RU2541915C1 - Source of reference voltage determined through energy gap doubled width - Google Patents
Source of reference voltage determined through energy gap doubled width Download PDFInfo
- Publication number
- RU2541915C1 RU2541915C1 RU2014110455/08A RU2014110455A RU2541915C1 RU 2541915 C1 RU2541915 C1 RU 2541915C1 RU 2014110455/08 A RU2014110455/08 A RU 2014110455/08A RU 2014110455 A RU2014110455 A RU 2014110455A RU 2541915 C1 RU2541915 C1 RU 2541915C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- transistor
- transistors
- resistor
- emitter
- output
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Control Of Electrical Variables (AREA)
Abstract
Description
Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в качестве температурно-стабильного источника опорного напряжения (ИОН).The device relates to the field of electrical engineering and can be used as a temperature-stable source of reference voltage (ION).
Известны температурно-стабильные источники опорного напряжения, определяемого удвоенной шириной запрещенной зоны полупроводника, к недостатком которых относится излишняя сложность, вызванная использованием большого количества элементов [U.S. Patent 4380706. Voltage reference circuit / Robert S. Wrathall. - Dec. 24, 1980], и необходимость дополнительного подключения к источнику питающего напряжения, а не только к источнику тока [Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - С.240, рис.33.27], что существенно затрудняет их использование в качестве опорного диода.Known temperature-stable sources of reference voltage, determined by the doubled band gap of the semiconductor, the disadvantage of which is the excessive complexity caused by the use of a large number of elements [U.S. Patent 4380706. Voltage reference circuit / Robert S. Wrathall. - Dec. 24, 1980], and the need for additional connection to a power supply source, and not just to a current source [Soklof S. Analog integrated circuits: Trans. from English - M .: Mir, 1988. - P.240, Fig. 33.27], which significantly complicates their use as a reference diode.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ИОН, приведенный на фиг.1 [Патент RU 2488874 C1, МПК G05F 1/56; H03F 1/30 (2006.01). - Опубл. 27.07.2013, Бюл. №21]. Недостатком прототипа является относительно высокий температурный дрейф выходного напряжения (около 10 мВ на 100°C).The closest technical solution adopted for the prototype is the ION shown in figure 1 [Patent RU 2488874 C1, IPC G05F 1/56; H03F 1/30 (2006.01). - Publ. 07/27/2013, Bull. No. 21]. The disadvantage of the prototype is the relatively high temperature drift of the output voltage (about 10 mV per 100 ° C).
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении заявляемого технического результата - снижении температурного коэффициента выходного напряжения ИОН.The problem to which the invention is directed, is to provide the claimed technical result - reducing the temperature coefficient of the output voltage of the ion.
Для достижения заявляемого технического результата в схему прототипа, содержащую источник тока, включенный между шиной питания и выходной клеммой, первый резистор, подключенный первым выводом к общей шине, второй и третий резисторы, подключенные первыми выводами к выходной клемме, первый транзистор, эмиттер которого подключен к общей шине, второй транзистор, эмиттер которого подключен ко второму выводу первого резистора, третий транзистор, коллектор которого подключен к выходной клемме, а эмиттер - к общей шине, четвертый и пятый транзисторы, базы которых соединены, коллектор пятого транзистора соединен с коллектором первого и базами первого и второго транзисторов, эмиттер четвертого транзистора подключен ко второму выводу второго резистора, эмиттер пятого транзистора подключен ко второму выводу третьего резистора, коллекторы четвертого и второго транзисторов подключены к базе третьего транзистора, введено соединение базы четвертого транзистора с коллектором первого транзистора.To achieve the claimed technical result, a prototype circuit comprising a current source connected between the power bus and the output terminal, a first resistor connected by the first terminal to the common bus, a second and third resistor connected by the first terminals to the output terminal, the first transistor whose emitter is connected to a common bus, a second transistor whose emitter is connected to the second terminal of the first resistor, a third transistor, whose collector is connected to the output terminal, and an emitter to a common bus, the fourth and fifth trans tori whose bases are connected, the collector of the fifth transistor is connected to the collector of the first and the bases of the first and second transistors, the emitter of the fourth transistor is connected to the second output of the second resistor, the emitter of the fifth transistor is connected to the second output of the third resistor, the collectors of the fourth and second transistors are connected to the base of the third transistor , introduced the connection of the base of the fourth transistor with the collector of the first transistor.
