ИОН с напряжением запрещенной зоны

Современная тенденция повышения экономичности электронных устройств требует снижения питающих напряжений. Многие типы аналоговых и цифровых микросхем в настоящее время питаются напряжениями 5 В, 3 В и менее. Для работы с такими схемами требуются источники опорного напряжения на 2,5 В и ниже, потребляющие ток менее 1 мА.

В принципе напряжение база-эмиттер транзистора можно использовать в качестве опорного. Но ТКН его составляет -3· 10^-3 К^-1, что соответствует примерно -2,1 мВ/К, т.е. достаточно большой. Он может быть уменьшен, если это напряжение суммировать с другим напряжением, имеющим положительный температурный коэффициент. Практически такое напряжение получают как разность напряжений база-эмиттер двух транзисторов, которые работают при различных токах коллектора. Схема источника опорного напряжения на биполярных транзисторах, разработанная Р. Видларом в 1968 году, приведена на рис. 13.

Транзистор VT₁ используется в диодном включении. Его коллекторный ток составляет

Транзистор VT₃ охвачен отрицательной обратной связью по напряжению, осуществляемой с помощью резистора R. На коллекторе транзистора VT₂, так же как и на коллекторе транзистора VT₁, устанавливается потенциал 0,6 В. Ток коллектора транзистора VT₂ составляет

Рис. 13. Источник опорного напряжения на биполярных транзисторах

Соотношение коллекторных токов транзисторов VT₁ и VT₂, таким образом, составляет

I_к1 /I_к2 = n₁ .     (2)

Определим теперь напряжение U₁. Оно равно разности напряжений база-эмиттер транзисторов VT₁ и VT₂:

U₁ = U_бэ1 - U_бэ2 .       (3)

Напряжение база-эмиттер биполярного транзистора связано с током коллектора уравнением Эберса-Молла:

(4)

где I_к0 - теоретический обратный ток коллектора, e₀ - заряд электрона, k - постоянная Больцмана. С учетом (3) и (4) соотношение (2) примет вид:

U₁ = (kT/e₀)ln n₁      . (5)

Чтобы разность напряжений база-эмиттер транзисторов VT₁ и VT₂ была положительной, необходимо выполнение условия n₁ > 1, т.е. I_к1 > I_к2. Допустим, что n₁=10, тогда получим из (5) при комнатной температуре U₁ примерно равным 60 мВ. Температурный коэффициент этого напряжения положителен и составляет, согласно формуле (5),

(6)

При комнатной температуре (Т примерно равно 300 К) ТКН в рассмотренном примере составит около +0,2 мВ/К. Для получения компенсирующего напряжения с требуемым ТКН, составляющим +2 мв/К, необходимо увеличить напряжение U₁ в 10 раз. Эту задачу выполняет транзистор VT₂, в цепи эмиттера которого включен резистор с сопротивлением R/n₂. Для получения коэффициента усиления, равного 10, необходимо, чтобы n₂=10. При этом получим U₂=0,6В с необходимым положительным ТКН. За счет отрицательной обратной связи, осуществляемой каскадом на транзисторе VT₃, напряжение на его коллекторе (оно же выходное) установится равным величине

U_оп = U_бэ3 + U₂ = U_бэ3 + n₂(kT/e₀)ln n₁ = 1,2 В

и почти не будет зависеть от температуры.

Можно показать, что в такой схеме ТКН равен нулю, если n₁ и n₂ подобраны так, чтобы выходное напряжение равнялось

U_оп = W_g / e₀ = 1,205 В,

где W_g - ширина запрещенной зоны для кремния. Поэтому такие источники опорного напряжения часто называют источниками на запрещенной зоне (bandgap references).

Источники опорного напряжения, построенные по схеме рис. 13 и подобным ей, выпускаются многими фирмами в двухвыводных корпусах (без последовательного источника тока, показанного на рис. 13). Например, микросхема AD589 обеспечивает опорное напряжение 1,23 В с точностью 2% при ТКН=1·10^-5К^-1 и обладает выходным сопротивлением 0,6 Ом при токе потребления 50 мкА.

