SU1108415A1 - Источник опорного напр жени - Google Patents

Abstract

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 усилител  подключен к базе первого транзистора, а инвертирующий его вход подключен к коллектору второго транзистора, выход операционного усилител   вл етс  выходом источника , отличающий с.   тем, что, с целью повышени  температурной стабильности, в него введены блок преобразовани  и генератор тока, при этом первый вход блока преобразовани  соединен с базой первого транзистора, второй вход блока преобразовани  подключен к точке соединени  первых выводов первого и второго резисторов, управл ющий вход блока преобразовани  подключен к выходу генератора тока, а управл ющий вход генератора тока и выход блока преобразовани  подключены к выходу источника. 2. .Источник по п. 1, отличающийс  тем, что блок преобразовани  состоит из неинвертирующего усилител  посто нного тока с коэффициентом усилени  по напр жению равным двум, вход которого  вл етс  первым входом блока преобразовани , двух транзисторов и резистора, причем база первого транзистора соединена с выходом указанного усилител  посто нного тока, коллектор первого транзистора подключен к клемме питани , а его эмиттер соединен с базой второго тран90 зистора и с управл ющим входом блока преобразовани , эмиттер второго тран зистора соединен с общей шиной, а сл его коллектор - с первым вьгоодом резистора и с вторым входом блока преобразовани , второй вывод резистора  вл етс  выходом блока преобразовани .

Description

11084 Изобретение относитс  к электротехнике и может быть использовано в различных устройствах автоматики, измерительной и вычислительной техники . Известны источники опорного напр жени  (ион), равного ширине запрещенной зоны полупроводникового материала , в частности кремни  11. Источники наиболее широко исполь- 10 более зуютс  при конструировании интеграпь Hbjx микросхем (ИМС) различного функционального назначени , таких, напри мер, как стабилизаторы напр жени , цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи (ЦАП и АЦП), посколь ку стро тс  на базе основных элементов полупроводниковых ИМС: кремниевых бипол рных транзисторах и резисторах. Принцип построени  таких ИОН заключаетс  в компенсации отрицательного температурного коэффициен та (ТК) напр жени  на пр мосмещенном кремниевом р-п -переходе с помощью напр жени , пропорционального абсолютной температуре (ПАТ). Дл  получени  напр жени  ПАТ используетс , как правило, пр мопропорциональна  зависимость от абсолютной температуры разности напр жений двух кремниевых пр мосмещенных р-п-пере ходов, работающих при различных плот ност х тока. Нулевой температурньш коэффициент (ТК) таких ИОН достигаетс , в общем случае, при опорном напр жении, равном ширине запрещенной зоны кремни  при абсолютном нуле - VAP (« 1,205В). Однако известные ИОН обладают низ кой температурной стабильностью. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  ис точник опорного напр жени , содер- . жащий операционный усилитель (ОУ), три резистора и два транзистора, причем первые выводы первого и второго резисторов соединены с выходом операционного усилител , 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 транзисто ра соединен с вторым выводом второго резистора, эмиттеры первого и второго транзисторов подключены к общей шине , неинвертирующий вход операцион5 5 ного усилител  подключен к базе первого транзистора,а инвертирующий его вход подключен к коллектору второго транзистора, выход «чперационного усилител   вл етс  выходом устройства С2. Благодар  введению дополнительной св зи с коллектора первого транзистора на базу второго такой ИОН имеет высокую стабильность, однако недостаточную дл  применени , например , в высокоразр дных (свьше 12 раз р дов) ЦАП и АЦП. Недостаток известного ИОН - относительно низка  температурна  стабильность. Объ сн етс  это тем, что зависимость выходного напр жени  ИОН такого типа UqQ от абсолютной температуре Т описываетс  выражением иоаЧзо-фС%(и)-(и)} где (р. термодинамический потенциал при температуре коэффициент, завис щий от степени легировани  кремни  и равный приблизительно 2,5 дл  кремниевых интегральных транзисторов, Выражение (1) показывает, что ыходное напр жение ИОН и темпераура св заны параболической завиимостью , что подтверждаетс  экспеиментом . Коэффициент передачи по току (В) ранзистора, включенного по схеме с бщим эмиттером, имеет положительый ТК, что  вл етс  второй причиой , не учтенной при выводе выраени  (1), привод щей к параболиеской зависимости от температуры коменсирующего напр жени  ПАТ. Вли ние того фактора можно учесть в первом риближении, добавив еще один член выражение (1), т.е. (ri)-f(ri)(f)-ASj fe) де- А - коэффициент, завис щий от значени  В и его температурного коэффициента. Параболическа  зивисимость выходого напр жени  ИОН, описываема 

выражением (1), носит принципиальный характер и не устран етс  подстройкой , подбором элементов и т.п. методами . 1Три подстройке удаетс  только мен ть положение вершины параболы на оси температур.