Схема прототипа приведена на фиг.1. Схема заявляемого устройства представлена на фиг.2. На фиг.3 приведены результаты моделирования.The prototype diagram is shown in figure 1. A diagram of the inventive device is presented in figure 2. Figure 3 shows the simulation results.
Заявляемый ИОН (фиг.2) содержит пять транзисторов (с первого по пятый), обозначенных, соответственно, цифрами 1-5, и три резистора (с первого по третий), обозначенные, соответственно, цифрами 6, 7 и 8, и источник тока 9, включенный между шиной питания и выходной клеммой, резисторы 6 и 7 подключены первыми выводами к выходной клемме, базы транзисторов 1, 2, 4 и 5 соединяются с коллекторами транзисторов 1 и 5, резистор 8 включен между общей шиной и эмиттером транзистора 2, эмиттеры транзисторов 1 и 3 подключены к общей шине, коллектор транзистора 3 подключен к выходной клемме, база транзистора 3 соединяется с коллекторами транзисторов 2 и 4, эмиттер транзистора 4 подключен ко второму выводу резистора 7, эмиттер транзистора 5 подключен ко второму выводу резистора 6.The inventive ION (figure 2) contains five transistors (first to fifth), respectively, indicated by numbers 1-5, and three resistors (first to third), indicated, respectively, by numbers 6, 7 and 8, and a current source 9, connected between the power bus and the output terminal, resistors 6 and 7 are connected by the first conclusions to the output terminal, the base of transistors 1, 2, 4, and 5 are connected to the collectors of transistors 1 and 5, a resistor 8 is connected between the common bus and emitter of transistor 2, emitters transistors 1 and 3 are connected to a common bus, the collector of transistor 3 is connected to output terminal, the base of transistor 3 is connected to the collectors of transistors 2 and 4, the emitter of transistor 4 is connected to the second output of the resistor 7, the emitter of transistor 5 is connected to the second output of the resistor 6.
Прежде чем рассмотреть работу заявляемого устройства, рассмотрим работу схемы прототипа (фиг.1), так как это необходимо для сопоставительного анализа. При этом допустим, что токи баз транзисторов пренебрежимо малы, а ток нагрузки отсутствует. Выходное напряжение Uвых прототипа определяется суммой напряжений база-эмиттер Uбэ3 и Uбэ4 транзисторов VT3 и VT4, а также падением напряжения UR2 на резисторе R2, что может быть описано следующим выражением:Before you consider the operation of the claimed device, consider the operation of the prototype circuit (figure 1), as it is necessary for comparative analysis. In this case, let us assume that the base currents of the transistors are negligible, and there is no load current. The output voltage Uout of the prototype is determined by the sum of the base-emitter voltages Ube3 and Ube4 of the transistors VT3 and VT4, as well as the voltage drop U R2 on the resistor R2, which can be described by the following expression:
где φт≈26 мВ - температурный потенциал; I2 и I3 - токи эмиттеров транзисторов VT2 и VT3 соответственно; Is - ток насыщения обратносмещенного p-n перехода, пропорциональный его площади; R2 - сопротивление резистора R2.where φ t ≈26 mV is the temperature potential; I 2 and I 3 are the emitter currents of transistors VT2 and VT3, respectively; I s is the saturation current of the reverse biased pn junction, proportional to its area; R 2 is the resistance of the resistor R2.
Для нахождения тока I2 следует учесть напряжения база-эмиттер Uбэ1 и Uбэ2, соответственно, транзисторов VT1 и VT2 и падение напряжения UR1 на резисторе R1, записав выражение:To find the current I 2 it is necessary to take into account the base-emitter voltage U be1 and U be2 , respectively, of transistors VT1 and VT2 and the voltage drop U R1 on the resistor R 1 , writing the expression:
или or
где R1 - сопротивление резистора R1; I1 - ток эмиттера транзистора VT1; N - отношение площадей эмиттеров транзисторов VT2 и VT1.where R 1 is the resistance of the resistor R1; I 1 is the emitter current of the transistor VT1; N is the ratio of the emitter areas of transistors VT2 and VT1.
