ИСТОЧНИК ТОКА, СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ

Полезная модель относится к электронике, предназначена для использования в интегральных микросхемах на комплементарных транзисторах структуры металл-диэлектрик-полупроводник (КМДП).
Известны источники тока, содержащие КМДП-транзисторы и диоды на p-n переходах, стабилизированные по ширине запрещенной зоны, см., например, патент США №4450367, НКИ 307/297, МКИ G05F 3/16, опубликованный 22 мая 1984 г. [1]. Подобные устройства не обеспечивают высокую стабильность тока в широком диапазоне напряжения питания, так как КМДП-транзисторы, в их составе, образующие токовые зеркала, имеют разные напряжения на истоках, что создает асимметрию режимов работы транзисторов, усугубляющую дестабилизирующий эффект модуляции длин каналов при повышении напряжения питания.
Этот недостаток устранен в устройстве, описанном в патенте США №5900773, НКИ 327/539, МКИ G05F 1/10, опубликованном 4 мая 1999 г. [2]. Данное устройство содержит первый и второй диоды на p-n переходах, первый резистор, с первого по двенадцатый МДП-транзисторы с индуцированным каналом первого типа проводимости, с первого по третий МДП-транзисторы с индуцированным каналом второго типа проводимости, затворы первого и второго из которых соединены со стоками шестого МДП-транзистора первого типа и первого МДП-транзистора второго типа, сток второго и затвор третьего МДП-транзисторов второго типа соединены со стоком седьмого МДП-транзистора первого типа, затворы с первого по пятый МДП-транзисторов первого типа соединены со стоками четвертого МДП-транзистора первого типа и третьего МДП-транзистора второго типа, сток первого и затвор шестого МДП-транзисторов первого типа подключены к области первого типа проводимости первого диода, сток второго и затвор седьмого МДП-транзисторов первого типа через первый резистор подключены к области первого типа проводимости второго диода, сток третьего и истоки шестого, седьмого МДП-транзисторов первого типа соединены, а сток пятого МДП-транзистора первого типа является выходом устройства, области второго типа проводимости первого и второго диодов и истоки с первого по третий МДП-транзисторов второго типа соединены со второй шиной напряжения питания, а истоки с первого по пятый МДП-транзисторов первого типа соответственно подключены к стокам с восьмого по двенадцатый МДП-транзисторов первого типа, истоки которых подключены к первой шине напряжения питания, а затворы соединены со стоком одиннадцатого МДП-транзистора первого типа.
Вырабатываемое источником выходной ток пропорционален току в первом резисторе, напряжение на котором равно разности напряжений на первом и втором диодах, возникающей вследствие того, что плотность тока в первом диоде выше, чем во втором. Напряжение на первом резисторе соответствует формуле:
,
-23
-19
D1
D2
D1
D2
где Т - абсолютная температура, k=1,38⋅10 Дж/град - постоянная Больцмана, q=1,6⋅10 Кл - заряд электрона, I, I - токи в первом и втором диодах, a S, S - площади их p-n переходов.
Токи в первом и втором диодах формируют соответственно пары из первого, восьмого и второго, девятого МДП-транзисторов первого типа, выполняющие функции токовозвращающих элементов в составе токового зеркала с парой из четвертого и одиннадцатого МДП-транзисторов первого типа в качестве токопринимающих Стабильность напряжения на первом резисторе при изменении напряжения питания, определяющая стабильность соотношения этих токов, обеспечивается тем, что первый, второй и восьмой, девятый МДП-транзисторы постоянно работают в практически одинаковых электрических режимах.
Величина напряжения на первом резисторе имеет положительный линейный температурный коэффициент, стабильность выходного тока по температуре в устройстве достигается в случае положительной температурной зависимости сопротивления первого резистора, приближающимся к выражению вида
0
0
R=RT/T,
0
0
0
где R1 - сопротивление первого резистора при определенной по абсолютной шкале температуре Т, чаще всего за Т принимают 298 К, соответствующих нормальной комнатной температуре t=25°С.
Температурную зависимость интегральных резисторов обычно описывают следующей формулой:
0
T1
0
Т2
0
2
R=R(1+α(Т-Т)+α(Т-Т)),
T1
0
T2
она приходит к требуемому виду в случае приближения линейного температурного коэффициент α к 1/Т и исчезающе малого значения квадратичного температурного коэффициента α. Таким температурными свойствами могут обладать только резисторы из тонких пленок резистивных металлических сплавов определенного состава.
