Источник опорного напряжения

 

Полезная модель относится к электронике. Технический результат заключается в повышении величины опорного напряжения. Для этого предложен источник опорного напряжения, содержащий первый и второй резисторы, с первого по третий МДП-транзисторы с индуцированным каналом первого типа проводимости, истоки которых подключены к первой шине напряжения питания, а затворы соединены и подключены к стоку первого МДП-транзистора первого типа, первый и второй МДП-транзисторы с индуцированным каналом второго типа проводимости, затворы которых соединены и подключены к соединённым стокам вторых МДП-транзисторов первого и второго типов, сток первого МДП-транзистора первого типа соединён со стоком первого МДП-транзистора второго типа, исток которого подключён к первому выводу первого резистора, сток третьего МДП-транзистора первого типа соединён с первым выводом второго резистора и является выходом опорного напряжения, второй вывод второго резистора соединён с истоком второго МДП-транзистора второго типа, первый и второй диоды на р-n переходах, области первого типа проводимости которых подключены ко вторым выводам первого и второго резисторов соответственно, а области второго типа проводимости соединены со второй шиной напряжения питания, при этом дополнительно содержит третий и четвёртый резисторы, первые выводы которых соответственно подключены к истокам первого и второго МДП-транзисторов второго типа, а вторые выводы соединены со второй шиной напряжения питания. 1 ил.

Полезная модель относится к электронике и предназначена для использования в интегральных микросхемах на комплементарных транзисторах структуры металл-диэлектрик-полупроводник (КМДП).

Известно использование в КМДП-схемах параметрических источников опорного напряжения, уровень которого пропорционален пороговому напряжению n- или p-канального МДП-транзистора. См., например, патент США 4507572, НКИ 307-295 R, МКИ Н03К 3/353, G05F 3/08, опубликованный 26 марта 1985 г. [1]. Подобные устройства не обеспечивают высокую стабильность опорного напряжения, так как пороговое напряжение МДП-транзисторов зависит от температуры и меняется под воздействием дестабилизирующих производственных факторов.

Этот недостаток устранен в источнике опорного напряжения, описанном в патенте РФ 2131616 МКИ G05F 3/24, H03K 3/353, опубликованном 10 июня 1999 г. [2]. Данное устройство содержит первый и второй резисторы, с первого по третий МДП-транзисторы с индуцированным каналом первого типа проводимости, истоки которых подключены к первой шине напряжения питания, а затворы соединены и подключены к стоку первого МДП-транзистора первого типа, первый и второй МДП-транзисторы с индуцированным каналом второго типа проводимости, затворы которых соединены и подключены к соединенным стокам вторых МДП-транзисторов первого и второго типов, сток первого МДП-транзистора первого типа соединен со стоком первого МДП-транзистора второго типа, исток которого подключен к первому выводу первого резистора, сток третьего МДП-транзистора первого типа соединен с первым выводом второго резистора и является выходом опорного напряжения, второй вывод второго резистора соединен с истоком второго МДП-транзистора второго типа, первый и второй диоды на р-n переходах, области первого типа проводимости которых подключены ко вторым выводам первого и второго резисторов соответственно, а области второго типа проводимости соединены со второй шиной напряжения питания.

Вырабатываемое источником выходное напряжение складывается из напряжений на первом диоде D2,

и на втором резисторе R2,

В этих формулах Е0 - ширина запрещенной зоны полупроводникового материала, при Т0 =298 К у кремния Е0=1,205 В, Т - абсолютная температура, UD0 - напряжение на применяемых диодах при заданной плотности тока и температуре Т0=298 К, k=1,38·10 -23 Дж/град - постоянная Больцмана, q=1,6·10-19 Кл - заряд электрона, 1, 2. 3 - крутизны первого, второго и третьего МДП-транзисторов второго типа, SD1, SD1 - площади p-n переходов первого и второго диодов, R1 и R2 - сопротивления первого и второго резисторов.

Величины напряжений на втором диоде и на втором резисторе имеют соответственно отрицательный и положительный температурные коэффициенты, так как Е0 всегда больше UD0, а значение логарифма положительно, если его аргумент больше единицы.

Стабильность опорного напряжения по температуре в устройстве достигается за счет уравновешивания температурных дрейфов суммируемых напряжений. Баланс достигается, когда

Это является недостатком устройства - аналога, не позволяющим получить стабильное опорное напряжение, отличающееся от Е0.

Технический результат полезной модели заключается в реализации возможности повышения величины опорного напряжения.

