ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
SOURCE OF REFERENCE VOLTAGE

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 высокую стабильность, но содержащий в своем составе биполярные транзисторы р-n-р 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 [Yoshida, Y. Constant voltage circuit. US Patent No 5206581, Apr.27, 1993, FIG.11].
На фиг.1 показана схема прототипа, содержащая первый транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, базой - к коллектору второго транзистора, а коллектором - к базе третьего транзистора, эмиттеры второго и третьего транзисторов подключены к общей шине, регулирующий элемент, входом управления подключенный к коллектору третьего транзистора, выходом - к выходу устройства, входом питания подключенный к шине питания, источник тока, включенный между шиной питания и коллектором третьего транзистора, первый резистор, включенный между выходом устройства и коллектором первого транзистора, второй резистор, первым выводом подключенный к выходу устройства, третий резистор, первым выводом подключенный к коллектору второго транзистора, а вторым выводом соединенный со вторым выводом второго резистора и базой второго транзистора.
Недостатком прототипа является относительно низкая температурная стабильность и низкая нагрузочная способность.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение температурной стабильности выходного напряжения и нагрузочной способности ИОН.
Для решения поставленной задачи в источник опорного напряжения, содержащий первый транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, базой - к коллектору второго транзистора, а коллектором - к базе третьего транзистора, эмиттеры второго и третьего транзисторов подключены к общей шине, регулирующий элемент, входом управления подключенный к коллектору третьего транзистора, выходом - к выходу устройства, первый резистор, включенный между выходом устройства и коллектором первого транзистора, второй резистор, первым выводом подключенный к выходу устройства, третий резистор, первым выводом подключенный к коллектору второго транзистора, а вторым выводом соединенный со вторым выводом второго резистора, в устройство введены четвертый, пятый и шестой резисторы и полевой транзистор, причем четвертый резистор включен между базой второго транзистора и точкой соединения вторых выводов второго и третьего резисторов, пятый резистор включен между шиной питания и истоком полевого транзистора, шестой резистор включен между затвором полевого транзистора и шиной питания, сток полевого транзистора подключен к коллектору третьего транзистора, а вход питания регулирующего элемента подключен к затвору полевого транзистора.
Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит первый транзистор 1, второй транзистор 2 и третий транзистор 3, эмиттеры которых подключены к общей шине, база первого транзистора 1 соединена с коллектором второго транзистора 2, коллектор первого транзистора 1 соединен с базой третьего транзистора 3, коллектор которого подключен к точке соединения входа управления регулирующего элемента 4 и стока полевого транзистора 5, выход регулирующего элемента подключен к выходу устройства, первый резистор 6 включен между выходом устройства и коллектором первого транзистора 1, второй резистор 7, первым выводом подключенный к выходу устройства, а вторым выводом - к первому выводу третьего резистора 8, второй вывод третьего резистора 8 соединен с коллектором второго транзистора 2, четвертый резистор 9 включен между базой второго транзистора 2 и вторым выводом второго резистора 7, пятый резистор 10, включенный между истоком полевого транзистора 5 и шиной питания, шестой резистор 11, включенный между шиной питания и затвором полевого транзистора 5.
Работу заявляемого ИОН можно пояснить следующим образом.
Выходное напряжение в схеме заявляемого ИОН, как и во всех ему подобных схемах, в которых выходное напряжение определяется шириной запрещенной зоны кремния, в основном, зависит от суммы напряжений база-эмиттер второго транзистора 2 и падения напряжения на втором резисторе 7. Поскольку падение напряжения на втором резисторе 7 определяется разностью напряжений база-эмиттер первого транзистора 1 и второго транзистора 2, то оно имеет положительный температурный дрейф. Напряжение база-эмиттер, как известно, имеет отрицательный температурный дрейф. Таким образом, при соответствующем выборе параметров элементов температурный дрейф выходного напряжения может быть сведен к нулю, по крайней мере, в одной точке.
В отличие от схемы прототипа в заявляемом ИОН к выходному напряжению добавляется падение напряжения на четвертом резисторе 9, обусловленное базовым током второго транзистора 2. В этом случае для выходного напряжения заявляемого ИОН можно записать:
2
7
БЭ.2
2
БЭ
где I - ток коллектора второго транзистора 2; R - сопротивление второго резистора 7; U - напряжение база-эмиттер второго транзистора 2; β - коэффициент усиления тока базы второго транзистора 2; ΔU - разность напряжений база-эмиттер первого транзистора 1 и второго транзистора 2.
Ток коллектора второго транзистора 2 можно определить как
Т
где φ - температурный потенциал; N - отношение площади эмиттера первого транзистора 1 к площади эмиттера второго транзистора 2.
