Источник опорного напряжения и тока

Полезная модель относится к области электроники, предназначена для использования в интегральных схемах, выполненных на основе комплементарных транзисторов (КМОП) со структурой «металл-оксид-полупроводник».
Известны способы построения температурно-стабильных источников опорных напряжений на основе ширины запрещенной зоны, однако не обладающие достаточной стабильностью по другим параметрам, либо не реализуемые при использовании КМОП-технологии. Например, стабильность источников опорного напряжения, работающих по принципу диода Видлара зависит от величины тока, протекающих через устройство [патент №RU2518974C2, МПК G05F 1/56 от 10 июня 2014г.]. Схема источника, описанная в патенте №RU2523121C1, МПК G05F 1/56 от 20 июля 2014г., чувствительна к стабильности напряжения питания.
Известен источник опорного напряжения и эталонного тока [патент № RU172597, МПК G05F1/56, опубликован 13.07.2017 г.], содержащий генератор эталонного тока, состоящий из операционного усилителя, первого токозадающего резистора с определенным температурным коэффициентом сопротивления и первого, второго МОП-транзисторов с индуцированным каналом p-типа проводимости (p-МОП транзисторы), истоки которых подключены к шине положительного напряжения питания, а затворы соединены с выходом операционного усилителя, сток первого p-МОП-транзистора подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя и второму выводу первого токозадающего резистора, первый вывод которого соединен с шиной отрицательного напряжения питания, сток второго p-МОП-транзистора является выходом эталонного тока, генератор напряжения, включающий цепочку формирования выходного напряжения, состоящую из первого, второго потенциалозадающих резисторов, причем первый вывод второго потенциалозадающего резистора соединен со вторым выводом первого потенциалозадающего резистора, и первого диода на p-n переходе, p-область которого соединена с первым выводом первого резистора, а n-область подключена к шине отрицательного полюса напряжения питания, третий, четвертый и пятый р-МОП транзистор, истоки которых подключены к шине положительного напряжения питания, а затворы соединены со стоком четвертого р-МОП транзистора, первый и второй МОП-транзисторы с индуцированным каналом n-типа проводимости (n-МОП транзисторы), затворы которых соединены со стоками третьего р-МОП транзистора и первого n-МОП транзистора, сток второго р-МОП транзистора соединен со стоком второго n-МОП-транзистора, второй токозадающий резистор, первый вывод которого соединен с истоком второго n-МОП транзистора, сток пятого р-МОП транзистора соединен со вторым выводом второго потенциалозадающего резистора, второй и третий диоды на р-n переходах, р-области которых соответственно подключены к истоку первого n-МОП транзистора и ко второму выводу второго токозадающего резистора, а n-области соединены с шиной отрицательного полюса напряжения питания. В случае положительного значения температурного коэффициента сопротивления первого 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 первого токозадающего резистора, первый вывод второго потенциалозадающего резистора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а его второй вывод является выходом опорного напряжения.
Устройство позволяет вырабатывать стабилизированное выходное опорное напряжение в дополнение к напряжению, управляющему генератором эталонного тока. При положительном температурном коэффициенте сопротивления первого токозадающего резистора, опорное напряжение формируется как сумма напряжений на первом потенциалозадающем резисторе и диоде, температурные дрейфы слагаемых при этом взаимно компенсируются, добавка к этой сумме напряжения на втором потенциалозадающем резисторе направлена на компенсацию температурной зависимости сопротивления первого токозадающего резистора. При отрицательном температурном коэффициенте первого токозадающего резистора опорное напряжение формируется в виде суммы напряжений на первом и втором потенциалозадающих резисторах и диоде на p-n переходе, напряжение для генератора тока берется меньшим на величину напряжения на втором потенциалозадающем резисторе.
Существенным недостатком устройства-аналога является повышенное потребление тока, определяемое наличием в генераторе напряжения цепочки, содержащей третий диод на p-n переходе. При этом возрастает технологическая сложность обеспечения стабильных характеристик устройства и повторяемость при производстве. Величина тока, протекающего через третий диод на p-n переходе численно равна величине тока, протекающего через первый или второй диоды на p-n переходе, что составляет более тридцати процентов от суммарного тока потребления части схемы устройства, содержащей генератор напряжения.
Технической проблемой полезной модели является создание температурно-стабилизированного источника опорного напряжения и тока с уменьшенной потребляемой мощностью.