Технический результат достигается тем, что в источник опорного напряжения, содержащий первый и второй резисторы, с первого по третий МДП-транзисторы с индуцированным каналом первого типа проводимости, истоки которых подключены к первой шине напряжения питания, а затворы соединены и подключены к стоку первого МДП-транзистора первого типа, первый и второй МДП-транзисторы с индуцированным каналом второго типа проводимости, затворы которых соединены и подключены к соединенным стокам вторых МДП-транзисторов первого и второго типов, сток первого МДП-транзистора первого типа соединен со стоком первого МДП-транзистора второго типа, исток которого подключен к первому выводу первого резистора, сток третьего МДП-транзистора первого типа соединен с первым выводом второго резистора и является выходом опорного напряжения, второй вывод второго резистора соединен с истоком второго МДП-транзистора второго типа, первый и второй диоды на р-n переходах, области первого типа проводимости которых подключены ко вторым выводам первого и второго резисторов соответственно, а области второго типа проводимости соединены со второй шиной напряжения питания, дополнительно введены третий и четвертый резисторы, первые выводы которых соответственно подключены к истокам первого и второго МДП-транзисторов второго типа, а вторые выводы соединены со второй шиной напряжения питания.

Указанные выполнения устройства позволяет получать стабилизированные по температуре опорные напряжения разных величин, превышающих Е0.

Отличительными признаками полезной модели являются наличие третьего и четвертого резисторов.

Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображена электрическая схема источника опорного напряжения.

Для упрощения 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 напряжений питания - соответственно как шины положительного напряжения питания и нулевого потенциала.

Источник опорного напряжения содержит с первого по четвертый резисторы 1-4, с первого по третий МДП-транзисторы 5-7 с индуцированным каналом p типа проводимости, истоки которых подключены к шине +UП положительного напряжения питания, а затворы соединены и подключены к стоку первого p-МДП-транзистора 5, первый и второй МДП-транзисторы 8 и 9 с индуцированным каналом n типа проводимости, затворы которых соединены и подключены к соединенным стокам вторых МДП-транзисторов 6 и 9 p и n типов, сток первого p-МДП-транзистора 5 соединен со стоком первого n-МДП-транзистора 8, исток которого подключен к первым выводам первого и третьего резисторов 1 и 3, сток третьего p-МДП-транзистора 7 соединен с первым выводом второго резистора 2 и является выходом опорного напряжения, первый и второй диоды 10 и 11, аноды которых соответственно подключены ко второму выводу первого резистора 1 и к истоку второго n-МДП-транзистора 9, соединенному со вторым выводом второго резистора 2 и с первым выводом четвертого резистора 4, катоды диодов 10. 11 и вторые выводы третьего и четвертого резисторов 3 и 4 соединены с шиной нулевого потенциала.

Устройство работает следующим образом.

P-МДП-транзисторы 5, 6 и 7 образуют токовое зеркало, в котором отношения возвращаемых токов стоков p-МДП-транзисторов 6 и 7 к принимаемому току стока p-МДП-транзистора 5 прямо пропорциональны соответствующим отношениям крутизн p транзисторов 6 и 7 к крутизне транзистора 5. N-МОП транзисторы 8 и 9 выполняют функции истоковых повторителей, отношение крутизн транзисторов 8 и 9 равно отношению крутизн p-МДП-транзисторов 5 и 6, что обеспечивает равенство напряжений UИ8, UИ9 на их истоках.

Пользуясь известной формулой для вольт-амперной характеристики МДП-транзистора в области насыщения, когда прямо приложенное напряжение между его стоком и истоком UСИ превосходит превышение напряжением затвор-исток UЗИ своего порогового значения, то есть когда UСИ>UЗИ-U ПОР,

где, IC - ток стока, а - крутизна, и приняв равными значения пороговых напряжений UПОР для транзисторов 5, 6 и 7 одного типа, имеющих одинаковые напряжения затвор - исток, легко вывести равенства

Равенство напряжений

для транзисторов 8 и 9 обеспечивается тем, что токи стоков транзисторов 8 и 9 соответственно равны токам стоков транзисторов 5 и 6, и, следовательно, относятся как 5/6 согласно (2), а крутизны пропорциональны крутизнам транзисторов 5 и 6 -

Из выражения (3) следует равенство напряжений на истоках транзисторов 8 и 9, имеющих один и тот же потенциал на затворах.

Соотношения площадей p-n переходов SD10 и SD11 диодов 10 и 11 и токов этих диодов обеспечивают более высокую плотность тока у диода 11, поэтому напряжение на диоде 11 выше, чем на диоде 10.

