ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
SOURCE OF REFERENCE VOLTAGE

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в качестве температурно-стабильного источника опорного напряжения (ИОН) с повышенной нагрузочной способностью.
Известны температурно-стабильные источники опорного напряжения, определяемого удвоенной шириной запрещенной зоны полупроводника, к недостаткам которых относится излишняя сложность, вызванная использованием большого количества элементов [U.S. Patent 4380706. Voltage reference circuit / Robert S. Wrathall.- Dec. 24, 1980], и необходимость дополнительного источника тока, стабильность которого также будет влиять на стабильность выходного напряжения ИОН.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является источник опорного напряжения, приведенный на фиг.1 [US Patent No 6528979 В2. Reference current circuit and reference voltage circuit (fig.23) / Kimura, K. - Mar. 4, 2003].
Схема прототипа (фиг.1) содержит первый транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, коллектор которого через первый резистор соединен с первым выходом повторителя тока, питающий вход которого подключен к шине питания, база первого транзистора соединена с первым выходом повторителя тока, второй транзистор, эмиттер которого подключен к общей шине, база - к коллектору первого транзистора, а коллектор второго транзистора соединен со входом повторителя тока, третий транзистор, эмиттер которого подключен к общей шине, его база и коллектор объединены и через второй резистор подключены ко второму выходу повторителя тока, являющегося выходом устройства.
Основным недостатком прототипа является его относительно низкая температурная стабильность и низкое выходное напряжение.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение температурной стабильности при одновременном повышении выходного напряжения до удвоенной ширины запрещенной зоны кремния.
Для решения поставленной задачи в схему прототипа, содержащего первый транзистор, эмиттером подключенный к общей шине, коллектором - к точке соединения первого вывода первого резистора и базы второго транзистора, база первого транзистора соединена со вторым выводом первого резистора, а эмиттер второго транзистора соединен с общей шиной, повторитель тока, питающий вход которого соединен с шиной питания, выход повторителя тока соединен с первым выводом второго резистора и выходом устройства, третий транзистор, согласно изобретению в устройство введен третий резистор, включенный между базой третьего транзистора и точкой соединения коллектора второго транзистора и второго вывода второго резистора, причем эмиттер третьего транзистора подключен ко второму выводу первого резистора, а его коллектор - ко входу повторителя тока.
Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит первый транзистор 1, эмиттером подключенный к общей шине, второй транзистор 2, база которого подключена к точке соединения коллектора первого транзистора 1 и первого вывода первого резистора 3, эмиттер второго транзистора 2 подключен к общей шине, третий транзистор 4, эмиттером подключенный к точке соединения базы первого транзистора 1 и второго вывода первого резистора 3, а коллектором подключенный ко входу повторителя тока 5, питающий вход которого соединен с шиной питания, выход повторителя тока 5 соединен с выходом устройства и первым выводом второго резистора 6, второй вывод резистора 6 подключен к точке соединения коллектора второго транзистора 2 и первого вывода третьего резистора 7, второй вывод которого соединен с базой третьего транзистора 4.
Работу заявляемого ИОН можно пояснить следующим образом.
Выходное напряжение заявляемого ИОН можно представить следующим образом:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>K</mi><mn>.4</mn></mrow></msub></mrow><mi>β</mi></mfrac><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></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><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi><mn>.1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
K.4
БЭ.1
БЭ.4
3
6
7
где I - ток коллектора третьего транзистора 4; β - коэффициент усиления тока базы третьего транзистора 4; U, U - напряжение база-эмиттер первого транзистора 1 и второго транзистора 2 соответственно; I - ток, протекующий через первый транзистор 3; R, R - сопротивление второго резистора 6 и третьего резистора 7 соответственно.
Поскольку можно считать, что
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>K</mi><mn>.4</mn></mrow></msub><mo>≈</mo><msub><mi>I</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi><mn>1.2</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mi>T</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mi>ln</mi><mi>N</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
БЭ1.2
T
где ΔU - разность напряжений база-эмиттер первого транзистора 1 и второго транзистора 2; φ - температурный потенциал; N - отношение площадей эмиттеров второго транзистора 2 и первого транзистора 1.
БЭ.4
БЭ.1
БЭ
Полагая, что U≈U=U, выражение (1) с учетом (2) можно представить следующим образом:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mi>T</mi></msub></mrow><mrow><mi>β</mi><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mi>ln</mi><mi>N</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><msub><mi>ϕ</mi><mi>T</mi></msub><mi>ln</mi><mi>N</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Так как зависимость коэффициента усиления тока базы [Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesingLab 8.0. - М.: СОЛОН-Р, 2003. С.301] может быть представлена как
<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><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
подстановка (4) в (3) дает
<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>7</mn></msub><msub><mi>ϕ</mi><mi>T</mi></msub><msqrt><mrow><msubsup><mi>T</mi><mn>0</mn><mn>3</mn></msubsup></mrow></msqrt></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>β</mi><mn>0</mn></msub><msqrt><mrow><msup><mi>T</mi><mn>3</mn></msup></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mi>ln</mi><mi>N</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><msub><mi>ϕ</mi><mi>T</mi></msub><mi>ln</mi><mi>N</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
0
0
где T - начальная (комнатная) температура; β - коэффициент усиления тока базы при начальной температуре; T - текущая температура в К.
Второе и третье слагаемые в правой части выражения (5) представляют собой элементы классического уравнения для ИОН на основе ширины запрещенной зоны кремния. В [Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988 - С.240] показано, что положительный температурный дрейф разности напряжений база-эмиттер компенсирует только линейную составляющую отрицательного температурного дрейфа напряжения база-эмиттер транзистора.
1
Первое слагаемое U в правой части выражения (5) можно представить как следующую функцию температуры:
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>T</mi><mrow><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
что позволяет при выполнении определенных условий компенсировать квадратичную составляющую температурного дрейфа выходного напряжения заявляемого ИОН.
Проведенный анализ можно подтвердить результатами компьютерного моделирования. На фиг.3 приведена схема заявляемого ИОН в среде PSpice. В качестве активных компонентов использованы модели транзисторов аналогового базового матричного кристалла, выпускаемого Минским НПО «Интеграл» [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 ИОН приведены на фиг.4. Кривая выходного напряжения заявляемого ИОН имеет явно выраженный третий порядок и выходное напряжение, близкое к удвоенной ширине запрещенной зоны кремния - 2, 33 В. Показано, что абсолютное отклонение выходного напряжения в диапазоне температур -40-120°C не превышает 64 мкВ, что в относительных единицах составляет 0,0027%, а температурный дрейф выходного напряжения составляет ±1,25 ppm/К, что позволяет отнести такой ИОН к разряду прецизионных.
На фиг.5 приведен ИОН, выполненный в среде PSpice по схеме прототипа на моделях тех же компонентов, что и заявляемый ИОН, а результаты моделирования прототипа приведены на фиг.6.
Выходное напряжение ИОН по схеме прототипа составляет 1,1 В, а его абсолютное отклонение в диапазоне температур достигает 1,43 мВ. В относительных единицах это составляет 0,13%. Относительный температурный дрейф составляет±34 ррт/К.
Следовательно, результаты моделирования показывают, что по такому параметру, как относительная стабильность выходного напряжения в диапазоне температур, заявляемый ИОН превосходит прототип в 200 раз, а по температурной стабильности - почти в 30 раз.
Таким образом, задача предлагаемого изобретения - повышение выходного напряжения и повышение относительной температурной стабильности - решена.