ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
SOURCE OF REFERENCE VOLTAGE

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может использоваться в стабилизаторах напряжения, аналого-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, содержит в своем составе операционные усилители [Tzuen-Hwan Lee. Bandgap Voltage Reference Circuit / US patent No 7812663 B2. Oct. 12.2010].
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ИОН, приведенный в [Shouzou Nitta, Yasuhiro Sugimoto. Constant Voltage Circuit (fig.1) / US patent No 5278491, Jan.11, 1994].
На фиг.1 показана схема прототипа, содержащая первый транзистор, база которого подключена к объединенным базе и коллектору второго транзистора, эмиттер второго транзистора подключен к общей шине, эмиттер первого транзистора через первый резистор подключен к общей шине, третий транзистор, базой подключенный к коллектору первого транзистора, эмиттером - к общей шине, а коллектором - к базе четвертого транзистора, коллектор четвертого транзистора подключен к шине питания, а его эмиттер - к выходу устройства, второй резистор, включенный между коллектором второго транзистора и выходом устройства, третий резистор, включенный между шиной питания и базой четвертого транзистора, четвертый резистор, включенный между выходом устройства и базой третьего транзистора.
Недостатком прототипа является его относительно низкая температурная стабильность и низкая стабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение температурной стабильности выходного напряжения ИОН при одновременном повышении стабильности выходного напряжения при изменении нагрузки.
Для решения поставленной задачи в схему прототипа, содержащую первый транзистор, база которого подключена к базе второго транзистора, эмиттер второго транзистора подключен к общей шине, эмиттер первого транзистора через первый резистор подключен к общей шине, третий транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, четвертый транзистор, коллектором подключенный к шине питания, эмиттером - к выходу устройства, второй резистор, включенный между выходом устройства и коллектором второго транзистора, третий резистор, первым выводом подключенный к шине питания, четвертый резистор, введены пятый, шестой и седьмой транзисторы, пятый и шестой резисторы, причем база третьего транзистора подключена к базе второго транзистора, коллектор третьего транзистора подключен к базе пятого транзистора, эмиттер которого соединен с базой четвертого транзистора, а коллектор - со вторым выводом третьего резистора, коллектор шестого транзистора подключен к базе пятого транзистора, эмиттер шестого транзистора через четвертый резистор подключен к шине питания, база шестого транзистора соединена с объединенными базой и коллектором седьмого транзистора и коллектором первого транзистора, эмиттер седьмого транзистора через пятый резистор соединен с коллектором пятого транзистора, а шестой резистор включен между базой и коллектором второго транзистора.
Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит первый транзистор 1, база которого подключена к базам второго транзистора 2 и третьего транзистора 3, эмиттер первого транзистора 1 через первый резистор 4 подключен к общей шине, второй резистор 5, включенный между выходом устройства и коллектором второго транзистора 2, третий резистор 6, первым выводом подключенный к шине питания, четвертый транзистор 7, эмиттером подключенный к выходу устройства, коллектором - к шине питания, а базой - к эмиттеру пятого транзистора 8, база которого подключена к коллектору третьего транзистора 3, а коллектор - ко второму выводу третьего резистора 6, шестой транзистор 9, коллектором подключенный к базе пятого транзистора 8, эмиттером - через четвертый резистор 10 - к шине питания, седьмой транзистор 11, объединенными базой и коллектором соединенный с базой шестого транзистора 9, эмиттером - с первым выводом пятого резистора 12, второй вывод которого соединен со вторым выводом третьего резистора 6, и шестой резистор 13, включенный между базой и коллектором второго транзистора 2.
Работа заявляемого устройства, как и любого другого ИОН на основе ширины запрещенной зоны кремния, основана на компенсации отрицательного температурного дрейфа напряжения база-эмиттер транзистора (в данном случае напряжения база-эмиттер второго транзистора 2) положительным температурным дрейфом напряжения на втором резисторе 5, обусловленным протеканием через него тока, пропорционального разности напряжений база-эмиттер транзисторов 1 и 2. Отличительной особенностью заявляемого ИОН является наличие шестого резистора 13, через который протекают токи баз первого транзистора 1, второго транзистора 2 и третьего транзистора 3. Поскольку эти токи зависят от коэффициента усиления тока базы транзистора и являются функцией «3/2» от температуры [Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesingLab 8.0. - М.: СОЛОН-Р, 2003. С.301], осуществляется дополнительная компенсация составляющих температурного дрейфа выходного напряжения второго порядка, за счет чего повышается температурная стабильность выходного напряжения.
