Простейшие источники опорного напряжения
Простейшие ИОН не обладают удовлетворительной температурной стабильностью и предназначены в основном для применения в цепях формирования статического смещения. На рис. 11.1 приведены схемы ИОН на МОП транзисторах в диодном включении.
Рис. 11.1. ИОН на МОП транзисторах в диодном включении: а–простейший; б – с уменьшенной нестабильностью по входному напряжению; в – с выходным буфером
а)
б)
Рис. 11.2. ИОН : а – на диоде в прямом включении; б – на диоде Зенера
На рис. 11.2 показаны ИОН на диоде в прямом включении и диоде Зенера. ИОН на диоде в прямом включении имеет температурный дрейф примерно – 2,2 мВ/C, а на диоде Зенера от +1,5 до + 5 мВ/C.
В схемах на рис. 11.1 и рис. 11.2 резисторы могут быть заменены источниками тока.
Лучшую, чем диод температурную зависимость, можно достичь, используя два МОП транзистора. Один транзистор – со встроенным каналом (M2), другой (M1) – с индуцированным (рис. 11.3).
Рис. 11.3. ИОН на МОП транзисторах со встроенным и индуцированным каналами
Выходное напряжение такого ИОН определяется выражением
Температурный дрейф выходного напряжения равен
где 1 и 2 – температурные коэффициенты порогового напряжения транзисторов с индуцированным и встроенным каналами; А – корень квадратный отношения крутизны транзисторов М1 и М2.
Для получения независимого от температуры ИОН значение А должно удовлетворять соотношению
Источники опорного напряжения равные ширине запрещенной зоны
ИОН с выходным напряжением равным ширине запрещенной зоны основан на использовании свойств интегральных диодных структур. На рис. 11.4 показан разрез структуры, получаемой в стандартном КМОП процессе. Для построения ИОН, как правило, используют p+/n – карман диод (тип 3 на рис. 11.4), который представляет собой вертикальный биполярный p–n–p транзистор в диодном включении.
Рис. 11.4. Диодные структуры в стандартном КМОП процессе
Напряжение UBE эмиттер – база транзистора в диодном включении в типовом случае имеет отрицательный температурный дрейф порядка –2,2..– 2,5 мВ/C и определяется выражением
где UG0 – напряжение соответствующее ширине запрещенной зоны полупроводника при 0 К; T0 – номинальная температура; UBE0 – напряжение эмиттер – база при номинальной температуре;
JC0 – плотность тока коллектора при номинальной температуре.
Принцип построения ИОН с напряжением равным ширине запрещенной зоны с низким температурным коэффициентом состоит в компенсации отрицательного температурного дрейфа опорного диода напряжением с положительным дрейфом, которое вырабатывается специальным блоком (генератор напряжения пропорционального абсолютной температуре (PTAT генератор)) (рис. 11.5).
Рис. 11.5. Принцип построения ИОН с выходным напряжением равным ширине запрещенной зоны
После компенсации линейной составляющей температурного дрейфа диода выходное напряжение ИОН (в этом случае говорят об ИОН первого порядка) вдали от максимума также зависит от температуры (рис. 11.6). Опорное напряжение ИОН первого порядка при номинальной температуре Т0 определяется выражением
(11.1)
Зависимость температурного дрейфа выходного напряжения ИОН первого порядка от температуры описывается выражением
(11.2)
Для компенсации квадратичной составляющей дрейфа выходного напряжения ИОН первого порядка используют дополнительное слагаемое пропорциональное квадрату абсолютной температуры, которое вырабатывается соответствующим генератором. В этом случае говорят об ИОН второго порядка. Его температурный дрейф определяется уже некомпенсированным членом третьего порядка (рис. 11.7).
Рис. 11.6. Зависимость выходного напряжения от температуры в ИОН первого порядка
Рис. 11.7. Зависимость выходного напряжения от температуры в ИОН второго порядка
Схемотехника КМОП ИОН с выходным напряжением равным ширине запрещенной зоны в основном различается конструкцией PTAT генератора, который может основываться на свойствах температурной зависимости разности напряжения диодов с разной плотностью тока или на свойствах МОП транзисторов в режиме слабой инверсии.