ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ЭТАЛОННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электронике, предназначена для использования в интегральных микросхемах на комплементарных транзисторах структуры металл-диэлектрик-полупроводник (КМДП).
Известно использование в КМДП-схемах параметрических источников опорного напряжения и эталонного тока, уровни которых пропорциональны пороговому напряжению n- или р-канального МДП-транзистора. См., например, патент США №4697154, НКИ 330-277, МКИ H03F 3/18, опубликованный 29 сентября 1987 г. [1]. Подобные устройства не обеспечивают высокую стабильность выходных тока и напряжения, так как пороговое напряжение МДП-транзисторов зависит от температуры и меняется под воздействием дестабилизирующих производственных факторов.
Этот недостаток устранен в источнике эталонного тока, описанном в патенте КНР №105094200, МКИ G05F 1/56, опубликованном 25 ноября 2015 г. [2]. Данное устройство содержит генератор напряжения, цепочка формирования выходного напряжения которого состоит из потенциалозадающего резистора и диода на р-n переходе, р-область которого соединена с первым выводом потенциалозадающего резистора, а n-область подключена к шине отрицательного полюса напряжения питания, и генератор эталонного тока, состоящий из операционного усилителя, токозадающего резистора с определенным температурным коэффициентом сопротивления и первого, второго МДП-транзисторов с индуцированным каналом р-типа проводимости, истоки которых подключены к шине положительного напряжения питания, а затворы соединены с выходом операционного усилителя, сток первого МДП-транзистора подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя и через токозадающий резистор соединен с шиной отрицательного полюса напряжения питания, инвертирующий вход операционного усилителя соединен со вторым выводом потенциалозадающего резистора, сток второго МДП-транзистора является выходом эталонного тока.
Вырабатываемое генератором напряжение имеет такой же температурный коэффициент, как у сопротивления токозадающего резистора, в цепочке его формирования происходит сложение напряжения на р-n переходе с отрицательной температурной зависимостью и повышающегося с ростом температуры напряжения на потенциалозадающем резисторе. Выходной ток устройства, вытекающий из стока второго р-МДП-транзистора, пропорционален току стока первого р-МДП-транзистора, определяемого токозадающим резистором. Операционный усилитель формирует потенциал затворов МДП-транзисторов, балансируя потенциалы на своих входах таким образом, чтобы приблизить напряжение на токозадающем резисторе к напряжению на выходной цепочке генератора. Близкое совпадение температурных зависимостей напряжения на токозадающем резисторе и его сопротивления обеспечивает температурную стабильность токов стоков р-МОП-транзисторов.
Недостатком устройства-аналога является ограниченность его функции. Если оно предназначено, чтобы вырабатывать стабилизированный по температуре ток, то напряжение на выходе его генератора температурной стабильности иметь не будет, а если это напряжение стабилизировать, то выходной ток будет меняться с температурой обратно пропорционально сопротивлению токозадающего резистора.
Технический результат полезной модели заключается в одновременном получении температурной стабильности вырабатываемых устройством напряжения и тока.
Технический результат достигается тем, что в источник опорного напряжения и эталонного тока, содержащий генератор напряжения, цепочка формирования выходного напряжения которого состоит из первого потенциалозадающего резистора и диода на р-n переходе, р-область которого соединена с первым выводом первого потенциалозадающего резистора, а n-область подключена к шине отрицательного полюса напряжения питания, и генератор эталонного тока, состоящий из операционного усилителя, токозадающего резистора с определенным коэффициентом сопротивления и первого, второго МДП-транзисторов с индуцированным каналом р-типа проводимости, истоки которых подключены к шине положительного напряжения питания, а затворы соединены с выходом операционного усилителя, сток первого МДП-транзистора подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя и через токозадающий резистор соединен с шиной отрицательного полюса напряжения питания, сток второго МДП-транзистора является выходом эталонного тока, дополнительно введен второй потенциалозадающий резистор, первый вывод которого соединен со вторым выводом первого потенциалозадающего резистора, в случае положительного значения температурного коэффициента сопротивления токозадающего резистора первый вывод второго потенциалозадающего резистора является выходом опорного напряжения, а его второй вывод соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, в случае отрицательного значения температурного коэффициента сопротивления токозадающего резистора первый вывод второго потенциалозадающего резистора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а его второй вывод является выходом опорного напряжения.
