ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электронике и предназначена для использования в интегральных микросхемах на комплементарных транзисторах структуры металл-диэлектрик-полупроводник (КМДП).
Известно использование в КМДП-схемах параметрических источников опорного напряжения, уровень которого пропорционален пороговому напряжению n- или p-канального МДП-транзистора. См., например, патент США №4507572, НКИ 307-295 R, МКИ Н03К 3/353, G05F 3/08, опубликованный 26 марта 1985 г. [1]. Подобные устройства не обеспечивают высокую стабильность опорного напряжения, так как пороговое напряжение МДП-транзисторов зависит от температуры и меняется под воздействием дестабилизирующих производственных факторов.
Этот недостаток устранен в источнике опорного напряжения, описанном в патенте РФ №2131616 МКИ G05F 3/24, H03K 3/353, опубликованном 10 июня 1999 г. [2]. Данное устройство содержит первый и второй резисторы, с первого по третий МДП-транзисторы с индуцированным каналом первого типа проводимости, истоки которых подключены к первой шине напряжения питания, а затворы соединены и подключены к стоку первого МДП-транзистора первого типа, первый и второй МДП-транзисторы с индуцированным каналом второго типа проводимости, затворы которых соединены и подключены к соединенным стокам вторых МДП-транзисторов первого и второго типов, сток первого МДП-транзистора первого типа соединен со стоком первого МДП-транзистора второго типа, исток которого подключен к первому выводу первого резистора, сток третьего МДП-транзистора первого типа соединен с первым выводом второго резистора и является выходом опорного напряжения, второй вывод второго резистора соединен с истоком второго МДП-транзистора второго типа, первый и второй диоды на р-n переходах, области первого типа проводимости которых подключены ко вторым выводам первого и второго резисторов соответственно, а области второго типа проводимости соединены со второй шиной напряжения питания.
Вырабатываемое источником выходное напряжение складывается из напряжений на первом диоде D2,
и на втором резисторе R2,
0
0
0
D0
0
1
2
3
D1
D1
-23
-19
В этих формулах Е - ширина запрещенной зоны полупроводникового материала, при Т=298 К у кремния Е=1,205 В, Т - абсолютная температура, U - напряжение на применяемых диодах при заданной плотности тока и температуре Т=298 К, k=1,38·10 Дж/град - постоянная Больцмана, q=1,6·10 Кл - заряд электрона, β, β. β - крутизны первого, второго и третьего МДП-транзисторов второго типа, S, S - площади p-n переходов первого и второго диодов, R1 и R2 - сопротивления первого и второго резисторов.
0
D0
Величины напряжений на втором диоде и на втором резисторе имеют соответственно отрицательный и положительный температурные коэффициенты, так как Е всегда больше U, а значение логарифма положительно, если его аргумент больше единицы.
Стабильность опорного напряжения по температуре в устройстве достигается за счет уравновешивания температурных дрейфов суммируемых напряжений. Баланс достигается, когда
0
Это является недостатком устройства - аналога, не позволяющим получить стабильное опорное напряжение, отличающееся от Е.
Технический результат полезной модели заключается в реализации возможности повышения величины опорного напряжения.
Технический результат достигается тем, что в источник опорного напряжения, содержащий первый и второй резисторы, с первого по третий МДП-транзисторы с индуцированным каналом первого типа проводимости, истоки которых подключены к первой шине напряжения питания, а затворы соединены и подключены к стоку первого МДП-транзистора первого типа, первый и второй МДП-транзисторы с индуцированным каналом второго типа проводимости, затворы которых соединены и подключены к соединенным стокам вторых МДП-транзисторов первого и второго типов, сток первого МДП-транзистора первого типа соединен со стоком первого МДП-транзистора второго типа, исток которого подключен к первому выводу первого резистора, сток третьего МДП-транзистора первого типа соединен с первым выводом второго резистора и является выходом опорного напряжения, второй вывод второго резистора соединен с истоком второго МДП-транзистора второго типа, первый и второй диоды на р-n переходах, области первого типа проводимости которых подключены ко вторым выводам первого и второго резисторов соответственно, а области второго типа проводимости соединены со второй шиной напряжения питания, дополнительно введены третий и четвертый резисторы, первые выводы которых соответственно подключены к истокам первого и второго МДП-транзисторов второго типа, а вторые выводы соединены со второй шиной напряжения питания.
0
Указанные выполнения устройства позволяет получать стабилизированные по температуре опорные напряжения разных величин, превышающих Е.
Отличительными признаками полезной модели являются наличие третьего и четвертого резисторов.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображена электрическая схема источника опорного напряжения.
Для упрощения понимания работы схемы на чертеже и в последующем описании проводимости полупроводников первого и второго типов представлены соответственно как проводимости p и n типов, а первая и вторая шины напряжений питания - соответственно как шины положительного напряжения питания и нулевого потенциала.
