Источник опорного напряжения

Изобретение относится к электронике и предназначено для использования в интегральных микросхемах на комплементарных транзисторах структуры металл-диэлектрик-полупроводник (КМДП). Его технический результат, заключающийся в повышении стабильности выходного напряжения по напряжению питания, достигается введением в устройство четвертого и пятого МДП-транзисторов 6 и 7 с индуцированным каналом первого типа проводимости, третьего и четвертого МДП-транзисторов 10 и 11 с индуцированным каналом второго типа проводимости и выполнением их связей. Это позволяет выровнять электрические режимы МДП-транзисторов, формирующих токи, протекающие в диодах 12 и 13. На схеме устройства также обозначены первый и второй резисторы 1 и 2, с первого по третий МДП-транзисторы 3-5 с индуцированным каналом первого типа проводимости, первый и второй МДП-транзисторы 8 и 9 с индуцированным каналом второго типа проводимости. Стабильность выходного напряжения устройства достигается при приближении его значения к величине ширины запрещенной зоны Е₀ полупроводникового материала. 1 ил.

 

Изобретение относится к электронике и предназначено для использования в интегральных микросхемах на комплементарных транзисторах структуры металл-диэлектрик-полупроводник (КМДП).

Известно использование в КМДП-схемах параметрических источников опорного напряжения, уровень которого пропорционален пороговому напряжению n- или р-канального МДП-транзистора. См., например, патент США №4507572, НКИ 307-295 R, МКИ Н03К 3/353, G05F 3/08, опубликованный 26 марта 1985 г. [1]. Подобные устройства не обеспечивают высокую стабильность опорного напряжения, так как пороговое напряжение МДП-транзисторов зависит от температуры и меняется под воздействием дестабилизирующих производственных факторов.

Этот недостаток устранен в источнике опорного напряжения, описанном в патенте РФ №2131616 МКИ G05F 3/24, H03K 3/353, опубликованном 10 июня 1999 г. [2]. Данное устройство содержит первый и второй резисторы, с первого по третий МДП-транзисторы с индуцированным каналом первого типа проводимости, истоки которых подключены к первой шине напряжения питания, а затворы соединены и подключены к стоку первого МДП-транзистора первого типа, первый и второй МДП-транзисторы с индуцированным каналом второго типа проводимости, затворы которых соединены и подключены к соединенным стокам вторых МДП-транзисторов первого и второго типов, сток первого МДП-транзистора первого типа соединен со стоком первого МДП-транзистора второго типа, исток которого подключен к первому выводу первого резистора, сток третьего МДП-транзистора первого типа соединен с первым выводом второго резистора и является выходом опорного напряжения, второй вывод второго резистора соединен с истоком второго МДП-транзистора второго типа, первый и второй диоды на р-n переходах, области первого типа проводимости которых подключены ко вторым выводам первого и второго резисторов соответственно, а области второго типа проводимости соединены со второй шиной напряжения питания.

Вырабатываемое источником выходное напряжение складывается из напряжений на первом диоде D1 и на втором резисторе R2,

В этих формулах Е₀ - ширина запрещенной зоны полупроводникового материала, при Т₀=298 К у кремния Е₀=1,205 В, Т - абсолютная температура, U_D0 - напряжение на применяемых диодах при заданной плотности тока и температуре Т₀=298 К, k=1,38⋅10^-23 Дж/град - постоянная Больцмана, q=1,6⋅10^-19 Кл - заряд электрона, β₁, β₂, β₃ - крутизны первого, второго и третьего МДП-транзисторов второго типа, S_D1, S_D2 - площади р-n переходов первого и второго диодов, R1 и R2 - сопротивления первого и второго резисторов.

Величины напряжений на втором диоде и на втором резисторе имеют соответственно отрицательный и положительный температурные коэффициенты, так как Е₀ всегда больше U_D0, а значение логарифма положительно, если его аргумент больше единицы.

Стабильность опорного напряжения по температуре в устройстве достигается за счет уравновешивания температурных дрейфов суммируемых напряжений. Баланс достигается, когда

U_D1+U_R2=Е₀.

