ИСТОЧНИК ТЕРМОСТАБИЛИЗИРОВАННОГО ТОКА

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 термостабилизированного тока, величины которых пропорциональны пороговому напряжению n- или р-канального МДП-транзистора. См., например, патент Великобритании №2070820, МКИ G05F 3/08, опубликованный 9 сентября 1981 г. [1]. Подобные устройства не обеспечивают высокую стабильность тока, так как пороговое напряжение МДП-транзисторов зависит от температуры и меняется под воздействием дестабилизирующих производственных факторов.
Этот недостаток устранен в источнике термостабилизированного тока, описанном в патенте США №4450367, НКИ 307/297, МКИ G05F 3/16, опубликованном 22 мая 1984 г. [3]. Данное устройство содержит первый и второй диоды на р-n переходах, первый резистор, 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 через первый резистор подключен к области первого типа проводимости первого диода, исток второго МДП-транзистора второго типа соединен с областью первого типа проводимости второго диода, области второго типа проводимости первого и второго диодов соединены со второй шиной напряжения питания, сток третьего МДП-транзистора первого типа является выходом стабилизированного тока.
Вырабатываемое источником выходной ток пропорционален току в первом резисторе, напряжение на котором равно разности напряжений на первом и втором диодах, возникающей вследствие того, что плотность тока в первом диоде ниже, чем во втором. Напряжение на первом резисторе соответствует формуле:
-23
-19
1
2
D1
D2
где Т - абсолютная температура, k=1,38·10 Дж/град - постоянная Больцмана, q=1,6·10 Кл - заряд электрона, β/β - отношение крутизн первых и вторых МДП-транзисторов обоих типов, S, S - площади р-n переходов первого и второго диодов.
Величина напряжения на первом резисторе имеет положительный линейный температурный коэффициент, в некоторой степени стабильность выходного тока по температуре в устройстве достигается в случае положительной температурной зависимости сопротивления первого резистора, обычно выражаемой по квадратичному закону,
0
0
Т1
Т2
где R1 - сопротивление первого резистора при определенной температуре Т, а α и α - температурные коэффициенты сопротивления.
Вид температурных зависимостей сопротивления первого резистора и напряжения на нем не обеспечивает постоянство их отношения в широком диапазоне температур, что снижает стабильность выходного тока, а в случае отрицательного теплового коэффициента сопротивления первого резистора какая-либо стабилизация вообще не достижима. Это является недостатком устройства - аналога.
Технический результат полезной модели заключается в повышении стабильности вырабатываемого тока и реализации возможности использования в устройстве резисторов с произвольными температурными зависимостями сопротивления.
Технический результат достигается тем, что в источник термостабилизированного тока, содержащий первый и второй диоды на р-n переходах, первый резистор, с первого по третий МДП-транзисторы с индуцированным каналом первого типа проводимости, истоки которых подключены к первой шине напряжения питания, а затворы соединены со стоком первого МДП-транзистора первого типа, первый и второй МДП-транзисторы с индуцированным каналом второго типа проводимости, затворы которых соединены со стоками вторых МДП-транзисторов первого и второго типов, сток первого МДП-транзистора первого типа соединен со стоком первого МДП-транзистора второго типа, исток которого через первый резистор подключен к области первого типа проводимости первого диода, исток второго МДП-транзистора второго типа соединен с областью первого типа проводимости второго диода, области второго типа проводимости первого и второго диодов соединены со второй шиной напряжения питания, сток третьего МДП-транзистора первого типа является выходом тока, дополнительно введены второй и третий резисторы, подключенные соответственно между истоками первого и второго МДП-транзисторов второго типа и второй шиной напряжения питания.
Указанные выполнения устройства позволяет повысить температурную стабильность выходного тока.
Отличительными признаками полезной модели являются наличие второго и третьего резисторов.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображена электрическая схема источника термостабилизированного тока.
Для облегчения понимания работы схемы на чертеже и в последующем описании проводимости полупроводников первого и второго типов представлены соответственно как проводимости р и n типов, а первая и вторая шины напряжений питания - соответственно как шины положительного напряжения питания и нулевого потенциала.
П
Источник термостабилизированного тока содержит с первого по третий резисторы 1-3, с первого по третий МДП-транзисторы 4-6 с индуцированным каналом р типа проводимости, истоки которых подключены к шине +U положительного напряжения питания, а затворы соединены и подключены к стоку первого р-МДП-транзистора 4, первый и второй МДП-транзисторы 7 и 8 с индуцированным каналом n типа проводимости, затворы которых соединены и подключены к соединенным стокам вторых МДП-транзисторов 5 и 8 р и n типов, сток первого р-МДП-транзистора 4 соединен со стоком первого n-МДП-транзистора 7, исток которого подключен к первым выводам первого и второго резисторов 1 и 2, сток третьего р-МДП-транзистора 6 является выходом термостабилизированного тока I, первый и второй диоды 9 и 10 на р-n переходах, р-области которых соответственно подключены ко второму выводу первого резистора 1 и к истоку второго n-МДП-транзистора 8, а n-области диодов 9, 10 и вторые выводы второго и третьего резисторов 2 и 3 соединены с шиной нулевого потенциала.
Устройство работает следующим образом.
