Источник опорного напряжения

Устройство относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей и других элементов автоматики. Техническим результатом является упрощение схемы при высокой температурной стабильности выходного напряжения. Устройство содержит первый транзистор, эмиттером подключенный к эмиттеру второго транзистора, первый резистор, включенный между эмиттером первого транзистора и общей шиной, второй резистор, первым выводом подключенный к точке соединения базы первого транзистора с коллектором второго транзистора, третий транзистор, база которого подключена к базе второго транзистора и к выходу устройства, эмиттер третьего транзистора соединен с эмиттером второго транзистора, коллектор третьего транзистора подключен к истоку первого полевого транзистора, затвор которого подключен к шине питания, а сток - к базе четвертого транзистора, третий резистор включен между истоком первого полевого транзистора и шиной питания, второй полевой транзистор, истоком подключенный к коллектору первого транзистора, затвором - к шине питания, а стоком - к точке соединения базы и коллектора пятого транзистора и базы шестого транзистора, эмиттеры пятого транзистора и шестого транзистора. 10 ил.

 

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

Известны источники опорного напряжения (ИОН), имеющие высокую стабильность, но содержащие в своем составе биполярные транзисторы p-n-p типа и полевые транзисторы с изолированным затвором, что снижает их радиационную стойкость [Haiplik, H.. Voltage Reference Circuit. / US patent No.7626374, Dec.1, 2009].

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ИОН, приведенный в [Scoones, K. Voltage Reference Circuit with Increased Intrinsic Accuracy. / US Patent No.6642777, Nov.4, 2003].

На фиг.1 показана схема прототипа, содержащая первый транзистор, эмиттером соединенный с эмиттером второго транзистора, база которого подключена к коллектору первого транзистора и первому выводу первого резистора, второй вывод которого подключен к точке соединения базы первого транзистора, неинвертирующего входа операционного усилителя, выхода операционного усилителя, первого вывода второго резистора и выходом устройства, третий резистор, включенный между эмиттером первого транзистора и общей шиной, четвертый резистор, включенный между шиной питания и точкой соединения коллектора второго транзистора с инвертирующим входом операционного усилителя, а второй вывод второго резистора подключен к шине питания.

Недостатком прототипа является низкий коэффициент стабилизации и малый диапазон изменения питающего напряжения.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение коэффициента стабилизации и расширение диапазона изменения питающего напряжения при сохранении высокой температурной стабильности выходного напряжения.

Для решения поставленной задачи в схему прототипа, содержащую первый транзистор, эмиттером подключенный к эмиттеру второго транзистора, первый резистор, включенный между эмиттером первого транзистора и общей шиной, второй резистор, первым выводом подключенный к точке соединения базы первого транзистора с коллектором второго транзистора, второй вывод второго резистора подключен к базе второго транзистора и к выходу устройства, третий резистор, первым выводом подключенный к шине питания, а вторым к коллектору первого транзистора, четвертый резистор, первым выводом соединенный с шиной питания, введен третий транзистор, четвертый транзистор, пятый транзистор, шестой транзистор, первый и второй полевые транзисторы, причем база третьего транзистора соединена с базой второго транзистора, его эмиттер подключен к эмиттеру второго транзистора, коллектор третьего транзистора соединен со вторым выводом четвертого резистора и с истоком первого полевого транзистора, эмиттер четвертого транзистора соединен с выходом устройства, его коллектор соединен с шиной питания, а его база соединена со стоком первого полевого транзистора и коллектором пятого транзистора, база пятого транзистора соединена с базой и коллектором шестого транзистора и со стоком второго полевого транзистора, эмиттер пятого транзистора соединен с эмиттером шестого транзистора и общей шиной, затвор первого и второго полевого транзистора подключен к шине питания, а сток второго полевого транзистора соединен с коллектором первого транзистора.

Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит первый транзистор 1, эмиттером подключенный к эмиттеру второго транзистора 2, первый резистор 3, включенный между эмиттером первого транзистора 1 и общей шиной, второй резистор 4, первым выводом подключенный к точке соединения базы первого транзистора 1 с коллектором второго транзистора 2, третий транзистор 5, база которого подключена к базе второго транзистора 2 и к выходу устройства, эмиттер третьего транзистора 5 соединен с эмиттером второго транзистора 2, коллектор третьего транзистора 5 подключен к истоку первого полевого транзистора 6, затвор которого подключен к шине питания, а сток - к базе четвертого транзистора 7, третий резистор 8 включен между истоком первого полевого транзистора 6 и шиной питания, второй полевой транзистор 9, истоком подключенный к коллектору первого транзистора 1, затвором - к шине питания, а стоком - к точке соединения базы и коллектора пятого транзистора 10 и базы шестого транзистора 11, эмиттеры пятого транзистора 10 и шестого транзистора 11 подключены к общей шине, коллектор шестого транзистора 11 подключен к базе четвертого транзистора 7, коллектор которого подключен к шине питания, и четвертый резистор 12, включенный между шиной питания и истоком второго полевого транзистора 9.

