Источник опорного напряжения

Авторы патента:

Барилов Иван Васильевич (RU)

Сукманов Александр Владимирович (RU)

Старченко Евгений Иванович (RU)

Кузнецов Павел Сергеевич (RU)

G05F3/26 - токовые зеркала

Владельцы патента RU 2473951:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, и других элементов автоматики. Технический результат - упрощение схемы при высокой температурной стабильности выходного напряжения. Устройство содержит первый транзистор, эмиттер которого подключен к общей шине, база - к коллектору второго транзистора, а коллектор - к эмиттеру третьего транзистора, коллектор третьего транзистора подключен к точке соединения базы и коллектора четвертого транзистора и базы пятого транзистора, коллектор которого подключен к точке соединения базы и коллектора шестого транзистора и базы третьего транзистора, первый резистор, первым выводом подключенный к коллектору второго транзистора, а вторым выводом соединенный с первым выводом второго резистора, третий резистор, включенный между базой второго транзистора и точкой соединения первого резистора со вторым резистором, четвертый резистор, включенный между эмиттером четвертого транзистора и шиной питания, пятый резистор, включенный между эмиттером пятого транзистора и шиной питания, а точка соединения эмиттера шестого транзистора со вторым выводом второго резистора является выходом устройства. 6 ил.

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

Известен источник опорного напряжения (ИОН), имеющий относительно высокую температурную стабильность, однако он схемотехнически и технологически сложен, так как содержит в своем составе как биполярные, так и полевые транзисторы [Ozalevli, E. at al. Method and apparatus for higher-order correction of a bandgap voltage reference/ US patent No. 7728575, Jim. 1, 2010].

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ИОН, приведенный в [Bernard, P. Voltage generator for generating a stable voltage independent of variations in the ambient temperature and of variations in the supply voltage / US Patent No Re.34772, Nov. 1994].

На фиг.1 показана схема прототипа, содержащая первый транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, базой - к коллектору второго транзистора, второй транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, третий транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору первого транзистора, коллектор третьего транзистора подключен к точке соединения базы и коллектора четвертого транзистора, а база третьего транзистора подключена к положительному выводу источника ЭДС смещения, отрицательный вывод которого подключен к общей шине, пятый транзистор, базой подключенный к базе четвертого транзистора, а коллектором - к выходу устройства, шестой транзистор, база и коллектор которого объединены и подключены к эмиттеру пятого транзистора, эмиттер шестого транзистора подключен к шине питания, седьмой транзистор, коллектором подключенный к эмиттеру четвертого транзистора, базой - к базе шестого транзистора, а эмиттером - к шине питания, первый резистор, включенный между коллектором и базой второго транзистора, второй резистор, включенный между базой второго транзистора и выходом устройства.

Недостатком прототипа является его относительно низкая температурная стабильность и высокая сложность схемы, требующая дополнительного источника ЭДС смещения.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение температурной стабильности выходного напряжения ИОН при одновременном упрощении устройства.

Для решения поставленной задачи в схему прототипа, содержащую первый транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, базой - к коллектору второго транзистора, второй транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, третий транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору первого транзистора, а коллектор третьего транзистора подключен к точке соединения базы и коллектора четвертого транзистора, пятый транзистор, базой подключенный к базе четвертого транзистора, шестой транзистор, база и коллектор которого объединены, первый резистор, первым выводом подключенный к коллектору второго транзистора, а вторым выводом - к первому выводу второго резистора, второй вывод которого соединен с выходом устройства, введены третий, четвертый и пятый резисторы, причем третий резистор включен между базой второго транзистора и вторым выводом первого резистора, четвертый резистор включен между эмиттером четвертого транзистора и шиной питания, пятый резистор включен между эмиттером пятого транзистора и шиной питания, объединенные база и коллектор шестого транзистора соединены с базой третьего и коллектором пятого транзисторов, а эмиттер шестого транзистора подключен к выходу устройства.

Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит первый транзистор 1, эмиттер которого подключен к общей шине, база - к коллектору второго транзистора 2, а коллектор - к эмиттеру третьего транзистора 3, коллектор третьего транзистора 3 подключен к точке соединения базы и коллектора четвертого транзистора 4 и базы пятого транзистора 5, коллектор которого подключен к точке соединения базы и коллектора шестого транзистора 6 и базы третьего транзистора 3, первый резистор 7, первым выводом подключенный к коллектору второго транзистора 2, а вторым выводом соединенный с первым выводом второго резистора 8, третий резистор 9, включенный между базой второго транзистора 2 и точкой соединения первого резистора 7 со вторым резистором 8, четвертый резистор 10, включенный между эмиттером четвертого транзистора 4 и шиной питания, пятый резистор 11, включенный между эмиттером пятого транзистора 5 и шиной питания, а точка соединения эмиттера шестого транзистора 6 со вторым выводом второго резистора 8 является выходом устройства.

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:

где I₂ - ток коллектора второго транзистора 2; U_БЭ.2 - напряжение база-эмиттер второго транзистора 2; β₂ - коэффициент усиления тока базы второго транзистора 2; R₈ - сопротивление второго резистора 8; R₉ - сопротивление третьего резистора 9.

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

где φ_T - температурный потенциал; N - отношение площадей эмиттеров первого транзистора 1 и второго транзистора 2.

(Справедливость приближенного равенства (2) обусловлена тем, что R₇>>R₃/β₂).

Выражение (2) показывает, что ток коллектора второго транзистора 2 определяется разностью напряжений база-эмиттер первого транзистора 1 и второго транзистора 2.

С учетом (2) 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]:

где Т - абсолютная температура; β₀ - коэффициент усиления тока базы при комнатной (номинальной) температуре Т₀.

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

Из анализа выражения (3) следует, что наряду с компенсацией линейной составляющей температурного дрейфа напряжения база-эмиттер второго транзистора 2 (второе слагаемое в правой части выражения (3) присутствует квадратичная составляющая (третье слагаемое). Таким образом, падение напряжения на третьем резисторе 9 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:

где R₁, R₂ - сопротивления резисторов, соответствующие позиционному обозначению на фиг.2.

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 приведены результаты моделирования схемы заявляемого ИОН при изменении температуры в диапазоне от -40° до 120°. Абсолютное отклонение выходного напряжения при изменении температуры не превышает 4,2 мкВ при максимальном температурном дрейфе не более 0,472 ppm. Вид кривой изменения выходного напряжения (нижний график) показывает, что в ней доминирует температурная составляющая третьего порядка.

На фиг.6 приведены результаты аналогичного моделирования схемы прототипа. Вид кривой изменения выходного напряжения при изменении температуры говорит о доминировании температурной составляющей второго порядка. Абсолютное отклонение выходного напряжения при воздействии температуры составляет 619 мкВ, что более чем в 140 раз больше, чем в схеме заявляемого ИОН, а максимальный температурный дрейф составляет 19 ppm, что в 40 раз хуже, чем в схеме заявляемого ИОН.

Таким образом, задача предполагаемого изобретения - повышение температурной стабильности и упрощение схемы за счет исключения источника ЭДС смещения решена.

Источник опорного напряжения, содержащий первый транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, базой - к коллектору второго транзистора, второй транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, третий транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору первого транзистора, а коллектор третьего транзистора подключен к точке соединения базы и коллектора четвертого транзистора, пятый транзистор, базой подключенный к базе четвертого транзистора, шестой транзистор, база и коллектор которого объединены, первый резистор, первым выводом подключенный к коллектору второго транзистора, а вторым выводом - к первому выводу второго резистора, второй вывод которого соединен с выходом устройства, отличающийся тем, что в устройство введены третий, четвертый и пятый резисторы, причем третий резистор включен между базой второго транзистора и вторым выводом первого резистора, четвертый резистор включен между эмиттером четвертого транзистора и шиной питания, пятый резистор включен между эмиттером пятого транзистора и шиной питания, объединенные база и коллектор шестого транзистора соединены с базой третьего и коллектором пятого транзисторов, а эмиттер шестого транзистора подключен к выходу устройства.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и автоматики. .

