RU192191U1

RU192191U1 - Источник опорного напряжения с широким диапазоном возможных значений

Info

Publication number: RU192191U1
Application number: RU2019110854U
Authority: RU
Inventors: Сергей Михайлович Игнатьев
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт молекулярной электроники"
Priority date: 2019-04-11
Filing date: 2019-04-11
Publication date: 2019-09-06

Abstract

Полезная модель относится к электронике и предназначена для использования в интегральных микросхемах на комплементарных транзисторах структуры металл-диэлектрик-полупроводник (КМДП). Ее технический результат, заключающийся в реализации возможности снижения величины опорного напряжения ниже напряжения на открытом р-n переходе, достигается подключением второго вывода четвертого резисторов 4 ко второй шине напряжения питания. На схеме устройства также обозначены первый, второй и третий резисторы 1, 2 и 3, с первого по третий МДП-транзисторы 5-7 с индуцированным каналом первого типа проводимости, первый и второй МДП-транзисторы 8 и 9 с индуцированным каналом второго типа проводимости, первый и второй диоды 10 и 11 на р-n переходах. Выходное напряжение Uустройства соответствует формулегде Е- ширина запрещенной зоны полупроводникового материала, U- напряжение на диодах при заданной плотности тока и температуре Т, k - постоянная Больцмана, q - заряд электрона, β, βи β- крутизны МДП-транзисторов 5, 6 и 7, R1, R2 и R4 - сопротивления резисторов 1, 2 и 4, Sи S- площади р-n переходов диодов 10 и 11. Значение выходного напряжения стабилизировано на уровне.1 ил.

Description

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

Известны стабилизированные по температуре КМДП-источники опорного напряжения, уровень которого равен выраженной в вольтах ширине запрещенной зоны Е₀, см., например, патент РФ №21316161 МПК G05F 3/24, Н03К 3/353, опубликованный 10 июня 1999 г. [1]. Недостатком подобных устройств является невозможность получения стабильного опорного напряжения, отличающегося от Е₀.

Этот недостаток устранен в источнике опорного напряжения, описанном в патенте РФ на полезную модель №153305 МПК Н03К 3/353, опубликованном 18 марта 2015 г. [2]. По технической сущности это устройство наиболее близко заявляемой полезной модели.

Данное устройство содержит с первого по четвертый 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 обоих типов, сток первого МДП-транзистора первого типа соединен со стоком первого МДП-транзистора второго типа, исток которого соединен с первыми выводами первого и второго резисторов, исток второго МДП-транзистора второго типа соединен с первым выводом третьего резистора, первый и второй диоды на р-n переходах, области первого типа проводимости которых соответственно подключены ко второму выводу первого резистора и к истоку второго МДП-транзистора второго типа, а области второго типа проводимости и вторые выводы второго и третьего резисторов соединены со второй шиной напряжения питания, сток третьего МДП-транзистора первого типа через четвертый резистор подключен к области первого типа проводимости второго диода и является выходом устройства.

Вырабатываемое источником выходное напряжение U_REF складывается из напряжений на втором диоде D2,

и на четвертом резисторе R4, ток которого пропорционален сумме токов, протекающих в первом и втором резисторах.

Напряжение U_R1, создающее ток в первом резисторе, возникает по причине меньшей плотности тока в первом диоде, чем во втором.

Напряжение U_R2 на втором резисторе равно напряжению U_D2 на втором диоде. В сумме получается:

В этих формулах Е₀ - ширина запрещенной зоны полупроводникового материала, при Т₀=298 К у кремния Е₀=1,205 В, Т - абсолютная температура, U_D0 - напряжение на диодах при заданной плотности тока и температуре Т₀=298 К, k=1,38⋅10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана, q=1,6⋅10^-19 Кл - заряд электрона, β₁, β₂, β₃ - крутизны первого, второго и третьего МДП-транзисторов первого типа, S_D1, S_D2 - площади р-n переходов первого и второго диодов, R1, R2, R3, R4 - сопротивления первого-четвертого резисторов.

Стабильность опорного напряжения по температуре в устройстве достигается за счет уравновешивания температурных дрейфов суммируемых напряжений U_D2 и U_R4, имеющих соответственно отрицательный и положительный температурные коэффициенты, так как Е₀ всегда больше U_D0, а разность напряжений на р-n переходах пропорциональна температуре. Сумма напряжений U_D2 и U_R4 может варьироваться в широких пределах, но ее минимальное значение не может не превышать напряжения U_D2, причем его максимального значения в диапазоне рабочих температур с некоторым запасом для U_R4, которое не может снижаться до нуля.