Работу заявляемого ИОН можно пояснить следующим образом.

При подаче питающего напряжения на ИОН из эмиттера четвертого транзистора 7 поступает ток, обеспечивающий токи баз и коллекторов второго транзистора 2 и третьего транзистора 5. В этом случае за счет падения напряжения на втором резисторе 4 создается разность напряжений база - эмиттер транзисторов 1 и 2

где I₂ - ток коллектора второго транзистора 2; R₄ - сопротивление второго резистора 4; φ_T - температурный потенциал; I₁ - ток коллектора первого транзистора 1, n - отношение площади эмиттера первого транзистора 1 к площади эмиттера второго транзистора 2.

Таким образом, ток коллектора первого транзистора 1 определяется разностью напряжений база - эмиттер транзисторов и, как известно, имеет положительный температурный дрейф.

Для выходного напряжения ИОН можно записать:

где U_БЭ.2 - напряжение база - эмиттер второго транзистора 2; R₃ - сопротивление первого резистора 3.

Дифференцируя (2) по температуре и приравнивая производную нулю, можно найти условие, при котором выходное напряжение не будет зависеть от температуры. Такое условие существует, так как напряжение база - эмиттер имеет отрицательный температурный дрейф, а разность напряжений база - эмиттер - положительный температурный дрейф. Отметим, что и ток I₁ имеет положительный температурный дрейф, что можно подтвердить результатами моделирования.

На фиг.3 приведена схема заявляемого ИОН в среде PSpice, а фиг.4 - схема прототипа. В качестве моделей использованы компоненты аналогового базового матричного кристалла (АБМК), выпускаемого Минским НПО «Интеграл» [Дворников, О.В. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями / О.В.Дворников, В.А.Чеховской // Chip News. - 1999. - №2. - С.21-23]. Транзисторы VT1-VT3 - GC_05_NPN, транзистор VT4 - PNPJF_JFET. Модели резисторов имеют линейный температурный коэффициент 0,15%/°С. В качестве операционного усилителя использована макромодель усилителя uА741 из библиотеки Spice-моделей OPAMP.LIB.

Результаты моделирования заявляемого ИОН при изменении температуры приведены на фиг.5.

График, приведенный на фиг.5, иллюстрирует зависимость выходного напряжения от температуры (нижний плот) и относительный температурный дрейф выходного напряжения (верхний плот). В данном случае температурный дрейф выходного напряжения не хуже ±34 ppm/°C, а максимальное относительное отклонение выходного напряжения во всем диапазоне изменения температуры составляет ±0,035%.

Оценим коэффициент стабилизации схемы прототипа. Для этого запишем выходное напряжение в схеме прототипа в виде:

где U_БЭ.2 - напряжение база - эмиттер транзистора VT2 (фиг.1); I₁, I₂ - токи коллекторов транзисторов VT1 и VT2 соответственно; R₂ - сопротивление резистора R2.

Чтобы определить нестабильность выходного напряжения в схеме прототипа, продифференцируем выражение (3) по входному напряжению Е_П:

Заметим, что приращение тока через резистор R1 за счет действия глубокой отрицательной обратной связи равно приращению тока через резистор R3 и равно приращению тока коллектора I₁ транзистора VT1.

Приращение тока I_R3 через резистор R3 и, следовательно, приращение тока I₁ можно найти следующим образом:

при условии, что dE_П>>dU_ВЫХ.

Первое слагаемое в выражении (4) можно представить как

где r_Э.2 - дифференциальное сопротивление эмиттера транзистора VT2.

Поскольку для тока I₂ справедливо выражение

,

откуда

С учетом выражения (5) выражение (7) можно представить как

Подставляя (5), (6) и (8) в (4), получаем:

Таким образом, если определить коэффициент стабилизации через конечные приращения как

,

из (9) следует:

По аналогии с предыдущим случаем для схемы заявляемого ИОН можно записать:

где U_БЭ.2 - напряжение база - эмиттер второго транзистора VT2 (фиг.2); I₁ - ток коллектора первого транзистора VT1; I₂ - ток коллектора второго транзистора VT2; I₃ - ток коллектора третьего транзистора VТ3.

