Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы (1988) (1095417), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Заметим, что Уавг в основном определяется шириной запрещенной зоны (Есо = 1205 мВ для кремния). Полученное выше основное условие равенства нулю температурного коэффициента запишем в виде Яз/!«з) (й/г/) !п (1«/1з) — «(Увв/з(Т (Есо Увв)/Т + Зя/з/. (3.114) Умножзя обе части иа Т, получим (/1з/)з«з) Уз )п (/з//з) =* Есо Увв + ЗУг 1283 м — Ува. (3.115) Деление на Ут = 25,9 мВ при 300 К дает (Я«Яз) !п (1«/1«) = (1283 м — Ува)/25,9 мВ. (3.116) Для типичного значения Увв = 650 мВ имеем (Яз/йз) )п (1«/1«) = = 24,5.
Пример расчета. Рассмотрим пример расчета источника опорного напряжения, определяемого шириной запрещенной зоны. Выберем следующие произвольные, но реальные значения~ 1, = 1, = 1,0 мА, 1,/1, = 5, Поскольку 1«Яз = У„1п (1,/1«) = 41,6 мВ, имеем )1з = 41,6 мВ/0,2 мА = 208 Ом. Отношение сопротивлений равно ЯзЯз = 24,5/!п (1«/1«) = 15,2, откуда Ьз = = 15,2 208 Ом = 3166 Ом. Для Я, имеем Нз = (Уааг — Увв)/1« = (1283 м — 650 мВ)/1,0 мВ = 633 Ом. (3, 117) Теперь определены все три сопротивления, все они имеют значения, подходящие для ИС-резисторов, — не слишком большие и ие слишком малые.
Полученные значения токов также находятся в разумных пределах. Сила тока источника должна быть такой, чтобы выполнялось равенство /ч = 1~ +!г + /з +!оозз ~ =„ = 2,2 мА + /о ~ .«ь где 1о <,„> — максимальный выходной ток, который данный источник опорного напряжения должен обеспечивать, Обычно, чтобы свести к минимуму влияние нагрузки на источник опорного напряжения, этот выходной ток должен быть очень мал. Истопники постоянною тока, напртягния и опорного напряясгния 209 ВлиЯние нагРУзки на Ияер. ИзменениЯ напРЯжениЯ )сяв„ язаны с изменениями токов /„ /, и /,.
Однако благодаря стабилизирующему действию резисторов преобладающим будет изме- „ение тока через Яг Иными словами, изменения тока /о будут уравновешены почти равными, но противоположными по знаку изменениями /,. Изменение /, вызовет изменение напряжения между базой и эмиттером транзистора Юг. с//я/с/1'вв, = дт, = — / /рт. В результате можно написать ик мвв а~ авг ве, а/о а/я а/я ат Следовательно, имеем 'о = — с((савв/с(/о = 1/дт, = Уг//м (3И 10) Итак, если /, = 1,0 мА, как в примере, рассмотренном выше, то го = 25 Ом. Если, например, необходимо ограничить колеба.
ния (спв„, обусловленные колебаниями выходного тока, так чтобы опи составляли не больше 1,0 мВ, следует наложить соответствующее ограничение на колебания /о согласно соотношению Ы/яег/А/о = 25 Ом. Отсюда А/о,тгя~ 1 мВ/25 Ом = 40 мкА, (3.120) Следовательно, чтобы получить наилучшие характеристики источника опорного напряжения, необходимо подключить высокоимпедансную буферную схему между ним и нагрузкой.
Желательно использовать один источник тока, чтобы уменьшить неблагоприятное воздействие колебаний напряжения пи. тания й на (гае„. Для иллюстрации применения источника тока с низкой динамической выходной проводимостью рассмотрим колебания (Гавр по отноп|ению к напряжению питания в виде дгявр дг явг а/г д/е (3.121) а/я "/е сбс+ ' Вдесь снова используется тот факт, что изменения тока /е в основном вызваны изменениями тока через я„откуда с//я/Й/е ж 1.
