Патент на изобретение №2332702

(54) ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

(57) Реферат:

Устройство относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стабильности выходного напряжения при изменении питающего напряжения. Устройство содержит токостабилизирующий двухполюсник, включенный между объединенными затвором и стоком первого транзистора второй транзистор, затвор и сток которого объединены и подключены к стоку первого транзистора, исток второго транзистора подсоединен к стоку третьего транзистора и выходу устройства, резистор включен между общей шиной и объединенными истоком первого транзистора и затвором третьего транзистора. 4 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при разработке различных устройств электропитания.

Известны источники опорного напряжения (ИОН), имеющие высокую стабильность выходного напряжения при изменении питающего напряжения [Shunsuke Andoh, Hirofumi Watanabe. Voltage generating circuit and reference voltage source circuit employing field effect transistors. Patent US No.: 6473550 B2, Int. C1. G05F 3/16, Aug. 20, 2002], однако они достаточно сложны.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ИОН, приведенный в [Hirofumi Watanabe. Reference voltage source circuit operating with low voltage. Patent US No.: 6876251 B2, Int. C1. G05F 3/02, Apr. 5, 2005]. На фиг.1 приведена упрощенная схема прототипа, содержащая первый токостабилизирующий двухполюсник, включенный между шиной питания и объединенными затвором и стоком первого транзистора, второй транзистор, затвор которого подключен к стоку первого транзистора, исток – к шине питания, а исток – к выходу устройства, второй токостабилизирующий двухполюсник, включенный между истоком второго транзистора и общей шиной.

Недостатком прототипа является низкая стабильность выходного напряжения при изменении питающего напряжения.

Целью предлагаемого изобретения является повышение стабильности выходного напряжения при изменении питающего напряжения.

Для достижения поставленной цели в схему прототипа, содержащую токостабилизирующий двухполюсник, включенный между шиной питания и соединенными затвором и стоком первого транзистора, второй транзистор, введен третий транзистор и резистор, исток первого транзистора соединен с затвором третьего транзистора, резистор включен между истоком первого транзистора и общей шиной, исток третьего транзистора соединен с общей шиной, а его сток подключен к истоку второго транзистора, затвор и исток которого объединены и подключены к стоку первого транзистора, причем сток третьего транзистора является выходом устройства.

Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит токостабилизирующий двухполюсник 1, включенный между объединенными затвором и стоком первого транзистора 2, второй транзистор 3, затвор и сток которого объединены и подключены к стоку первого транзистора 2, исток второго транзистора 3 подсоединен к стоку третьего транзистора 4 и выходу устройства, резистор 5 включен между общей шиной и объединенными истоком первого транзистора 2 и затвором третьего транзистора 4.

Анализ работы заявляемого устройства проведем, воспользовавшись схемой, приведенной на фиг.2.

Для выходного напряжения ИОН будет справедливо следующее соотношение:

где U_ЗИi – напряжение затвор-исток соответствующего транзистора.

(Равенство напряжений затвор-исток транзисторов VT3 и VT2 обусловлено их идентичностью и равенством токов стока).

Нестабильность выходного напряжения обусловлена наличием приращения тока I₀ при изменении питающего напряжения U_ВХ за счет конечного сопротивления R_ИТ токостабилизирующего двухполюсника:

С другой стороны, приращение тока I₀ распределяется между ветвями следующим образом:

причем

где S – крутизна прямой передачи полевого транзистора VT3, R₀ – сопротивление резистора R₀.

Подставляя (4) в (3), получаем:

С учетом того, что выходное напряжение, по сути, есть падение напряжения на транзисторе VT1 в диодном включении, а приращение напряжения на затворе транзистора VT3 обусловлено приращением тока I₁ через резистор R₀, справедливыми оказываются следующие равенства:

где r – внутреннее сопротивление полевого транзистора VT1 в диодном включении.

Подставляя (5), (6) и (7) в (2), получаем:

Выражение (8) практически определяет коэффициент стабилизации источника опорного напряжения. В частности, во многих случаях в качестве токостабилизирующего двухполюсника может использоваться обыкновенный резистор, при этом коэффициент стабилизации может достигать нескольких тысяч при сопротивлении резистора сотни ом – единицы килоом.

Кроме того, поскольку температурная стабильность заявляемого ИОН определяется температурным дрейфом напряжения затвор-исток полевого транзистора VT1 (фиг.3), замена его как двухполюсника на элемент с температурнокомпенсированной характеристикой (например, на основе ширины запрещенной зоны кремния) позволит получить и стабильное по температуре выходное напряжение в широком диапазоне изменения входного.

Для сравнения приведем выражение, определяющее коэффициент стабилизации ИОН, выполненного по схеме прототипа (фиг.4), получить которое не составляет труда:

где R_ИТ и r имеют тот же смысл, что и ранее.

В этом случае при прочих равных условиях выигрыш заявляемого ИОН в сравнении с прототипом составит

N1+R₀S.

Таким образом, проведенный анализ подтверждает достижение поставленной цели – повышение стабильности выходного напряжения ИОН при изменении питающего напряжения.

Формула изобретения

Источник опорного напряжения, содержащий токостабилизирующий двухполюсник, включенный между шиной питания и соединенными затвором и стоком первого транзистора, второй транзистор, отличающийся тем, что введены третий транзистор и резистор, исток первого транзистора соединен с затвором третьего транзистора, резистор включен между истоком первого транзистора и общей шиной, исток третьего транзистора соединен с общей шиной, а его сток подключен к истоку второго транзистора, затвор и исток которого объединены и подключены к стоку первого транзистора, причем сток третьего транзистора является выходом устройства.

РИСУНКИ