Учебное пособие «Микросхемотехника Аналоговая микросхемотехника»

турные коэффициенты dUdТбэ напряжения Uбэ для этих транзисторов одинаковы.

UИП

I0

VT4

R2

Uвых

VT3

Рисунок 2.19 — Источник опорного напряжения с температурной компенсацией

Следовательно, можно записать выходное напряжение в виде

Температурный коэффициент выходного напряжения будет

– 41 –

Следует отметить, что сопротивления резисторов R1 и R2 также зависят от температуры. Однако резисторы R1 и R2 — интегральные, так что их температурные коэффициенты одинаковы. Поэтому для любого заданного изменения температуры относительное изменение сопротивления обоих резисторов будет одинаковым, а это значит, что отношение сопротивлений резисторов R1 и R2 не будет изменяться с температурой, то есть при рассмотрении ТКНUвых не требуется учитывать зависимость сопротивле-

ний R1 и R2 от температуры.

Из уравнения (2.27) следует, что соответствующим подбором отношения сопротивлений резисторов можно получить нулевой температурный коэффициент выходного напряжения:

Поскольку отношение dUdТбэ отрицательно, равенство (2.28) можно записать в виде

– 42 –

Подстановка в равенство (2.31) численных значений дает Uвых= 1,68 В. Следует отметить, что значение для Uвых нельзя

выбрать произвольно, так как это значение вытекает из условия

ТКНUвых = 0.

Таким образом, в данной схеме температурный коэффициент выходного напряжения будет равен нулю, если значения всех ее параметров точно соответствуют расчетным. Если какой-нибудь из параметров схемы не соответствует расчетному значению, ТКН будет отличаться от нуля, хотя может при этом оставаться очень малым.

Схема источника опорного напряжения, определяемого шириной запрещенной зоны, представлена на рисунке 2.20. Свойства данной схемы основаны на точно рассчитываемых значениях напряжений прямосмещенных эмиттерных переходов транзисторов. В качестве опорного выбрано напряжение, равное ширине запрещенной зоны полупроводника. Термокомпенсация в этой схеме достигается обеспечением различных плотностей тока эмиттербазовых переходов в транзисторах VT1 и VT2.

I0

Iвых

Рисунок 2.20 — Источник опорного напряжения, определяемого шириной запрещенной зоны полупроводника

– 43 –

тивлений у них одинаково и, следовательно, отношение RR32 не

будет зависеть от температуры.

Известно, что температурный коэффициент напряжения базаэмиттер при постоянном токе коллектора определяется выражением

почти не зависит от температуры и имеет в опорной точке значение

где Eg — энергетическая ширина запрещенной зоны при абсо-

лютном нуле, полученная линейной экстраполяцией от комнатной температуры (300 К) к абсолютному нулю (у кремния Eg

qe 1,60 10 19 Кл; n — постоянная, которая выражает среди про-

чего температурную зависимость подвижности неосновных носителей в базе (у кремниевых транзисторов принимает значения от 1,5 до 3,0 в зависимости от технологии; типичное значение технологического разброса этой величины у пары транзисторов, изготовленной по монолитной технологии, составляет 0,002).

Используя аналитическое выражение (2.38) для ТКНUбэ ,

можно получить аналитическое выражение для температурного коэффициента выходного напряжения, определяемого соотноше-

нием (2.37).

Для ТКНUвых 0 должно выполняться равенство

– 45 –

откуда получаем соответствующее значение выходного напряжения

Выражение (2.39) определяет выходное напряжение источника опорного напряжения при ТКНUвых 0, которое при типичном

значении n = 3 и T 25,9 мВ (300 К) составляет 1,283 В.

Полученное выше основное условие равенства нулю температурного коэффициента выходного напряжения запишем в виде

– 46 –

Сопротивления резисторов удовлетворяют требованиям, предъявляемым к интегральным резисторам.

Следует отметить также, что сила тока должна быть такой, чтобы выполнялось равенство Ι0 Ι1 Ι2 Ι3 Ιвых(max) , где Ιвых(max) — максимальный выходной ток, который данный источ-

ник опорного напряжения должен обеспечить. Обычно, чтобы свести к минимуму влияние нагрузки на источник опорного напряжения, выходной ток должен быть очень мал.

Можно получить большее опорное напряжение, добавив в схему на рисунке 2.20 несколько транзисторов в диодном включении, как это сделано в схеме на рисунке 2.21. Если в схему добавлено m диодов, то уравнение для выходного напряжения принимает вид

Когда условие (2.44) выполняется, опорное (выходное) напряжение определяется выражением

– 47 –

Таким образом, если применяется один дополнительный диод (транзистор в диодном включении), то Uвых (1 1) 1,283 2,566 В, а для двух диодов (m = 2) имеем Uвых 3,849 В.

I0

Iвых

Uвых

m

VT3

Рисунок 2.21 — Модификация источника опорного напряжения, определяемого шириной запрещенной зоны

– 48 –

Поскольку

условие расчета отношения сопротивлений записывается в виде

Большое отношение сопротивлений, которое в этом случае требуется, нежелательно для ИС, а допустимое отклонение отношения сопротивлений будет несколько больше, чем в схеме на рисунке 2.20. В результате остаточный температурный коэффициент будет несколько больше, чем в случае без дополнительных диодов.

На рисунке 2.22 представлена схема, в основу которой положена схема источника опорного напряжения, определяемого шириной запрещенной зоны. Схема на рисунке 2.22 по существу выполняет в ИС роль опорного диода с постоянным падением напряжения и очень низким температурным коэффициентом.

Транзисторы VT1–VT3 и резисторы R1–R3 выполняют те же функции, что и в схеме источника опорного напряжения, определяемого шириной запрещенной зоны (см. рисунок 2.20). Следовательно, напряжение UVD в данной схеме равно 1,283 В.

Основная функция остальной части схемы заключается в том, чтобы обеспечить низкое выходное сопротивление и относительно большой ток диода ΙVD . Транзистор VT4 и резистор R4 реализуют

источник тока и в свою очередь смещают токовое зеркало,

– 49 –

состоящее из транзисторов VT5 и VT6. Транзистор VT6 функционирует как источник тока и служит активной нагрузкой для транзистора VT3.

Транзистор VT3 включен в схему с общим эмиттером и является источником сигнала для транзистора VT7, который также включен в схему с общим эмиттером. Транзистор VT8 и резистор R8 реализуют источник тока отрицательной полярности и обеспечивают активную нагрузку для транзистора VT7. Транзистор VT9 является нагрузкой для транзистора VT7 и вырабатывает большую часть тока I0 диода.

Принцип работы схемы на рисунке 2.22 можно представить следующим образом. Увеличение напряжения UVD вызывает со-

ответствующий рост напряжения между базой и эмиттером транзистора VT3, так как падение напряжения на резисторе R2 остается относительно постоянным.

Увеличение тока через транзистор VT3 равно

– 50 –