С другой стороны, в схеме прототипа при изменении тока нагрузки на выходе устройства необходимое приращение тока в нагрузку поступает за счет соответствующего приращения тока эмиттера транзистора VT4 (фиг.1). Это приращение тока обусловлено приращением тока коллектора транзистора VT3 и, следовательно, приращением тока через резистор R4, что приводит к появлению приращения выходного напряжения.
В схеме заявляемого устройства необходимое приращение тока нагрузки также поступает из эмиттера четвертого транзистора 7 (фиг.2), однако в конечном счете приращение тока базы этого транзистора обусловлено приращением тока коллектора шестого транзистора 9, которое возникает за счет действия положительной обратной связи по цепи: коллектор пятого транзистора 8, третий резистор 6, четвертый резистор 10, коллектор шестого транзистора 9. Таким образом, токи первого транзистора 1 и третьего транзистора 3 практически не изменяются, чем и достигается высокая стабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки.
Для выходного напряжения схемы прототипа (фиг.1) будет справедливо следующее соотношение:
БЭ.2
1
2
T
где U - напряжение база-эмиттер транзистора VT2; R, R - сопротивление соответствующих резисторов R1, R2; φ - температурный потенциал, N - отношение площадей эмиттеров транзисторов VT1 и VT2.
Из технической литературы [соклофф] хорошо известно, что температурная стабильность подобного рода ИОН существует только в окрестности единственной точки, так как компенсируется только линейная составляющая температурного дрейфа.
Для схемы заявляемого ИОН (фиг.2) выходное напряжение можно определить как
БЭ.2
Б
i
где U - напряжение база-эмиттер второго транзистора 2; I - ток базы второго транзистора 2; R - сопротивление резистора, соответствующее позиционному обозначению на фиг.2.
Ток базы второго транзистора 2 можно определить следующим образом:
K.2
где I - ток коллектора второго транзистора 2.
Выражения (2) и (3) получены в предположении, что транзисторы 2 и 3 имеют единичные площади эмиттеров, а транзистор 1 имеет площадь эмиттера, в N раз большую. Кроме того, предполагается, что качество повторителя тока на шестом транзисторе 9, седьмом транзисторе 11 и соответствующих резисторах позволяет поддерживать токи транзисторов 1 и 3 равными. Поэтому ток базы второго транзистора можно считать равным токам баз первого транзистора 1 и третьего транзистора 2.
Подстановка (3) в (2) дает:
С учетом того, что коэффициент усиления тока базы транзистора может быть представлен как [Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesingLab 8.0. - М.: СОЛОН-Р, 2003. С.301]:
0
0
где T - абсолютная температура; β - значение коэффициента усиления тока базы при комнатной температуре T.
Подстановка (5) в (4) дает:
где k - постоянная Больцмана; q - заряд электрона.
(-1/2)
Таким образом, выражение (6) показывает, что первые два слагаемых в правой части компенсируют линейную составляющую температурного дрейфа, а третье слагаемое зависит от температуры как T, за счет чего достигается компенсация составляющих температурного дрейфа второго порядка.
Результаты моделирования схемы прототипа и заявляемого устройства при изменении температуры приведены на фиг.3, а конкретные принципиальные схемы в среде PSpice для схемы заявляемого устройства и прототипа - на фиг.4 и фиг.5 соответственно.
Отметим, что в схеме прототипа в качестве транзистора VT4 использован составной транзистор q10, q16, чтобы измерение нагрузочной способности проходило в равных условиях для прототипа и заявляемого устройства.
