ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
PARAMETRIC VOLTAGE STABILISER

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в качестве источника опорного напряжения.
Известны параметрические стабилизаторы напряжения (ПСН), используемые в качестве источников опорного напряжения (ИОН), содержащие источник тока (резистор) и стабилитрон, отличающиеся максимальной простотой [Вересов Г.П., Смуряков Ю.Л. Стабилизированные источники питания радиоаппаратуры. - М.: Энергия, 1978, стр.46, рис.2-4 (Массовая радиобиблиотека, вып.969)]. Недостатком таких ИОН является недостаточно высокий коэффициент стабилизации по входному напряжению.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ИОН, содержащий источник тока, включенный между шиной питания и выходной клеммой, и стабилитрон, подключенный катодом к выходной клемме, а анодом к общей шине, причем источник тока состоит из полевого транзистора и резистора, сток и затвор транзистора являются выводами источника тока, а резистор включен между истоком и затвором транзистора [Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы. Пер. с англ. - М.: Мир, 1988, (стр.199, рис.3.30; стр.234, рис.33.17)].
Недостатком прототипа является недостаточно высокий коэффициент стабилизации по входному напряжению, что объясняется неидеальностью источника тока, имеющего конечное выходное сопротивление.
Для повышения коэффициента стабилизации по входному напряжению в схему прототипа, содержащую транзистор, подключенный затвором к шине питания, а стоком к выходной клемме, резистор, включенный между шиной питания и истоком транзистора, стабилитрон, подключенный катодом к выходной клемме, а анодом к общей шине, введен второй резистор, включенный между истоком транзистора и общей шиной.
Схема прототипа приведена на фиг.1, а заявляемого устройства - на фиг.2.
Заявляемый ПСН (фиг.2) содержит первый резистор 1, подключенный одним выводом к шине питания, второй резистор 2, подключенный одним выводом к общей шине, транзистор 3, подключенный затвором к шине питания, а стоком к выходной клемме, стабилитрон 4, подключенный катодом к выходной клемме, а анодом к общей шине, исток транзистора 3 соединен с другими выводами резисторов.
c
вх
rc
c
c
Прежде чем рассмотреть работу заявляемого устройства, рассмотрим работу схемы прототипа (фиг.1), так как это необходимо для сопоставительного анализа. Неидеальность источника тока на транзисторе VT1 можно представить наличием дифференциального сопротивления сток-исток r, показанного на фиг.1 пунктиром. При изменении входного напряжения на dU возникает приращение тока dI через сопротивление r, что ведет к изменению напряжения на резисторе R1 и соответствующему изменению тока стока dI. Результирующее приращение тока dI определяется суммой:
Это приращение тока создает падение напряжения на дифференциальном сопротивлении стабилитрона, что обуславливает нестабильность выходного напряжения при изменении входного.
c
зи
Приращение тока стока dI определяется крутизной S (передаточной проводимостью) транзистора и изменением напряжения затвор-исток dU, равного приращению падения напряжения на резисторе R1 (ток затвора считается пренебрежимо малым):
rc
Приращение тока dI можно определить следующим выражением, считая пренебрежимо малым дифференциальное сопротивление стабилитрона и изменение выходного напряжения:
Из выражений (1)-(3) получаем:
откуда
следовательно,
Полученное выражение (6) определяет выходное сопротивление источника тока на полевом транзисторе.
вх
rc
c
R2
c
rc
Теперь аналогичным образом рассмотрим работу устройства (фиг.2). При изменении входного напряжения на dU возникает не только приращение тока dI через дифференциальное сопротивление сток-исток r транзистора 3, но и приращение тока dI через резистор 2. Это в большей мере, чем в схеме прототипа, ведет к изменению напряжения на резисторе 1 и, соответственно, тока стока dI транзистора. Выражение (1) остается справедливым и для схемы заявляемого ПСН, а приращение тока dI определится следующим выражением:
R2
Найдем dI:
rc
Определим dI:
Из (1), (7)-(9) находим dI:
Из (7)-(8) следует
откуда
находим
Подставим (13) в (10):
Преобразуем равенство (14)
получим
Определим условие, при котором равенство (16) равно нулю:
откуда
вх
вх
c
Таким образом, при выполнении условия настройки (18) равенство (16) обращается в ноль, а это означает независимость тока dI от dU, т.к. дифференциальное сопротивление источника тока dU/dI обращается в бесконечность. На практике из-за режимной зависимости параметров r и S условие настройки может выполняться только в одной точке. Но и в окрестностях этой точки достигается значительный выигрыш в значении модуля коэффициента стабилизации по входному напряжению по сравнению с прототипом.
На фиг.3 приведена схема, а на фиг.4 - соответствующие результаты схемотехнического моделирования. В моделируемой схеме к одному источнику питания для удобства сравнения подключены и прототип (левая часть фиг.3), и заявляемый ПСН (правая часть фиг.3). На фиг.4 представлены графики, показывающие изменение выходного напряжения прототипа (U2, линия со знаками ) и заявляемого ПСН (U_2, линия со знаками ) при изменении питающего напряжения от 6 до 10 В (горизонтальная ось). Из результатов моделирования можно сделать следующий вывод: абсолютное изменение выходного напряжения заявляемого ПСН оказывается на порядок ниже, чем прототипа (для прототипа 266, а для заявляемого ПСН - 28 мкВ), а коэффициент стабилизации - выше.
Таким образом, проведенный анализ и схемотехническое моделирование подтверждают, что достигается заявляемый технический результат - повышение коэффициента стабилизации по входному напряжению.