Указанное выполнение устройства позволяет вырабатывать стабилизированное выходное опорное напряжение в дополнение к напряжению, управляющему генератором эталонного тока.
Отличительными признаками полезной модели являются наличие второго потенциалозадающего резистора и электрические связи.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых на фиг. 1 изображена электрическая схема источника опорного напряжения и эталонного тока в случае положительного значения температурного коэффициента сопротивления токозадающего резистора и на фиг. 2 - в случае его отрицательного значения, на фиг. 3 показан пример схемы выполнения операционного усилителя.
Для облегчения понимания работы устройства на чертежах генератор напряжения показан в более подробном виде, в варианте выполнения, как в описании устройства-аналога. Шина отрицательного полюса напряжения питания изображена как общая шина.
П
Источник опорного напряжения и эталонного тока содержит генератор напряжения, цепочка формирования выходного напряжения которого состоит из первого и второго потенциалозадающих резисторов 1,2 и диода 3 на р-n переходе, р-область которого соединена с первым выводом первого потенциалозадающего резистора 1, второй вывод которого соединен с первым выводом второго потенциалозадающего резистора 2, а n-область диода 3 подключена к общей шине, и генератор эталонного тока, состоящий из операционного усилителя 4, токозадающего резистора 5, первого и второго МДП-транзисторов 6, 7 с индуцированным каналом р-типа проводимости, истоки которых подключены к шине +U положительного напряжения питания, а затворы соединены с выходом операциионного усилителя 4, сток первого МДП-транзистора 6 подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 4 и через токозадающий резистор 5 соединен с общей шиной, сток второго МДП-транзистора является выходом эталонного тока I. В случае положительного значения температурного коэффициента сопротивления токозадающего резистора 5, первый вывод второго потенциалозадающего резистора 2 является выходом U опорного напряжения, а его второй вывод соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 4, в случае отрицательного значения температурного коэффициента сопротивления резистора 5, первый вывод второго потенциалозадающего резистора 2 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 4, а его второй вывод является выходом U опорного напряжения.
П
Генератор напряжения содержит с третьего по пятый МДП-транзисторы 8-10 с индуцированным каналом р-типа проводимости, истоки которых подключены к шине +U положительного напряжения питания, а затворы соединены со стоком четвертого р-МДП-транзистора 9, первый и второй МДП-транзисторы 11 и 12 с индуцированным каналом n-типа проводимости, затворы которых соединены со стоками третьего р-МДП-транзистора 8 и первого n-МДП-транзистора 11, сток второго р-МДП-транзистора 9 соединен со стоком второго n-МДП-транзистора 12, второй токозадающий резистор 13, первый вывод которого соединен с истоком второго n-МДП-транзистора 12, сток пятого р-МДП-транзистора 10 соединен со вторым выводом второго потенциалозадающего резистора 2, второй и третий диоды 14 и 15 на р-n переходах, р-области которых соответственно подключены к истоку первого n-МДП-транзистора 11 и ко второму выводу второго токозадающего резистора 13, а n-области соединены с шиной нулевого потенциала.
П
Операционный усилитель может быть выполнен по достаточно простой схеме из третьего, четвертого и пятого МДП-транзисторов 16, 17 и 18 с индуцированным каналом n-типа проводимости и шестого, седьмого МДП-транзисторов 19, 20 с индуцированным каналом р-типа проводимости, истоки которых подключены к шине +U положительного напряжения питания, затворы соединены со стоками шестого р-МДП-транзистора 19 и третьего n-МДП-транзистора 16, затвор которого является неинвертирующим входом операционного усилителя, а его выходом - соединенные стоки четвертого n-МДП и седьмого р-МДП транзисторов 17 и 20. Истоки n-МДП-транзисторов 16, 17 соединены со стоком пятого n-МДП-транзистора 18, исток которого соединен с шиной нулевого потенциала, а затвор вместе с затвором четвертого n-МДП-транзистора 17 являются инвертирующим входом операционного усилителя.
Устройство работает следующим образом.