Поскольку Нр'яее/Н, = 1/д„, )/г//з и с//е/с/й"' до, имеем — ж — Ыо = Ко. сб'аср 1 1/г ~В' ат, !я (3.122) Если, например, /, = 1,0 мА, как выше, и яа = 100 нСм = 1'10 о См> то имеем с(ияея/с()г+ = 250м х 1 ° 10 ' См = 2,5 1О ' 2,5 мкВ/В, (3.123) так что изменение гя.р составит всего лищь 2,5 мкВ пРи изменении напряжения питания на 1 В. Этот результат подтверждает 210 Глава 3 тот факт, что данная схема надежно защищена от двух разновид. ностсй внешних воздействий — колебаний температуры и коле баний напряжения питания.
Влияние иа ТКН ошибок в значениях параметров. При анализе этой схемы, а также схемы источника опорного напряжения, рассмотренной выше, следует принять во внимание тот факт, что хотя номинальный ТКН равен нулю, фактячески он не нулевой вследствие отклонений параметров компонентов от расчетных средних значений.
Для иллюстрации рассмотрим влияние отклонения отношения сопротивлений /св//св от расчетного среднего значения. Выберем типичное отклонение ~2 'о. Уравнение для ТКНг,яею было получено в виде (3.10б). ТКНг ~яег~ = (Явь/в/Т + (Рв/йв) (й,'в/) !п /,/!м (3.124) Пусть ТКНг ~нею = 0 при /(',Ям равном своему расчетному среднему значению. Тогда члены в правой части равны по величине, но противоположны по алгебраическому знаку, Следовательно, +2 ",в-нос отклонение отношения /с,//с, от расчетного среднего значения вызовет ~2 влв-нос отклонение по модулю второго слагаемого. Поскольку в расчетной средней точке эта величина равна по модулю 67ав/г/Т, -~-2 %-ное отклонение отношения /!а//св даст для вЯав/в(Т отклонение, равное ~2 влв.
Вследствие того что расчетное среднее значение ТКНг~яея> равно нулю, ~2 %-ное отклонение отношения сопротивлений даст остаточный температурный коэффициент для Р„сю равный ТКНи (яею =:Ь0,02в)УаьЯТ = ~0,02 2,1 мВ/'С = л-42 мкВ/'С, (3.123) или !-0,0033 в/в~ С. Когда необходимо, чтобы ТКН был очень мал, можно исполь. зовать, например, метод лазерной подстройки. Если лазерную подстройку применять в сочетании со стабилизатором напряжения, определяемого шириной запрещенной зоны„ то резисторы /св и /хв должны быть тонкопленочными, нанесенными методом вакуумного напыления на кристалл ИС.
Высокоэнергетический лазерный луч можно использовать для того, чтобы вырез;пь пзз нли прорезь в тонкопленочном резисторе и тем самым увеличить сопротивление вследствие уменьшения эбх)~ективной ширины ре зистора. Лазер здесь служит частью петли обратной связи, кото рая воспринимает температурный коэффициент опорного напра жения и контролирует глубину лазерного надреза. Если положи тельный температурный коэффициент слишком высок, то можно подстроить )св так, чтобы повысить его значение и таким образом понизить ТКН до нуля. При отрицательном ТКН сопротивле.
ние )С, подстраивают так, чтобы ТКН приближался к нулю, Этим //ео>онннни постоянного п>она, напрнзеения и опорного напряаееная 211 спо пособом можно достичь очень малых остаточных ТКН, возможно, в >ределах нескольких мпкровольт на градус. Источник опорного напряжения, определяемого шириной запрещенной зоны, с большим опорным напряженнем. Опорное напряжение, полученное от рассмотренного здесь источника, пределяемого шириной запрещенной зоны, равно Уяе„—— = Е + ЗУт = !283 мВ.
