ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ПОЛЯРНОСТИ
SOURCE OF REFERENCE VOLTAGE OF NEGATIVE POLARITY

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может использоваться в стабилизаторах напряжения, аналогово-цифровых преобразователях и других элементах автоматики и вычислительной техники.
Известны источники опорного напряжения (ИОН), имеющие высокую стабильность, но содержащие в своем составе биполярные транзисторы p-n-p типа и полевые транзисторы с изолированным затвором, что снижает их радиационную стойкость [Haiplik, H. Voltage Reference Circuit / US patent No. 7626374, Dec. 1, 2009].
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ИОН, приведенный в [Dobkin R.C., Pease R.A. Voltage regulator and current regulator / US Patent No. 4176308, Nov.27, 1979].
На фиг.1 показана схема прототипа, содержащая первый и второй транзисторы, коллекторы которых подключены к общей шине, база первого транзистора подключена к общей шине, а его эмиттер - к эмиттеру третьего транзистора, эмиттер второго транзистора подключен к эмиттеру четвертого транзистора, первый коллектор третьего транзистора, первый коллектор четвертого транзистора и их базы объединены и через источник тока подключены к шине отрицательной полярности источника питания, первый резистор, включенный между вторым коллектором третьего транзистора и шиной отрицательной полярности источника питания, второй резистор, включенный между вторым коллектором четвертого транзистора и шиной отрицательной полярности источника питания, операционный усилитель, неинвертирующим входом подключенный ко второму коллектору третьего транзистора, инвертирующим - ко второму коллектору четвертого транзистора, третий резистор, включенный между базой второго транзистора и общей шиной, четвертый резистор, включенный между базой второго транзистора и объединенными базой и коллектором пятого транзистора, эмиттер пятого транзистора соединен с выходом операционного усилителя и подключен к выходу устройства.
Недостатком прототипа является его сложность, относительно низкая температурная стабильность и наличие в его составе транзисторов PNP типа, что снижает его радиационную стойкость, в частности, при воздействии потока нейтронов.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение температурной стабильности выходного напряжения ИОН при одновременном упрощении устройства и повышении его радиационной стойкости при воздействии потока нейтронов.
Для решения поставленной задачи в схему прототипа, содержащую первый и второй транзисторы, коллекторы которых подключены к общей шине, первый резистор, включенный между базой второго транзистора и общей шиной, второй резистор, включенный между базой второго транзистора и объединенными базой и коллектором третьего транзистора, эмиттер которого подключен к выходу устройства, четвертый резистор, введены первый и второй полевые транзисторы, повторитель тока и регулирующий элемент, причем третий резистор включен между базой первого транзистора и общей шиной, исток первого полевого транзистора соединен с эмиттером первого транзистора и затвором второго полевого транзистора, затвор первого полевого транзистора подключен к точке соединения эмиттера второго транзистора и истока второго полевого транзистора, исток первого полевого транзистора подключен ко входу повторителя тока, выход повторителя тока соединен с истоком второго полевого транзистора, питающий вход повторителя тока подключен к шине отрицательного источника питания, вход управления регулирующего элемента подключен к истоку второго полевого транзистора, вход питания регулирующего элемента подключен к шине отрицательной полярности источника питания, в выход регулирующего элемента подключен к выходу устройства.
Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит первый транзистор 1, коллектор которого подключен к общей шине, второй транзистор 2, коллектор которого подключен к общей шине, первый полевой транзистор 3, исток которого соединен с эмиттером первого транзистора 1 и затвором второго полевого транзистора 4, исток второго полевого транзистора 4 соединен с эмиттером второго транзистора 2 и затвором первого полевого транзистора 3, первый резистор 5, включенный между базой второго транзистора 2 и общей шиной, второй резистор 6, включенный между базой второго транзистора 2 и объединенными базой и коллектором третьего транзистора 7, эмиттер которого подключен к выходу устройства, третий резистор 8, включенный между базой первого транзистора 1 и общей шиной, исток первого полевого транзистора 3 соединен со входом повторителя тока 8, выход которого соединен с истоком второго полевого транзистора 4, питающий вход повторителя тока 8 соединен с шиной отрицательной полярности источника питания, регулирующий элемент 9 входом управления соединен с истоком второго полевого транзистора 4, вход питания регулирующего элемента 9 подключен к шине отрицательной полярности источника питания, а выход регулирующего элемента 9 подключен к выходу устройства.