Аналогично прототипу источник опорного напряжения и тока содержит генератор напряжения, включающий цепочку формирования выходного напряжения, состоящую из первого, второго потенциалозадающих резисторов, причем первый вывод второго потенциалозадающего резистора соединен со вторым выводом первого потенциалозадающего резистора и первого диода на p-n переходе, p-область которого соединена с первым выводом первого потенциалозадающего резистора, а n-область подключена к шине отрицательного полюса напряжения питания, первый, второй p-МОП-транзисторы, затворы которых соединены между собой, истоки подключены к шине положительного напряжения питания, сток второго p-МОП-транзистора соединен со вторым выводом второго потенциалозадающего резистора, второй диод на p-n переходе, n-область которого подключена к шине отрицательного полюса напряжения питания,  и генератор эталонного тока, состоящий из первого операционного усилителя, токозадающего резистора с определенным температурным коэффициентом сопротивления и третьего, четвертого p-МОП-транзисторов, истоки которых подключены к шине положительного напряжения питания, а затворы соединены между собой, сток четвертого p-МОП транзистора является выходом эталонного тока, первый вывод токозадающего резистора подключен к шине отрицательного полюса напряжения питания.
В отличие от прототипа генератор напряжения дополнительно содержит потенциало-токозадающий резистор, второй операционный усилитель, выход которого соединен с затворами первого, второго p-МОП транзисторов, инвертирующий вход второго усилителя соединен со стоком первого p-МОП транзистора и с p-областью второго диода через потенциало-токозадающий резистор, а неинвертирующий вход соединен с цепочкой формирования выходного напряжения. Генератор тока дополнительно содержит n-МОП транзистор, сток которого соединен со стоком третьего и затворами третьего, четвертого p-МОП транзисторов, исток подключен ко второму выводу токозадающего резистора и инвертирующему входу первого операционного усилителя, затвор к его выходу, неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с цепочкой формирования выходного напряжения.
При установке токозадающего резистора с положительным температурным коэффициентом сопротивления дополнительно вводится третий потенциалозадающий резистор, установленный между инвертирующим входом второго операционного усилителя и стоком первого p-МОП транзистора, неинвертирующий вход второго операционного усилителя соединен со вторым выводом первого потенциалозадающего резистора, который является выходом опорного напряжения, неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен со вторым выводом второго потенциалозадающего резистора. При установке токозадающего резистора с отрицательным температурным коэффициентом неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с первым выводом второго потенциалозадающего резистора цепочки формирования выходного напряжения, неинвертирующий вход второго операционного усилителя соединен со вторым выводом второго потенциалозадающего резистора, который является выходом опорного напряжения.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемой схеме источника опорного напряжения и тока используются только два диода на p-n переходе, что приводит к уменьшению тока потребления схемы на величину тока, протекавшего через исключенный третий диод. Таким образом, уменьшается потребляемая мощность предлагаемой схемы. Потенциало-токозадающий резистор и второй усилитель обеспечивают равенство токов стоков первого, второго p-МОП транзисторов, следовательно, формирование температурно-стабилизированного напряжения и напряжения для генератора тока. Третий потенциалозадающий резистор также предназначен для обеспечения равенства токов стоков первого, второго p-МОП транзисторов, когда при установке токозадающего резистора с положительным температурным коэффициентом неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключают через второй потенциалозадающий резистор к стоку второго p-МОП транзистора. N-МОП транзистор обеспечивает уровень выходного сигнала первого операционного усилителя равным сумме падений напряжений на токозадающем резисторе и напряжению затвор-исток этого транзистора, величине, слабо зависящей от напряжения питания устройства, что уменьшает отклонение значения напряжения на токозадающем резисторе от напряжения на инвертирующем входе первого операционного усилителя, то есть обеспечивается формирования стабилизированного по температуре тока.
Полезная модель поясняется графическими изображениями. На фиг. 1 показана электрическая схема источника опорного напряжения и тока при токозадающем резисторе с положительным температурным коэффициентом сопротивления, где:
1 – первый потенциалозадающий резистор;
2 – второй потенциалозадающий резистор;
3 – первый диод на p-n переходе;
4 – первый p-МОП транзистор;
5 – второй p-МОП транзистор;
6 – второй диод на p-n переходе;
7 – потенциало-токозадающий резистор;
8 – первый операционный усилитель;
9 – второй операционный усилитель;
10 – токозадающий резистор;
11 – третий p-МОП транзистор;
12 – четвертый p-МОП транзистор.
13 – n-МОП транзистор;
14 – третий потенциалозадающий резистор.
На фиг.2 показана электрическая схема источника опорного напряжения и тока при токозадающем резисторе с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.
На фиг.3 показан график зависимости опорного напряжения (U) от температуры (T), полученные в результате компьютерного моделирования схем предлагаемого решения (сплошные линии 1.1 – 1.3) и прототипа (пунктирные линии 1.4 – 1.6) для кремниевой технологии «кремний на изоляторе» X-FAB 180 нм, где кривые 1.1 и 1.4 получены при напряжении питания 3 В, кривые 1.2 и 1.5 – 3,3 В, кривые 1.3 и 1.6 – 3,6 В.
