Источник опорного напряжения

 

1. ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯ- ЖЕНИЯ, содержащий операционный усилитель , три резистора и два транзистора , причем первые выводы первого и второго резисторов соединены , второй вывод первого резистора соединен с первым выводом третьего резистора и с базой первого транзистора , второй вывод третьего резистора соединен с коллектором первого и базой второго транзисторов, коллектор второго транзистора соединен с вторым выводом второго резистора , эмиттеры первого и второго Tpai зисторов подключены к общей шине, неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к базе первого транзистора, а инвертирующий его вход подключен к коллектору второго транзистора, выход операционного усилителя является выходом источника , отличающий с. я тем, что, с целью повышения температурной стабильности, в него введены блок преобразования и генератор тока, при этом первый вход блока преобразования соединен с базой первого транзистора, второй вход блока преобразования подключен к точке соединения первых выводов первого и второго резисторов, управляющий вход блока преобразования подключен к выходу генератора тока, а управляющий вход генератора тока и выход блока преобразования подключены к выходу источника. 2. .Источник по п. 1, отличающийся тем, что блок преобразования состоит из неинвертирующего усилителя постоянного тока с коэффициентом усиления по напряжению равным двум, вход которого является первым входом блока преобразования , двух транзисторов и резистора, причем база первого транзистора соединена с выходом указанного усилителя постоянного тока, коллектор первого транзистора подключен к клемме питания, а его эмиттер соединен с базой второго тран90 зистора и с управляющим входом блока преобразования, эмиттер второго тран зистора соединен с общей шиной, а сл его коллектор - с первым вьгоодом резистора и с вторым входом блока преобразования, второй вывод резистора является выходом блока преобразования .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

NII

РЕСПУБЛИН (19) (11) 3(51) G 05 F 1/56

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ а лень (21) 3589015/24-07 (22) 03.05.83 (46) 15.08.84. Бюл. № 30 (72) В.А. Сосна (53) 621.316.722.1(088.8) (56) 1. Патент Великобритании № 2040087, кл. G 05 Р 3/16, 1980

2. Патент Франции ¹ 2362438, кл. G 05 F 1/56, 1978. (54)(57) 1. ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯ- °

ЖЕНИЯ, содержащий операционный усилитель, три резистора и два транзистора, причем первые выводы первого и второго резисторов соединены, второй вывод первого резистора соединен с первым выводом третьего резистора и с базой первого транзистора, второй вывод третьего резистора соединен с коллектором первого и базой второго транзисторов, коллектор второго транзистора соединен с вторым выводом второго резистора, эмиттеры первого и второго тра зисторов подключены к общей шине, неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к базе первого транзистора, а инвертирующий его вход подключен к коллектору второго . транзистора, выход операционного

,усилителя является выходом источника, о т л и ч а ю щ и и с.я тем, что, с целью повышения температурной стабильности, в него введены блок преобразования и генератор тока, при этом первый вход блока преобразования соединен с базой первого транзистора, второй вход блока преобразования подключен к точке соединения первых выводов первого и второго резисторов, управляющий вход блока преобразования подключен к выходу генератора тока, а управляющий вход генератора тока и выход блока преобразования подключены к выходу источника.

2..Источник по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что блок преобразования состоит из неинвертирующего усилителя постоянного тока с коэффициентом усиления по напряжению равным двум, вход которого является первым входом блока преобразования, двух транзисторов и резистора, причем база первого транзистора соединена с выходом указан" ного усилителя постоянного тока, коллектор первого транзистора подключен к клемме питания, а его эмиттер соединен с базой второго транзистора и с управляющим входом блока преобразования, эмиттер второго тран» зистора соединен с общей шиной, а

его коллектор — с первым выводом резйстора и .с вторым входом блока преобразования, второй вывод резистора является выходом блока npeобразования.

1 1108415

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в различных устройствах автоматики, измерительной и вычислительной техники. 5

Известны источники опорного напряжения (ИОН), равного ширине запрещенной зоны полупроводникового материала, в частности кремния 1 .