Работа устройства основана на том, что отрицательный температурный дрейф напряжения база-эмиттер третьего транзистора 7 компенсируется положительным температурным дрейфом разности напряжений база-эмиттер первого транзистора 1 и второго транзистора 2, которая возникает из-за разных плотностей токов, протекающих через эмиттеры первого транзистора 1 и второго транзистора 2. Повторитель тока 8 совместно с регулирующим элементом 9 обеспечивает равенство токов транзисторов 1 и 2 по абсолютной величине, чем достигается поддержание требуемой разности напряжений база-эмиттер транзисторов 1 и 2.
Покажем, что заявляемое устройство имеет преимущество перед прототипом по температурной стабильности.
Для выходного напряжения схемы прототипа (фиг.1) можно записать:
БЭ.5
3
4
0
U - напряжение база-эмиттер транзистора VT5; R, R - сопротивления соответствующих резисторов R3, R4; I - ток через резистор R3, обусловленный разностью напряжений база-эмиттер транзисторов VT1 и VT3.
0
Для тока I будет справедливо следующее выражение:
Э.1
Э.3
Т
3
1
где I, I - токи эмиттеров транзисторов VT1 и VT3 соответственно; φ - температурный потенциал; N=S/S - отношение площадей эмиттеров транзисторов VT1 и VT3 соответственно.
С учетом того, что в устройстве действует глубокая отрицательная обратная связь с помощью операционного усилителя AD1, токи эмиттеров транзисторов VT1 и VT3 можно считать равными, поэтому выражение (2) можно представить в виде:
и тогда с учетом (3) выражение (1) перепишем в виде:
Вид выражения (4) является общим практически для всех ИОН, выполненных на основе ширины запрещенной зоны кремния. Дифференцируя это выражение по температуре и приравнивая производную нулю можно найти условие, при котором выходное напряжение не зависит от температуры. Но ввиду достаточно сложной зависимости напряжения база-эмиттер от температуры, таким образом, удается скомпенсировать только линейную составляющую температурного дрейфа, а с доминирующей после такой компенсации составляющей второго порядка в выходном напряжении приходится мириться.
Утверждение, приведенное выше, можно подтвердить результатами моделирования. На фиг.3 приведена схема прототипа, предназначенная для моделирования в среде PSpice, а на фиг.4 - результаты моделирования.
В качестве моделей использованы компоненты аналогового базового матричного кристалла, выпускаемые НПО «Интеграл» (Белоруссия, г. Минск) [Дворников О.В. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями / О.В.Дворников, В.А.Чеховской // Chip News. - 1999. №2. - С.21-23], а в качестве операционного усилителя использовалась макромодель uA741 из библиотеки analog.lib.
Результаты моделирования показывают, что производная выходного напряжения по температуре обращается в нуль только в одной точке - при температуре 35°С, а функциональная зависимость выходного напряжения от температуры близка к квадратичной. При этом максимальное отклонение выходного напряжения в диапазоне температур от -40°С до +120°С составляет 1,88 мВ, а относительный температурный дрейф - ±40 ppm/°C.
Моделирование схемы прототипа при воздействии потока нейтронов не проводилось, так как отсутствует модель операционного усилителя, учитывающая радиационное воздействие. Однако можно утверждать, что даже при использовании компонентов вышеназванного радиационно-стойкого АБМК деградация параметров транзисторов PNP типа столь велика, что нарушаются не только условия температурной компенсации, но и сама функциональная годность устройства [Дворников О.В. Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем. Часть 1. Учет влияния проникающей радиации в «Spice-подобных» программах / О.В.Дворников, В.Н.Гришков. Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем. - 2010. Сборник трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л.Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2010. С.301-306].
