ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электронике, а именно к источникам стабильного и температурно-независимого напряжения постоянного тока, и может быть использована в качестве источника опорного напряжения при построении аналоговых интегральных схем (ИС), например, операционных усилителей, усилителей мощности, ИС драйверов двигателей, аналого-цифровых преобразователей (АЦП), цифроаналоговых преобразователей (ЦАП).
Уровень техники
Известен источник опорного напряжения (авт.свид. SU №1053093, МКИ: G05F 3/18), который содержит последовательно соединенные образцовый резистор, прямо смещенный р-n-переход диода и стабилитрон, свободный электрод которого соединен с общей шиной, и операционный усилитель с двумя резисторами обратной связи, общая точка которых соединена с инвертирующим входом операционного усилителя, а свободный вывод одного из резисторов соединен с выходом операционного усилителя. В данном источнике опорного напряжения точка соединения диода и стабилитрона подключена к свободному выводу другого резистора обратной связи, анод диода соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен со свободным выводом образцового резистора и с выходным выводом источника.
Недостатками данного устройства являются большой ток потребления и повышенный уровень шумов.
Известен источник опорного напряжения (патент US №5955873, МКИ: G05F 3/16) в котором источник опорного напряжения содержит первый операционный усилитель и второй операционный усилитель, первый резистор и второй резистор, первую цепь, состоящую из третьего резистора, четвертого резистора и первого диода, вторую цепь, состоящую из пятого резистора и второго диода, два источника тока и дополнительные два устройства для оперативного включения и выключения. Выход первого операционного усилителя соединен с первым контактом первого резистора. Инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен со вторым контактом первого резистора и с первым контактом второго резистора. Второй контакт второго резистора соединен с общим проводом. Неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с выходом второго операционного усилителя, с первым контактом третьего резистора и с первым контактом пятого резистора. Второй контакт третьего резистора соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя и с первым контактом четвертого резистора. Второй контакт четвертого резистора соединен с анодом первого диода. Второй контакт пятого резистора соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя и с анодом второго диода. Катод первого диода и катод второго диода соединены с общим проводом.
Недостатком данного источника опорного напряжения является влияние технологического разброса параметров элементов на величину выходного напряжения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятый авторами за прототип, является источник опорного напряжения (патент RU №2344464, МПК: G05F 3/08) содержащий пять операционных усилителей, четырнадцать резисторов, два диода. Выход первого операционного усилителя подключен к первым контактам первого и четырнадцатого резисторов. Инвертирующий вход первого операционного усилителя подключен ко второму контакту первого резистора и к первому контакту второго резистора, второй контакт которого соединен с общим проводом. Выход второго операционного усилителя соединен с первыми контактами пятого, третьего и седьмого резисторов.
Инвертирующий вход второго операционного усилителя соединен со вторым контактом седьмого резистора и с первым контактом восьмого резистора, второй контакт которого соединен с общим проводом. Неинвертирующие входы второго и четвертого операционных усилителей подключены к точке соединения второго контакта третьего резистора и первого контакта четвертого резистора, второй контакт которого соединен с анодом первого диода. Инвертирующий вход четвертого операционного усилителя соединен с выходом четвертого операционного усилителя и с первым контактом десятого резистора. Неинвертирующий вход третьего операционного усилителя подключен к точке соединения второго контакта пятого резистора и первого контакта шестого резистора, второй контакт которого соединен с анодом второго диода, а инвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен с выходом третьего операционного усилителя, с первым контактом одиннадцатого резистора и с неинвертирующим входом первого операционного усилителя. Катоды первого и второго диодов соединены с общим проводом. Неинвертирующий вход пятого операционного усилителя соединен со вторым контактом одиннадцатого резистора и с первым контактом двенадцатого резистора, второй контакт которого соединен с общим проводом, а инвертирующий вход пятого операционного усилителя подключен ко второму контакту десятого резистора и к первому контакту девятого резистора, выход пятого операционного усилителя подключен ко второму контакту девятого резистора и к первому контакту тринадцатого резистора. Второй контакт тринадцатого резистора соединен со вторым контактом четырнадцатого резистора, образуя узел выходного опорного напряжения.
Недостатком данного источника опорного напряжения является его большое выходное сопротивление, что сужает функциональные возможности устройства как источника опорного напряжения.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели сводится к снижению выходного сопротивления, а значит и расширению функциональных возможностей устройства как источника опорного напряжения.