Источники наиболее широко исполь- 10 зуются при конструировании интегральных микросхем (ИМС) различного функционального назначения, таких, напри мер, как стабилизаторы напряжения, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи (ЦАП и АЦП), поскольку строятся на базе основных элементов по.".упроводниковых ИМС: кремниевых биполярных транзисторах и резисторах. Принцип построения таких 2п

ИОН заключается в компенсации отрицательного температурного коэффициента (ТК) напряжения на прямосмещенном

\ кремниевом р -n -переходе с помощью напряжения, пропорционального аб- 2S солютной температуре (ПАТ). Для получения напряжения ПАТ используется, как правило, прямопропорциональная зависимость от абсолютной температуры разности напряжений двух gp кремниевых прямосмещенных p — 1 -переходов, работающих при различных плотностях тока. Нулевой температурный коэффициент (ТК) таких ИОН достигается, в общем случае, при опорном напряжении, равном ширине запрещенной зоны кремния при абсолютном нуле — V q (1,205B). ного усилителя подключен к базе первого транзистора,а инвертирующий его вход подключен к коллектору второго транзистора, выход операционного усилителя является выходом устройства С21.

Благодаря введению дополнительной связи с коллектора первого транзистора на базу второго такой ИОН имеет более высокую стабильность, однако недостаточную для применения, например, в высокоразрядных (свыше 12 раз рядов) ЦАП и АЦН.

Недостаток известного ИОН вЂ” относительно низкая температурная стабильность.

Объясняется это тем, что зависимость выходного напряжения ИОН такого типа U > от абсолютной температуре Т описывается выражением где <,„ — термодинамический потенциал при температуре

То ° — коэффициент, зависящий от степени легирования кремния и равный приблизительно 2,5 для кремниевых интегральных транзисторов, ьг о

Выражение (1) показывает, что выходное напряжение ИОН и температура связаны параболической зависимостью, что подтверждается экспериментом.

Коэффициент передачи по току (В) транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, имеет положительный ТК, что является второй причиной, не учтенной при выводе выражения (1), приводящей к параболической зависимости от температуры компенсирующего напряжения ПАТ. Влияние этого фактора можно учесть в первом приближении, добавив еще один член в выражение (1), т.е. где. А — коэффициент, зависящий от значения В и его температурного коэффициента.

Параболическая зивисимость выходного напряжения ИОН, описываемая

Однако известные ИОН обладают низ кой температурной стабильностью.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является источник опорного напряжения, содержащий операционный усилитель (ОУ), три резистора и два транзистора, причем первые выводы первого и второго резисторов соединены с выходом операционного усилителя, второй вывод первого резистора соединен с первым выводом третьего резистора и с базой о первого транзистора, второй вывод третьего резистора соединен с коллектором первого и базой второго транзисторов, коллектор второго транзистора соединен с вторым выводом второго резистора, эмиттеры первого и второго транзисторов подключены к общей шине, неинвертирующий вход операционИ..- go АНУЯ(1)- (q 1)(— ) з 1108415 4 выражением (1), носит принципиальный характер и не устраняется подстройкой, подбором элементов и т.п. методами. йри подстройке удается только менять положение вершины параболы на оси температур.

Влияние второго фактора можно в значительной степени устранить, используя транзисторы с очень высоким исходным значением B)< 1000.