На фиг.4 показан график зависимости опорного тока (I) от температуры (T), полученные в результате компьютерного моделирования схем предлагаемого решения (сплошные линии 2.1 – 2.3) и прототипа (пунктирные линии 2.4 – 2.6) для этой же технологии, где кривые 2.1 и 2.4 получены при напряжении питания 3 В, кривые 2.2 и 2.5 – 3,3 В, кривые 2.3 и 2.6 – 3,6 В.
Источник опорного напряжения и тока содержит генератор напряжения и генератор тока. Генератор напряжения включает цепочку формирования выходного напряжения, состоящую из первого, второго потенциалозадающих резисторов 1, 2, причем первый вывод второго резистора 2 соединен со вторым выводом первого резистора 1, и первого диода 3 на p-n переходе, p-область которого соединена с первым выводом первого потенциалозадающего резистора 1, а n-область подключена к шине отрицательного полюса напряжения питания; первый, второй p-МОП транзисторы 4, 5, затворы которых соединены между собой, истоки подключены к шине положительного полюса напряжения питания, сток второго p-МОП транзистора 5 соединен со вторым выводом второго потенциалозадающего резистора 2; второй диод 6 на p-n переходе, n-область которого подключена к шине отрицательного полюса напряжения питания. Генератор напряжения дополнительно содержит потенциало-токозадающий резистор 7 и второй операционный усилитель 9, выход которого соединен с затворами первого, второго p-МОП транзисторов 4, 5, инвертирующий вход второго усилителя 9 соединен со стоком первого p-МОП транзистора 4 и с p-областью второго диода 6 через потенциало-токозадающий резистор 7, а неинвертирующий вход второго усилителя 9 соединен с цепочкой формирования выходного напряжения. Генератор эталонного тока включает первый операционный усилитель 8, токозадающий резистор 10 с определенным температурным коэффициентом сопротивления и третий, четвертый p-МОП транзисторы 11, 12, истоки которых подключены к шине положительного полюса напряжения питания, а затворы соединены между собой, сток четвертого p-МОП-транзистора 12 является выходом эталонного тока, первый вывод токозадающего резистора 10 подключен к шине отрицательного полюса напряжения питания. Генератор тока дополнительно содержит n-МОП транзистор 13, сток которого соединен со стоком третьего p-МОП транзистора 11 и затворами третьего и четвертого p-МОП транзисторов 11 и 12, исток подключен к инвертирующему входу первого усилителя 8, а затвор к его выходу. Второй вывод токозадающего резистора 10 подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя 8, неинвертирующий вход которого соединен с цепочкой формирования выходного напряжения.
При установке токозадающего резистора 10 с положительным температурным коэффициентом сопротивления дополнительно установлен третий потенциалозадающий резистор 14 между инвертирующим входом второго операционного усилителя 9 и стоком первого p-МОП транзистора 4, неинвертирующий вход второго операционного усилителя 9 соединен со вторым выводом первого потенциалозадающего резистора 1, который является выходом опорного напряжения, неинвертирующий вход первого операционного усилителя 8 соединен со вторым выводом второго потенциалозадающего резистора 2.
При установке токозадающего резистора 10 с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления неинвертирующий вход первого операционного усилителя 8 соединен с первым выводом второго потенциалозадающего резистора 2 цепочки формирования выходного напряжения, неинвертирующий вход второго операционного усилителя 9 соединен со вторым выводом второго потенциалозадающего резистора 2, который является выходом опорного напряжения.
В качестве диодов 3 и 6 возможно использование биполярных транзисторов со структурой p-n-p, база и коллектор которых подключены к земляной шине источника питания, а эмиттеры подключены к первому выводу потенциалозадающего резистора 1 и потенциало-токозадающего резистора 7 соответственно.
Устройство работает следующим образом.
При подаче напряжения питания на устройство через стоки p-МОП транзисторов 4, 5 начинают протекать токи соответственно равные токам диодов 6, 3 на p-n переходах. p-МОП транзисторы 4, 5 выбраны таким образом, что их геометрические и электрические характеристики идентичны, тогда токи диодов 6, 3 одинаковы. При этом геометрические размеры диода 3 заданы больше, чем размеры диода 6, следовательно, при одинаковом токе падение напряжения на диоде 3 будет меньше, чем на диоде 6. Схема генератора переходит в устойчивый режим работы при равенстве напряжений на входах операционного усилителя 9, тогда номинал резистора 1 должен быть больше номинала резистора 7 на добавочное сопротивление:
,       (1), где
– сопротивление резистора 1;
– сопротивление резистора 7;
– добавочное сопротивление.
