ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ШИРОКИМ ДИАПАЗОНОМ ВОЗМОЖНЫХ ЗНАЧЕНИЙ

Полезная модель относится к электронике и предназначена для использования в интегральных микросхемах на комплементарных транзисторах структуры металл-диэлектрик-полупроводник (КМДП).
0
0
Известны стабилизированные по температуре КМДП-источники опорного напряжения, уровень которого равен выраженной в вольтах ширине запрещенной зоны Е, см., например, патент РФ №21316161 МПК G05F 3/24, Н03К 3/353, опубликованный 10 июня 1999 г. [1]. Недостатком подобных устройств является невозможность получения стабильного опорного напряжения, отличающегося от Е.
Этот недостаток устранен в источнике опорного напряжения, описанном в патенте РФ на полезную модель №153305 МПК Н03К 3/353, опубликованном 18 марта 2015 г. [2]. По технической сущности это устройство наиболее близко заявляемой полезной модели.
Данное устройство содержит с первого по четвертый 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 обоих типов, сток первого МДП-транзистора первого типа соединен со стоком первого МДП-транзистора второго типа, исток которого соединен с первыми выводами первого и второго резисторов, исток второго МДП-транзистора второго типа соединен с первым выводом третьего резистора, первый и второй диоды на р-n переходах, области первого типа проводимости которых соответственно подключены ко второму выводу первого резистора и к истоку второго МДП-транзистора второго типа, а области второго типа проводимости и вторые выводы второго и третьего резисторов соединены со второй шиной напряжения питания, сток третьего МДП-транзистора первого типа через четвертый резистор подключен к области первого типа проводимости второго диода и является выходом устройства.
REF
Вырабатываемое источником выходное напряжение U складывается из напряжений на втором диоде D2,
и на четвертом резисторе R4, ток которого пропорционален сумме токов, протекающих в первом и втором резисторах.
R1
Напряжение U, создающее ток в первом резисторе, возникает по причине меньшей плотности тока в первом диоде, чем во втором.
R2
D2
Напряжение U на втором резисторе равно напряжению U на втором диоде. В сумме получается:
0
0
0
D0
0
1
2
3
D1
D2
-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 диодах при заданной плотности тока и температуре Т=298 К, k=1,38⋅10 Дж/К - постоянная Больцмана, q=1,6⋅10 Кл - заряд электрона, β, β, β - крутизны первого, второго и третьего МДП-транзисторов первого типа, S, S - площади р-n переходов первого и второго диодов, R1, R2, R3, R4 - сопротивления первого-четвертого резисторов.
D2
R4
0
D0
D2
R4
D2
R4
Стабильность опорного напряжения по температуре в устройстве достигается за счет уравновешивания температурных дрейфов суммируемых напряжений U и U, имеющих соответственно отрицательный и положительный температурные коэффициенты, так как Е всегда больше U, а разность напряжений на р-n переходах пропорциональна температуре. Сумма напряжений U и U может варьироваться в широких пределах, но ее минимальное значение не может не превышать напряжения U, причем его максимального значения в диапазоне рабочих температур с некоторым запасом для U, которое не может снижаться до нуля.
Технический результат полезной модели заключается в реализации возможности снижения величины опорного напряжения ниже напряжения на открытом р-n переходе.
Технический результат достигается тем, что в источнике опорного напряжения с широким диапазоном возможных значений, содержащем с первого по четвертый 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 обоих типов, сток первого МДП-транзистора первого типа соединен со стоком первого МДП-транзистора второго типа, исток которого соединен с первыми выводами первого и второго резисторов, исток второго МДП-транзистора второго типа соединен с первым выводом третьего резистора, первый и второй диоды на р-n переходах, области первого типа проводимости которых соответственно подключены ко второму выводу первого резистора и к истоку второго МДП-транзистора второго типа, а области второго типа проводимости и вторые выводы второго и третьего резисторов соединены со второй шиной напряжения питания, сток третьего МДП-транзистора первого типа соединен с первым выводом четвертого резистора и является выходом устройства, второй вывод четвертого резистора подключен ко второй шине напряжения питания
Указанное выполнение устройства позволяет получать опорное напряжение произвольной величины, как стабилизированной по температуре, так и с заданной зависимостью от нее.
Отличительным признаком полезной модели является связь четвертого резистора со второй шиной напряжения питания.
Полезная модель поясняется чертежом с изображением электрической схемы источника опорного напряжения с широким диапазоном возможных значений.
Для упрощения 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 опорного напряжения с широким диапазоном возможных значений содержит с первого по четвертый резисторы 1-4, с первого по третий МДП-транзисторы 5-7 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 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 второго резисторов 1 и 2, исток второго n-МДП-транзистора 9 соединен с первым выводом третьего резистора 3, сток третьего p-МДП-транзистора 7 соединен с первым выводом четвертого резистора 4 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, катоды диодов 10, 11 и вторые выводы второго, третьего и четвертого резисторов 2, 3 и 4 соединены с шиной нулевого потенциала.
СИ
ЗИ
ПОР
СИ
ЗИ
ПОР
Все МДП-транзисторы 5-9 устройства работают в области насыщения. У каждого из них прямо приложенное напряжение U между стоком и истоком превосходит превышение напряжением U затвор-исток своего порогового значения U, то есть U>U-U, Следовательно, для транзисторов 5-9 справедлива известная формула (1) для вольт-амперной характеристики в области насыщения,
C
где, I - ток стока, а β - крутизна.
