Источник опорного напряжения

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам формирования опорного напряжения, и может быть использовано при создании источников стабильного и температурно-независимого напряжения постоянного тока. Технический результат: снижение сложности реализации устройства при одновременном повышении точности, а также снижение выходного сопротивления. Источник опорного напряжения содержит семь резисторов, один диод, четыре операционных усилителя. 10 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электротехники, а именно к источникам стабильного и температурно-независимого напряжения постоянного тока, и может быть использовано в качестве источника опорного напряжения при построении аналоговых интегральных схем.

Уровень техники

Известен источник опорного напряжения, базирующийся на операции термостатирования опорного элемента. Для реализации данного устройства использован нагреватель, управляемый температурным датчиком (Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Сов. радио, 1979. - 368 с., см. стр.243-244).

Недостатком данного устройства является большая потребляемая нагревателем мощность, медленное вхождение в рабочий режим, значительный уровень шумов.

Известен источник опорного напряжения с использованием «стабилитрона с напряжением запрещенной зоны» - электронной схемы, выполняющей функции стабилитрона. Для реализации данного устройства осуществляют генерацию напряжения с температурным коэффициентом, положительным и равным по абсолютной величине отрицательному температурному коэффициенту опорного элемента, выполненного на базе биполярного транзистора (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1997 г. - 704 с., см. стр.355-356).

Недостатком данного устройства является повышенный уровень шумов. Кроме того, в технологиях изготовления микросхем, которые используют только CMOS-процесс, построение схемы стабилизации, основанной на принципе «запрещенной зоны», вызывает технологические трудности.

Одним из возможных способов их решения является разработка схемы источника опорного напряжения на диодах, резисторах и операционных усилителях.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению и взятым автором за прототип является источник опорного напряжения (патент RU №2344464, МПК G05F 3/08), содержащий первый операционный усилитель, выход которого подключен к первым контактам первого и четырнадцатого резисторов, инвертирующий вход первого операционного усилителя подключен ко второму контакту первого резистора и к первому контакту второго резистора, второй контакт которого соединен с общим проводом, выход второго операционного усилителя соединен с первыми контактами пятого, третьего и седьмого резисторов, инвертирующий вход второго операционного усилителя соединен со вторым контактом седьмого резистора и с первым контактом восьмого резистора, второй контакт которого соединен с общим проводом, неинвертирующие входы второго и четвертого операционных усилителей подключены к точке соединения второго контакта третьего резистора и первого контакта четвертого резистора, второй контакт которого соединен с анодом первого диода, инвертирующий вход четвертого операционного усилителя соединен с выходом четвертого операционного усилителя и с первым контактом десятого резистора, неинвертирующий вход третьего операционного усилителя подключен к точке соединения второго контакта пятого резистора и первого контакта шестого резистора, второй контакт которого соединен с анодом второго диода, а инвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен с выходом третьего операционного усилителя, с первым контактом одиннадцатого резистора и с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, катоды первого и второго диодов соединены с общим проводом, неинвертирующий вход пятого операционного усилителя соединен со вторым контактом одиннадцатого резистора и с первым контактом двенадцатого резистора, второй контакт которого соединен с общим проводом, а инвертирующий вход пятого операционного усилителя подключен ко второму контакту десятого резистора и к первому контакту девятого резистора, выход пятого операционного усилителя подключен ко второму контакту девятого резистора и к первому контакту тринадцатого резистора, второй контакт тринадцатого резистора соединен со вторым контактом четырнадцатого резистора и с выходом устройства.

Недостатком данного устройства является высокая сложность, низкая точность, а также большое выходное сопротивление, что сужает функциональные возможности устройства как источника опорного напряжения.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к снижению сложности реализации при одновременном повышении точности, а также снижению выходного сопротивления, а значит, и расширению функциональных возможностей устройства как источника опорного напряжения.

Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее семь резисторов, один диод, один (первый) операционный усилитель, ориентированный на двухполярное питание, введены три операционных усилителя, ориентированных на однополярное питание, причем первый контакт первого резистора служит входом питания положительной полярности устройства; второй контакт первого резистора подключен к входам питания положительной полярности первого, второго, третьего и четвертого операционных усилителей, входы питания отрицательной полярности которых заземлены; катод диода заземлен; анод диода подключен к выходу и инвертирующему входу второго операционного усилителя и первым контактам второго и шестого резисторов; второй контакт четвертого резистора заземлен, а первый контакт подключен к первому контакту третьего резистора и инвертирующему входу первого операционного усилителя; второй контакт пятого резистора заземлен, а первый контакт подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя; неинвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя; выход первого операционного усилителя подключен к выходу и инвертирующему входу третьего операционного усилителя, вторым контактам второго, третьего и седьмого резисторов; первый контакт седьмого резистора соединен со вторым контактом шестого резистора и неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя, выход которого соединен со своим инвертирующим входом и выходом устройства.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена функциональная схема источника опорного напряжения.

На фиг.2 представлена PSPICE модель источника опорного напряжения.

На фиг.3 представлен график зависимости потенциала в точке А от изменения температуры.

На фиг.4 представлен график зависимости напряжения питания операционного усилителя 2 от напряжения питания устройства при температуре 27°С.

На фиг.5 представлен график зависимости напряжения питания операционного усилителя 2 от температуры при напряжении питания устройства 9 В.

На фиг.6 представлен график зависимости потенциала в точке В от изменения температуры.

На фиг.7 представлены графики зависимости потенциалов в точках А, В и С от изменения температуры.

На фиг.8 представлены графики зависимости величины выходного опорного напряжения устройства от температуры при отклонении номиналов сопротивлений резисторов сумматора на ±0,1% от расчетного.

На фиг.9 представлены графики зависимости величины выходного опорного напряжения устройства от температуры при отклонении номиналов сопротивлений резисторов схемы на ±5% от расчетного и неизменности сопротивлений резисторов сумматора.

На фиг.10 представлены графики зависимости величины выходного опорного напряжения устройства от температуры при отклонении напряжения питания устройства на ±5 В от среднего (9 В).

На схеме фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 - первый резистор;

2 - первый операционный усилитель;

3 - второй операционный усилитель;

4 - третий операционный усилитель;

5 - диод;

6 - второй резистор;

7 - третий резистор;

8 - четвертый резистор;

9 - пятый резистор;

10 - шестой резистор;

11 - седьмой резистор;

12 - четвертый операционный усилитель.

А - узел А - точка подключения ветвей схемы к аноду диода 5;

В - узел В - точка подключения ветвей схемы к выходу первого операционного усилителя 2;

С - узел С - точка подключения выходной ветви схемы.

Осуществление изобретения

Источник опорного напряжения, фиг.1, содержит первый-седьмой резисторы 1 и 6÷11, первый-четвертый операционные усилители 2÷4 и 12, диод 5, причем первый контакт первого резистора 1 служит входом питания положительной полярности устройства; второй контакт первого резистора 1 подключен к входам питания положительной полярности первого, второго, третьего и четвертого операционных усилителей 2÷4 и 12, входы питания отрицательной полярности которых заземлены; катод диода 5 заземлен; анод диода 5 подключен к выходу и инвертирующему входу второго операционного усилителя 3 и первым контактам второго и шестого резисторов 6, 10 (образующих узел А); второй контакт четвертого резистора 8 заземлен, а первый контакт подключен к первому контакту третьего резистора 7 и инвертирующему входу первого операционного усилителя 2; второй контакт пятого резистора 9 заземлен, а первый контакт подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя 2; неинвертирующий вход второго операционного усилителя 3 соединен с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя 4; выход первого операционного усилителя 2 (образующий узел В) подключен к выходу и инвертирующему входу третьего операционного усилителя 4, вторым контактам второго, третьего и седьмого резисторов 6, 7, 11; первый контакт седьмого резистора 11 соединен со вторым контактом шестого резистора 10 и неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя 12, выход которого соединен со своим инвертирующим входом и выходом устройства (образующими узел С).