Технический результат достигается тем, что в источник опорного напряжения, содержащий два диода, четырнадцать резисторов и пять операционных усилителей: выход первого операционного усилителя подключен к первым контактам первого и четырнадцатого резисторов; инвертирующий вход первого операционного усилителя подключен ко второму контакту первого резистора и к первому контакту второго резистора, второй контакт которого соединен с общим проводом; выход второго операционного усилителя соединен с первыми контактами пятого, третьего и седьмого резисторов; инвертирующий вход второго операционного усилителя соединен со вторым контактом седьмого резистора и с первым контактом восьмого резистора, второй контакт которого соединен с общим проводом; неинвертирующие входы второго и четвертого операционных усилителей подключены к точке соединения второго контакта третьего резистора и первого контакта четвертого резистора, второй контакт которого соединен с анодом первого диода; инвертирующий вход четвертого операционного усилителя соединен с выходом четвертого операционного усилителя и с первым контактом десятого резистора; неинвертирующий вход третьего операционного усилителя подключен к точке соединения второго контакта пятого резистора и первого контакта шестого резистора, второй контакт которого соединен с анодом второго диода, а инвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен с выходом третьего операционного усилителя, с первым контактом одиннадцатого резистора и с неинвертирующим входом первого операционного усилителя; катоды первого и второго диодов соединены с общим проводом; неинвертирующий вход пятого операционного усилителя соединен со вторым контактом одиннадцатого резистора и с первым контактом двенадцатого резистора, второй контакт которого соединен с общим проводом, а инвертирующий вход пятого операционного усилителя подключен ко второму контакту десятого резистора и к первому контакту девятого резистора, выход пятого операционного усилителя подключен ко второму контакту девятого резистора и к первому контакту тринадцатого резистора; второй контакт тринадцатого резистора соединен со вторым контактом четырнадцатого резистора, введены шестой операционный усилитель, пятнадцатый и шестнадцатый резисторы, причем неинвертирующий вход шестого операционного усилителя соединен со вторыми контактами тринадцатого и четырнадцатого резисторов, инвертирующий вход шестого операционного усилителя подключен ко второму контакту пятнадцатого резистора и к первому контакту шестнадцатого резистора, второй контакт которого соединен с общим проводом; выход шестого операционного усилителя соединен с первым контактом пятнадцатого резистора и одновременно является выходом устройства
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена функциональная схема источника опорного напряжения.
На фиг.2 представлен график зависимости потенциалов в точках А и В от изменения температуры.
На фиг.3 представлены графики зависимости выходного опорного напряжения от температуры с: а) расчетными номиналами резисторов; б) с номиналами сопротивлений резисторов, увеличенными на 25% относительно расчетных; в) с номиналами сопротивлений резисторов, уменьшенными на 25% относительно расчетных.
На фиг.4 представлен график зависимости выходного опорного напряжения от изменения напряжения питания.
На чертежах приняты следующие обозначения.
1 - первый операционный усилитель;
13 - седьмой резистор;
2 - первый резистор;
14 - восьмой резистор;
3 - второй резистор;
15 - пятый операционный усилитель;
4 - второй операционный усилитель;
16 - девятый резистор;
5 - третий резистор;
17 - десятый резистор;
6 - четвертый резистор;
18 - одиннадцатый резистор;
7 - первый диод;
19 - двенадцатый резистор;
8  - пятый резистор;
20 - тринадцатый резистор;
9 - второй диод;
21 - четырнадцатый резистор;
10 - третий операционный усилитель;
22 - шестой операционный усилитель;
11 - шестой резистор;
23 - пятнадцатый резистор;
12 - четвертый операционный усилитель;
24 - шестнадцатый резистор;
А - узел А - точка соединения третьего резистора 5, четвертого резистора 6, неинвертирующего входа второго операционного усилителя 4 и неинвертирующего входа четвертого операционного усилителя 12;
В - узел В - точка соединения пятого резистора 8, шестого резистора 11 и неинвертирующего входа третьего операционного усилителя 10;
С - узел С - точка соединения выхода первого операционного усилителя 1, первого резистора 2 и четырнадцатого резистора 21;
D - узел D - точка соединения выхода пятого операционного усилителя 15 со вторым контактом девятого резистора 16 и с первым контактом тринадцатого резистора 20;
Е - узел Е - точка соединения выхода шестого операционного усилителя 22 с первым контактом пятнадцатого резистора 23.
