ТЕМПЕРАТУРНО СТАБИЛЬНЫЙ РАДИАЦИОННО СТОЙКИЙ ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ПАРЫ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
TEMPERATURE STABLE RADIATION-RESISTANT REFERENCE-VOLTAGE SOURCE BASED ON DIFFERENTIAL PAIR OF FIELD-EFFECT TRANSISTORS

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), обладающий относительно высокой температурной стабильностью и позволяющий получить выходное напряжение как выше, так и ниже ширины запрещенной зоны кремния, но достаточно сложный в схемотехнической реализации и не обладающий надлежащей радиационной стойкостью, так как содержит в своем составе транзисторы p-n-p-типа [US].
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ИОН, приведенный в [Патент РФ №2517683. Барилов И.В., Старченко Е.И., Кузнецов П.С., Гавлицкий А.И. Низковольтный температурно стабильный радиационно стойкий источник опорного напряжения. - Апрель, 2014].
На фиг.1 приведена схема прототипа, содержащая первый и второй полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом, истоки которых объединены и подключены к эмиттеру первого биполярного транзистора, а их затворы соединены с общей шиной, первый резистор, включенный между стоками первого и второго полевых транзисторов, второй резистор, включенный между стоком первого полевого транзистора и общей шиной, третий резистор, включенный между базой первого биполярного транзистора и шиной питания, второй биполярный транзистор, база и коллектор которого объединены и подключены к стоку второго полевого транзистора, его эмиттер подключен к общей шине, а выходом устройства является сток первого полевого транзистора.
Недостатком прототипа является невозможность изменять выходное напряжение в широких пределах, поскольку для достижения температурной стабильности оно будет всегда меньше напряжения база-эмиттер транзистора.
Задачей предлагаемого изобретения является получение возможности регулировать выходное напряжение в широких пределах - как ниже ширины запрещенной зоны кремния, так и выше этого напряжения.
Для решения поставленной задачи в схему прототипа, содержащую первый и второй полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом, истоки которых объединены, первый резистор, включенный между стоками первого и второго полевых транзисторов, второй резистор, включенный между стоком первого полевого транзистора и общей шиной, третий резистор, первым выводом подключенный к шине питания, первый биполярный транзистор, коллектором подключенный к шине питания, затвор первого полевого транзистора подключен к шине питания, введены четвертый и пятый резисторы и источник тока, причем второй вывод третьего резистора подключен к истокам полевых транзисторов, база первого полевого транзистора соединена с шиной питания, четвертый резистор включен между шиной питания и затвором второго полевого транзистора, пятый резистор включен между затвором второго полевого транзистора и эмиттером первого биполярного транзистора, база которого подключена к шине питания, источник тока включен между эмиттером первого биполярного транзистора и общей шиной, а сток второго полевого транзистора является выходом устройства.
Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит первый полевой транзистор 1 и второй полевой транзистор 2, между стоками которых включен первый резистор 3, второй резистор 4 включен между стоком первого полевого транзистора 1 и общей шиной, третий резистор 5, включенный между объединенными истоками первого полевого транзистора 1 и второго полевого транзистора 2 и общей шиной, четвертый резистор 6, включенный между шиной питания и затвором второго полевого транзистора 2, пятый резистор 7, включенный между затвором второго полевого транзистора 2 и эмиттером первого биполярного транзистора 8, база и коллектор которого подключены к шине питания и источник тока 9, включенный между эмиттером первого биполярного транзистора 8 и общей шиной, база первого биполярного транзистора подключена к шине питания, а сток первого полевого транзистора 1 подключен к выходу устройства.