И11
И12
Р-МДП-транзисторы 8, 9 и 10 образуют токовое зеркало, в котором отношения возвращаемых токов стоков р-МДП-транзисторов 8 и 10 к принимаемому току стока р-МДП-транзистора 9 прямо пропорциональны соответствующим отношениям крутизн β транзисторов 8 и 10 к крутизне транзистора 9. N-МОП транзисторы 11 и 12 выполняют функции истоковых повторителей, отношение их крутизн равно отношению крутизн р-МДП-транзисторов 8 и 9, что обеспечивает равенство напряжений U, U на их истоках.
СИ
ЗИ
СИ
ЗИ
ПОР
Известна формула для вольт-амперной характеристики МДП-транзистора в области насыщения, когда прямо приложенное напряжение между его стоком и истоком U превосходит превышение напряжением затвор-исток U своего порогового значения, то есть когда U>U-U
с
ПOP
где I - ток стока, а β - крутизна. Пользуясь (1) и приняв равными значения пороговых напряжений U для транзисторов 8, 9 и 10 одного типа, имеющих одинаковые напряжения затвор - исток, легко вывести равенства
Равенство напряжений
8
9
для транзисторов 11 и 12 обеспечивается тем, что токи их стоков соответственно равны токам стоков транзисторов 8 и 9 и, следовательно, относятся как β/β согласно (2), а их крутизны пропорциональны крутизнам транзисторов 8 и 9
Из выражения (3) следует равенство напряжений на истоках транзисторов 11 и 12, имеющих один и тот же потенциал на затворах.
D14
D15
Соотношения площадей р-n переходов S и S диодов 14 и 15 и токов этих диодов обеспечивают более высокую плотность тока у диода 14, поэтому напряжение на диоде 14 выше, чем на диоде 15.
D
D
Зависимость напряжения U на диоде, образованном р-n переходом от абсолютной температуры Т и протекающего тока I, выражает формула
I
0
0
0
DO
DO
0
D
-23
-19
где Е - ширина запрещенной зоны полупроводникового материала, при Т=298 К у кремния Е=1,205 В, Т- абсолютная температура, U - напряжение на диоде при плотности тока J и температуре Т=298 К, k=1,38⋅10 Дж/град - постоянная Больцмана, q=1,6⋅10 Кл - заряд электрона, S - площадь р-n перехода диода.
C8
C9
Приняв токи диодов 14 и 15 соответственно равными токам I и I стоков р-МДП-транзисторов 8 и 9, по формулам (2), (5) и (7) выражена разность напряжений на диодах 14 и 15, приложенную к резистору 13, определяющему ток диода 15 и истока транзистора 9
D3
R1
D3
R1
R2
Выходное опорное напряжение U в схеме устройства на фиг. 1 равно сумме напряжений на диоде 3 и на резисторе 1-U=U+U, а в схеме на фиг. 2 к этой сумме прибавляется напряжение на резисторе 2, то есть U=U+U+U.
D3
D14
Конструктивное выполнение диодов 3 и 14 должно обеспечивать одинаковые плотности токов в них для получения равенства напряжений U=U, которые можно выразить как
0
DO
если диоды 3 и 14 в номинальных условиях работы устройства при Т=Т будут иметь плотность тока J и логарифм в формуле (5) обратится в нуль.
Напряжениям на первом и втором потенциалозадающих резисторах 1 и 2 соответствуют выражения, учитывающие отношения (2)
0
D0
Величины напряжений на диоде 3 имеют отрицательный температурный коэффициент, а на резисторах 1 и 2 - положительный, так как в формуле (9) параметр Е всегда больше U, а значение логарифма в (10) и (11) положительно и, вообще, имеет физический смысл только если его аргумент больше единицы, что обеспечивается конструкцией элементов устройства.
Объединив выражения (9) и (10), получим
0
D0
Формула (12) демонстрирует устойчивость вырабатываемого напряжения к воздействию дестабилизирующих факторов тем, что в ней присутствуют только конструктивные параметры элементов схемы, физический параметр Е полупроводникового материала и опорная точка U вольт-амперной характеристики диодов, являющаяся константой для каждого конкретного производственно-технологического процесса. Отношение сопротивлений резисторов R1 и R13 определяется соотношением их геометрических размеров, когда они имеют одну и ту же физическую структуру, при этом у них будет одинаковая зависимость сопротивлений от температуры.