-1
Значения температурных коэффициентов сопротивления наиболее часто применяемых диффузионных кремниевых или пленочных поликремниевых интегральных резисторов могут существенно отличаться от 1/273 К и даже иметь отрицательные значения. В таких случаях требуемая термостабильность оказывается недостижимой. Это является недостатком устройства - аналога.
Применение в устройстве пар последовательно соединенных МДП-транзисторов первого типа в качестве элементов токового зеркала приводит к повышению нижней границы рабочего диапазона напряжения питания.
Технический результат полезной модели заключается в повышении стабильности вырабатываемого тока по температуре и реализации возможности работы при меньшем напряжении питания.
Технический результат достигается тем, что в источник тока, стабилизированный в широком диапазоне напряжения питания, содержащий первый и второй диоды на p-n переходах, первый резистор, с первого по седьмой МДП-транзисторы с индуцированным каналом первого типа проводимости, с первого по третий МДП-транзисторы с индуцированным каналом второго типа проводимости, затворы первого и второго из которых соединены со стоками шестого МДП-транзистора первого типа и первого МДП-транзистора второго типа, сток второго и затвор третьего МДП-транзисторов второго типа соединен со стоком седьмого МДП-транзисторов первого типа, затворы с первого по пятый МДП-транзисторов первого типа соединены со стоками четвертого МДП-транзистора первого типа и третьего МДП-транзистора второго типа, сток первого и затвор шестого МДП-транзисторов первого типа подключены к области первого типа проводимости первого диода, сток второго и затвор седьмого МДП-транзисторов первого типа через первый резистор подключены к области первого типа проводимости второго диода, сток третьего и истоки шестого, седьмого МДП-транзисторов первого типа соединены, а сток пятого МДП-транзистора первого типа является выходом устройства, области второго типа проводимости первого и второго диодов и истоки с первого по третий МДП-транзисторов второго типа соединены со второй шиной напряжения питания, дополнительно введен второй резистор, подключенный между стоком второго МДП-транзистора первого типа и второй шиной напряжения питания, а истоки с первого по пятый МДП-транзисторов первого типа подключены к первой шине напряжения питания.
Указанное выполнение устройства позволяет повысить температурную стабильность выходного тока и расширить диапазон напряжений питания в сторону минимальных значений.
Отличительными признаками полезной модели являются наличие второго резистора и подключение истоков с первого по пятый МДП-транзисторов первого типа.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображена электрическая схема источника тока.
Для облегчения понимания работы схемы на чертеже и в последующем описании проводимости полупроводников первого и второго типов представлены соответственно как проводимости p и n типов, а первая и вторая шины напряжения питания - соответственно как шины положительного напряжения питания и нулевого потенциала.
П
Источник тока, стабилизированный в широком диапазоне напряжения питания, содержит первый и второй диоды 1 и 2 на p-n переходах, первый и второй резисторы 3 и 4, с первого по седьмой МДП-транзисторы 5-11 с индуцированным каналом p-типа проводимости, с первого по третий МДП-транзисторы 12-14 с индуцированным каналом n-типа проводимости. Затворы первого и второго n-МДП-тран-зисторов 12 и 13 соединены со стоками шестого p-МДП-транзистора 10 и первого n-МДП-транзистора 12. Сток второго и затвор третьего n-МДП-транзисторов 13 и 14 соединены со стоком седьмого p-МДП-транзистора 11. Истоки с первого по пятый p-МДП-транзисторов 5-9 подключены к шине +U положительного напряжения питания, а их затворы соединены со стоками четвертого p-МДП-транзистора 8 и третьего n-МДП-транзистора 14. Сток первого и затвор шестого p-МДП-транзисторов 5 и 10 подключены к p-области первого диода 1, а сток второго и затвор седьмого p-МДП-транзисторов 6 и 11 через первый резистор 3 подключены к p-области второго диода 2. Второй резистор 4 подключен между стоком второго p-МДП-транзистора 6 и шиной нулевого потенциала. Сток третьего и истоки шестого, седьмого p-МДП-транзисторов 7 и 10, 11 соединены, а сток пятого p-МДП-транзистора 9 является выходом устройства. N-области первого, второго диодов 1, 2 и истоки с первого по третий n-МДП-транзисторов 12-14 соединены с шиной нулевого потенциала.
