RU219091U1

RU219091U1 - Линейный стабилизатор напряжения

Info

Publication number: RU219091U1
Application number: RU2023109911U
Authority: RU
Inventors: Иван Викторович Дербунов; Николай Александрович Брюхно; Олег Олегович Данцев; Евгений Александрович Кульченков
Original assignee: Акционерное общество "ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ"
Filing date: 2023-04-18
Publication date: 2023-06-28

Abstract

Предполагаемая полезная модель предназначена для использования в виде полупроводниковой интегральной микросхемы преимущественно в устройствах автоматики и управления в качестве источников стабилизированного напряжения.

Целью предполагаемой полезной модели является повышение радиационной стойкости к воздействию гамма излучения.

Указанная цель достигается тем, что в известном линейном стабилизаторе напряжения, содержащем положительную и отрицательную шины, источник опорного напряжения на ширине запрещенной зоны, подключенный к первому положительному входу операционного усилителя, выводу обратной связи, подключенного ко второму отрицательному входу операционного усилителя, выход которого подключен к входу выходного каскада, выход которого подключен к выходному транзистору, ко второму входу операционного усилителя подключена база дополнительного n-p-n транзистора, коллектор которого подключен к положительной шине стабилизатора, а эмиттер через генератор тока к отрицательной шине стабилизатора, и между выводом обратной связи и вторым входом операционного усилителя включен резистор, величина которого определяется по формуле: R=βΔU_оп/I_г

β - коэффициент усиления с общим эмиттером дополнительного транзистора после воздействия радиации;

ΔU_оп - уход опорного напряжения от номинального после воздействия радиации;

I_г - величина тока генератора в цепи эмиттера дополнительного транзистора.

Description

Известны стабилизаторы напряжения содержащие положительную и отрицательную шины, источник опорного напряжения подключенный к усилителю ошибки с выводом обратной связи, выход которого подключен к входу выходного транзистора (см., например книгу К.П. Полянина «Интегральные стабилизаторы напряжения» М. «Энергия», 1979 г. стр. 6, рис 1.1, и спецификацию на микросхему стабилизатора L4941, стр.3, фиг. 1 по адресу https://static.chipdip.ru/lib/317/DOC011317426.pdf).

Обычно при изготовлении микросхем источники опорного напряжения выполняют для повышения стабильности от изменения температуры на ширине запрещенной зоны кремния, а усилитель ошибки выполняют на базе операционного усилителя.

Известен линейный стабилизатор напряжения, содержащий положительную и отрицательную шины, источник опорного напряжения на ширине запрещенной зоны, подключенный к первому входу операционного усилителя, выводу обратной связи, подключенного ко второму входу операционного усилителя, выход которого подключен к входу выходного транзистора (См., например, спецификацию фирмы Texas Instruments на микросхему UCC284, стр. 2 https://pdfl.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/29471/TI/UCC284-.htmn. Стойкость такого стабилизатора к воздействию гамма излучения обычно составляет 40-50 килорад, так как величина опорного напряжения в источнике на ширине запрещенной зоны увеличивается по модулю от воздействия радиации. Для повышения радиационной стойкости к воздействию гамма излучения обычно проводят технологические доработки: вводят диэлектрическую изоляцию, уменьшают толщину окисла и т.п.

Наиболее близким из известных является линейный стабилизатор напряжения, содержащий положительную и отрицательную шины, источник опорного напряжения на ширине запрещенной зоны, подключенный к первому входу операционного усилителя, выводу обратной связи, подключенного ко второму входу операционного усилителя, выход которого подключен к входу выходного каскада выход которого подключен к выходному транзистору (См., например, технические условия АЕНБ.431420.753-03 ТУ на микросхему 5348ЕР035, стр. 60).

В прототипе была проведена оптимизация, что повысило радиационную стойкость к воздействию гамма излучения до уровня 200 килорад. Однако, это оказалось недостаточным для применения этих микросхем в специальной технике.

Указанная цель достигается тем, что в известном линейном стабилизаторе напряжения, содержащем положительную и отрицательную шины, источник опорного напряжения на ширине запрещенной зоны, подключенный к первому положительному входу операционного усилителя, выводу обратной связи, подключенного ко второму отрицательному входу операционного усилителя, выход которого подключен к входу выходного каскада, выход которого подключен к выходному транзистору, ко второму входу операционного усилителя подключена база дополнительного n-p-n транзистора, коллектор которого подключен к положительной шине стабилизатора, а эмиттер через генератор тока к отрицательной шине стабилизатора и между выводом обратной связи и вторым входом операционного усилителя включен резистор, величина которого определяется по формуле: R=βΔU_оп/I_г

β - Коэффициент усиления с общим эмиттером дополнительного транзистора после воздействии радиации;

ΔU_оп - Уход опорного напряжения от номинального после воздействии радиации;

При воздействии радиации модуль выходного напряжения источника опорного напряжения растет. Дополнительный n-p-n транзистор является датчиком дозы облучения радиацией. Чем больше доза радиации, тем меньше его коэффициент усиления в схеме с общим эмиттером. При дозах менее 200 килорад величина коэффициента усиления n-p-n транзистора меняется мало. Так как эмиттерный ток дополнительного n-p-n транзистора задается генератором тока, то при воздействии радиации ток в цепи базы возрастает, а падение напряжения на резисторе в цепи обратной связи растет, и на напряжение на втором отрицательном входе операционного усилителя возрастает по модулю, и выходной ток операционного усилителя уменьшается, выходной транзистор призакрывается, и падение напряжения на нем увеличивается, а напряжение нагрузки таким образом стабилизируется.