8
9
2
(Справедливость приближения обусловлена тем, что выполняется условие R>>R/β).
Подставляя (2) в (1), находим:
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]
0
0
где Т - абсолютная температура; β - коэффициент усиления тока базы при комнатной (номинальной) температуре Т.
Таким образом, можно полагать, что коэффициент усиления тока базы с ростом температуры возрастает по закону «трех вторых».
Из анализа выражения (3) после подстановки в него (4) 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 четвертом резисторе 9 можно представить как некую функцию
Поэтому в схеме заявляемого ИОН компенсируется не только линейная составляющая температурного дрейфа, но и квадратичная, что будет показано ниже по результатам компьютерного моделирования.
При изменении тока нагрузки (выходного тока ИОН) приращение тока на вход регулирующего элемента поступает не только как приращение тока коллектора третьего транзистора 3, но и как соответствующее приращение тока стока полевого транзистора 5. Действительно, приращение тока нагрузки приводит к возникновению приращения выходного тока регулирующего элемента и, соответственно, его входного тока. Входной ток регулирующего элемента создает на шестом резисторе 11 приращение напряжения, которое преобразуется в приращение тока стока полевого транзистора 5. Таким образом, приращение входного тока регулирующего элемента возникает за счет приращения тока стока полевого транзистора 5, а не за счет изменения тока коллектора третьего транзистора 3. Можно показать, что если сопротивление шестого резистора 11 выбрано из условия:
10
0
РЭ
где R - сопротивление пятого резистора 10; S - крутизна прямой передачи полевого транзистора 5; К - коэффициент передачи управляющего тока регулирующего элемента.
Следует заметить, что необходимость введения пятого резистора 10 обусловлена тем, что при его отсутствии шестой резистор 11 был бы весьма мал, что затруднило бы его изготовление по интегральной технологии.
Проведем сопоставительное моделирование ИОН, выполненного по схеме прототипа и заявляемого устройства.
На фиг.3 приведена схема прототипа, а на фиг.4 - схема заявляемого ИОН в среде РSpice. 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 VT2-VT6 -GC_05_NPN, транзистор VT1 - PNPJF_JFET. Модели резисторов имеют линейный температурный коэффициент 0,15%/°С.
Результаты моделирования заявляемого ИОН при изменении температуры приведены на фиг.5, а схемы прототипа - на фиг.6. (Отметим, что элементная база в обоих случаях использована одинаковая и статические режимы элементов схем близки).
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 ±2,4 ppm/°C, а максимальное относительное отклонение выходного напряжения во всем диапазоне изменения температуры составляет ±0,0046%.
Как следует из фиг.6, температурный дрейф выходного напряжения в схеме прототипа составляет ±10 ppm/°C, а максимальное относительное отклонение выходного напряжения во всем диапазоне изменения температуры составляет ±0,029%, что позволяет утверждать, что температурные свойства заявляемого ИОН существенно лучше - относительная стабильность в диапазоне температур у заявляемого ИОН в 6 раз лучше, а температурный дрейф в 4 раза меньше.
График, приведенный на фиг.7, показывает зависимость изменения выходного напряжения схемы прототипа при изменении тока нагрузки (нижний плот) и его выходное сопротивление (верхний плот).
На фиг.8 представлены аналогичные зависимости для схемы заявляемого ИОН: выходное сопротивление заявляемого ИОН (верхний плот) и изменение выходного напряжения схемы заявляемого ИОН при изменении тока нагрузки (нижний плот) в пределах от 0 до 3,5 мА.
-3
-3
Из представленных результатов моделирования видно, что выходное сопротивление заявляемого ИОН в сравнении со схемой прототипа в два раза меньше: в схеме прототипа оно составляет 65·10 Ом, а в схеме заявляемого ИОН - не более 30·10 Ом. Более того, вблизи тока нагрузки 1,3 мА выходное сопротивление заявляемого ИОН близко к нулю.
Относительная нестабильность выходного напряжения при изменений тока нагрузки от нуля до 3,5 мА в схеме прототипа составляет 0,011%, а в схеме заявляемого ИОН - 0,001%, то есть на порядок лучше.
Несмотря на наличие участка с отрицательным выходным сопротивлением заявляемый ИОН сохраняет устойчивость даже при работе на емкостную нагрузку, если между входом управления регулирующего элемента и общей шиной включить корректирующую емкость в несколько пикофарад.
Результат моделирования схемы заявляемого ИОН при набросе и сбросе тока нагрузки на участке отрицательного выходного сопротивления приведен на фиг.9.
Таким образом, задача предлагаемого изобретения - повышение нагрузочной способности при одновременном повышении температурной стабильности - решена.