ТЕМПЕРАТУРНО СТАБИЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ СТАБИЛИТРОНА
HEAT STABLE REFERENCE VOLTAGE SOURCE BASE ON STABILITRON

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может использоваться в стабилизаторах напряжения, аналогово-цифровых преобразователях и других элементах автоматики и вычислительной техники.
Известен источники опорного напряжения (ИОН), обладающий высокой температурной стабильностью [Marinca S. Temperature reference circuit. US patent 7372244, May 13, 2008], условие его настройки реализуется путем подбора одного резистора, однако он достаточно сложен.
Известен также ИОН, в котором высокая температурная стабильность достигается компенсацией положительного температурного дрейфа стабилитрона отрицательным температурным дрейфом напряжения база-эмиттер транзистора [Соклофф С. Аналоговые интегральные схемы; Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. С.202, рис.3.32], однако он допускает работу только при выходном напряжении в 2 - 3 раза меньше напряжения стабилизации стабилитрона и обладает относительно высоким выходным сопротивлением.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ИОН, представленный в [Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. - М.: Мир, 1982. С.257, рис.16.5].
Схема прототипа, представленная на фиг.1, содержит источник тока, включенный между шиной питания и базой транзистора, коллектор которого подключен к шине питания, а его эмиттер - к выходу устройства, стабилитрон, катодом подключенный к базе транзистора, а анодом - обшей шине. Недостатком прототипа является его низкая температурная стабильность.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение температурной стабильности выходного напряжения.
Для решения поставленной задачи в схему прототипа, содержащую источник тока, включенный между шиной питания и базой первого транзистора, коллектор которого соединен с шиной питания, его эмиттер подключен к выходу устройства, введены второй и третий транзисторы, причем эмиттеры второго и третьего транзисторов подключены к общей шине, база второго транзистора объединена с коллектором второго транзистора и базой третьего транзистора и подключена к аноду стабилитрона, а коллектор третьего транзистора подключен к выходу устройства.
Заявляемым ИОН (фиг.2) содержит источник тока 1, включенный между шиной питания и базой первого транзистора 2, коллектор первого транзистора 2 соединен с шиной питания, а его эмиттер подключен к выходу устройства, стабилитрон 3, катодом подключенный к базе первого транзистора 2, анодом - к точке соединения базы и коллектора второго транзистора 4 и базы третьего транзистора 5, эмиттеры второго транзистора 4 и третьего транзистора 5 подключены к общей шине, а коллектор третьего транзистора 5 соединен с выходом устройства.
Работу заявляемого устройства можно пояснить следующим образом.
Выходное напряжение заявляемого ИОН определяется следующим образом:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Т</mi></mrow></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>2</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
СТ
БЭ4
БЭ2
где U - напряжение стабилизации стабилитрона; U - напряжение база-эмиттер второго транзистора 4; U - напряжение база - эмиттер третьего транзистора 5.
Разность напряжений база - эмиттер можно представить следующим образом:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi><mn>4</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>Т</mi></msub><mi>ln</mi><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>I</mi><mrow><mi>S</mi><mn>4</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>S</mi><mn>2</mn></mrow></msub><msub><mi>I</mi><mn>4</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>Т</mi></msub><mi>ln</mi><mfrac><mi>K</mi><mi>N</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Т
2
4
S4
S2
2
4
S2
S4
где φ - температурный потенциал; I - ток эмиттера первого транзистора 2; I - ток коллектора второго транзистора 4; I - ток насыщения обратно смещенного p-n перехода база - эмиттер второго транзистора 4; I - ток насыщения обратно смещенного p-n перехода база - эмиттер первого транзистора 2; K=I/I - коэффициент передачи повторителя тока на втором транзисторе 4 и третьем транзисторе 5; N=I/I - отношение площадей эмиттеров первого транзистора 2 и второго транзистора 4.
Подставляя выражение (2) в (1) получаем:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>Т</mi></msub><mi>ln</mi><mfrac><mi>K</mi><mi>N</mi></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Таким образом, если продифференцировать выражение для выходного напряжения по температуре и приравнять производную нулю, можно получить условие температурной стабильности:
<mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Т</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>T</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mi>Т</mi></msub><mi>ln</mi><mfrac><mi>K</mi><mi>N</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>T</mi></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Поскольку температурный дрейф интегрального стабилитрона, выполненного на обратно смещенном переходе база - эмиттер интегрального транзистора, имеет положительный температурный дрейф, и, в свою очередь, разность напряжений база - эмиттер транзисторов также имеет положительный температурный дрейф, то при соответствующем выборе параметров К и N температурный дрейф выходного напряжения можно сделать равным нулю.
Для схемы прототипа (фиг.1) для выходного напряжения можно записать:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Э</mi></mrow></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Поскольку температурный дрейф напряжения база - эмиттер транзистора имеет отрицательный температурный дрейф, результирующий температурный дрейф выходного напряжения будет равен сумме температурного дрейфа стабилитрона и температурного дрейфа напряжения база - эмиттер.
Сопоставительное моделирование проведено для схем прототипа и заявляемого ИОН по схемам, представленным на фиг.3 в среде PSpice. В качестве компонентов использованы модели 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, а результаты моделирования ИОН, выполненного по схеме прототипа - на фиг.5.
Температурный дрейф выходного напряжения в схеме заявляемого ИОН составляет ±0,2 ppm/K, а в схеме ИОН прототипа - более 400 ppm/K, то есть выигрыш в температурной стабильности превышает 2000.
Таким образом, проведенный анализ и результаты сопоставительного моделирования показывают, что задача предполагаемого изобретения - повышение температурной стабильности выходного напряжения ИОН - решена.