ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
SOURCE OF REFERENCE VOLTAGE

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в качестве температурно-стабильного источника опорного напряжения (ИОН) с повышенной нагрузочной способностью.
Известны температурно-стабильные источники опорного напряжения, основанные на ширине запрещенной зоны, однако необладающие достаточно высокой стабильностью по другим параметрам. Например, стабильность выходного напряжения для диода Видлара [Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - С.206, рис.3.33] зависит от протекающего через него тока.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является источник опорного напряжения (ИОН), приведенный на фиг.1 [US Patent No 6528979 B2. Reference current circuit and reference voltage circuit (fig.23) / Kimura, K. - Mar. 4, 2003].
Схема прототипа (фиг.1) содержит первый транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, коллектор которого через первый резистор соединен с первым выходом повторителя тока, питающий вход которого подключен к шине питания, база первого транзистора соединена с первым выходом повторителя тока, второй транзистор, эмиттер которого подключен к общей шине, база - к коллектору первого транзистора, а коллектор второго транзистора соединен со входом повторителя тока, третий транзистор, эмиттер которого подключен к общей шине, его база и коллектор объединены и через второй резистор подключены ко второму выходу повторителя тока, являющегося выходом устройства.
Основным недостатком прототипа является его относительно низкая температурная стабильность и малая нагрузочная способность.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение температурной стабильности при одновременном повышении нагрузочной способности.
Для решения поставленной задачи в схему прототипа, содержащего первый транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, коллектором - к точке соединения первого вывода первого резистора и базы второго транзистора, второй вывод резистора подключен к первому выходу повторителя тока, питающий вход которого соединен с шиной питания, эмиттер второго транзистора подключен к общей шине, его коллектор соединен с входом повторителя тока, третий транзистор, база и коллектор которого объединены и соединены с первым выводом второго резистора, второй вывод второго резистора подключен к выходу устройства, эмиттер третьего транзистора подключен к общей шине, согласно изобретению введены третий резистор, четвертый и пятый транзисторы, причем третий резистор включен между базой первого транзистора и первым выходом повторителя тока, база четвертого транзистора соединена с базой третьего транзистора, эмиттер четвертого транзистора подключен к общей шине, а его коллектор - к точке соединения второго выхода повторителя тока и базы пятого транзистора, коллектор пятого транзистора подключен к шине питания, а его эмиттер соединен с выходом устройства.
Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит первый транзистор 1, эмиттер которого соединен с общей шиной, коллектор первого транзистора 1 через первый резистор 2 соединен с первым выходом повторителя тока 3, база второго транзистора 4 соединена с коллектором первого транзистора 1, эмиттер второго транзистора 4 подключен к общей шине, его коллектор соединен с входом повторителя тока 3, питающий вход повторителя тока 3 подключен к шине питания, третий транзистор 5, эмиттер которого подключен к общей шине, а его база и коллектор объединены и через второй резистор подключены к выходу устройства, четвертый транзистор 7, базой подключенный к базе третьего транзистора 5, эмиттером - к общей шине, а коллектором - к точке соединения базы пятого транзистора 8 и второго выхода повторителя тока 3, третий резистор 9, включенный между базой первого транзистора 1 и первым выходом повторителя тока 3, причем коллектор пятого транзистора 8 подключен к шине питания, а его эмиттер - к выходу устройства.
Работу заявляемого ИОН можно пояснить следующим образом.
Как и в схеме прототипа, температурно-стабильное опорное напряжение на выходе устройства формируется за счет суммы падения напряжений на втором резисторе 6 и переходе база-эмиттер третьего транзистора 5:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>Э</mi><mn>8</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi><mn>.5</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                                          </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Э8
БЭ.5
где I - ток эмиттера пятого транзистора 8; U - напряжение база-эмиттер третьего транзистора 5.
Э8
Если ток I имеет положительный температурный дрейф, то при выполнении определенных условий результирующий температурный дрейф выходного напряжения можно сделать нулевым.