Приближенное соотношение (2) справедливо при равенстве токов I1 и I2. Отсюда можно определить токThe approximate relation (2) is valid when the currents I 1 and I 2 are equal. From here you can determine the current
Дифференцируя выражение (3), можно определить зависимость приращения тока I2 от температуры T:Differentiating expression (3), we can determine the dependence of the current increment I 2 on temperature T:
где φт=kT/q; k - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура; q - заряд электрона.where φ t = kT / q; k is the Boltzmann constant; T is the absolute temperature; q is the electron charge.
Дифференцируя выражение (1), получимDifferentiating expression (1), we obtain
Для нахождения приращений dUбэ следует учесть зависимостьTo find the increments dU BE, one should take into account the dependence
где C - постоянный коэффициент, определяемый технологией производства интегрального транзистора; Е - энергетическая ширина запрещенной зоны при абсолютном нуле, полученная линейной экстраполяцией от комнатной температуры к абсолютному нулю, равная для кремния 1,205 В.where C is a constant coefficient determined by the production technology of the integrated transistor; E is the energy band gap at absolute zero, obtained by linear extrapolation from room temperature to absolute zero, equal to 1.205 V.
Можно показать, что выражение (5), с учетом (1), (3), (6), приводится к видуIt can be shown that expression (5), taking into account (1), (3), (6), is reduced to the form
Первое и второе слагаемое в выражении (7) обусловлены, соответственно, изменением напряжений Uбэ3 и Uбэ4.The first and second term in expression (7) are caused, respectively, by a change in voltages U be3 and U be4 .
Так как сумма токов I1, I2 и I3 постоянна, то приращение dl3=-dI1-dI2, а при равных токах I1, I2, I3 и приближенном равенстве приращений dI1 и dI2, с учетом (4), получаемSince the sum of the currents I 1 , I 2 and I 3 is constant, the increment dl 3 = -dI 1 -dI 2 , and with equal currents I 1 , I 2 , I 3 and the approximate equality of the increments dI 1 and dI 2 , taking into account (4), we obtain
Выражение (7), с учетом (8), можно привести к следующему виду:Expression (7), taking into account (8), can be reduced to the following form:
Приравнивая (9) к нулю, получаем условие настройки, при котором нестабильность выходного напряжения по температуре близка к нулю:Equating (9) to zero, we obtain a tuning condition under which the instability of the output voltage in temperature is close to zero:
Работа заявляемого устройства аналогична работе прототипа. Однако выходное напряжение определяется суммой напряжений база-эмиттер транзисторов 1 и 4, что описывается следующим выражением:The operation of the claimed device is similar to the prototype. However, the output voltage is determined by the sum of the voltages of the base-emitter of transistors 1 and 4, which is described by the following expression:
где R7 - сопротивление резистора 7; I1 и I2 - токи эмиттеров транзисторов 1 и 4 соответственно.where R 7 is the resistance of the resistor 7; I 1 and I 2 are the emitter currents of transistors 1 and 4, respectively.
Токи I1 и I2 равны току эмиттера транзистора 2 и определяются выражением:The currents I 1 and I 2 are equal to the emitter current of the transistor 2 and are determined by the expression:
где R8 - сопротивление резистора 8; N - отношение площадей эмиттеров транзисторов 2 и 1.where R 8 is the resistance of the resistor 8; N is the ratio of the emitter areas of transistors 2 and 1.
Дифференцируя выражение (10), можно вывести равенства:Differentiating expression (10), we can derive the equalities:
Дифференцируя выражение (11), с учетом (6), (12) и (13), получим:Differentiating expression (11), taking into account (6), (12) and (13), we obtain:
Откуда следует условие настройки:Where does the setting condition come from:
Сравнивая выражения (10) и (15), можно сделать вывод о близости температурно-стабильного выходного напряжения к удвоенной ширине запрещенной зоны для обеих схем. А поскольку напряжение база-эмиттер транзистора 3 практически не влияет на выходное напряжение, схема заявляемого устройства обеспечивает более высокую стабильность выходного напряжения, чем схема прототипа.Comparing expressions (10) and (15), we can conclude that the temperature-stable output voltage is close to twice the band gap for both circuits. And since the voltage of the base-emitter of the transistor 3 practically does not affect the output voltage, the circuit of the claimed device provides higher stability of the output voltage than the prototype circuit.