Однако изготовление таких транзисторов требует особой технологии, а применение затруднено низкими пробив ными напряжениями, что приводит к удорожанию ИОН, выполненных, например, по технологии ИМС, Цель изобретения — повышение температурной стабильности выходного напряжения источника опорного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в источник опорного напряжения, содержащий операционный усилитель,. три резистора и два транзистора, причем первые выводы первого и второго резисторов соединены, второй вывод первого резистора соединен с первым выводом третьего резистора и с базой первого транзистора, второй вывод третьего резистора соединен с коллектором первого и базой второго транзисторов, коллектор второго транзистора соединен с вторым выводом второго резистора, эмиттеры первого и второго транзисторов подключены к общей шине, неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к базе первого транзистора, а инвертирующий его вход подключен к коллектору второго транзистора, выход операционного усилителя, является выходом источника, введены блок преобразования и генератор тока, при этом первый вход блока преобразования соединен с базой первого транзистора, второй вход блока преобразования под слючен к точке соединения первых выводов первого и второго резисторов, управляющий вход блока преобразования подключен к выходу генератора тока, а управляющий вход генератора тока и выход блока преобразований подключены к выходу источника.

На чертеже представлена схема источника опорного напряжения.

Источник содержит операционный усилитель 1, первый 2 второй 3 и третий 4 резисторы, первый 5 и второй 6 транзисторы, блок преобразования 7 и генератор тока 8.

Первые выводы первого 2 и второго

5 3 резисторов соединены с вторым вхо- дом 9 блока преобразования 7, второй вывод первого резистора 2 соединен с первым выводом третьего резисто" ра 4, с базой первого транзистора 5, с неинвертирующим входом ОУ 1 и с первым входом 10 блока преобразования

7, второй вывод третьего резистора

4 соединен с коллектором первого

5 и с базой второго 6 транзисторов, второй вывод второго резистора 3 сое динен с коллектором второго транзистора 6 н с инвертирующим входом ОУ 1, эмиттеры первого 5 и второго 6 транзисторов соединены с общей шиной 11, управляющий вход 12 блока преобразования 7 подключен к выходу генератора тока 8, управляющий вход генератора тока 8, выход 13 блока преобра;зования 7 и выход ОУ 1 подключены к

25 выходу 14 устройства.

Блок преобразования 7 содержит невертирующий усилитель постоянного тока 15, третий 16 и четвертый 17 транзисторы и четвертый резистор 18.

ЗО причем вход усилителя постоянного тока 15 соединен с первым входом 10 блока преобразования 7, выход усилителя постоянного тока 15 соединен с базой третьего транзистора 16, коллекЗ5 тор которого подключен к клемме питания 19, а эмиттер соединен с базой четвертого транзистора 17 и с управляющим входом 12 блока преобразования 7, эмиттер четвертого тран4р зистора 17 подключен к общей шине 1 1, а коллектор соединен с первым выводом четвертого резистора 18 и с вторым входом 9 блока преобразования 7, второй вывод четвертого ре45 зистора 18 соединен с выходом 13 блока преобразования 7.

Устройство работает следующим образом.

Первый транзистор 5 работает при плотности тока .3„, большей чем плотность тока через второй 6 транзистор 3, т. е. 3 > g . Разная плотность тока достигается в результате меньшего сопротивления реэисто55 ра 2 по сравнению с резистором 3, или большей площади база-эмиттерного перехода транзистора б по сравнению с транзистором 5. При подаче питаS 11084 ния на ОУ 1 (цепи питания ОУ ввиду их непринципиальности не показаны) он автоматически стремится к балансу (равенству напряжений на входах) за счет преобладающей отрицательной об- 5 ратной связи, введенной с помощью блока преобразования 7, резисторов

2 — 4 и транзисторов 5 н 6, причем условием баланса является равенство падения напряжения на резисторе 4Ц . разности напряжений на переходах база - эмиттер транзисторов 5 и 6 вследствие различной плотности тока !

5 "9 =8 а a т.е. условие баланса можно записать в виде

20 где (К- постоянная Больцмана);

)/ заряд электрона.