5
4
И7
И8
Р-МДП-транзисторы 4 и 5 образуют токовое зеркало, в котором отношения возвращаемого тока стока р-МДП-транзистора 5 к принимаемому току стока р-МДП-транзистора 4 прямо пропорционально отношению крутизны β транзистора 5 к крутизне β транзистора 4. N-МОП транзисторы 7 и 8 выполняют функции истоковых повторителей, отношение крутизн транзисторов 7 и 8 равно отношению крутизн р-МДП-транзисторов 4 и 5, что обеспечивает равенство напряжений U, U на их истоках.
СИ
ЗИ
СИ
ЗИ
ПОР
Известная формула для вольтамперной характеристики МДП-транзистора в области насыщения, когда прямо приложенное напряжение U между его стоком и истоком превосходит превышение напряжением U затвор-исток своего порогового значения, то есть когда U>U-U,
C
ПОР
где, I - ток стока, а β - крутизна. Равенство пороговых напряжений U у транзисторов 4, 5 и 6 одного типа, имеющих одинаковые напряжения затвор - исток, позволяет вывести равенства
Равенство напряжений
4
5
для транзисторов 7 и 8 обеспечивается тем, что токи стоков транзисторов 7 и 8 соответственно равны токам стоков транзисторов 4 и 5, и, следовательно, относятся как β/β согласно (2), а крутизны пропорциональны крутизнам транзисторов 4 и 5 -
Из выражения (3) следует равенство напряжений на истоках транзисторов 7 и 8, имеющих один и тот же потенциал на затворах.
D9
D10
Соотношения площадей р-n переходов S, S диодов 9, 10 и их токов обеспечивают более высокую плотность тока у диода 10, поэтому напряжение на диоде 10 выше, чем на диоде 9.
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 р-n перехода диода.
Отношение сопротивлений второго и третьего резисторов 2 и 3 равно отношению токов стоков транзисторов 5 и 4.
Равенство напряжений на истоках n-МДП-транзисторов 7 и 8 обеспечивает равенство напряжения на резисторе 2 напряжению на резисторе 3 и диоде 10, а выполнение пропорции (6) - равенство отношения токов резисторов 2 и 3 отношению токов диодов 9 и 10:
C4
C5
Приняв сумму токов диода 9 и резистора 2 равной току I стока р-МДП-транзистора 4 и сумму токов диода 10 и резистора 3 равной току I стока р-МДП-транзистора 5, по формулам (2), (5), (6) и (7) выразим разность напряжений на диодах 9 и 10, приложенную к резистору 1, определяющему ток диода 9, -
D
D0
D
Напряжение на резисторах 2 и 3 равно напряжению на диоде 10, которое при I=J×S, будет выражена как
Ток истока р-МДП-транзистора 4 будет соответствовать формуле:
0
D0
T
в которой первое слагаемое внутри внешних скобок возрастает с увеличением температуры Т, а второе - убывает так как для кремниевых р-n переходов Е>U. В формуле (10) учтена также температурная зависимость сопротивлений резисторов, которая предполагается одинаковой и выражена в линейной аппроксимации через температурный коэффициент α.
Ток в Выходе I соответствует току стока р-МДП-транзистора 6, пропорциональному току стока р-МДП-транзистора 4 согласно одному из равенств (2).
D
0
T
D0
0
D0
0
6
Формула (10) демонстрирует устойчивость величины вырабатываемого тока к воздействию дестабилизирующих факторов тем, что в ней присутствуют только конструктивные параметры элементов схемы - отношения крутизн β МДП-транзисторов, для однотипных транзисторов одинакового конструктивного выполнения определяемые отношением ширин W и длин L их каналов согласно формулы (11), и площадей S р-n переходов диодов, физические параметры Е и α полупроводникового материала, а также опорные точки U и R вольтамперных характеристик диодов и резисторов одинаковые для всех типов элементов, формируемых в общем производственно-технологическом процессе. Возможный разброс величины выходного тока вследствие разброса величин U и R в таких условиях может быть скомпенсирован подстройкой крутизны В р-МДП-транзистора 6, который может иметь несколько отключаемых или подключаемых при подстройке дополнительных секций.
C4
Условием температурной компенсации выходного тока является равенство нулю производной I по температуре -
0
T
0
2
В результате умножения выражения (12) на Т(1+α(Т-Т)) оно принимает следующий вид.
А после приведения подобных членов из него исчезает параметр Т:
Из формулы (14) следует, что температурная компенсация будет достигнута, если выполнить равенство
0
Правая часть формулы (14) совпадет с выражением (10) для выходного тока I, если в него подставить Т=Т, это означает, что левая часть выражения (15) дает значение выходного тока I, стабилизированного до такой степени, которую позволяет принятое в расчетах линейное приближение температурной зависимости сопротивлений резисторов 1, 2 и 3.
T2
T3
0
Нелинейность температурной зависимости сопротивлений резисторов, выражаемая дополнительными коэффициентами α, α, … при второй и более высоких степенях относительной температуры (Т-Т), приводит к некоторой нестабильности тока, которую можно минимизировать, если использовать линейную аппроксимацию с максимальным приближением в требуемом температурном диапазоне.
Таким образом, источник вырабатывает ток, температурная стабильность которого с учетом физических параметров полупроводникового материала - ширины запрещенной зоны и линейного температурного коэффициента сопротивления задается конструктивными параметрами элементов, определяющими отношения сопротивлений резисторов, размерами МДП-транзисторов одинаковых типов проводимости и площадей диодов, и не зависящими от воздействий дестабилизирующих производственных и эксплуатационных факторов, при этом разброс величины тока вследствие разброса величин сопротивлений резисторов и напряжений на р-n переходах может быть скомпенсирован подстройкой крутизны транзистора, формирующего выходной ток.