Устройство работает следующим образом.
СИ
ЗИ
ПОР
СИ
ЗИ
ПОР
Все МДП-транзисторы 5-14 устройства работают в области насыщения. У каждого из них прямо приложенное напряжение U между стоком и истоком превосходит превышение напряжением U затвор-исток своего порогового значения U, то есть U>U-U, Следовательно, для транзисторов 5-14 справедлива известная формула (1) для вольт-амперной характеристики в области насыщения,
C
где I - ток стока, β - крутизна.
ПОР Р
ПОР N
Необходимым условием правильной работы устройства также является равенство пороговых напряжений U и U у всех МДП-транзисторов каждого типа.
5
6
7
9
8
Р-МДП-транзисторы 5-8 образуют токовое зеркало, в котором отношения возвращаемых токов стоков p-МДП-транзисторов 5, 6, 7, 9 к принимаемому току стока p-МДП-транзистора 8 прямо пропорциональны отношениям крутизны β, β, β, β этих транзисторов к крутизне β p-МДП-транзистора 8.
Соотношения (2) следуют из формулы (1) в условиях общности напряжения на объединенных затворах p-МДП-транзисторов 5-9.
Р-МДП-транзисторы 10, 11 и n-МДП-транзисторы 12, 13 составляют операционный усилитель, питаемый током стока p-МДП-транзистора 7, который управляет источником тока на n-МДП-транзисторе 14, задающим ток стока p-МДП транзистора 8. Регулируя ток стоков МДП-транзисторов 8 и 14, операционный усилитель устанавливает равенство падения напряжения на цепи из диода 2 и резисторов 3, 4, создаваемого током стока p-МДП-транзистора 6, падению напряжения на диоде 1, создаваемому током стока p-МДП-транзистора 5.
D1
D2
Соотношения площадей p-n переходов S, S диодов 1, 2 и их токов обеспечивают более высокую плотность тока в диоде 1, поэтому напряжение на диоде 1 выше, чем на диоде 2.
Ток в диоде 2 равен току стока p-МДП-транзистора 6 за вычетом тока в резисторе 4, напряжение на котором в силу равенства потенциалов на затворах p-МДП-транзисторов 10 и 11 равно напряжению на диоде 1.
D
D
Напряжение U на полупроводниковом диоде в зависимости от абсолютной температуры Т и протекающего тока I выражает формула
D0
D0
0
D
где U - напряжение на диоде при плотности тока J и температуре Т, S - площадь p-n перехода диода.
Разность напряжений на диодах 1 и 2, приложенная к резистору 3, определяющему ток диода 2, соответствует выражению
при том, что токи стоков p-МДП-транзисторов 5 и 6 связаны вытекающей из выражений (2) пропорцией:
D
D0
D
Напряжение на диоде 1 при I=J×S, будет выражено как
Ток истока p-МДП-транзистора 6 складывается из токов в резисторах 3 и 4 согласно выражению (7):
0
D0
T1
Т2
в котором первое слагаемое внутри левых скобок возрастает с увеличением температуры Т, что следует из (4), а второе - убывает, согласно (6), так как для кремниевых p-n переходов Е>U. В формуле (7) учтена также температурная зависимость сопротивлений резисторов, которая предполагается одинаковой и выражена через линейный и квадратичный коэффициенты α и α.
С6
C9
Выходным током устройства является ток стока p-МДП-транзистора 9, пропорционального току стока p-МДП-транзистора 6 согласно паре из равенств (2), содержащих I и I.
D
0
T1
Т2
D0
0
Формулы (4) - (7) демонстрируют устойчивость величины вырабатываемого тока к воздействию дестабилизирующих факторов тем, что в них присутствуют только конструктивные параметры элементов схемы - отношения крутизн β МДП-транзисторов, определяемые отношением ширин W и длин L каналов транзисторов, и площадей S p-n переходов диодов, физические параметры Е и α, α полупроводникового материала, а также опорные точки U и R вольтамперных характеристик диодов и резисторов одинаковые для всех типов элементов, формируемых в одном производственно-технологическом процессе.
C6
С математической точки зрения выражения (4) - (7) образуют систему уравнений, среди которых есть трансцендентные, поэтому решение системы относительно величины I в общем случае невозможно получить в виде аналитического выражения.