Осуществление полезной модели
Источник опорного напряжения содержит первый операционный усилитель 1; петлю обратной связи первого операционного усилителя 1, состоящую из первого резистора 2 и второго резистора 3; второй операционный усилитель 4 с петлей обратной связи, включающей седьмой резистор 13 и восьмой резистор 14; первую цепь, состоящую из третьего резистора 5, четвертого резистора 6 и первого диода 7; вторую цепь, состоящую из пятого резистора 8, шестого резистора 11 и второго диода 9, третий операционный усилитель 10, четвертый операционный усилитель 12, пятый операционный усилитель 15; петлю обратной связи пятого операционного усилителя 15, состоящую из девятого резистора 16 и десятого резистора 17; третью цепь, состоящую из одиннадцатого резистора 18 и двенадцатого резистора 19; четвертую цепь, состоящую из тринадцатого резистора 20 и четырнадцатого резистора 21; шестой операционный усилитель 22; петлю обратной связи шестого операционного усилителя 22, состоящую из пятнадцатого резистора 23 и шестнадцатого резистора 24.
Выход первого операционного усилителя 1 подключен к первому контакту первого резистора 2 и к первому контакту четырнадцатого резистора 21, образуя узел С. Инвертирующий вход первого операционного усилителя 1 подключен ко второму контакту первого резистора 2 и к первому контакту второго резистора 3, второй контакт которого соединен с общим проводом. Выход второго операционного усилителя 4 соединен с первым контактом пятого резистора 8, с первым контактом третьего резистора 5 и с первым контактом седьмого резистора 13. Инвертирующий вход второго операционного усилителя 4 соединен со вторым контактом седьмого резистора 13 и с первым контактом восьмого резистора 14, второй контакт которого соединен с общим проводом. Неинвертирующий вход второго операционного усилителя 4 и неинвертирующий вход четвертого операционного усилителя 12 подключены к точке соединения А (узел А) второго контакта третьего резистора 5 и первого контакта четвертого резистора 6, второй контакт которого соединен с анодом первого диода 7. Инвертирующий вход четвертого операционного усилителя 12 соединен с выходом четвертого операционного усилителя 12 и с первым контактом десятого резистора 17.
Неинвертирующий вход третьего операционного усилителя 10 подключен к точке соединения В (узел В) второго контакта пятого резистора 8 и первого контакта шестого резистора 11, второй контакт которого соединен с анодом второго диода 9, а инвертирующий вход третьего операционного усилителя 10 соединен с выходом третьего операционного усилителя 10, с первым контактом одиннадцатого резистора 18 и с неинвертирующим входом первого операционного усилителя 1.
Катод первого диода 7 и катод второго диода 9 соединены с общим проводом.
Неинвертирующий вход пятого операционного усилителя 15 соединен со вторым контактом одиннадцатого резистора 18 и с первым контактом двенадцатого резистора 19, второй контакт которого соединен с общим проводом, а инвертирующий вход пятого операционного усилителя 15 подключен ко второму контакту десятого резистора 17 и к первому контакту девятого резистора 16, выход пятого операционного усилителя 15 подключен ко второму контакту девятого резистора 16 и к первому контакту тринадцатого резистора 20, образуя узел D.
Второй контакт тринадцатого резистора 20 соединен со вторым контактом четырнадцатого резистора 21 и неинвертирующим входом шестого операционного усилителя 22, инвертирующий вход которого соединен со вторым контактом пятнадцатого резистора 23 и с первым контактом шестнадцатого резистора 24, второй контакт которого соединен с общим проводом.
Выход шестого операционного усилителя 22 подключен к первому контакту пятнадцатого резистора 23 образуя узел Е выходного опорного напряжения.
Источник опорного напряжения работает следующим образом.
В источнике опорного напряжения применены однотипные резисторы с одинаковым температурным коэффициентом сопротивления.
На втором операционном усилителе 4, седьмом резисторе 13 и восьмом резисторе 14 собран неинвертирующий усилитель, входным сигналом для которого служит потенциал узла А в цепи, образованной третьим резистором 5 и четвертым резистором 6, а также первым диодом 7.
Такая схема является самозапускающейся при подаче напряжения питания при условии, что сопротивление третьего резистора 5 существенно больше, чем сопротивление четвертого резистора 6. На выходе второго операционного усилителя 4 формируется напряжение, равное потенциалу в точке А, умноженному на сумму отношения сопротивления седьмого резистора 13 к сопротивлению восьмого резистора 14 и единицы, т.е.
, где
вых.ОУ4
U - напряжение на выходе второго операционного усилителя 4;
а
U - напряжение в точке А - точке соединения третьего резистора 5 и четвертого резистора 6;
R13
R - сопротивление седьмого резистора 13;
R14
R - сопротивление восьмого резистора 14.
Это напряжение не зависит от напряжения питания схемы. Однако оно зависит от температуры и с ростом последней уменьшается, так как уменьшается падение напряжения на диоде.