Э8
Ток I можно определить следующим образом:
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>I</mi><mn>7</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>β</mi><mn>8</mn></msub><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>Э</mi><mn>8</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                                       </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
ВЫХ2
7
8
где I - выходной ток повторителя тока 3 на втором выходе; I - ток коллектора четвертого транзистора 7; β - коэффициент усиления тока базы пятого транзистора 8.
7
Э8
При условии, что коэффициент передачи повторителя тока на четвертом транзисторе 7 и третьем транзисторе 5 равен единице, то есть I≈I, из (2) следует:
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>Э</mi><mn>8</mn></mrow></msub><mo>≈</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mfrac><mrow><msub><mi>β</mi><mn>8</mn></msub><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><msub><mi>β</mi><mn>8</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn></mrow></mfrac><mo>≈</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext>,                                      </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
ВХ
8
где I - входной ток повторителя тока 3; β>>1, а коэффициент передачи повторителя тока 3 по любому из выходов равен единице.
Определим входной ток повторителя тока 3 следующим образом:
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi><mn>.1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>Б</mi><mn>1</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi><mn>.4</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                             </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
БЭ.4
БЭ.1
Б1
2
9
где U - напряжение база-эмиттер второго транзистора 4; U - напряжение база-эмиттер первого транзистора 1; I - ток базы первого транзистора 1; R - сопротивление первого резистора 2; R - сопротивление третьего резистора 9.
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>Б</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>К</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>β</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>β</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>β</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
К1
1
С учетом того, что
, где I - ток коллектора первого транзистора 1; β - коэффициент усиления тока базы первого транзистора 1, выражение (4) можно представить следующим образом:
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi><mn>.1,4</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>β</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi><mn>.1,4</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>β</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>                              </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi><mn>.1,4</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>Т</mi></msub><mi>ln</mi><mfrac><mrow><mi>N</mi><msub><mi>I</mi><mrow><mi>К</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>К</mi><mn>4</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>≈</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>Т</mi></msub><mi>ln</mi><mfrac><mrow><mi>N</mi><msub><mi>I</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>Т</mi></msub><mi>ln</mi><mi>N</mi></mrow>
Т
1
2
9
где
; φ=kT/ q - температурный потенциал; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; q - заряд электрона при условии, что βR>>R, что на самом деле и реализуется.
Как показано в [Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesingLab 8.0. - М.: СОЛОН-Р, 2003. С.301], температурная зависимость коэффициента усиления тока базы для биполярного транзистора может быть представлена как
<mrow><mi>β</mi><mo>=</mo><msub><mi>β</mi><mn>0</mn></msub><mfrac><mrow><msqrt><mrow><msup><mi>Т</mi><mn>3</mn></msup></mrow></msqrt></mrow><mrow><msqrt><mrow><msubsup><mi>Т</mi><mn>0</mn><mn>3</mn></msubsup></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                   </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
0
0
где β - начальное значение коэффициента усиления тока базы при начальной (комнатной) температуре Т.
После подстановки (6) и (5) в (1) с учетом (3) получаем:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><msqrt><mrow><msubsup><mi>Т</mi><mn>0</mn><mn>3</mn></msubsup></mrow></msqrt></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><msqrt><mrow><msup><mi>Т</mi><mn>3</mn></msup></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mfrac><mrow><msup><mi>R</mi><mn>6</mn></msup></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><msub><mi>ϕ</mi><mi>Т</mi></msub><mi>ln</mi><mi>N</mi><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi><mn>.5</mn></mrow></msub><mtext>                              </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Дифференцируя (7) по температуре и приравнивая производную нулю, найдем условия, при которых выходное напряжение не будет зависеть от температуры.
1/2
Отметим, что в отличие от классических ИОН на основе ширины запрещенной зоны [Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988, С.240, рис.33.27] выражение (7) содержит составляющую, пропорциональную Т, что позволяет скомпенсировать квадратичную температурную составляющую дрейфа выходного напряжения заявляемого ИОН.
Результаты моделирования заявляемого ИОН в среде PSpice при изменении температуры приведены на фиг.3. В качестве активных компонентов использованы модели аналогового базового матричного кристалла, выпускаемые 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].