Представленные на фиг.3 результаты моделирования отображают зависимость выходного напряжения прототипа (out1) и заявляемого устройства (out2) от температуры. При этом для удобства сравнения напряжение out2 увеличено на 64 мВ (нижняя диаграмма). На верхней диаграмме представлены соответствующие относительные нестабильности выходного напряжения.Presented in figure 3, the simulation results reflect the dependence of the output voltage of the prototype (out1) and the inventive device (out2) on temperature. At the same time, for convenience of comparison, the voltage out2 is increased by 64 mV (lower diagram). The upper diagram shows the relative relative instabilities of the output voltage.
Таким образом, и проведенный анализ, и данные схемотехнического моделирования подтверждают, что для заявляемого устройства достигается заявляемый технический результат - получается температурно-стабильное выходное напряжение при значениях, близких к удвоенной ширине запрещенной зоны.Thus, both the analysis and the data of circuit simulation confirm that the claimed technical result is achieved for the claimed device — a temperature-stable output voltage is obtained at values close to double the band gap.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014110455/08A RU2541915C1 (en) | 2014-03-18 | 2014-03-18 | Source of reference voltage determined through energy gap doubled width |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014110455/08A RU2541915C1 (en) | 2014-03-18 | 2014-03-18 | Source of reference voltage determined through energy gap doubled width |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2541915C1 true RU2541915C1 (en) | 2015-02-20 |
Family
ID=53288826
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014110455/08A RU2541915C1 (en) | 2014-03-18 | 2014-03-18 | Source of reference voltage determined through energy gap doubled width |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2541915C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5808507A (en) * | 1996-02-28 | 1998-09-15 | U.S. Philips Corporation | Temperature compensated reference voltage source |
RU2211477C1 (en) * | 2002-01-08 | 2003-08-27 | Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса | Constant voltage regulator |
RU2461048C1 (en) * | 2011-06-08 | 2012-09-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Reference voltage source |
-
2014
- 2014-03-18 RU RU2014110455/08A patent/RU2541915C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5808507A (en) * | 1996-02-28 | 1998-09-15 | U.S. Philips Corporation | Temperature compensated reference voltage source |
RU2211477C1 (en) * | 2002-01-08 | 2003-08-27 | Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса | Constant voltage regulator |
RU2461048C1 (en) * | 2011-06-08 | 2012-09-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Reference voltage source |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI570537B (en) | Reference voltage circuit | |
TWI405068B (en) | Voltage and current generator with an approximately zero temperature coefficient | |
CN105824348B (en) | A kind of circuit of reference voltage | |
CN103197716A (en) | Band-gap reference voltage circuit for reducing offset voltage influence | |
JP2007052789A (en) | Bandgap reference circuit | |
TW201931046A (en) | Circuit including bandgap reference circuit | |
CN107817860B (en) | Low-voltage bandgap reference circuit and voltage generating circuit | |
US7843231B2 (en) | Temperature-compensated voltage comparator | |
CN212322146U (en) | Current reference circuit with temperature compensation | |
CN108052151B (en) | Band-gap reference voltage source of no-clamping operational amplifier | |
CN104977968B (en) | Band-gap reference circuit with high-order temperature compensation function | |
RU2332702C1 (en) | Source of reference voltage | |
CN116880644A (en) | High-order curvature temperature compensation band gap reference circuit | |
RU2541915C1 (en) | Source of reference voltage determined through energy gap doubled width | |
CN101840243A (en) | CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) band-gap reference voltage generation circuit | |
CN105159381A (en) | Band-gap reference voltage source with index compensation feature | |
CN112947668B (en) | Band-gap reference voltage generation circuit with high-order temperature compensation | |
RU2504817C1 (en) | Source of reference voltage | |
TWI564692B (en) | Bandgap reference circuit | |
CN107422775A (en) | Suitable for the voltage reference circuit of low supply voltage work | |
RU2518974C2 (en) | Source of reference voltage | |
RU2523121C1 (en) | Source of reference voltage | |
RU2488874C1 (en) | Source of reference voltage determined through energy gap doubled width | |
CN203102063U (en) | Reference voltage source with temperature curvature compensation function | |
RU2530260C1 (en) | Heat stable reference voltage source base on stabilitron |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160319 |