Чтобы получить стабильное напряжение на выходе источника опорного напряжения, использована вторая цепь, содержащая пятый резистор 8 и шестой резистор 11, имеющие номиналы сопротивлений, равные соответственно сопротивлению третьего резистора 5 и четвертого резистора 6, а второй диод 9 имеет меньшую площадь р-n-перехода, чем первый диод 7. При этом потенциал в точке В выше, чем потенциал в точке А, и разность между ними с ростом температуры растет (см. фиг.2). На фиг.2 верхняя кривая отображает изменение потенциала точки В от температуры, а нижняя кривая - изменение потенциала точки А от температуры.
Дальнейшая задача состоит в том, чтобы усилить эту разность потенциалов до нужной величины и сложить со спадающей от роста температуры характеристикой напряжения на диоде. Чтобы входные токи последующих каскадов не вносили погрешностей в разность потенциалов между узлами А и В, в данном случае используются повторители этих потенциалов, выполненные на четвертом операционном усилителе 12 и третьем операционном усилителе 10. Первый операционный усилитель 1 с петлей обратной связи на первом резисторе 2 и втором резисторе 3 представляет собой неинвертирующий усилитель, входным сигналом для которого является потенциал точки В, уменьшающийся с ростом температуры. Соотношением сопротивлений второго резистора 2 и третьего резистора 3 задается наклон вольт-температурной характеристики узла С.
Пятый операционный усилитель 15 с петлей обратной связи на девятом резисторе 16 и десятом резисторе 17 и с третьей цепью на одиннадцатом резисторе 18 и двенадцатом резисторе 19 представляет собой дифференциальный усилитель, входными сигналами для которого являются потенциалы в точках А и В, так как потенциал на выходе четвертого операционного усилителя 12 равен потенциалу узла А, а потенциал на выходе третьего операционного усилителя 10 равен потенциалу узла В.
Соотношением номиналов сопротивлений девятого резистора 16 и десятого резистора 17, а также двенадцатого резистора 19 и одиннадцатого резистора 18 задается наклон вольт-температурной характеристики узла D, при этом должно выполняться условие:
R16
R17
R19
R18
R/R=R/R, где
R16
R - сопротивление девятого резистора 16,
R17
R - сопротивление десятого резистора 17,
R18
R - сопротивление одиннадцатого резистора 18,
R19
R - сопротивление двенадцатого резистора 19.
Таким образом, с ростом температуры в точке (узле) С напряжение снижается, а в точке (узле) D напряжение повышается. Можно подобрать наклоны этих характеристик так, чтобы при суммировании они выдавали величину напряжения, не зависящую от температуры.
На шестом операционном усилителе 22, тринадцатом резисторе 20, четырнадцатом резисторе 21, пятнадцатом резисторе 23, шестнадцатом резисторе 24, собран неинвертирующий сумматор, входными сигналами для которого служат потенциалы узлов D и С, при этом должно выполняться условие:
R20
R2l
R=R, где
R20
R - сопротивление тринадцатого резистора 20,
R21
R - сопротивление четырнадцатого резистора 21.
На выходе операционного усилителя 22 в точке (узле) E формируется выходное температурно-независимое напряжение (см. фиг.3), значение которого определяется произведением суммы потенциалов точек D и С на сумму отношения сопротивления пятнадцатого резистора 23 к сопротивлению шестнадцатого резистора 24 и единицы, т.е.
, где
вых.ОУ6
U- напряжение на выходе шестого операционного усилителя 22;
D
U - напряжение в точке D;
C
U - напряжение в точке С;
23
RR - сопротивление пятнадцатого резистора 23;
24
RR - сопротивление шестнадцатого резистора 24.
Как видно из описания, величина опорного напряжения зависит от соотношения номиналов сопротивлений резисторов в схеме и отношения площадей p-n-переходов диодов, что в случае интегрального исполнения гарантируется технологическим процессом изготовления кристаллов. Так как в схеме нет ни одного транзистора, не охваченного обратной связью (все транзисторы внутри операционных усилителей), то сколько-нибудь существенного влияния на величину выходного напряжения технологический разброс транзисторов не оказывает. Изменение напряжения питания слабо влияет на величину выходного напряжения. Это иллюстрирует график, приведенный на фиг.4.
Введение шестого операционного усилителя 22 обеспечивает снижение выходного сопротивления источника опорного напряжения. Благодаря чему, источник опорного напряжения по своим параметрам приближается к идеальному источнику напряжения (см. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1998 г., с.19), что существенно расширяет функциональные возможности предлагаемого источника опорного напряжения.