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 5V, 3V и менее. Для работы с такими схемами требуются источники опорного напряжения на 2,5V 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 0,6V. 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=0,6V 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 = 1,205V,

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 1,23V 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 1,2V, 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 3V 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 2,5V 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 2,5V. Если требуется более высокое опорное напряжение, то коллектор транзистора VT₃ соединяется с выводом управления через внешний резистивный делитель.