Технический результат полезной модели заключается в реализации возможности снижения величины опорного напряжения ниже напряжения на открытом р-n переходе.

Технический результат достигается тем, что в источнике опорного напряжения с широким диапазоном возможных значений, содержащем с первого по четвертый 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 обоих типов, сток первого МДП-транзистора первого типа соединен со стоком первого МДП-транзистора второго типа, исток которого соединен с первыми выводами первого и второго резисторов, исток второго МДП-транзистора второго типа соединен с первым выводом третьего резистора, первый и второй диоды на р-n переходах, области первого типа проводимости которых соответственно подключены ко второму выводу первого резистора и к истоку второго МДП-транзистора второго типа, а области второго типа проводимости и вторые выводы второго и третьего резисторов соединены со второй шиной напряжения питания, сток третьего МДП-транзистора первого типа соединен с первым выводом четвертого резистора и является выходом устройства, второй вывод четвертого резистора подключен ко второй шине напряжения питания

Указанное выполнение устройства позволяет получать опорное напряжение произвольной величины, как стабилизированной по температуре, так и с заданной зависимостью от нее.

Отличительным признаком полезной модели является связь четвертого резистора со второй шиной напряжения питания.

Полезная модель поясняется чертежом с изображением электрической схемы источника опорного напряжения с широким диапазоном возможных значений.

Для упрощения понимания работы схемы на чертеже и в последующем описании проводимости полупроводников первого и второго типов представлены соответственно как проводимости р и n типов, а первая и вторая шины напряжений питания - соответственно как шины положительного напряжения питания и нулевого потенциала.

Источник опорного напряжения с широким диапазоном возможных значений содержит с первого по четвертый резисторы 1-4, с первого по третий МДП-транзисторы 5-7 с индуцированным каналом р типа проводимости, истоки которых подключены к шине +U_П положительного напряжения питания, а затворы соединены и подключены к стоку первого р-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 второго резисторов 1 и 2, исток второго n-МДП-транзистора 9 соединен с первым выводом третьего резистора 3, сток третьего p-МДП-транзистора 7 соединен с первым выводом четвертого резистора 4 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, катоды диодов 10, 11 и вторые выводы второго, третьего и четвертого резисторов 2, 3 и 4 соединены с шиной нулевого потенциала.

Все МДП-транзисторы 5-9 устройства работают в области насыщения. У каждого из них прямо приложенное напряжение U_СИ между стоком и истоком превосходит превышение напряжением U_ЗИ затвор-исток своего порогового значения U_ПОР, то есть U_СИ>U_ЗИ-U_ПОР, Следовательно, для транзисторов 5-9 справедлива известная формула (1) для вольт-амперной характеристики в области насыщения,

где, I_C - ток стока, а β - крутизна.

Необходимым условием правильной работы устройства также является равенство пороговых напряжений U_ПОР _Р и U_{ПОР N} у всех МДП-транзисторов каждого типа.

Р-МДП-транзисторы 5, 6 и 7, имея одинаковые напряжения затвор - исток, образуют токовое зеркало, в котором отношения возвращаемых токов стоков р-МДП-транзисторов 6 и 7 к принимаемому току стока р-МДП-транзистора 5 прямо пропорциональны отношениям их крутизн, то есть

N-МДП-транзисторы 8 и 9 выполняют функции истоковых повторителей. 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 β₅/β₆ согласно (2), а крутизны пропорциональны крутизнам транзисторов 5 и 6 -

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

Соотношения площадей р-n переходов S_D10, S_D11 диодов 10, 11 и их токов обеспечивают более высокую плотность тока у диода 11, поэтому напряжение на диоде 11 выше, чем на диоде 10.

Зависимость напряжения U_D на полупроводниковом диоде от абсолютной температуры Т и протекающего тока I_D выражает формула

где U_D0 - напряжение на диоде при плотности тока J_D0 и температуре Т₀, S_D - площадь р-n перехода диода.

