1 подключен к базе транзистора 2, коллектор транзистора 3 подключен к выходной клемме, базы транзисторов 4 и 5 объединены, эмиттеры транзисторов 4 и 5 объединены, резистор 6 включен между базой транзистора 1 и первым выводом резистора 7, резистор 7 подключен вторым выводом к коллектору транзистора 1, резистор 7 подключен первым выводом к коллектору транзистора 4, база транзистора 4 подключена к коллектору транзистора 4, коллекторы транзисторов 2 и 5 объединены и подключены к базе транзистора 3, резистор 8 включен между выходной клеммой и эмиттером транзистора 4, эмиттеры транзисторов 1, 2 и 3 подключены к общей шине.

Работа устройства основана на том, что отрицательный температурный дрейф напряжения база-эмиттер второго транзистора 2 (фиг. 2) компенсируется положительным температурным дрейфом разности напряжений база-эмиттер первого транзистора 1 и второго транзистора 2, за счет чего выходное напряжение ИОН слабо зависит от температуры.

Для выходного напряжения заявляемого ИОН можно записать

Ток коллектора второго транзистора 2 может быть определен из следующего соотношения:

С учетом (3) выражение (1) можно преобразовать к виду

Зависимость коэффициента усиления тока базы от температуры можно представить следующим образом [Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesingLab 8.0. - М.: СОЛОН-Р, 2003. С. 301]:

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

Из анализа выражения (4) следует, что наряду с компенсацией линейной составляющей температурного дрейфа удвоенное напряжения база-эмиттер первого транзистора 1 (первое слагаемое в правой части выражения (4)) присутствует квадратичная составляющая (второе слагаемое). Таким образом, падение напряжения на втором резисторе 7 можно представить как некую функцию

Именно эта составляющая обеспечивает компенсацию температурной зависимости выходного напряжения второго порядка.

Для выходного напряжения схемы прототипа (фиг. 1) будет справедливо следующее соотношение:

откуда следует, что выходное напряжение в температурно-стабильной точке будет близко к напряжению ширины запрещенной зоны кремния.

Из выражения (4), соответствующего схеме заявляемого устройства, выходное напряжение будет соответствовать удвоенному напряжению ширины запрещенной зоны кремния.

На фиг. 3 и фиг. 4 приведены схемы прототипа и заявляемого устройства для моделирования в среде PSpice. 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 [Текст] / О.В. Дворников, В.А. Чеховской // Chip News -1999. №2 - С. 21-23].

На фиг. 5 и фиг. 6 приведены результаты моделирования схемы прототипа и заявляемого устройства. Среднее напряжение прототипа составляет 1,185 В, а заявляемого устройства - 2,333 В при отклонении напряжения 591,3966 мкВ, а температурный дрейф выходного напряжения не превышает ±8 ppm/K.

Таким образом, задача предлагаемого изобретения - получение температурно-стабильного выходного напряжения, равного ширине двух запрещенных зон кремния, - решена.

Источник опорного напряжения, содержащий первый транзистор, коллектор которого подключен к базе второго транзистора, третий транзистор, четвертый и пятый транзистор, базы четвертого и пятого транзистора объединены, первый резистор включен между базой первого транзистора и первым выводом второго резистора, второй резистор подключен вторым выводом к коллектору первого транзистора, третий резистор подключен первым выводом к выходной клемме, эмиттеры первого и второго транзистора подключены к общей шине, коллектор пятого транзистора подключен к базе третьего транзистора, отличающийся тем, что в устройство введен источник тока, включенный между шиной питания и выходной клеммой, а эмиттеры четвертого и пятого транзистора объединены, третий резистор вторым выводом подключен к эмиттеру четвертого транзистора, второй резистор подключен первым выводом к коллектору четвертого транзистора, база четвертого транзистора подключена к коллектору четвертого транзистора, коллекторы второго и пятого транзистора объединены и подключены к базе третьего транзистора, эмиттер третьего транзистора подключен к общей шине, коллектор третьего транзистора подключен к выходной клемме.