Условием температурной компенсации опорного напряжения U является равенство нулю производной U по температуре
Из формулы (13) следует, что температурная компенсация будет достигнута, если выполнить равенство
0
Правая часть формулы (14) совпадет с выражением (12) для выходного опорного напряжения U, если в него подставить Т=Т, это означает, что левая часть выражения (14) дает значение стабилизированного выходного напряжения устройства в реализации, показанной на фиг. 1.
В схеме фиг. 2 условие температурной стабильности опорного напряжения U выражается так
7
6
Выходной ток I устройства вытекает из стока р-МДП-транзистора 7, управляемого операционным усилителем 4, балансирующим напряжение на токозадающем резисторе 5 на уровне напряжения на втором выводе резистора 1 в схеме фиг. 1 или резистора 2 на фиг. 2. Отношение тока I к току резистора 5 пропорционально отношению крутизн β/β р-МДП-транзисторов 7 и 6.
Зависимость тока I от температуры определяется отношением температурного коэффициента напряжения на инвертирующем входе операционного усилителя 4 к температурному коэффициенту сопротивления резистора 5.
В общепринятом выражении температурной зависимости сопротивления интегрального резистора, в данном случае резистора 5
T1
0
T1
линейная составляющая может быть скомпенсирована, если на инвертирующий вход операционного усилителя 4 будет поступать напряжение, пропорциональное 1+α(T-Т), то есть повышаться с ростом температуры при положительном значении α или снижаться при отрицательном.
0
В схеме фиг. 1 для случая положительной температурной зависимости сопротивления это напряжение формируется как сумма выходного опорного напряжения U, в номинале равного Е, и напряжения на резисторе 2 по выражению (11), то есть в соответствии с формулой
Формула (17), так же как линейная часть выражения (16), содержит постоянную и пропорциональную абсолютной температуре Т составляющие. Подбором величины отношения R2/R13 формулу (17) можно привести к выражению
Из равенства, составленного из независящих от температуры составляющих (17) и (18), следует, что
а из равенства составляющих (17) и (18), пропорциональных Т, выходит выражение для искомого отношение R2 к R13.
I
0
В схеме фиг. 2 для случая отрицательной температурной зависимости сопротивления напряжение U, подаваемое на инвертирующий вход операционного усилителя 4, формируется как разность стабильного выходного опорного напряжения U=Е и напряжения на резисторе 2 по выражению (11)
Для этого случая тоже справедливо выражение (19), а формула для отношения R2/R13 приобретает минус.
Величина выходного тока I устройства в обоих случаях согласно выражениям (18), (19) и линейной составляющей (16) при выполнении (20) или (22) соответствует формуле
Достижение устойчивости выходного тока I к изменениям температуры подтверждает отсутствие параметра Т в формуле (23).
СИ
ЗИ
ПОР
В схеме фиг. 3 примера реализации операционного усилителя 4 идентичные по параметрам n-МДП-транзисторы 16 и 17 в зависимости от разности входных сигналов перераспределяют ток источника на n-МДП-транзисторе 18 в истоки тоже идентичных между собой нагрузочных р-МДП-транзисторов 19 и 20, образующих токовое зеркало. Если на неинвертирующий вход операционного усилителя 4 поступает более высокий потенциал, чем постоянный потенциал с выхода генератора напряжения на инвертирующем входе, ток стока р-МДП-транзистора 20 превышает ток стока n-МДП-транзистора 17 и выходное напряжение операционного усилителя 4 повышается. В случае противоположного соотношения входных потенциалов, соотношение током стоков МДП-транзисторов 17 и 20 меняется и выходное напряжение снижается. Посредством этого операционный усилитель выполняет свои балансные функции. N-МДП-транзистор 18 вырабатывает достаточно стабильный ток благодаря тому, что его сток-истоковое напряжение U>U-U, а на затвор поступает напряжение с инвертирующего входа.
Таким образом, источник опорного напряжения и эталонного тока вырабатывает выходной ток и выходное напряжение, значения которых температурно стабилизированы по ширине запрещенной зоны и мало зависят от воздействий производственных и эксплуатационных факторов.