0
0
С6
0
0
Поиск номинальных величин R3 и R4 сопротивлений резисторов 3 и 4, обеспечивающих требуемое значение тока I и его минимальное отклонение от номинала в заданном температурном диапазоне, на практике осуществляется подбором R3 и R4 в процессе моделирования схемы с помощью САПР. Затем может следовать уточнение значений по результатам исследований экспериментальных образцов, изготовленных с вариациями величин сопротивлений, покрывающими все поле погрешностей моделирования.
При моделировании КМДП-схем средствами САПР для тока стока МДП-транзистора в области насыщения применяется более точное уравнение Шичмена - Ходжеса
СИ
в котором через коэффициент λ учтена модуляция длины канала при изменении напряжения U между областями стока и истока.
C5
C6
Тем не менее у пар МДП-транзисторов 5 и 6, 10 и 11, 12 и 13, симметричность параметров которых имеет существенное значение для стабильной работы устройства, влияние модуляции длин каналов сведена к минимуму, так как перечисленные пары МДП-транзисторов имеют практически одинаковые напряжения областей стоков и, следовательно, изменения этих напряжений не нарушает критическое отношение (5) для токов стоков I и I.
Наличие второго резистора 4 упрощает процесс запуска работы источника тока при включении напряжения питания. Первоначально закрытые транзисторы 5-9 начинают проводить токи утечки, которые, не смотря на очень малу величину, создают падение напряжения на диоде 1, существенно превышающее падение напряжение на цепи из элементов 2-4. Это приводит к ответвлению тока стока МДП-транзистора 7 в МДП-транзистор 11 и повышению потенциала его стока, а, следовательно, и затвора МДП-транзистора 14. Канал МДП-транзистора 14 начинает открываться и проводить увеличивающийся ток, принимаемый токовым зеркалом на МДП-транзисторах 5-9, Возвращаемые зеркалом токи увеличиваются до тех пор, пока напряжения на стоках МДП-транзисторов 5 и 6 не становятся равными и устройство входит в рабочий режим.
Таким образом, источник вырабатывает ток, температурная стабильность которого с учетом физических параметров полупроводникового материала - ширины запрещенной зоны и температурных коэффициентов сопротивления резисторов задается конструктивными параметрами элементов, определяющими отношения сопротивлений резисторов, размеров МДП-транзисторов одинаковых типов проводимости и площадей диодов, и не зависящими от воздействий дестабилизирующих производственных и эксплуатационных факторов.
Результаты моделирования заявляемой полезной модели «Источник тока, стабилизированный в широком диапазоне напряжения питания»
Для подтверждения работоспособности источника тока и достижения технического результата автором проведено его моделирование в сравнении с аналогом при помощи программы SpectreS САПР Cadence с использованием следующих моделей биполярных, применяемых в качестве диодов, и КМДП-транзисторов.
Параметры модели биполярных PNP транзисторов:
Тип модели
pnp
Ток насыщения при температуре 27°С
IS=1,56Е-17 А
Максимальный коэффициент усиления тока в нормальном режиме в
схеме с ОЭ
BF=15,1
Коэффициент неидеальности в нормальном режиме
NF=1
Коэффициент неидеальности в инверсном режиме
NR=0,995
Максимальный коэффициент усиления тока в инверсном режиме в
схеме с ОЭ
BR=0,12
Обратный ток эмиттерного p-n перехода
ISE=2,25E-16 А
Обратный ток коллекторного p-n перехода
ISC=5,12Е-15 А
Коэффициент неидеальности эмиттерного p-n перехода
NE=2
Коэффициент неидеальности коллекторного p-n перехода
NC=1,06
Напряжение Эрли в нормальном режиме
VAF=199,2 В
Напряжение Эрли в инверсном режиме
VAR=19,9 В
Точка начала спада зависимости BF от тока коллектора в
нормальном режиме
IKF=2,748E-4 А
Точка начала спада зависимости BR от тока коллектора в инверсном
режиме
IKR=1,0E-3 A
Объемное сопротивление базы (max) при нулевом смещении
RB=84,66 Ом
Максимальное сопротивление базы при больших токах
RBM=25 Ом
Ток базы, при котором сопротивление базы уменьшается на 50% от
полного перепада между RB и RBM
IRB=8,0E-5 A
Объемное сопротивление эмиттера
RE=6 Ом
Объемное сопротивление коллектора
RC=129,7 Ом
Емкость эмиттерного р-n перехода при U<sub>ЭБ</sub>=0
CJE=1,72Е-14 Ф
Контактная разность потенциалов эмиттерного p-n перехода
VJE=0,91 В
Коэффициент, учитывающий плавность эмиттерного p-n перехода
MJE=0,477
Емкость коллекторного p-n перехода при U<sub>КБ</sub>=0
CJC=1,79E-14 Ф
Контактная разность потенциалов коллекторного p-n перехода
VJC=0,5 В
Коэффициент, учитывающий плавность коллекторного p-n перехода
MJC=0,207
Емкость p-n перехода коллектор-подложка при U<sub>КП</sub>=0
CJS=0 Ф
Контактная разность потенциалов p-n перехода коллектор-подложка
VJS=0,75 В
Коэффициент, учитывающий плавность p-n перехода кол-p-подложка
MJS=0,
Время переноса заряда в нормальном режиме
TF=6,4E-9 с
Время переноса заряда в инверсном режиме
TR=0 с
Температурный коэффициент BF и BR
ХТВ=2,21
Коэффициент нелинейности барьерных емкостей прямосмещенных
p-n переходов
FC=0,5
Ширина запрещенной зоны
EG=1,115 эВ
Температурный коэффициент IS
XTI=5,749
На рис. 1 и 2 представлены схемы моделирования заявляемого устройства и его ближайшего аналога.