В основе принципа работы предлагаемого источника опорного напряжения лежат следующие концепции:

сумма (у₁+у₂) линейных функций, убывающей у₁ и возрастающей у₂, вида (1)

при условии масштабирования убывающей функции у₁ (приведения ее к виду n₁·у₁ согласно (2)

и выполнения условия (3)

порождает функцию (4) вида:

В основе алгоритма работы предлагаемого устройства лежат следующие операции:

1) генерация убывающего от роста температуры напряжения (напряжения, характеризуемого отрицательным температурным коэффициентом);

2) генерация возрастающего от роста температуры напряжения (напряжения, характеризуемого положительным температурным коэффициентом);

3) буферизация генерируемых напряжений;

4) масштабное суммирование двух напряжений;

5) буферизация суммированных напряжений.

Источник опорного напряжения работает следующим образом.

Анализ работы устройства проведем с опорой на модель, фиг.2, выполненную с использованием пакета программ схемотехнического анализа MicroCAP-8.

В источнике опорного напряжения применены однотипные резисторы с одинаковым температурным коэффициентом сопротивления.

На первом операционном усилителе 2, третьем резисторе 7, четвертом резисторе 8 и пятом резисторе 9 собран инвертирующий усилитель.

Такая схема является самозапускающейся при подаче напряжения питания и условии, что сопротивление пятого резистора 9 одного порядка малости, что и сопротивление параллельно соединенных третьего резистора 7 и четвертого резистора 8.

Подключение первого операционного усилителя 2 (ориентированного на двухполярное питание) к однополярному источнику питания обеспечивает формирование на выходе данного усилителя положительного потенциала (потенциал узла В), величина которого определяется:

- напряжением смещения нуля операционного усилителя;

- коэффициентом усиления операционного усилителя;

- напряжением, прикладываемым к инвертирующему входу операционного усилителя.

В целом потенциал узла В значительно превышает величину потенциала узла А (данное условие является определяющим для обеспечения работы устройства).

Потенциал узла А задается диодом 5, включенным в цепь: выход операционного усилителя 2, второй резистор 6, диод 5. Так как диод 5 характеризуется отрицательным температурным коэффициентом, то потенциал А характеризуется убывающим от роста температуры напряжением, фиг.3.

Так как первый операционный усилитель 2 характеризуется отрицательным токовым коэффициентом по температуре и напряжению (ток потребления уменьшается с ростом напряжения питания и температуры) (http://www.national.com/ds/LM/LM118.pdf), а первый резистор 1 выполняет функции, сходные с функциями балластного сопротивления в параметрических стабилизаторах напряжения, имеет место:

1) эффект стабилизации напряжения на входе питания операционного усилителя 2 (фиг.4) с коэффициентом более 1000;

2) эффект возрастания напряжения питания операционного усилителя 2 с ростом температуры (фиг.5).

Вследствие данных причин на выходе операционного усилителя 2 (узел В) генерируется возрастающее от роста температуры напряжение (напряжение, характеризуемое положительным температурным коэффициентом) (фиг.6).

На фиг.7 кривая 1 отображает изменение потенциала узла В от температуры, а кривая 3 - изменение потенциала узла А от температуры.

Дальнейшая задача состоит в получении суммы потенциалов с одновременной регулировкой наклона вольт-температурной характеристики и последующей буферизацией сформированного напряжения.

Чтобы входные токи сумматора не оказывали влияния на величины потенциалов узлов А и В, используются повторители этих потенциалов, выполненные на втором операционном усилителе 3 и третьем операционном усилителе 4.

На шестом резисторе 10 и седьмом резисторе 11 собран пассивный сумматор, входными сигналами для которого служат подвергнутые буферизации потенциалы узлов А и В.

Соотношением номиналов сопротивлений шестого резистора 10 и седьмого резистора 11 и входного сопротивления четвертого операционного усилителя 12 задается наклон вольт-температурной характеристики узла С (кривая 2, фиг.7).