Таким образом, для сохранения баланса ток через резистор 4 должен быть пропорционален абсолютной температуре. Если пренебречь входными токами ОУ 1 и блока преобразова30 ния 7, а также базовыми токами тран зисторов (при В>> 1), то ток через резистор 2 равен току через резистор

4, а следовательно, тоже пропорционален абсолютной температуре. Опорt5

Следовательно, на первом входе 10 блока преобразования формируется напряжение

Ll -g@ -

Ъ

На управляющий вход 12 блока преобразования 7 подается ток генератора тока

Блок преобразования 7 выполняет функцию, описываемую выражением д2

2 Ъсжехр(2Ъ), с Дт где (— напряжение на втором входе

9 блока преобразования; — напряжение на и"рвом входе 10 блока преобразования 7; — коэффициент, зависящий от параметров блока преобразования 7; — выходное напряжение блока преобразования.

Учитывая выражения (2), (4) и (") получают, выражение для выходного напряжения блока преобразования 7, которое и будет выходным напряжением предлагаемого ИОН

0 =1(» рТ.()-1) - @ —

Uз =Ф бi ó

Лз

55 ток насьпцения, зависящий в основном от площади ба-;а-эмиттерного перехода.

ГДР ное напряжение, заданное выражением (2), формируется на втором входе 9 блока преобразования 7 как сумма напряжения на переходе база — эмиттер транзистора 5 и падения напряжения

40 на резисторе 2, которое пропорциональ но абсолютной температуре.

Аналогично эмиттерный ток транзистора 5 также пропорционален абсолютной температуре и может быть

45 представлен в вице

Ф Д0 т где фа — эмиттерный ток транзистора

5 при температуре Т=То.

Напряжение на база-эмиттерном перехо. де транзистора может быть представлено в виде

Коэффициент С выбирается таким

1 чтобы последний член выражения скомпенсировал третий и четвертый члены, при этом выражение для выходного напряжения заявляемого ИОН приобрета-. ет вид

uoA Vgo+,(") т.е, в отличие от выражения (2) для известных ИОН, не содержит членов, зависящих от температуры.

Блок преобразования 7 по приведенной схеме работает следующим образом.

Неинвертирующий усилитель постоянного тока 15 имеет коэффициент усиления по напряжению равный двум, поэто.му при подаче на его вход напряжения

1 1 на его выходе, т.е. на базе транзистора 16, напряжение равно 2

Так как эмиттерный ток транзистора 16 равен Р,то напряжение на его базаэмиттерном переходе Ояко равно

1108415 4& = Гт v. полагают, что транзисторы 5, 16 и (17 идентичны, т.е. их токи насыщения

,равны я„б,}б1; J q Э хотя, в общем случае, это условие не является обязательным) ° Тогда напряжение на базе транзистора 17 равно

U „ -2 -ф4

10 и коллекторный ток транзистора 17 равен

= Д ехр (-® -Ь +) = — е.хр -, ф, Зо Jy

Учитывая, что ток через резистор 2О

18 есть сумма токов, протекающих через резисторы 2 и 3, и коллекторного тока транзистора 17, а напряжение на выходе 13 блока преобразования 7 есть сумма напряжения на его 25 втором входе 9 и падения напряжения на резисторе 18, получают выражение для выходного напряжения блока преобразования .7 в виде

,.Uq„„-Х Э Е Р- + щйа2+ аь) ° где Лр и Ъ вЂ” токи через резисторы

q3

2 и 3 соответственно; — сопротивление резистора 18.

По сравнению с выражением (S) выражение (7) содержит третий дополнительный член, который в предлагаемом устройстве компенсируется соответствующим уменьшением сопротивлений резисторов 2 и 3, т.е. фактически уменьшением значения X на величину, равную третьему члену выражения (7).

Подстройка схемы может осуществляться как подстройкой резистора 18, так и регулировкой генератора тока 8.

Использование опорного напряжения для задания тока, подаваемого на управляющий вход 12 блока преобразования 7 с помощью генератора тока 8, позволяет застабилиэировать этот ток в диапазоне температур и питающих напряжений.

1108415

Составитель С. Ситко

Редактор Л. Веселовская Техред А. Ач

Корректор А. Тяско

Заказ 5863/33 Тираж 842

ВНИИПИ Государственного комитета СССР, по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4