ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
SOURCE OF REFERENCE VOLTAGE

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в качестве температурно-стабильного источника опорного напряжения (ИОН).
Известны температурно-стабильные источники опорного напряжения, к недостаткам которых относится излишняя сложность, вызванная использованием большого количества элементов [U.S. Patent 4380706. Voltage reference circuit / Robert S. Wrathall - Dec. 24, 1980], или необходимость использования «идеального» источника опорного тока [Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988 - С.240, рис.33.27], что существенно затрудняет их использование.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является стабилизатор напряжения (CH), приведенный на фиг.1 [Пат. 2394266 РФ. Компенсационный стабилизатор напряжения / И.В.Барилов, Е.И.Старченко. - Опубл. 10.07.2010, Бюл. №19].
-4
Недостатком прототипа является излишне высокий температурный коэффициент выходного напряжения - около 5·10 /°С. Это объясняется, в основном, суммарным температурным дрейфом напряжения стабилитрона VD1 и перехода база-эмиттер транзистора VT4.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении заявляемого технического результата - снижении температурного коэффициента выходного напряжения ИОН.
Для достижения заявляемого технического результата в схему прототипа, содержащую первый и второй резисторы, подключенные первыми выводами к шине питания, третий резистор, подключенный одним выводом к общей шине, первый транзистор, подключенный истоком ко второму выводу первого резистора, второй транзистор, подключенный эмиттером к общей шине, третий транзистор, подключенный коллектором к соединению затвора первого транзистора со вторым выводом второго резистора, введены четвертый и пятый резисторы, первые выводы которых соединены с коллектором второго транзистора, второй вывод пятого резистора соединен с базами первого и третьего транзисторов, эмиттер третьего транзистора подключен ко второму выводу третьего резистора, второй вывод четвертого резистора и сток второго транзистора подключены к выходной клемме.
Схема прототипа приведена на фиг.1, а заявляемого устройства - на фиг.2. На фиг.3 приведены результаты моделирования.
Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит первый резистор 1 и второй резистор 2, подключенные первыми выводами к шине питания, первый транзистор 3, подключенный истоком ко второму выводу резистора 1, второй транзистор 4, подключенный эмиттером к общей шине, третий резистор 5, подключенный одним выводом к общей шине, третий транзистор 6, коллектор которого подключен к соединению затвора транзистора 3 со вторым выводом резистора 2, четвертый резистор 7 и пятый резистор 8, первые выводы которых соединены с коллектором транзистора 4, эмиттер транзистора 6 соединен со вторым выводом резистора 5, второй вывод резистора 7 объединен с базами транзисторов 4 и 6, второй вывод резистора 8 и сток транзистора 3 подключены к выходной клемме.
ВЫХ
БЭ4
7
8
Проанализируем работу заявляемого устройства (фиг.2). Выходное напряжение U такого стабилизатора определяется суммой напряжения база-эмиттер U транзистора 4 и падений напряжений U и U на резисторах 7 и 8 соответственно.
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi><mn>4</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mn>7</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mn>8</mn></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Пренебрегая током затвора и считая коэффициенты передачи по току транзисторов 4 и 6 равными β, запишем выражение (1) в следующем виде:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>φ</mi><mi>T</mi></msub><mi>ln</mi><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mn>4</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mi>S</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mn>4</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mn>6</mn></msub></mrow><mi>β</mi></mfrac><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>R</mi><mn>8</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
T
4
6
S
1
7
8
где φ=kT/q - температурный потенциал; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; q - заряд электрона; I и I - токи эмиттеров транзисторов 4 и 6 соответственно; I - ток насыщения смещенного в обратном направлении p-n перехода; I - ток стока транзистора 3, равный току через резисторы 1 и 8; R и R - сопротивление резисторов 7 и 8 соответственно.
S
Зависимость I от температуры имеет следующий вид:
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>S</mi></msub><mo>=</mo><mi>C</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>T</mi><mn>3</mn></msup><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>−</mo><mfrac><mi>E</mi><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mi>T</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где С - постоянный коэффициент, определяемый технологией производства интегрального транзистора и пропорциональный площади p-n перехода; Е - энергетическая ширина запрещенной зоны при абсолютном нуле, полученная линейной экстраполяцией от комнатной температуры к абсолютному нулю, равная для кремния 1,205 В.
Следует также учесть, что температурную зависимость коэффициента усиления тока базы можно представить следующим образом
<mrow><mi>β</mi><mo>=</mo><msub><mi>β</mi><mn>0</mn></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>T</mi><mrow><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mfrac><mn>3</mn><mn>2</mn></mfrac></mrow></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
0
где β - коэффициент усиления тока базы при комнатной (номинальной) температуре T.
6
БЭ4
БЭ6
Для нахождения тока I следует учесть напряжения база-эмиттер U и U, транзисторов 4 и 6, а также падение напряжения на резисторе 5, записав выражение:
<mrow><msub><mi>I</mi><mn>6</mn></msub><msub><mi>R</mi><mn>5</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>T</mi></msub><mi>ln</mi><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mn>4</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mi>S</mi></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>T</mi></msub><mi>ln</mi><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mn>6</mn></msub></mrow><mrow><mi>N</mi><msub><mi>I</mi><mi>S</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>T</mi></msub><mi>ln</mi><mfrac><mrow><mi>N</mi><msub><mi>I</mi><mn>4</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mn>6</mn></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
5
где R - сопротивление резистора 5; N - отношение площадей эмиттеров транзисторов 6 и 4.
1
ЗИ
1
2
Ток стока I выражается через напряжение U между затвором и истоком транзистора 3, определяемое разностью падений напряжений на резисторах 1 и 2, которая, в свою очередь, зависит от токов I и I:
<mrow><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>З</mi><mi>И</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mi>O</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mi>R</mi><mmultiscripts><mo>−</mo><mprescripts /><mn>1</mn><none /></mmultiscripts><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mi>O</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
ЗИ
O
2
2
где I - начальный ток стока, при U=0; U - напряжение отсечки; I - ток через резистор 2; R - сопротивление резистора 2.
2
6
Так как I=Iβ/(β+1), то с учетом выражений (2-6) можно составить систему уравнений, решив которую можно определить значение выходного напряжения. Однако соответствующее точное решение не может быть представлено в виде аналитического выражения, содержащего только элементарные функции. Тем не менее, задавая параметры входящих в устройство элементов, можно получить приближенное решение с применением численных методов.
-5
На фиг.3 показано изменение выходного напряжения заявляемого ИОН при изменении температуры (нижний график). Из результатов моделирования можно сделать следующий вывод: абсолютное изменение выходного напряжения заявляемого ИОН не превышает 0,5 мВ при изменении температуры от -40 до +120°C. При этом температурный коэффициент выходного напряжения (верхний график) не превышает значения 1·10 /°C что на порядок меньше, чем у прототипа.
Таким образом, и проведенный анализ, и данные схемотехнического моделирования подтверждают, что достигается заявляемый технический результат - снижение температурного коэффициента выходного напряжения.