Приведем аналитические выражения, описывающие поведение выходного напряжения для схемы заявляемого устройства.
В этом случае выходное напряжение может быть представлено по аналогии с (1):
БЭ.5
0
5
6
где U - напряжение база-эмиттер третьего транзистора 5; I - ток через первый резистор 5; R, R - сопротивления соответствующих резисторов (фиг.2).
0
Ток I определим из следующего соотношения:
БЭ.1
БЭ.2
Б.1
где U, U - напряжение база-эмиттер первого и второго транзисторов соответственно; I - ток базы первого транзистора 1.
Из (6) следует:
Э.1
Э.2
1
где I, I - токи эмиттеров первого транзистора 1 и второго транзистора 2 соответственно; β - коэффициент усиления тока базы первого транзистора 1.
Токи эмиттеров первого 1 и второго 2 транзисторов определяются начальным током истока полевых транзисторов 3 и 4, поскольку они функционируют при нулевом напряжении между затвором и истоком. Отметим, что этот ток практически не зависит от температуры.
Коэффициент усиления тока базы в зависимости от температуры можно представить как [Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesingLab 8.0. - М.: СОЛОН-Р, 2003. С.301]
0
0
где Т - абсолютная температура; β - коэффициент усиления тока базы при комнатной (номинальной) температуре Т.
Таким образом, коэффициент усиления тока базы с ростом температуры возрастает по закону «трех вторых».
Подставляя (7) и (8) в (5), получаем:
Выражение (9), показывающее поведение выходного напряжения заявляемого устройства в зависимости от температуры, отличается от аналогичного для схемы прототипа наличием третьего слагаемого в правой части, которое при правильном выборе сопротивлений резисторов может компенсировать составляющие температурного дрейфа более высоких порядков, что подтверждается результатами моделирования.
На фиг.5 приведена принципиальная электрическая схема, соответствующая схеме прототипа, представленная в моделирующей среде PSpice. На транзисторах q4, q5, q8 и резисторах R5 и R6 выполнен повторитель тока, а регулирующий элемент выполнен на транзисторах q6, q7. Модели компонентов, как и для схемы прототипа, использовались из радиационно-стойкого АБМК [Дворников О.В. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями / О.В.Дворников, В.А.Чеховской // Chip News. - 1999. №2. - С.21-23].
Результаты моделирования заявляемого устройства - зависимость выходного напряжения от температуры - приведены на фиг.6. Как видно из графика для выходного напряжения, доминирующей в нестабильности выходного напряжения является составляющая третьего порядка. В этом случае максимальное отклонение выходного напряжения в диапазоне температур от -40°С до 120°С не превышает 46 мкВ, а температурный дрейф составляет ±2,32 ppm/°C.
13
2
12
2
13
2
Результаты моделирования заявляемого устройства при воздействии потока нейтронов приведены на фиг.7. Интенсивность потока нейтронов F изменялась от нуля до 10 n/смсек. Заявляемый источник опорного напряжения вплоть до интенсивности потока нейтронов F=10 n/смсек сохраняет прецезионность, а при интенсивности F=10 n/смсек - функциональную годность.
Заявляемое устройство в сравнении с прототипом обладает более высокой - в 4 раза - абсолютной температурной стабильностью, в 17 раз более высокой относительной температурной стабильностью в расчете на 1°С и, в отличие от схемы прототипа, обладает радиационной стойкостью. В то же время очевидно упрощение устройства, так как в заявляемом ИОН отсутствует операционный усилитель и необходимость использования дополнительного источника питания.
Таким образом, решена задача предлагаемого изобретения - повышение температурной стабильности выходного напряжения ИОН при одновременном упрощении устройства и повышении его радиационной стойкости при воздействии потока нейтронов.