Результаты моделирования показывают, что заявляемый ИОН имеет абсолютную нестабильность выходного напряжения в диапазоне температур от -40°С до 120°С не более ±242 мкВ, что в относительных единицах составляет ±0,017%, а относительный температурный дрейф в указанном диапазоне температур не превышает ±16 ppm/K. Кроме того, по виду кривой выходного напряжения можно утверждать, что доминирующая погрешность выходного напряжения определяется составляющими температурного дрейфа третьего порядка. Это подтверждается и видом производной выходного напряжения по температуре, так как она имеет второй порядок.
Для сравнения на фиг.4 приведены результаты моделирования схемы прототипа при аналогичных условиях, которые показывают, что абсолютный дрейф выходного напряжения ИОН, выполненного по схеме прототипа, составляет ±720 мкВ, что в относительных единицах составляет ±0,065%, что почти в три раза хуже, чем в схеме заявляемого ИОН, а относительный температурный дрейф достигает ±34 ppm/K, что в два раза хуже соответствующего параметра в схеме заявляемого ИОН.
Покажем, что в схеме заявляемого ИОН нагрузочная способность также выше.
Для схемы прототипа можно записать:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi><mo>.</mo><mi>П</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi><mn>2.</mn><mi>П</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>Н</mi><mo>.</mo><mi>П</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>2.</mn><mi>П</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi><mn>.3</mn><mi>П</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                                          </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
ВЫХ2.П
Н.П
2.П
БЭ.3П
где I - выходной ток повторителя тока прототипа (фиг.1); I - ток нагрузки в схеме прототипа; R - сопротивление резистора R2; U - напряжение база-эмиттер транзистора VT3.
Дифференцируя (8) по току нагрузки, найдем выходное сопротивление ИОН, выполненного по схеме прототипа:
<mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi><mo>.</mo><mi>П</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi><mo>.</mo><mi>П</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>d</mi><msub><mi>I</mi><mrow><mi>Н</mi><mo>.</mo><mi>П</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>2.</mn><mi>П</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>Э</mi><mn>.3</mn><mi>П</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                                             </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>9</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Э.3П
где r - дифференциальное сопротивление эмиттера транзистора VT3.
То есть, в основном, выходное сопротивление, а следовательно, и нагрузочная способность определяются сопротивлением резистора R2, что является очевидным результатом.
Для выходного напряжения ИОН, выполненного по схеме прототипа, с учетом тока нагрузки на основе выражений (1-3) можно записать:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi><mn>.2</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>β</mi><mn>5</mn></msub><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><msub><mi>β</mi><mn>5</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mi>Н</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>β</mi><mn>5</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi><mn>.5</mn></mrow></msub><mo>.</mo><mtext>                                </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>10</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Дифференцируя (10) по току нагрузки, находим выходное сопротивление заявляемого ИОН:
<mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi><mn>.3</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>d</mi><msub><mi>I</mi><mi>Н</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>Э</mi><mn>.5</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>β</mi><mn>5</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                     </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>11</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Э.5
где r - дифференциальное сопротивление эмиттера третьего транзистора 5.
Сопоставление выражений (9) и (10) показывает, что выходное сопротивление заявляемого ИОН по сравнению со схемой прототипа, по крайней мере, в β раз ниже, что говорит о более высокой нагрузочной способности заявляемого ИОН.
На фиг.5 и фиг.6 представлены результаты моделирования схемы заявляемого ИОН и схемы прототипа соответственно при изменении тока нагрузки.
Ток нагрузки заявляемого ИОН изменялся до тех пор, пока изменение выходного напряжения составило 484 мкВ, то есть максимальное отклонении от минимума до максимума, полученное в диапазоне изменения температур. При этом ток нагрузки составил 13 мкА.
При том же изменении тока нагрузки в схеме ИОН прототипа максимальное изменение напряжения составили 27,4 мВ, что более чем в 50 раз хуже, чем в схеме заявляемого ИОН.
Таким образом, поставленная задача - повышение температурной стабильности и повышение нагрузочной способности ИОН решена, что подтверждается результатами анализа и схемотехнического моделирования.