Сущность предполагаемой полезной модели поясняется фигурами.

На фигуре 1 приведена схема стабилизатора отрицательного напряжения. На фигуре 2 приведена зависимость коэффициента усиления от дозы гамма радиации на эмиттерном токе 0,00004А. На фигуре 3 приведены зависимости выходного напряжения прототипа и предлагаемой полезной модели от дозы гамма радиации. На фигуре 4 приведена схема стабилизатора положительного напряжения.

Обозначение позиций:

1 - источник опорного напряжения на ширине запрещенной зоны;

2 - операционный усилитель;

3 - выходной каскад;

4 - выходной транзистор;

5 - дополнительный n-p-n транзистор;

6 - генератор тока;

7 - дополнительный резистор;

0V - положительная шина на фигуре 1, и отрицательная шина на фигуре 4;

ADJ - вывод обратной связи для настройки напряжения стабилизации;

OUT - выход стабилизатора;

IN - отрицательная шина на фигуре 1, положительная шина на фигуре 4;

R1 и R2 - делитель настройки напряжения стабилизации;

8 - доза облучения, крад;

9 - шкала коэффициента усиления β;

10 - зависимость β от дозы радиации;

11 - шкала напряжения стабилизации;

12 - зависимость напряжения стабилизации от дозы радиации стабилизатора-прототипа;

13 - зависимость напряжения стабилизации от дозы радиации предлагаемого стабилизатора.

Для реализации предлагаемой полезной модели были проведены изменения микросхемы 5348ЕР035. Данная микросхема изготовлена по БиКМОП технологии. На фигуре 1 приведена часть электрической схемы микросхемы, где были проведены изменения. Микросхема состоит из источника опорного напряжения на ширине запрещенной зоны 1, операционного усилителя 2, выходного каскада 3, выходного транзистора 4. Ко второму входу операционного усилителя 2 подключена база дополнительного n-p-n транзистора 5, коллектор которого подключен к положительной шине стабилизатора 0V, а эмиттер через генератор тока 6 к отрицательной шине стабилизатора IN и между выводом обратной связи ADJ и вторым входом операционного усилителя включен дополнительный резистор 7. Нагрузка стабилизатора подключается между выводами 0V и OUT. Для регулировки напряжения стабилизации используется делитель R1 и R2. При воздействии гамма радиации коэффициент усиления β дополнительного n-p-n транзистора 5 изменяется по зависимости β от дозы радиации 10, т.е. падает, как показано на фигуре 2. Так как эмиттерный ток дополнительного n-p-n транзистора 5 задается генератором тока 6, то при воздействии радиации ток в цепи базы возрастает, а падение напряжения на дополнительном резисторе 7 в цепи обратной связи растет и на напряжение на втором отрицательном входе операционного усилителя 2 возрастает по модулю, и выходной ток операционного усилителя уменьшается, выходной транзистор 4 призакрывается, и падения напряжения на нем увеличивается, а напряжение на нагрузке подключенной к выводам 0V и OUT, таким образом, стабилизируется. На фигуре 3 приведены зависимости выходного напряжения стабилизации прототипа 12 и предлагаемой полезной модели 13 от дозы гамма радиации. Как видно из фигуры, влияние дозы облучения 8 у предлагаемой полезной модели на напряжение стабилизации существенно меньше, чем у прототипа. Для расчета величины дополнительного резистора 7 из фигуры 3 определим дозу радиации при которой уход напряжения стабилизатора составит, например, 0,125 В - это доза равна 500 килорад. Величина коэффициента усиления дополнительного п-р-n транзистора 5 при такой дозе составляет 30 единиц. При токе генератора 6 равно 0.00004 А величина дополнительного резистора 7 составит 93,75 кОм. Такой резистор легко реализовать на кристалле микросхемы с помощью слаболегированного поликремния или кермета. Если резисторы R1 и R2 не выполнены на кристалле микросхемы, а подключаются отдельно, то и дополнительный резистор 7 возможно подключить отдельно и не выполнять его на кристалле микросхемы.

На фигуре 4 приведена схема стабилизатора положительного напряжения. Расчет дополнительного резистора 7 для этого стабилизатора проводится аналогично, как для стабилизатора отрицательного напряжения (фигура 1).

Claims

Линейный стабилизатор напряжения, включающий источник опорного напряжения на ширине запрещенной зоны, подключенный к первому входу операционного усилителя, выводу обратной связи, подключенного ко второму входу операционного усилителя, выход которого подключен к входу выходного каскада, выход которого подключен к выходному транзистору, отличающийся тем, что ко второму входу операционного усилителя подключена база дополнительного n-p-n транзистора, коллектор которого подключен к положительной шине стабилизатора, а эмиттер через генератор тока к отрицательной шине стабилизатора, и между выводом обратной связи и вторым выводом операционного усилителя включен резистор, величина которого определяется по формуле: R=βΔU_оп/I_г
β - коэффициент усиления с общим эмиттером дополнительного транзистора после воздействия радиации;
ΔU_оп - уход опорного напряжения от номинального после воздействия радиации;
I_г - величина тока генератора в цепи эмиттера дополнительного транзистора.