С учетом (1) ток, протекающий через диоды 3, 6, описывается следующим выражением:
,      (2), где
– ток, протекающий через диоды 3 и 6;
Дж/град – постоянная Больцмана;
Кл – заряд электрона;
– абсолютная температура;
– токи насыщения диодов 3, 6.
При установке резистора 10 с положительным температурным коэффициентом выходное опорное напряжение  равняется сумме падений напряжений на резисторе 1 и диоде 3:
,      (3), где
– опорное напряжение;
– напряжение на p-n переходе диода 3.
Связь тока и напряжения на диоде 3 описывается известной формулой для вольт-амперной характеристики p-n перехода:
,     (4), где
– ток, протекающий через диод;
–коэффициент пропорциональности, учитывающий геометрические размеры p-n перехода;
– ширина запрещенной зоны полупроводника при  К, для кремния  эВ;
– напряжение на p-n переходе;
– тепловой потенциал;
– коэффициент, равный минус 3/2 для кремния;
– ток насыщения.
Для того, чтобы опорное напряжение  не зависело от температуры, необходимо, чтобы первая производная от  по температуре  была равна нулю. Данное условие выполняется, когда значение отношения сопротивления резистора 7 и добавочного сопротивления удовлетворяют следующему равенству:
.  (5)
Тогда, приняв  К, получим выражение для опорного напряжения :
.       (6)
При установке резистора 10 с отрицательным температурным коэффициентом выходное опорное напряжение  равняется сумме падений напряжений на резисторах 1, 2 и диоде 3, т.е. в этом случае сумма сопротивлений резисторов 1, 2 равна сумме сопротивлений резистора 7 и добавочного сопротивления, тогда опорное напряжение  также описывается выражением (6). Отсутствие в выражении (6) параметра  свидетельствует о высокой стабильности формируемого опорного напряжения .
Первый операционный усилитель 8 и n-МОП транзистор 13 за счет глубокой отрицательной обратной связи поддерживают на токозадающем резисторе 10 напряжение, равное напряжению на неинвертирующем входе первого операционного усилителя 8. При установке токозадающего резистора 10 с положительным температурным коэффициентом напряжение на неинвертирующем входе первого операционного усилителя 8 равно:
,      (7), где
– напряжение на неинвертирующем входе первого операционного усилителя 8;
– сопротивление потенциалозадающего резистора 2.
p-МОП транзисторы 11, 12 выбраны таким образом, что их геометрические и электрические характеристики идентичны, тогда величина опорного тока  определяется следующим выражением:
,         (8), где
– сопротивление токозадающего резистора 10.
Используя формулу (2) и известное выражение для температурной зависимости сопротивления резистора, учитывающего только линейную зависимость от температруры, выражение (8) можно привести к следующему виду:
,     (9), где
– температурный коэффициент, определяющий линейную зависимость сопротивления от температуры;
– сопротивление токозадающего резистора 10 при температуре .
Для компенсации температурного дрейфа тока  требуется, чтобы:
.        (10)
Подставив отношение (10) в формулу (9), получим выражение для опорного тока:
.      (11)
Числитель и знаменатель правой части выражения (11) содержат одинаковые слагаемые, прямо-пропорциональные температуре, что обеспечивает высокую температурную стабильность формируемого опорного тока .
При отрицательном значении температурного коэффициента сопротивления токозадающего резистора 10, выражение для опорного тока также описывается формулой (11). При этом напряжение на неинвертирующем входе первого операционного усилителя 8 равно разности опорного напряжения  и напряжения на втором потенциалозадающем резисторе 2, а правая часть выражения (10) умножается на минус единицу.
Было проведено компьютерное моделирование схем прототипа и предлагаемого технического решения для кремниевой технологии «кремний на изоляторе» X-FAB 180 нм при напряжениях питания от 3 В до 3,6 В в диапазоне температур от минус 40 °С до +160 °С. Как видно из графиков фиг. 3, 4, опорные напряжение и токи, генерируемые схемами прототипа (пунктирные линии) и предложенного решения (сплошные линии), имеют одинаковую температурную стабильность. При этом, ток потребления схемы прототипа составил в среднем 33 мкА (108,9 мкВт), предложенная схема потребляет 23 мкА (75,9 мкВт). Согласно данным на фиг. 3 отклонение значения опорного напряжения от соответствующих номинальных значений в отмеченном диапазоне напряжений питания для прототипа составило 13 мВ (номинальное значение 1,179 В), для предложенного решения – только 3 мВ (номинальное значение 1,190 В). Отклонение значения опорного тока от номинального значения 10 мкА в отмеченном диапазоне напряжений питания для прототипа составило 56 нА, для предложенного решения – только 24 нА. Таким образом, достигнуто снижение потребляемой мощности на 30% при схожих характеристиках устройств, то есть указанная техническая проблема решена.