Стабильность опорного напряжения при изменении напряжения питания определяется стабильностью отношения тока стока первого и суммы токов стоков второго и третьего МДП-транзисторов первого типа и точностью обеспечения равенства напряжений затвор-исток у первого и второго МДП-транзисторов второго типа. Дестабилизирующее влияние на эти характеристики устройства оказывает проявление зависимости токов стоков МДП-транзисторов от напряжений стоков. У МДП-транзисторов обоих типов эти напряжения различаются, особенно при крайних значениях диапазона напряжения питания. Это является недостатком устройства - аналога.

Технический результат изобретения заключается в повышении стабильности вырабатываемого опорного напряжения по напряжению питания.

Технический результат достигается тем, что в источник опорного напряжения, содержащий первый и второй резисторы, с первого по третий МДП-транзисторы с индуцированным каналом первого типа проводимости, истоки которых подключены к первой шине напряжения питания, а затворы соединены и подключены к стоку первого МДП-транзистора первого типа, первый и второй МДП-транзисторы с индуцированным каналом второго типа проводимости, затворы которых соединены вместе со стоками вторых МДП-транзисторов первого и второго типов, сток первого МДП-транзистора первого типа соединен со стоком первого МДП-транзистора второго типа, исток которого подключен к первому выводу первого резистора, сток третьего МДП-транзистора первого типа соединен с первым выводом второго резистора и является выходом опорного напряжения, второй вывод второго резистора соединен с истоком второго МДП-транзистора второго типа, первый и второй диоды на р-n переходах, области первого типа проводимости которых подключены ко вторым выводам первого и второго резисторов соответственно, а области второго типа проводимости соединены со второй шиной напряжения питания, дополнительно введены четвертый и пятый МДП-транзисторы с индуцированным каналом первого типа проводимости, истоки которых подключены к первой шине напряжения питания, третий и четвертый МДП-транзисторы с индуцированным каналом второго типа проводимости, истоки которых подключены соответственно к истокам второго и первого МДП-транзисторов второго типа, сток третьего МДП-транзистора второго типа соединен со стоком и затвором четвертого МДП-транзистора первого типа, а затвор подключен к стоку второго МДП-транзистора первого типа, сток и затвор четвертого МДП-транзистора второго типа соединены со стоком пятого МДП-транзистора первого типа, затвор которого подключен к стоку четвертого МДП-транзистора первого типа.

Указанное выполнение устройства позволяет повысить стабильность выходного напряжения при изменении напряжения питания.

Отличительными признаками изобретения являются наличие и связи четвертого и пятого МДП-транзисторов с индуцированным каналом первого типа проводимости, третьего и четвертого МДП-транзисторов с индуцированным каналом второго типа проводимости.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена электрическая схема источника опорного напряжения.

Для упрощения понимания работы схемы на чертеже и в последующем описании проводимости полупроводников первого и второго типов представлены соответственно как проводимости р и n типов, а первая и вторая шины напряжений питания - соответственно как шины положительного напряжения питания и нулевого потенциала.

Источник опорного напряжения содержит первый и второй резисторы 1 и 2, с первого по пятый МДП-транзисторы 3-7 с индуцированным каналом р типа проводимости, истоки которых подключены к шине +U_П положительного напряжения питания, с первого по третий МДП-транзисторы 8-10 с индуцированным каналом n типа проводимости, затворы которых соединены вместе со стоками вторых МДП-транзисторов 4 и 9 р и n типов, сток первого р-МДП-транзистора 3 соединен со стоком первого n-МДП-транзистора 8 и с затворами с первого по третий р-МДП-транзисторов 3-5, сток третьего р-МДП-транзистора 5 соединен с первым выводом второго резистора 2 и является выходом опорного напряжения, четвертый МДП-транзистор 11 с индуцированным каналом n типа, затвор и сток которого соединены со стоком пятого р-МДП-транзистора 7, истоки первого и четвертого n-МДП-транзисторов 8 и 11 соединены с первым выводом первого резистора 1, первый, второй диоды 12, 13 на р-n переходах, р-области которых соответственно подключены ко второму выводу первого резистора 1 и к соединенным со вторым выводом второго резистора 2 истокам второго и третьего n-МДП-транзисторов 9, 10, а n-области диодов 12, 13 соединены с шиной нулевого потенциала, затвор и сток четвертого р-МДП-транзистора 6 соединены со стоком третьего n-МДП-транзистора 10 и с затвором пятого р-МДП-транзистора 7.