Вли ние второго фактора можно в значительной степени устранить, использу  транзисторы с очень высоким исходным значением В 1000,

Однако изготовление таких транзисторов требует особой технологии, а применение затруднено низкими пробив ными напр жени ми, что приводит к удорожанию ИОН, выполненных, например , по технологии ИМС.

Цель изобретени  - повышение температурной стабильности выходного напр жени  источника опорного напр жени .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в источник опорного напр жени , 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 усилител  подключен к базе первого транзистора , а инвертирующий его вход подключен к коллектору второго транзистора , выход операционного усилител ,  вл етс  выходом источника, введены блок преобразовани  и генератор тока , при этом первьй вход блока преобразовани  соединен с базой первого транзистора, второй вход блока преобразовани  подключен к точке соединени  первых вьтодов первого и второго резисторов, управл ющий вход блока преобразовани  подключен к выходу генератора тока, а управл ющий вход генератора тока и выход блока преобразований подключены к выходу источника .

На чертеже представлена схема источника опорного напр жени .

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

Первые выводы первого 2 и второго

3 резисторов соединены с вторым входом 9 блока преобразовани  7, второй вывод первого резистора 2 соединен с первым выводом третьего резистора 4, с базой первого транзистора 5,

с неинвертирующим входом ОУ 1и с первым входом 10 блока преобразовани  7, второй вывод третьего резистора

4соединен с коллектором первого

5и с базой второго 6 транзисторов,

второй вывод второго резистора 3 соединен с коллектором второго транзистора бис инвертирующим входом ОУ 1, эмиттеры первого 5 и второго 6 тран- зисторов соединены с общей шиной 11,

управл ющий вход 12 блока преобразовани  7 подключен к выходу генерато-. ра тока 8, управл ющий вход генератора тока 8, выход 13 блока преобра;зовани  7 и выход ОУ 1 подключены к

выходу. 14 устройства.

Блок преобразовани  7 содержит невертирующий усилитель посто нного тока 15, третий 16 и четвертый 17 транзисторы и четвертый резистор 18.

причем вход усилител  посто нного тока 15 соединен с первым входом 10 блока преобразовани  7, выход усилител  посто нного тока 15 соединен с базой третьего транзистора 16, коллектор которого подключен к клемме питани  19, а эмиттер соединен с базой четвертого транзистора 17 и с управл ющим входом 12 блока преоб- . разовани  7., эмиттер четвертого транзистора 17 подключен к общей шине 11 а коллектор соединен с первым выводом четвертого резистора 18 и с вторым входом 9 блока преобразовани  7, второй вывод четвертого резистора 18 соединен с выходом 13 блока преобразовани  7.

Устройство работает следующим образом.