Работу заявляемого ИОН можно пояснить следующим образом. На первом полевом транзисторе 1 и втором полевом транзисторе 2 выполнен дифференциальный каскад, к одному из входов которого (затвор второго полевого транзистора 2) через делитель напряжения на четвертом резисторе 6 и пятом резисторе 7 подключено напряжение перехода база-эмиттер первого биполярного транзистора 8. Известно, что напряжение база-эмиттер биполярного транзистора имеет отрицательный температурный дрейф, поэтому и ток стока второго полевого транзистора 2 будет уменьшаться с ростом температуры. Но поскольку полевые транзисторы представляют собой дифференциальный каскад, ток стока первого полевого транзистора 1 будет расти с ростом температуры, причем скорость его дрейфа будет пропорциональна скорости температурного дрейфа тока стока второго полевого транзистора 2. Таким образом, если просуммировать токи стоков полевых транзисторов 1 и 2, как показано на фиг.2, для выходного напряжения можно записать:
1
2
3
4
где I, I - токи стоков соответствующих полевых транзисторов; R, R - сопротивления соответствующих резисторов.
Условие температурной стабильности ИОН можно получить дифференцируя выражение (1) по температуре и приравнивая производную нулю:
откуда
2
1
2
2
1
3
4
Поскольку, как было сказано выше, дрейф тока стока полевого транзистора 2 I обусловлен дрейфом напряжения база эмиттер биполярного транзистора 8, он имеет отрицательный знак. Из-за дифференциальной связи токов I и I ток стока полевого транзистора 1 будет иметь противоположный знак. В то же время крутизна преобразования изменения тока I и тока I будут несколько отличаться, поэтому абсолютное значения температурных дрейфов указанных токов будет разным, что компенсируется выбором резисторов R и R.
(Необходимо отметить, что начальные токи стоков полевых транзисторов необходимо выбирать в окрестности температурно стабильной точки [Достал И. Операционные усилители: Пер. с англ. М., 1982. С.60-66]).
3
4
Из выражений (1) и (3) вполне очевидно, что изменение выходного напряжения заявляемого ИОН возможно в широких пределах изменением абсолютных значений сопротивлений R и R при сохранении их отношения.
Для моделирования схемы заявляемого ИОН использовались компоненты аналогового базового матричного кристалла [Дворников О.В., Чеховской В.А. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями // ChipNevs - 1999. №2 - С.21-33].
Схема заявляемого ИОН в среде PSpice приведена на фиг.3.
1
2
Результаты моделирования заявляемого ИОН при изменении температуры приведены на фиг.2. Выходное напряжение заявляемого ИОН имеет две точки экстремума по температуре, что объясняется компенсацией составляющих температурного дрейфа не только первого, но и второго порядка, поскольку температурные дрейфы токов I и I обусловлены температурным дрейфом одного источника - напряжения база-эмиттер биполярного транзистора.
Абсолютное отклонение выходного напряжения заявляемого ИОН при выходном напряжении 1,569 В составляет 250 мкВ, а температурный дрейф в диапазоне температур не превышает ±6 ppm/K.
3
4
При изменении (уменьшении) абсолютных значений сопротивлений резисторов R и R вдвое, выходное напряжение заявляемого ИОН также уменьшается в два раза (фиг.5). Относительные изменения выходного напряжения в диапазоне температур остаются в пределах предыдущего результата моделирования.
14
2
Как показано в [Дворников О.В., Чеховской В.А. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями // ChipNevs - 1999. №2 - С.21-33], полевые транзисторы, входящие в БМК, практически нечувствительны при радиационном воздействии, в частности, до уровня воздействия потока нейтронов вплоть до F=10 n/см, а параметры транзисторов n-p-n-типа также слабо подвержены деградации при указанных уровнях воздействия потока нейтронов.
12
2
13
2
14
2
Результаты моделирования заявляемого ИОН при радиационном воздействии приведены на фиг.6. Кривая, помеченная символом () соответствует F=0, символом (◇) F=10 n/см, символом (∇) - F=10 n/см, символом (Δ) - F=10 n/см.
Максимальное отклонение выходного напряжения заявляемого ИОН при радиационном воздействии составляет 230 мкВ при полном сохранении функционирования и даже сохранении прецизионности.
Таким образом, задача предлагаемого изобретения решена, что подтверждается приводимыми результатами моделирования: заявляемый источник опорного напряжения позволяет получит выходное напряжение как ниже, так и выше напряжения база-эмиттер при сохранении радиационной стойкости и температурной стабильности.