Повторитель напряжения, выполненный на базе четвертого операционного усилителя 12, характеризуется малым выходным сопротивлением, благодаря чему источник опорного напряжения по своим параметрам приближается к идеальному источнику напряжения (см. П.Хоровиц, У.Хилл. «Искусство схемотехники». М.: Мир, 1998 г., с.19), что существенно расширяет функциональные возможности предлагаемого источника опорного напряжения.

Как видно из принципа работы устройства, величина выходного опорного напряжения существенно зависит только от соотношения номиналов сопротивлений резисторов сумматора (фиг.8). В частности, погрешность установки величины сопротивлений шестого резистора 10 и седьмого резистора 11 на ±0,1% от расчетной для наихудших случаев не превышает 0,7 мВ.

Величина площади p-n-перехода диода 5 в случае интегрального исполнения гарантируется технологическим процессом изготовления кристаллов. Разброс параметров операционных усилителей и остальных резисторов сколько-нибудь существенного влияния на величину выходного напряжения не оказывает (фиг.9). В частности, погрешность установки величины сопротивлений первого-пятого резисторов 1, 6, 7, 8, 9 на ±5% от расчетной для наихудших случаев не превышает 0,05 мВ.

Изменение напряжения питания слабо влияет на величину выходного напряжения (фиг.10). В частности, отклонение напряжения питания устройства на ±5 В от среднего (9 В) приводит к отклонению выходного напряжения от расчетного не более чем на ±1 мВ.

При неизменности номиналов элементов схемы и напряжения питания неравномерность выходного напряжения устройства в диапазоне температур 0÷100°С не превышает 0,117 мВ (кривые №2, фиг.8, 9, 10).

Из анализа кривой №2 (фиг.9) следует, что в наихудшем случае для интервала температур 0÷100°С температурный коэффициент изменения выходного напряжения (ТКН) предлагаемого источника опорного напряжения согласно http://www.eltis.ua/russian/info/articles/articles-analogtech/showpage_78.html составит:

где ΔU_вых - отклонение выходного напряжения от номинального в диапазоне температур, равное для наихудшего случая -95 мкВ (фиг.9);

U_вых.н - номинальное выходное напряжение при температуре 27°С, равное 1,299015 В (фиг.9);

ΔT - диапазон температур, равный 100°С.

Ток потребления устройства составляет 12÷522 мкА, при напряжении питания соответственно 4÷14 В.

Для сравнения ИМС AD780 имеет ТКН=3 ppm/°С и ток потребления 1 мА; ИМС МАХ872 имеет ТКН=40 ppm/°С и ток потребления 10 мкА (http://www.gaw.rn/html.cgi/txt/doc/ldo/linps_5.htm).

В силу малого числа элементов и некритичности их параметров по отношению к величине выходного напряжения имеет место снижение сложности реализации предлагаемого устройства при одновременном повышении точности, а также снижение выходного сопротивления, а значит, и расширение функциональных возможностей устройства как источника опорного напряжения.

Источник опорного напряжения, содержащий семь резисторов, один диод, один (первый) операционный усилитель, ориентированный на двухполярное питание, отличающийся тем, что в устройство введены три операционных усилителя, ориентированных на однополярное питание, причем первый контакт первого резистора служит входом питания положительной полярности устройства; второй контакт первого резистора подключен к входам питания положительной полярности первого, второго, третьего и четвертого операционных усилителей, входы питания отрицательной полярности которых заземлены; катод диода заземлен; анод диода подключен к выходу и инвертирующему входу второго операционного усилителя, и первым контактам второго и шестого резисторов; второй контакт четвертого резистора заземлен, а первый контакт подключен к первому контакту третьего резистора и инвертирующему входу первого операционного усилителя; второй контакт пятого резистора заземлен, а первый контакт подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя; неинвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя; выход первого операционного усилителя подключен к выходу и инвертирующему входу третьего операционного усилителя, вторым контактам второго, третьего и седьмого резисторов; первый контакт седьмого резистора соединен со вторым контактом шестого резистора и неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя, выход которого соединен со своим инвертирующим входом и выходом устройства.