Все МДП-транзисторы 3-11 устройства работают в области насыщения. У каждого из них прямо приложенное напряжение U_СИ между стоком и истоком превосходит превышение напряжением U_ЗИ затвор-исток своего порогового значения, то есть U_СИ>U_ЗИ-U_ПОР, Следовательно, для транзисторов 3-11 справедлива известная формула (1) вольт-амперной характеристики МДП-транзистора в области насыщения,

где, I_C - ток стока, а β - крутизна.

Необходимым условием правильной работы устройства также является равенство пороговых напряжений U_ПОР у всех МДП-транзисторов каждого типа.

Пары р-МДП-транзисторов 3, 4 и 6, 7 образуют токовые зеркала. В соответствии с (1) отношения возвращаемых токов стоков р-МДП-транзисторов 4 и 7 к принимаемым токам стоков р-МДП-транзисторов 3 и 6 прямо пропорциональны отношениям крутизн β₄/β₃ и β₇/β₆ транзисторов 4, 3 и 7, 6.

При этом транзисторы 4 и 6 идентичны по параметрам, у них в том числе β₄=β₆.

Идентичные по параметрам n-МДП-транзисторы 9 и 10 образуют токовое зеркало, в котором возвращаемый ток стока транзистора 10 равен принимаемому току стока транзистора 9, чем достигается равенство тока стока р-МДП-транзистора 6 току стока р-МДП-транзистора 4. Отношения крутизн n-МДП-транзисторов 8, 9 и 10, 11 соответственно равны отношениям крутизн р-МОП-транзисторов 3, 4 и 6, 7.

Токи стоков транзисторов 8 и 9 соответственно равны токам стоков транзисторов 3 и 4, чем достигается равенство напряжений

Из выражения (4) следует равенство напряжений на истоках транзисторов 8 и 9 с соединенными затворами. К токам истоков транзисторов 8 и 9 добавляются токи истоков транзисторов 11 и 10.

Равенство напряжений на истоках n-МДП-транзисторов 8 и 9 обеспечивает равенство напряжений на диоде 13 и на цепи из последовательно соединенных резистора 1 и диода 12.

Соотношения площадей р-n переходов S_D12, S_D13 диодов 12, 13 и их токов обеспечивают более высокую плотность тока у диода 13, поэтому напряжение на диоде 13 выше, чем на диоде 12. Р-МДП-транзистор 5 работает как второй токоотражающий транзистор, управлявмый токопринимающим р-МДП-транзистором 3, ток его стока протекает в диоде 13 вместе с токами стоков р-МДП-транзисторов 4 и 6.

С учетом отношений (3) и (5) разность напряжений на диодах 12 и 13, прикладываемая к резистору 1, выражает формула

Резистор 1 задает ток стоков транзисторов 8 и 11. Часть его тока затем протекает в р-МДП-транзистор 3 и р-МДП-транзистором 5 отражается в резистор 2 в пропорции, определяемой отношением крутизн β₅/β₃ этих транзисторов. Следовательно, напряжение на резисторе 2 выражается через напряжение на резисторе 1 согласно формуле

Выходное опорное напряжение U_REF равно напряжению U_R2, сложенному с напряжением на диоде 13, которое можно записать как

Объединив выражения (6), (7) и (8), получим

Формула (9) демонстрирует стабильность величины вырабатываемого напряжения по напряжению питания тем, что в ней присутствуют только конструктивные параметры элементов схемы - отношения сопротивлений R резисторов, крутизн β МДП-транзисторов и площадей S_D р-n переходов диодов, физический параметр Е₀ полупроводникового материала и опорная точка U_D0 вольт-амперной характеристики диодов, являющаяся константой для каждого конкретного производственно - технологического процесса. Однако, эта формула выведена на основе не вполне точного выражения (1), в котором пренебрегли эффектом модуляции длины канала в зависимости от сток-истокового напряжения U_СИ.

Более точно величину тока стока МДП-транзистора в области насыщения определяет уравнение Шичмена-Ходжеса

в котором через коэффициент λ учтена модуляция длины канала.