Если требуется опорное напряжение выше 1,2 В, то применяется вариант этой схемы с ОУ (рис. 14).

Рис. 14. ИОН на биполярных транзисторах с ОУ и последовательным регулирующим элементом

При работе ОУ в линейном режиме, его дифференциальное входное напряжение практически равно нулю. Поэтому, как и в предыдущей схеме, выполняется условие (2). Разность напряжений база-эмиттер транзисторов VT₁ и VT₂ U₁=n₂I_к2R падает на резисторе R/n₂. Напряжение

U₂ = (I_к1 + I_к2)[R/(1+n₁)]

в n₂ раз больше U1. Опорное напряжение в соответствии с вышеизложенным составляет

U_оп = U_бэ1 + U = U_бэ1 + n₂(kT/e₀)ln n₁

Если подобрать коэффициент n₂ln n₁ таким, что U_оп=1,205 В, то ТКН будет равен нулю. Выходное напряжение источника опорного напряжения можно варьировать путем изменения коэффициента деления делителя R₁, R₂.

В схеме на рис. 14 регулирующим элементом выступает верхний транзистор оконечного каскада усилителя, показаный пунктиром. Этот транзистор включен последовательно с нагрузкой, поэтому такой ИОН называют последовательным. Характерным примером последовательных источников опорного напряжения является семейство AD1582/3/4/5.

Типовая схема включения ИОН с последовательным регулятором содержит конденсатор емкостью обычно 1 мкФ или более, включаемый параллельно выходу ИОН. Этот конденсатор обеспечивает устойчивость источника. Кроме того, он несколько снижает шум выходного напряжения.

Источники опорного напряжения, построенные по схеме рис. 14, выпускаются многими фирмами в трехвыводных корпусах и в корпусах других типов. Например, микросхема AD780 обеспечивает опорное напряжение 2,5 или 3 В с точностью 0,04% при К_ст=100 000, ТКН=3· 10^-6К^-1 и обладает выходным сопротивлением 0,04 Ом при токе потребления 1 мА. Микромощный ИОН МАХ872 создает опорное напряжение величиной 2,5 В с точностью 0,2% при К_ст=50000, ТКН=4·10^-5К^-1. Его выходное сопротивление равно 0,6 Ом, а ток потребления - 10 мкА. Обе микросхемы имеют вывод датчика температуры.

Схема источника опорного напряжения с регулирующим элементом, включаемым параллельно нагрузке, приведена на рис. 15.

Рис. 15. ИОН с параллельным регулирующим элементом

Здесь усилитель управляет транзистором VT₃, который поддерживает разность потенциалов коллектор-эмиттер равной

Эта схема так же как и схема на рис.13 представляет собой двухвыводной опорный элемент. Ее основное достоинство - схемотехническая простота генерации опорного напряжения как положительной, так и отрицательной полярности. Недостатком параллельного регулятора является повышенное потребление энергии в случае изменения входного напряжения источника опорного напряжения в широких пределах. На рис. 16 для сравнения приведены зависимости тока потребления I_пот от входного напряжения U_вх для последовательного ИОН AD1582 и параллельного AD1586.

Рис. 16. Графики зависимости тока потребления от входного напряжения для последовательного и параллельного ИОН

Параллельные источники опорного напряжения, как правило, не требуют подключения параллельного корректирующего конденсатора.

Широко применяемая недорогая ИМС параллельного источника опорного напряжения TL431 (отечественный аналог - 142ЕН19) выпускается в трехвыводном корпусе ТО92, причем наружу выведен верхний вывод резистора R₂ (рис. 15) - вывод управления. При внешнем подключении вывода управления к выводу, соединенному с коллектором транзистора VT₃, ИОН имеет выходное напряжение 2,5 В. Если требуется более высокое опорное напряжение, то коллектор транзистора VT₃ соединяется с выводом управления через внешний резистивный делитель.

<-- Предыдущая страница

Оглавление

Следующая страница -->

---

---

Главная - Микросхемы - DOC - ЖКИ - Источники питания - Электромеханика - Интерфейсы - Программы - Применения - Статьи