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, UD0 - 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, SD1, SD2 - 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 UD0, 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

UD1+UR20.

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 +UП 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 UСИ между стоком и истоком превосходит превышение напряжением UЗИ затвор-исток своего порогового значения, то есть UСИ>UЗИ-UПОР, Следовательно, для транзисторов 3-11 справедлива известная формула (1) вольт-амперной характеристики МДП-транзистора в области насыщения,

где, IC - ток стока, а β - крутизна.

Необходимым условием правильной работы устройства также является равенство пороговых напряжений UПОР 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 β43 и β76 транзисторов 4, 3 и 7, 6.

При этом транзисторы 4 и 6 идентичны по параметрам, у них в том числе β46.

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 SD12, SD13 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 β53 этих транзисторов. Следовательно, напряжение на резисторе 2 выражается через напряжение на резисторе 1 согласно формуле

Выходное опорное напряжение UREF равно напряжению UR2, 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 SD р-n переходов диодов, физический параметр Е0 полупроводникового материала и опорная точка UD0 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 UСИ.

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 UП существенно отличаться от суммы величин напряжений UЗИ 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 ΔUСИ.

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 β36.

Подставив в формулу (12) выражение IC6=IC3⋅β63 и выражение (2) получим:

Если уравнять множители у ΔUСИ в числителе и знаменателе правой части формулы (13), она сократится до изначального вида (β456)/(β37). Для этого крутизны транзисторов 3, 4, 5, 6, 7 должны отвечать уравнению:

Возможность сокращения всех параметров, зависящих от ΔUСИ, 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 UREF 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 UREF, если в него подставить Т=Т0, это означает, что левая часть выражения (16) дает значение стабилизированного выходного напряжения устройства UREF0.

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к цифровой вычислительной технике и предназначено для создания цифровых устройств троичной логики. Техническим результатом является повышение быстродействия, снижение размеров и энергопотребления устройства.

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

Изобретение относится к области радиотехники и электроники, в частности к аналоговым микросхемам различного назначения, и может быть использовано в качестве функционального узла в операционных усилителях, компараторах и других блоках.

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано в качестве источника тока или высокоомной нагрузки усилителя в структуре аналоговых микросхем и блоков различного функционального назначения.

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, и других элементов автоматики.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и автоматики. .

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в фазовых детекторах и модуляторах, а также в системах фазовой автоподстройки и умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого зависит от уровня сигнала управления.

Изобретение относится к области радиотехники и связи. .

Изобретение относится к электрорадиотехнике и может найти применение в устройствах импульсной, измерительной, усилительной техники и автоматики. .

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве функционального узла различных устройств усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях (ОУ), стабилизаторах напряжения, компараторах).

Изобретение относится к цифровой вычислительной технике и предназначено для создания цифровых устройств троичной логики. Техническим результатом является повышение быстродействия, снижение размеров и энергопотребления устройства.

Устройство относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей.

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в качестве температурно-стабильного источника опорного напряжения, определяемого удвоенной шириной запрещенной зоны.

Устройство относится к области электротехники. Техническим результатом является повышение температурной стабильности при одновременном повышении нагрузочной способности.

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей и других элементов автоматики.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам формирования опорного напряжения, и может быть использовано при создании источников стабильного напряжения постоянного тока.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам формирования опорного напряжения, и может быть использовано при создании малошумящих источников стабильного напряжения постоянного тока.

Изобретение относится к способам обработки пищевых продуктов в микроволновой печи. .

Изобретение относится к электроизмерительной технике, предназначено для изучения свойств различных объектов методом измерения импеданса с одновременной поляризацией исследуемого объекта постоянным током и может быть использовано в электрохимии, биологии, медицине, электротехнике и других областях естествознания.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве источника опорного напряжения. .

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

Наверх