П
Источник опорного напряжения содержит с первого по четвертый резисторы 1-4, с первого по третий МДП-транзисторы 5-7 с индуцированным каналом p типа проводимости, истоки которых подключены к шине +U положительного напряжения питания, а затворы соединены и подключены к стоку первого p-МДП-транзистора 5, первый и второй МДП-транзисторы 8 и 9 с индуцированным каналом n типа проводимости, затворы которых соединены и подключены к соединенным стокам вторых МДП-транзисторов 6 и 9 p и n типов, сток первого p-МДП-транзистора 5 соединен со стоком первого n-МДП-транзистора 8, исток которого подключен к первым выводам первого и третьего резисторов 1 и 3, сток третьего p-МДП-транзистора 7 соединен с первым выводом второго резистора 2 и является выходом опорного напряжения, первый и второй диоды 10 и 11, аноды которых соответственно подключены ко второму выводу первого резистора 1 и к истоку второго n-МДП-транзистора 9, соединенному со вторым выводом второго резистора 2 и с первым выводом четвертого резистора 4, катоды диодов 10. 11 и вторые выводы третьего и четвертого резисторов 3 и 4 соединены с шиной нулевого потенциала.
Устройство работает следующим образом.
И8
И9
P-МДП-транзисторы 5, 6 и 7 образуют токовое зеркало, в котором отношения возвращаемых токов стоков p-МДП-транзисторов 6 и 7 к принимаемому току стока p-МДП-транзистора 5 прямо пропорциональны соответствующим отношениям крутизн p транзисторов 6 и 7 к крутизне транзистора 5. N-МОП транзисторы 8 и 9 выполняют функции истоковых повторителей, отношение крутизн транзисторов 8 и 9 равно отношению крутизн p-МДП-транзисторов 5 и 6, что обеспечивает равенство напряжений U, U на их истоках.
СИ
ЗИ
СИ
ЗИ
ПОР
Пользуясь известной формулой 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,
C
ПОР
где, I - ток стока, а β - крутизна, и приняв равными значения пороговых напряжений U для транзисторов 5, 6 и 7 одного типа, имеющих одинаковые напряжения затвор - исток, легко вывести равенства
Равенство напряжений
5
6
для транзисторов 8 и 9 обеспечивается тем, что токи стоков транзисторов 8 и 9 соответственно равны токам стоков транзисторов 5 и 6, и, следовательно, относятся как β/β согласно (2), а крутизны пропорциональны крутизнам транзисторов 5 и 6 -
Из выражения (3) следует равенство напряжений на истоках транзисторов 8 и 9, имеющих один и тот же потенциал на затворах.
D10
D11
Соотношения площадей p-n переходов S и S диодов 10 и 11 и токов этих диодов обеспечивают более высокую плотность тока у диода 11, поэтому напряжение на диоде 11 выше, чем на диоде 10.
D
D
Зависимость напряжения U на полупроводниковом диоде от абсолютной температуры Т и протекающего тока I выражает формула
D0
D0
0
D
где U - напряжение на диоде при плотности тока J и температуре Т, S - площадь p-n перехода диода.
Отношение сопротивлений третьего и четвертого резисторов равно отношению суммы токов стоков транзисторов 6 и 7 к току стока транзистора 5.
Равенство напряжений на истоках n-МДП-транзисторов 8 и 9 обеспечивает равенство напряжений на резисторах 3 и 4 напряжению на диоде 11, а выполнение пропорции (6) - равенство отношения токов резисторов 3 и 4 отношению токов диодов 10 и 11:
C5
C6
C7
Приняв сумму токов диода 10 и резистора 3 равной току I стока p-МДП-транзистора 5 и сумму токов диода 11 и резистора 4 равной сумме токов I и I стоков p-МДП-транзисторов 6 и 7, по формулам (2), (5) и (7) выразим разность напряжений на диодах 10 и 11, приложенную к резистору 1, определяющему ток диода 10, -
REF
Выходное опорное напряжение U равно напряжению на диоде 11, которое можно записать как
сложенному с напряжением на резисторе 2, определяемым напряжением на резисторе 1 и током резистора 4 согласно формуле
Формула (10) учитывает деление тока резистора 4 между цепями стоков p-МДП-транзисторов 6 и 7 пропорционально их крутизнам. Объединив выражения (8), (9) и (10), получим
0
D0
Формулы (11) демонстрируют устойчивость вырабатываемого напряжения к воздействию дестабилизирующих факторов тем, что в них 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.
REF
Условием температурной компенсации опорного напряжения является равенство нулю производной U по температуре
Из формулы (12) следует, что температурная компенсация будет достигнута, если выполнить равенство
REF
0
Правая часть формулы (13) совпадет с выражением (11) для выходного опорного напряжения U, если в него подставить Т=Т, это означает, что левая часть выражения (11) дает значение стабилизированного выходного напряжения устройства.
Таким образом, источник опорного напряжения вырабатывает выходное напряжение, температурно стабилизированное по ширине запрещенной зоны в широком диапазоне значений, задаваемых конструктивными параметрами элементов, определяющими отношения сопротивлений резисторов, крутизн МДП-транзисторов одинаковых типов проводимости и площадей диодов, и не зависящими от воздействий производственных и эксплуатационных факторов.