Нижний график на фиг.3 показывает изменение выходного напряжения при воздействии температуры, причем кривая U(OUT) соответствует схеме заявляемого устройства, а кривая U(OUT2) - схеме прототипа.
Максимальное отклонение выходного напряжения в ИОН, выполненном по схеме прототипа, составляет 2 мВ в диапазоне температур - 40°C + 120°C. Для устройства, выполненного по схеме заявляемого ИОН, максимальное отклонение выходного напряжения составляет 121 мкВ в том же температурном диапазоне.
Верхний график, представленный на фиг.3, показывает относительный температурный дрейф выходного напряжения заявляемого устройства и прототипа. Относительный температурный дрейф в указанном диапазоне температур для прототипа изменяется в пределах от 53 ppm/°C до -47 ppm/°C, что в среднем составляет ±50 ppm/°C. Для схемы заявляемого ИОН температурный дрейф изменяется от 8,2 ppm/°C до -2,2 ppm/°C, что соответствует усредненному значению ±5,2 ppm/°C.
По виду кривой U(OUT2) (для схемы прототипа) и ее производной видно, что она может быть аппроксимирована функцией второго порядка. Для заявляемого устройства кривая U(OUT) - доминирующим является третий порядок. То есть, согласно выражению (6), наряду с компенсацией линейной составляющей температурного дрейфа осуществляется и компенсация составляющей второго порядка, что позволяет повысить абсолютную температурную стабильность выходного напряжения в схеме заявляемого ИОН по сравнению с прототипом в 16 раз и снизить средний относительный температурный дрейф в 10 раз.
Повышение нагрузочной способности в схеме заявляемого ИОН осуществляется следующим образом.
Если возникает приращение выходного тока в заявляемом ИОН, то приращение базового тока пятого транзистора 7 (фиг.2) возникает не только за счет приращения тока коллектора третьего транзистора 3, но и за счет положительной обратной связи, возникающей за счет подачи тока, пропорционального току нагрузки, в повторитель тока.
ВЫХ
ВЫХ
В этом случае приращение выходного напряжения ΔU заявляемого ИОН, обусловленное приращением тока нагрузки ΔI, можно представить как
i
i
8
1
3
где β - коэффициент усиления тока базы i-го транзистора в соответствии с позиционным обозначением на фиг.2; R - сопротивление резистора в соответствии с позиционным обозначением; α - коэффициент передачи тока эмиттера пятого транзистора 8; S, S - крутизна преобразования приращения выходного напряжения в выходной ток первого транзистора 1 и третьего транзистора 3 соответственно.
Из (7) можно получить выражение для выходного сопротивления заявляемого ИОН:
Из (8) следует, что при выполнении условия
схемная функция выходного сопротивления обращается в нуль.
6
12
10
Необходимо отметить, что для правильной работы заявляемого ИОН при изменении температуры необходимо, чтобы R+R=R, так как в этом случае коэффициент передачи повторителя тока будет примерно равен единице.
Результаты сопоставительного моделирования ИОН по схеме прототипа и заявляемого устройства приведены на фиг.6.
При изменении тока нагрузки от 0 до 1 мА выходное напряжение в схеме прототипа меняется на 3,9 мВ, а в схеме заявляемого ИОН максимальное изменение выходного напряжения составляет 445 мкВ, что в 8,7 раза меньше. Соответственно выходное сопротивление в схеме прототипа составляет примерно 4 Ом, а в схеме заявляемого ИОН в окрестностях тока нагрузки 359 мкА его выходное сопротивление обращается в ноль, меняясь в диапазоне изменения тока нагрузки от 3,9 Ом до -1,15 Ом. Эта ситуация обусловлена тем, что коэффициент усиления тока базы транзистора является режимно зависимым параметром и растет с ростом тока нагрузки. Следует отметить, что соответствующим выбором сопротивления резистора 6 можно исключить участок с отрицательным сопротивлением.
Таким образом, приведенные результаты анализа и компьютерного моделирования показывают, что задача предлагаемого изобретения - повышение температурной стабильности выходного напряжения ИОН при одновременном повышении стабильности выходного напряжения при изменении нагрузки - решена.