Первый транзистор 5 работает при плотности тока J.| , большей чем плотность тока через второй 6 транзистор 0 т.е. . Разна  плотность тока достигаетс  в результате меньшего сопротивлени  резистора 2 по сравнению с резистором 3, или большей площади база-эмиттерного перехода транзистора 6 по сравнению с транзистором 5. При подаче питаS ни  на ОУ 1 (цепи питани  ОУ ввиду их непринципиальности не показаны) он автоматически стремитс  к баланс ( равенству напр жений на входах) за счет преобладающей отрицательной об ратной св зи, введенной с помощью блока преобразовани  7, резисторов 2 - 4 и транзисторов 5 и 6, причем условием баланса  вл етс  равенство падени  напр жени  на резисторе 4Ugразности напр жений на переходах база эмиттер транзисторов 5 и 6 вследствие различной плотности тока ди5сг еи т.е. условие баланса можно записать в виде -%. (к- посто нна  Больцмана); зар д электрона. Таким образом, дл  сохранени  баланса ток через резистор 4 должен быть пропорционален абсолютной температуре. Если пренебречь входными токами ОУ 1 и блока преобразовани  7, а также базовыми токами тран зисторов (при ), то ток через резистор 2 равен току через резистор 4, а следовательно, тоже пропорционален абсолютной температуре. Опорное напр жение, заданное выражением (2), формируетс  на втором входе 9 блока преобразовани  7 как сумма напр жени  на переходе база - эмиттер транзистора 5 и падени  напр жени  на резисторе 2, которое пропорционал но абсолютной температуре. Аналогично эмиттерный ток транзистора 5 также пропорционален абсолютной температуре и может быть представлен в виде 1 О J тде ФЭР - эмиттерный ток транзистора 5 при температуре . Напр жение на база-эмиттерном перехо де транзистора может быть представлено в виде U9cf 45.n, - ток насыщени , завис щий где fc в основном от площади бата-эмиттерного перехода. 15 Следовательно, на первом входе 10 блока преобразовани  формируетс  напр жение . На управл ющий вход 12 блока преобразовани  7 подаетс  ток генератора тока jr . Блок преобразовани  7 выполн ет функцию, описываемую выражением . vci«xpfe- Y напр жение на втором входе 9 блока преобразовани ; -у - напр жение на п-рвом входе 10 блока преобразовани  7, j С - коэффициент, завис щий от параметров блока преобр аз ов ани  7; - выходное напр жение блока преобразовани . Учитыва  выражени  (2), (4) и (Ь), получают «выражение дл  выходного напр жени  блока преобразовани  7, которое и будет выходным напр жением предлагаемого ИОН u.aVft7--)- C;-i)(f)-А© 1® 3,4: Коэффициент С выбираетс  таким чтобы последний член выражени  ском- . пенсировал третий и четвертый члены, при этом выражение дл  выходного напр жени  за вл емого ИОН приобретал ет вид UonV o fT.Cr . е., в отличие от вьфажени  (2) дл  звестных ИОН, не содержит членов, завис щих от температуры. Блок преобразовани  7 по приведеной схеме работает следующим образом. Неинвертирующий усилитель посто ного тока 15 имеет коэффициент усилеи  по напр жению равный двум, поэтоу при подаче на его вход напр жени  1J на его выходе, т.е. на базе ранзистора 16, напр жение равно 2п ак как эмиттерный ток транзистора 16 авен Рг ,то напр жение на его базамиттерном переходе Ugci равно U9(fTV, ( полагают, что транзисторы 5, 16 и 17 идентичны, т.е. их токи насьпцени ;равныЗс5Тд5ЗаГ1б° ата° в ог общем случае, это условие не  вл етс  об зательным). Тогда напр жение на базе транзистора 17 равно t ,-% и коллекторный ток транзистора 17 равен ,,,, --,.e.pyfL..,exef- :| 3.exp( Учитыва , что ток через резистор 18 есть сумма токов, протекающих через резисторы 2 и 3, и коллекторного тока транзистора 17, а напр же ние на выходе 13 блока преобразовани  7 есть сумма напр жени  на ег втором входе 9 У и падени  напр жени  на резисторе 18, получают выражение дл  выходного напр жени  блока преобразовани  .7 в виде j Vx iiegl e ez cO. где 3g и Ja - токи через резисторы 2 и 3 соответственно; RAJ - сопротивление резистора 18. По сравнению с вьфажением (5) выражение (7) содержит третий дополнительный член, который Б предлагаемом устройстве компенсируетс  соответствующим уменьшением сопротивлеНИИ резисторов 2 и 3, т.е. фактически уменьшением значени  X на величину, равную третьему члену выражени  (7). Подстройка схемы может осуществл тьс  как подстройкой резистора 18, так и регулировкой генератора тока 8. Использование опорного напр жени  дл  задани  тока, подаваемого на управл ющий вход 12 блока преобразовани  7 с помощью генератора тока 8, позвол ет застабилизировать этот ток в диапазоне температур и питакицих напр жений.

Claims (3)

1 . 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 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, отличающийся 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 пре образования 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,

3 (Л а коллектор первого транзистора подключен к клемме питания, а его эмиттер соединен с базой второго транзистора и с управляющим входом блока преобразования, эмиттер второго транзистора соединен с общей шиной, а его коллектор - с первым выводом резистора и с вторым входом блока преобразования, второй вывод резис тора является выходом блока преоб разования.