Зависимость напряжения UD на полупроводниковом диоде от абсолютной температуры Т и протекающего тока ID выражает формула

где UD0 - напряжение на диоде при плотности тока JD0 и температуре Т0 , SD - площадь p-n перехода диода.

Отношение сопротивлений третьего и четвертого резисторов равно отношению суммы токов стоков транзисторов 6 и 7 к току стока транзистора 5.

Равенство напряжений на истоках n-МДП-транзисторов 8 и 9 обеспечивает равенство напряжений на резисторах 3 и 4 напряжению на диоде 11, а выполнение пропорции (6) - равенство отношения токов резисторов 3 и 4 отношению токов диодов 10 и 11:

Приняв сумму токов диода 10 и резистора 3 равной току IC5 стока p-МДП-транзистора 5 и сумму токов диода 11 и резистора 4 равной сумме токов IC6 и IC7 стоков p-МДП-транзисторов 6 и 7, по формулам (2), (5) и (7) выразим разность напряжений на диодах 10 и 11, приложенную к резистору 1, определяющему ток диода 10, -

Выходное опорное напряжение UREF равно напряжению на диоде 11, которое можно записать как

сложенному с напряжением на резисторе 2, определяемым напряжением на резисторе 1 и током резистора 4 согласно формуле

Формула (10) учитывает деление тока резистора 4 между цепями стоков p-МДП-транзисторов 6 и 7 пропорционально их крутизнам. Объединив выражения (8), (9) и (10), получим

Формулы (11) демонстрируют устойчивость вырабатываемого напряжения к воздействию дестабилизирующих факторов тем, что в них присутствуют только конструктивные параметры элементов схемы, физический параметр Е0 полупроводникового материала и опорная точка UD0 вольт-амперной характеристики диодов, являющаяся константой для каждого конкретного производственно-технологического процесса.

Условием температурной компенсации опорного напряжения является равенство нулю производной UREF по температуре

Из формулы (12) следует, что температурная компенсация будет достигнута, если выполнить равенство

Правая часть формулы (13) совпадет с выражением (11) для выходного опорного напряжения UREF , если в него подставить Т=Т0, это означает, что левая часть выражения (11) дает значение стабилизированного выходного напряжения устройства.

Таким образом, источник опорного напряжения вырабатывает выходное напряжение, температурно стабилизированное по ширине запрещенной зоны в широком диапазоне значений, задаваемых конструктивными параметрами элементов, определяющими отношения сопротивлений резисторов, крутизн МДП-транзисторов одинаковых типов проводимости и площадей диодов, и не зависящими от воздействий производственных и эксплуатационных факторов.

Источник опорного напряжения, содержащий первый и второй резисторы, с первого по третий МДП-транзисторы с индуцированным каналом первого типа проводимости, истоки которых подключены к первой шине напряжения питания, а затворы соединены и подключены к стоку первого МДП-транзистора первого типа, первый и второй МДП-транзисторы с индуцированным каналом второго типа проводимости, затворы которых соединены и подключены к соединённым стокам вторых МДП-транзисторов первого и второго типов, сток первого МДП-транзистора первого типа соединён со стоком первого МДП-транзистора второго типа, исток которого подключён к первому выводу первого резистора, сток третьего МДП-транзистора первого типа соединён с первым выводом второго резистора и является выходом опорного напряжения, второй вывод второго резистора соединён с истоком второго МДП-транзистора второго типа, первый и второй диоды на р-n переходах, области первого типа проводимости которых подключены ко вторым выводам первого и второго резисторов соответственно, а области второго типа проводимости соединены со второй шиной напряжения питания, отличающийся тем, что дополнительно содержит третий и четвёртый резисторы, первые выводы которых соответственно подключены к истокам первого и второго МДП-транзисторов второго типа, а вторые выводы соединены со второй шиной напряжения питания.

РИСУНКИ



 

Похожие патенты:

Прибор принадлежит к импульсным электронным устройствам, имеющим способность быть в одном из устойчивых состояний - "1" либо "0", храня 1 разряд числа, сформированного в виде двоичного кода. Особенностью данной полезной модели является возможность сохранять информацию, представленную двоичным кодом, и долгое время оставаться в одном из двух своих положений, даже после прекращения действия переключающего сигнала.

Прибор принадлежит к импульсным электронным устройствам, имеющим способность быть в одном из устойчивых состояний - "1" либо "0", храня 1 разряд числа, сформированного в виде двоичного кода. Особенностью данной полезной модели является возможность сохранять информацию, представленную двоичным кодом, и долгое время оставаться в одном из двух своих положений, даже после прекращения действия переключающего сигнала.
Наверх