ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
REFERENCE VOLTAGE SOURCE

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться в стабилизаторах напряжения, аналогово-цифровых преобразователях и других элементах автоматики и вычислительной техники.
Известны температурно стабильные источники опорного напряжения, содержащие в своем составе как биполярные так и полевые КМОП транзисторы [Shin-ichi Koazechi. Reference voltage generator of a band-gap regulator type used in CMOS transistor circuit / US patent No. 5568045, Oct. 22, 1996], что позволяет реализовать его только при использовании БиКМОП технологии.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ИОН, приведенный в [Ali Tasdighi/ Lou cost programmable lou dropout regulator / US patent No. 6005374, Dec. 21, 1999].
На фиг.1 приведена схема прототипа, содержащая первый и второй транзисторы, базы которых объединены и подключены к выходу устройства, а их коллекторы соединены с шиной питания, первый резистор, включенный между эмиттером первого транзистора и общей шиной, второй резистор, включенный между эмиттером второго транзистора и первым выводом второго резистора, третий резистор, включенный между вторым выводом второго резистора и общей шиной, операционный усилитель, инвертирующим входом подключенный к первому выводу второго транзистора, неинвертирующим входом подключенный к эмиттеру первого транзистора, выходом - к затвору полевого транзистора, исток которого подключен к шине питания, а сток соединен с выходом устройства.
Недостатком прототипа является его сложность, обусловленная применением операционного усилителя.
Задачей предлагаемого изобретения является упрощение схемы при сохранении высокой температурной стабильности.
Для решения поставленной задачи в схему прототипа, содержащую первый и второй транзисторы, базы которых объединены и подключены к выходу устройства, первый резистор, включенный между эмиттером первого транзистора и общей шиной, второй резистор, включенный между эмиттером второго транзистора и первым выводом второго резистора, третий резистор, включенный между вторым выводом второго резистора и общей шиной, введены повторитель тока и третий резистор, причем вход повторителя тока соединен с коллектором второго транзистора, выход повторителя тока подключен к точке соединения коллектора первого транзистора и базы третьего транзистора, питающий вход повторителя тока подключен к шине питания, коллектор третьего транзистора соединен с шиной питания, а его эмиттер подключен к выходу устройства.
Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит первый транзистор 1 и второй транзистор 2, базы которых объединены и подключены к выходу устройства, первый резистор 3, включенный между эмиттером первого транзистора 1 и общей шиной, второй резистор 4, включенный между эмиттером второго транзистора 2 и первым выводом третьего резистора 5, второй вывод которого соединен с общей шиной, повторитель тока 6, вход которого соединен с коллектором второго транзистора 2, выход повторителя тока 6 соединен с коллектором транзистора 1, вход питания повторителя тока 6 соединен с шиной питания, третий транзистор 7, коллектор которого подключен к шине питания, база - к выходу повторителя тока 6, а эмиттер соединен с выходом устройства.
Работу заявляемого ИОН можно пояснить следующим образом.
1
Если коэффициент передачи повторителя тока 6 равен единице, токи эмиттеров первого транзистора 1 и второго транзистора 2 должны быть равны. В то же время сумма сопротивлений резисторов 4 и 5 должна быть больше сопротивления первого резистора 3. Поэтому равенство токов эмиттеров первого транзистора 1 и второго транзистора 2 возможно только после рассогласования площадей эмиттеров. Поэтому справедливым оказывается следующее уравнение для контурного тока I (фиг.2):
<mrow><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>R</mi><mn>4</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>R</mi><mn>5</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi><mn>.2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi><mn>.1</mn></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
i
БЭ.i
5
3
где R - сопротивление соответствующего резистора; U - напряжение база-эмиттер соответствующего транзистора. Если выполняется условие R = R, то из выражения (1) следует:
<mrow><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi><mn>.1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi><mn>.2</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>4</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>4</mn></msub></mrow></mfrac><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>
1
Поскольку ток I, по сути, представляет собой ток эмиттера первого транзистора 1 и второго транзистора 2, то это означает, что ток эмиттера пропорционален разности напряжений база-эмиттер и имеет положительный температурный дрейф.
Таким образом, для выходного напряжения заявляемого ИОН можно записать:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>4</mn></msub></mrow></mfrac><msub><mi>ϕ</mi><mi>T</mi></msub><mi>ln</mi><mi>N</mi><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi><mn>.1</mn></mrow></msub><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 N - отношение площадей эмиттеров второго транзистора 2 и первого транзистора 1.
Дифференцируя (3) по температуре Т и приравнивая производную нулю, находим условие температурной компенсации:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>ϕ</mi><mi>T</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>4</mn></msub><mi>T</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo>−</mo><mfrac><mrow><mo>∂</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi><mn>.1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>T</mi></mrow></mfrac><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>
То есть снижение напряжения база-эмиттер транзистора с ростом температуры компенсируется положительным температурным дрейфом падения напряжения на первом резисторе 3, что практически не отличает работу заявляемого устройства от работы ИОН, выполненного по схеме прототипа. Но поскольку в схеме прототипа для выравнивания токов эмиттеров первого транзистора 1 и второго транзистора 2 используется операционный усилитель, к нему должны предъявляться специфические требования - допустимый синфазный сигнал для него должен включать напряжение, близкое к нулю. Это может потребовать дополнительного источника питания отрицательной полярности или применения повторителей напряжения на входе операционного усилителя на транзисторах p-n-p типа, что также достаточно сложно.
Таким образом, налицо упрощение схемы при сохранении высокой температурной стабильности.
В качестве подтверждения проведенного анализа представлены результаты компьютерного моделирования. На фиг.3 приведена конкретная схемотехническая реализация в среде PSpice. В качестве моделей использованы компоненты аналогового базового матричного кристалла [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 представлены на фиг.4. Абсолютное отклонение выходного напряжения в диапазоне температур не превышает 43 мкВ, а относительный температурный дрейф составляет ±2,2 ppm/K, что позволяет отнести заявляемый ИОН к разряду прецизионных.
Таким образом, задача предлагаемого изобретения - упрощение схемы за счет исключения операционного усилителя при сохранении высокой температурной стабильности решена, что подтверждается результатами анализа и компьютерного моделирования.