Обозначения элементов на схемах соответствуют их названиям в формуле полезной модели. То есть М1р, … М7р - это с первого по седьмой p-МДП-транзисторы, на чертеже заявки они имеют номера 5-11, а М1n, … М3n - с первого по третий n-МДП с номерами 12-14. Q1, Q2 - PNP транзисторы, представляющие первый и второй диоды 1 и 2, R1 и R2 - первый и второй резисторы 3 и 4. Транзисторы с обозначением MLn в схемах моделирования выполняют функцию нагрузки. На схеме аналога в обозначениях элементов добавлен индекс "а", в ней также содержатся отсутствующие в заявляемом устройстве восьмой - двенадцатый p-МДП-транзисторы М8ра, … М12ра.
Для моделирования выбраны две температурные зависимости сопротивлений резисторов с положительными и отрицательными температурными коэффициентами:
0
-3
-6
2
R=R(1+0,5⋅10(Т-300 K)+0,2⋅10(Т-300 K)),
0
-3
-6
2
R=R(1-0,5⋅10(Т-300 K)-0,2⋅10(Т-300 K)).
0
-3
Ближайший аналог дополнительно промоделирован при оптимальной для его работы температурной зависимости сопротивления резистора, отвечающей формуле: R=R(1+3,223⋅10(Т-300 K)).
C5
C6
D1
D2
Подобранные номинальные сопротивления резисторов R1=13,97 кОм, R2=173 кОм для заявляемого устройства при положительных температурных коэффициентах сопротивлений, R1=20,86 кОм, R2=121,5 кОм - для отрицательных и R1a=7,304 кОм для устройства - аналога обеспечивают выработку токов с номиналом 50 мкА при отношении токов стоков I:I = 2:1 и отношении площадей p-n переходов диодов S:S = 1:8.
CC
CC
Ti
0
Полученные при помощи моделирования значения выходных токов устройств - токов стоков транзисторов М5р и М5ра в диапазоне температур при напряжении питания V=5 В представлены табл. 1 и графиками на рис. 3 а-г. Температурная нестабильность выходных токов устройства - аналога и заявляемого устройства в диапазоне от -60 до 125°С для более благоприятных - положительных температурных коэффициентах сопротивлений резисторов при номинальном напряжении питания V=5,0 В равны соответственно -25,6, 26,1 и -1,06%. Это демонстрирует то, что изменение схемы существенно повышает температурную стабильность устройства. Для температурной стабилизации устройства - аналога используемый в нем резистор должен иметь определенное значение линейного температурного коэффициента сопротивления α≈1/Т, см. график на рис. 4
CC
Разбросы выходных токов при отклонении напряжения питания V в диапазоне от 3,0 до 10,0 В для заявляемого устройства и от 4,5 до 10,0 В для его аналога представляют табл. 2 и графики на рис. 5-8. Для заявляемого устройства разбросы существенно ниже, в диапазоне температур они не превышают 1%, в то время как у аналога более 40%.
Таким образом, результаты моделирования показали более высокую стабильность заявляемого устройства при изменении температуры и работоспособность при более низком напряжении питания.