ПОР
Р
ПОР N
Необходимым условием правильной работы устройства также является равенство пороговых напряжений U и U у всех МДП-транзисторов каждого типа.
Р-МДП-транзисторы 5, 6 и 7, имея одинаковые напряжения затвор - исток, образуют токовое зеркало, в котором отношения возвращаемых токов стоков р-МДП-транзисторов 6 и 7 к принимаемому току стока р-МДП-транзистора 5 прямо пропорциональны отношениям их крутизн, то есть
N-МДП-транзисторы 8 и 9 выполняют функции истоковых повторителей. 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 общий потенциал на затворах.
D10
D11
Соотношения площадей р-n переходов S, S диодов 10, 11 и их токов 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 р-n перехода диода.
Отношение сопротивлений второго и третьего резисторов 2 и 3 обратно отношению токов стоков транзисторов 5 и 6:
Равенство напряжений на истоках n-МДП-транзисторов 8 и 9 обеспечивает равенство напряжений на резисторах 2 и 3 напряжению на диоде 11, а выполнение пропорции (6) - равенство отношения токов резисторов 2 и 3 отношению токов диодов 10 и 11:
C5
C6
Приняв сумму токов диода 10 и резистора 2 равной току I стока р-МДП-транзистора 5 и сумму токов диода 11 и резистора 3 равной току I стока р-МДП-транзистора 6, по формулам (2), (5) и (7) выразим разность напряжений на диодах 10 и 11, приложенную к резистору 1, определяющему ток диода 10, -
D
D0
D
Напряжение на диоде 11, определяющее ток в резисторе 2, при I=J×S, будет выражено как
REF
C7
C5
Выходное опорное напряжение U равно напряжению на резисторе 4, в котором протекает ток I стока р-МДП-транзистора 7, пропорционального, согласно правой из формул (2), току I стока р-МДП-транзистора 5, складывающегося из токов резисторов 1 и 2.
Объединив выражения (8), (9) и (10), получим
D
0
D0
Формула (11) демонстрируют устойчивость величины вырабатываемого напряжения к воздействию дестабилизирующих факторов тем, что в ней присутствуют только конструктивные параметры элементов схемы - отношения крутизн β однотипных МДП-транзисторов, определяемые отношением ширин W и длин L каналов, площадей S р-n переходов диодов, отношения сопротивлений резисторов, которые при их выполнении в одних и тех же физических слоях сводятся к отношениям длин и ширин тел, физический параметр Е полупроводникового материала и опорная точка U вольт-амперной характеристики диодов, являющаяся константой для каждого конкретного производственно-технологического процесса.
Левое слагаемое в формуле (11) возрастает с увеличением температуры Т, а правое - убывает. Подбирая соотношение величин этих слагаемых, можно добиться температурной стабильности напряжения либо придать ему определенную зависимость от температуры, как положительную, так и отрицательную.
REF
Условием температурной стабильности опорного напряжения является равенство нулю производной U по температуре
Из формулы (12) следует, что температурная компенсация будет достигнута, если выполнить равенство
REF
0
0
7
5
Правая часть формулы (13) совпадет с выражением (11) для выходного опорного напряжения U, если в него подставить Т=Т, это означает, что левая часть равенства (13) выражает величину стабилизированного выходного напряжения устройства как значение ширины запрещенной зоны Е, умноженное на коэффициент, который, не нарушая равенства (13), можно делать как больше, так и меньше единицы, варьируя отношение крутизн β/β и величину сопротивления R4, не влияющие на работу токозадающих цепей устройства.
При выводе формулы (11) опущена температурная зависимость сопротивлений резисторов 1-4, ее считали одинаковой, предполагая использование резисторов одного конструктивно-технологического исполнения. Эту зависимость часто выражают по квадратичному закону
0
0
T1
Т2
0
где R - сопротивление резистора при определенной температуре Т, a α и α - температурные коэффициенты первого и второго порядка. Сопротивления R1-R4 всех резисторов входят в формулы в виде отношений, и при подстановке (14) множители при R сокращаются.
REF
D
D0
D
REF
0
0
Однако, температурное изменение сопротивлений резисторов, хотя и довольно слабо, но влияет на величину U, в частности, вызывая изменение величин токов в цепях устройства, приводящее к нарушению равенства I=J×S, принятого для упрощения выражения (5). Кроме того, во взятой за основу всех выкладок формуле (1) не учтена зависимость тока стока от напряжения между стоком и истоком, различающегося у транзисторов 5, 6, 7 и 8, 9. Поэтому рассчитанные по формулам (11), (13) номинальные величины сопротивлений резисторов 1-4 для повышения точности значения U и минимизации его отклонение от номинала в заданном диапазоне температур и напряжения питания на практике уточняют подбором R1-R4 в процессе моделирования схемы с помощью САПР. Затем может следовать уточнение значений по результатам исследований экспериментальных образцов, изготовленных с вариациями величин сопротивлений, покрывающими все поле погрешностей моделирования.
Таким образом, источник опорного напряжения вырабатывает выходное напряжение, термостабилизированное по ширине запрещенной зоны в широком диапазоне значений, задаваемых конструктивными параметрами элементов, определяющими отношения сопротивлений резисторов, крутизны МДП-транзисторов одинаковых типов проводимости и площадей диодов.