Отношение сопротивлений второго и третьего резисторов 2 и 3 обратно отношению токов стоков транзисторов 5 и 6:

Равенство напряжений на истоках n-МДП-транзисторов 8 и 9 обеспечивает равенство напряжений на резисторах 2 и 3 напряжению на диоде 11, а выполнение пропорции (6) - равенство отношения токов резисторов 2 и 3 отношению токов диодов 10 и 11:

Приняв сумму токов диода 10 и резистора 2 равной току I_C5 стока р-МДП-транзистора 5 и сумму токов диода 11 и резистора 3 равной току I_C6 стока р-МДП-транзистора 6, по формулам (2), (5) и (7) выразим разность напряжений на диодах 10 и 11, приложенную к резистору 1, определяющему ток диода 10, -

Напряжение на диоде 11, определяющее ток в резисторе 2, при I_D=J_D0×S_D, будет выражено как

Выходное опорное напряжение U_REF равно напряжению на резисторе 4, в котором протекает ток I_C7 стока р-МДП-транзистора 7, пропорционального, согласно правой из формул (2), току I_C5 стока р-МДП-транзистора 5, складывающегося из токов резисторов 1 и 2.

Объединив выражения (8), (9) и (10), получим

Формула (11) демонстрируют устойчивость величины вырабатываемого напряжения к воздействию дестабилизирующих факторов тем, что в ней присутствуют только конструктивные параметры элементов схемы - отношения крутизн β однотипных МДП-транзисторов, определяемые отношением ширин W и длин L каналов, площадей S_D р-n переходов диодов, отношения сопротивлений резисторов, которые при их выполнении в одних и тех же физических слоях сводятся к отношениям длин и ширин тел, физический параметр Е₀ полупроводникового материала и опорная точка U_D0 вольт-амперной характеристики диодов, являющаяся константой для каждого конкретного производственно-технологического процесса.

Левое слагаемое в формуле (11) возрастает с увеличением температуры Т, а правое - убывает. Подбирая соотношение величин этих слагаемых, можно добиться температурной стабильности напряжения либо придать ему определенную зависимость от температуры, как положительную, так и отрицательную.

Условием температурной стабильности опорного напряжения является равенство нулю производной U_REF 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 U_REF, если в него подставить Т=Т₀, это означает, что левая часть равенства (13) выражает величину стабилизированного выходного напряжения устройства как значение ширины запрещенной зоны Е₀, умноженное на коэффициент, который, не нарушая равенства (13), можно делать как больше, так и меньше единицы, варьируя отношение крутизн β₇/β₅ и величину сопротивления R4, не влияющие на работу токозадающих цепей устройства.

При выводе формулы (11) опущена температурная зависимость сопротивлений резисторов 1-4, ее считали одинаковой, предполагая использование резисторов одного конструктивно-технологического исполнения. Эту зависимость часто выражают по квадратичному закону

где R₀ - сопротивление резистора при определенной температуре Т₀, a α_T1 и α_Т2 - температурные коэффициенты первого и второго порядка. Сопротивления R1-R4 всех резисторов входят в формулы в виде отношений, и при подстановке (14) множители при R₀ сокращаются.

Однако, температурное изменение сопротивлений резисторов, хотя и довольно слабо, но влияет на величину U_REF, в частности, вызывая изменение величин токов в цепях устройства, приводящее к нарушению равенства I_D=J_D0×S_D, принятого для упрощения выражения (5). Кроме того, во взятой за основу всех выкладок формуле (1) не учтена зависимость тока стока от напряжения между стоком и истоком, различающегося у транзисторов 5, 6, 7 и 8, 9. Поэтому рассчитанные по формулам (11), (13) номинальные величины сопротивлений резисторов 1-4 для повышения точности значения U_REF и минимизации его отклонение от номинала в заданном диапазоне температур и напряжения питания на практике уточняют подбором R1₀-R4₀ 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.

Таким образом, источник опорного напряжения вырабатывает выходное напряжение, термостабилизированное по ширине запрещенной зоны в широком диапазоне значений, задаваемых конструктивными параметрами элементов, определяющими отношения сопротивлений резисторов, крутизны МДП-транзисторов одинаковых типов проводимости и площадей диодов.

Claims

Источник опорного напряжения с широким диапазоном возможных значений, содержащий с первого по четвертый 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 обоих типов, сток первого МДП-транзистора первого типа соединен со стоком первого МДП-транзистора второго типа, исток которого соединен с первыми выводами первого и второго резисторов, исток второго МДП-транзистора второго типа соединен с первым выводом третьего резистора, первый и второй диоды на p-n переходах, области первого типа проводимости которых соответственно подключены ко второму выводу первого резистора и к истоку второго МДП-транзистора второго типа, а области второго типа проводимости и вторые выводы второго и третьего резисторов соединены со второй шиной напряжения питания, сток третьего МДП-транзистора первого типа соединен с первым выводом четвертого резистора и является выходом устройства, отличающийся тем, что второй вывод четвертого резистора подключен ко второй шине напряжения питания.