Из схемы устройства хорошо видно, что если напряжение питания U_П существенно отличаться от суммы величин напряжений U_ЗИ у р- и n-МДП-транзисторов и напряжения на диоде 13, то разности потенциалов стоков и истоков во всех парах образующих токовые зеркала транзисторов будут сильно различаться. Тем не менее, это различие будет примерно одинаково у всех пар транзисторов 3 и 4, 3 и 5, 6 и 7. Равенство потенциала стока транзистора 7 потенциалу стока транзистора 4 обеспечивает транзистор 11, а потенциал стока транзистора 5 обычно тоже не сильно от них отличается.

Обозначим усредненную разность напряжений сток-исток ΔU_СИ.

По уточненной формуле (10) отношения токов транзисторов 3 и 4, 3 и 5, 6 и 7 примут вид

С учетом выражений (3) и (11) отношения токов в диодах 12 и 13, которое можно представить через отношение сумм токов стока транзисторов 3, 7 и транзисторов 4, 8, примет следующий вид.

В стоках транзисторов 3 и 6 протекают токи стоков транзисторов 8 и 10, которые в условиях равенства напряжений на их затворах соотносятся как β₃/β₆.

Подставив в формулу (12) выражение I_C6=I_C3⋅β₆/β₃ и выражение (2) получим:

Если уравнять множители у ΔU_СИ в числителе и знаменателе правой части формулы (13), она сократится до изначального вида (β₄+β₅+β₆)/(β₃+β₇). Для этого крутизны транзисторов 3, 4, 5, 6, 7 должны отвечать уравнению:

Возможность сокращения всех параметров, зависящих от ΔU_СИ, в формуле (13) доказывает достижение компенсации влияния на работу устройства эффекта модуляции длин каналов МДП-транзисторов в допускаемой принятыми приближениями мере.

Условием температурной компенсации опорного напряжения является равенство нулю производной U_REF по температуре

Из формулы (15) следует, что температурная компенсация будет достигнута, если выполнить равенство

Правая часть формулы (16) совпадет с выражением (9) для выходного опорного напряжения U_REF, если в него подставить Т=Т₀, это означает, что левая часть выражения (16) дает значение стабилизированного выходного напряжения устройства U_REF=Е₀.

Таким образом, источник опорного напряжения вырабатывает выходное напряжение, стабильность которого по температуре и по напряжению питания задается конструктивными параметрами элементов, определяющими отношения сопротивлений резисторов, крутизн МДП-транзисторов одинаковых типов проводимости и площадей диодов, и не зависящими от воздействий производственных и эксплуатационных факторов.

Источник опорного напряжения, содержащий первый и второй резисторы, с первого по третий МДП-транзисторы с индуцированным каналом первого типа проводимости, истоки которых подключены к первой шине напряжения питания, а затворы соединены и подключены к стоку первого МДП-транзистора первого типа, первый и второй МДП-транзисторы с индуцированным каналом второго типа проводимости, затворы которых соединены вместе со стоками вторых МДП-транзисторов первого и второго типов, сток первого МДП-транзистора первого типа соединен со стоком первого МДП-транзистора второго типа, исток которого подключен к первому выводу первого резистора, сток третьего МДП-транзистора первого типа соединен с первым выводом второго резистора и является выходом опорного напряжения, второй вывод второго резистора соединен с истоком второго МДП-транзистора второго типа, первый и второй диоды на р-n-переходах, области первого типа проводимости которых подключены ко вторым выводам первого и второго резисторов соответственно, а области второго типа проводимости соединены со второй шиной напряжения питания, отличающийся тем, что дополнительно содержит четвертый и пятый МДП-транзисторы с индуцированным каналом первого типа проводимости, истоки которых подключены к первой шине напряжения питания, третий и четвертый МДП-транзисторы с индуцированным каналом второго типа проводимости, истоки которых подключены соответственно к истокам второго и первого МДП-транзисторов второго типа, сток третьего МДП-транзистора второго типа соединен со стоком и затвором четвертого МДП-транзистора первого типа, а затвор подключен к стоку второго МДП-транзистора первого типа, сток и затвор четвертого МДП-транзистора второго типа соединены со стоком пятого МДП-транзистора первого типа, затвор которого подключен к стоку четвертого МДП-транзистора первого типа.