Поскольку токи коллекторов транзисторов VT1 и VT3 практически равны и практически равны их приращения при изменении питающего напряжения, после дифференцирования выражения (11) получаем:

С учетом того, что основное приращение тока через третий резистор 12 происходит за счет конечного сопротивления коллектор - база первого транзистора VT1, то есть

,

выражение (12) можно представить в виде:

где r_КБ - дифференциальное сопротивление коллектор - база первого транзистора VT1.

Используя преобразования, аналогичные предыдущему анализу схемы прототипа, для заявляемого ИОН находим:

Из сопоставления выражений (14) и (10) видно, что при одинаковых режимах транзисторов, входящих в состав прототипа и заявляемого ИОН, будет выполняться условие:

Результаты сопоставительного моделирования схемы заявляемого ИОН и прототипа приведены на фиг.6 и фиг.7.

График, приведенный на фиг.6, показывает зависимость изменения выходного напряжения схемы прототипа при изменении входного напряжения (нижний плот) и его коэффициента стабилизации (верхний плот).

На фиг.7 представлены аналогичные зависимости для схемы заявляемого ИОН.

Из представленных результатов моделирования видно, что коэффициент стабилизации заявляемого ИОН по крайней мере в шесть раз больше, чем в схеме прототипа. Кроме того, схема прототипа сохраняет функциональную годность при изменении входного напряжения в пределах ±0,1 В, а затем переходит в триггерный режим, а схема заявляемого ИОН сохраняет работоспособность в диапазоне изменения входного напряжения ±0,5 В и более. На фиг.8 приведено изменение выходного напряжения ИОН схемы прототипа при изменении температуры в пределах от -40°C до 120°C при параметрическом изменении питающего напряжения от 2,9 В до 3,2 В. При входном напряжении 3,2 В схема прототипа переходит в триггерный режим.

На фиг.9 приведено изменение выходного напряжения заявляемого ИОН при изменении температуры в пределах от -40°C до 120°C при параметрическом изменении питающего напряжения от 5,5 В до 6,5 В. Как видно из приведенных графиков, работоспособность схемы заявляемого ИОН сохраняется во всем диапазоне изменения входного напряжения, причем абсолютное отклонение выходного напряжения не выходит за пределы нестабильности при изменении температуры.

Таким образом, задача предлагаемого изобретения - повышение коэффициента стабилизации при расширении диапазона изменения питающего напряжения решена.

Дополнительным преимуществом предлагаемого изобретения является его повышенная радиационная стойкость, так как транзисторы n-p-n типа, входящие в состав АБМК, обладают повышенной радиационной стойкостью, а полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и каналом p-типа практически не чувствительны к потоку нейтронов вплоть до интенсивности F=10¹³ n/см²·с. Результаты моделирования схемы заявляемого ИОН при различных уровнях радиационного воздействия, приведенные на фиг.10, показывают, что сохраняется не только функциональная годность заявляемого ИОН, но и в значительной мере сохраняется его свойство температурной стабильности вплоть до F=10¹³ n/см²·с.

Источник опорного напряжения, содержащий первый транзистор, эмиттером подключенный к эмиттеру второго транзистора, первый резистор, включенный между эмиттером первого транзистора и общей шиной, второй резистор, первым выводом подключенный к точке соединения базы первого транзистора с коллектором второго транзистора, второй вывод второго резистора подключен к базе второго транзистора и к выходу устройства, третий резистор, первым выводом подключенный к шине питания, а вторым к коллектору первого транзистора, четвертый резистор первым выводом соединенный с шиной питания, отличающийся тем, что в устройство введен третий транзистор, четвертый транзистор, пятый транзистор, шестой транзистор, первый и второй полевые транзисторы, причем база третьего транзистора соединена с базой второго транзистора, его эмиттер подключен к эмиттеру второго транзистора, коллектор третьего транзистора соединен со вторым выводом четвертого резистора и с истоком первого полевого транзистора, эмиттер четвертого транзистора соединен с выходом устройства, его коллектор соединен с шиной питания, а его база соединена со стоком первого полевого транзистора и коллектором пятого транзистора, база пятого транзистора соединена с базой и коллектором шестого транзистора и со стоком второго полевого транзистора, эмиттер пятого транзистора соединен с эмиттером шестого транзистора и общей шиной, затвор первого и второго полевого транзистора подключен к шине питания, а сток второго полевого транзистора соединен с коллектором первого транзистора.