Аналоговый перемножитель напряжений // 2396595

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.

Аналоговый перемножитель напряжений // 2382484

Изобретение относится к области радиотехники и связи. .

Биполярное токовое зеркало с регулируемым коэффициентом передачи // 2377633

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

Токовое зеркало // 2368065

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).

Токовое зеркало // 2367996

Токовое зеркало // 2365971

Токовое зеркало // 2365970

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), компараторах, стабилизаторах и т.п.).

Токовое зеркало // 2365969

Токовое зеркало // 2362203

Токовое зеркало с пониженным выходным напряжением // 2543313

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. Достигаемый технический результат - повышение точности передачи тока при сохранении высокого выходного сопротивления и низкого выходного напряжения. Токовое зеркало с пониженным выходным напряжением содержит первый и второй входные МОП-транзисторы, включенные последовательно между шиной питания и входом токового зеркала, а также первый и второй выходные МОП-транзисторы, включенные последовательно между шиной питания и выходом токового зеркала, истоки и изолирующие карманы первого входного и первого выходного МОП-транзисторов соединены с шиной питания, а затворы всех МОП-транзисторов и изолирующие карманы второго входного и второго выходного МОП-транзисторов подключены к входу токового зеркала. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Низковольтное кмоп токовое зеркало // 2544780

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. Технический результат заключается в повышении выходного сопротивления токового зеркала и соответствующей точности передачи по току. Для этого предложено токовое зеркало, которое содержит схемотехнически идентичные входной и выходной каскады, каждый из которых включает два МОП транзистора, соединенные последовательно между первой шиной питания и входом или выходом, соответственно, а также цепь активного регулирования, включающую резистор и дополнительный МОП транзистор соединенные последовательно между точкой последовательного соединения входных (выходных) транзисторов и второй шиной питания. Затворы дополнительных транзисторов подключены к входу и выходу токового зеркала. 3 ил.

Источник тока // 2620592

Изобретение относится к электронике и предназначено для использования в интегральных микросхемах на комплементарных транзисторах структуры металл-диэлектрик-полупроводник (КМДП). Технический результат, заключающийся в повышении стабильности вырабатываемого тока по напряжению питания, достигается введением в устройство четвертого и пятого МДП-транзисторов (5 и 6) с индуцированным каналом первого типа проводимости, третьего и четвертого МДП-транзисторов (9 и 10) с индуцированным каналом второго типа проводимости и выполнением их связей. Это позволяет выровнять электрические режимы МДП-транзисторов, формирующих токи, протекающие в диодах (11 и 12). На схеме устройства также обозначены резистор (1) с первого по третий МДП-транзисторы (2-4) с индуцированным каналом первого типа проводимости, первый и второй МДП-транзисторы (7 и 8) с индуцированным каналом второго типа проводимости. Выходной ток устройства выражает формула ,где k=1,38⋅10-23 Дж/град - постоянная Больцмана, q=1,6⋅10-19 Кл - заряд электрона, β2-β4 - крутизны МДП-транзисторов 2-4, отношения которых определяются отношением размеров каналов транзисторов, SD11 и SD12 - площади p-n переходов диодов 11 и 12, R10 - сопротивление резистора 1 при Т=Т0 в линейно-пропорциональной абсолютной температуре аппроксимации термозависимости сопротивления - R1=R10⋅Т/Т0. 8 ил., 2 табл.

Устройство троичной схемотехники на токовых зеркалах // 2648565

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 содержит 30 транзисторов, 2 диода, 1 резистор и источник тока. 1 ил., 4 табл.