Можно получить большее опорное „апряженне, дооавив в схему несколько транзисторов в дподном вклгочении на нижнем выводе резистора />>з на рнс. 3.33. Если в схему добавлены и диодов, то уравнение для Уяв„принимает вид Уявт = (и + 1) Уоа + Ж/)(з) Ут 1п (/з//з) (3.126) и соответственно ТКНт <аео> = е(упер/е/Т = (и + 1) е(ув 'е(Т + + () ' 3/Кз) (й/г/) 1п (/1//з) Условие, пРи котоРом ТКН„, е„, = 0 (и + 1) (е/1 вг!г(Т) (3.128) Когда зто условие удовлетворено, опорное напряжение определяется выражением Увн = (и + 1) Уав — (и + 1) Т г(Увв/е(Т = (и + 1) (Увв Т е)Уьа/е/Т) (3.129) Выше было найдено, что Увв — Т (г/Увв/е/Т) = Еоо + ЗУт откуда в данном случае имеем Уяво = (и + 1) (Еоо + ЗУт) = = (и + 1) ° 1,283 В. Таким образом, если применяется один дополнительный диод (транзистор в диодном вкл>очении), то Уяат = 2 1,283 В = 2,566 В, а для двух диодов (и = 2) имеем У„а„ = 3 1,283 В = 3,849 В, Поскольку е/Уоа/АТ = — (Еоо + 3/г/д — Уц,)/Т, (3.130) условие расчета отношения сопротивлений записывается в виде Яз/!>>з) !п (/>/!г) = (и + 1) (1283 м — Уаа)/25,9 мВ.
(3.131) Дла отношении токов, равного 5, и для и = 2 отношение сопротивлений равно Й>Яз = 3 (1283 м — 650 мВ)/25,9 мВ!п 5 45,6. (3.132) ольшое отношение сопротивлений, которое в этом случае треуется, нежелательно для ИС, а допустимое отклонение отноше"" сопРотивлений будет несколько больше, чем и прель>ду>пем Р>'мере В результате остаточный температурный козффппиент, '"Раженный в процентах, будет, возможно, несколько больше, чем в случае без дополнительных диодов. 212 Глава 3 3.3,2.
Источник опорного напряжения с усилителем с обратной связью. На рис. 3.34 показано объединение источника онори „ напряжения и усилителя с обратной связью. Эта схема мож служить для повышения опорного напряжения до значения необходимого в конкретной практической ситуации, а также дл„> изоляции источника опорного напряжения от нагрузки. Благо даря последней изменения выходного тока не изменяют опорное напряжение, а только вызывают незначительные изменения вы.
ходного напряжения из-за очень низкого значения выходного импеданса усилителя о обратной связью. яь я, Рис, 3.34. Источник опорного иа. пряжевня с уснлителен с обрат>к>й связью для изоляции нагрузки н повышения напряжения. вг> усиванвль В этой схеме часть выходного напряженна, полученного деле. пнем в отношении /сь/(гсь + Ь>ь), подается обратно на инверти. рующнй вход усилителя. В усилителе это напряжение сравнивается с опорным напряжением, подаваемым на пеинвертирующий вход.
Благодаря обратной связи усилитель работает так, чтобы напряжение на выходе удовлетворяло соотношению "о /~>ь/(Йь + Йь) = Упвв. Таким образом, имеем Уо = Уивг (1 + /ььФь). (3,!33) В результате Упв„можно увеличить до любого значения, удовлетворяющего условиям реализации схемы. Заметим, что, какой бы ни был остаточный ТКН схемы для Уив„, он также будет повышаться и точно с тем же множителем, что и само Уиве. Отсюда ТКНУ > ь(Уо/д7 (г (' пп /г1Т) (! + >4// ь) Однако В про центном или относительном выражении ТКН для Уо будет таким же, как и для Йо 1 ариев ат у„,;,: еу Этот результат основан на предположении„что отношение сопро.
тивлений /ть//ть не изменяется с температурой. Чтобы оно выпол. нялось, оба резистора должны иметь хорошо согласованные тем. пературные коэффициенты и должны быть размещены в схеме так, чтобы они имели одинаковую температуру, тогда колебания сопротивления обоих резисторов будут повторять друг друга Источники постоянного тока, напряжения и опорного напряжения 213 3 З,З. Опорный диод. Рассмотрим двухполюсник, в основу торого положена схема источника опорного напряжения, опре„ляемого шириной запрещенной зоны. Этот источник опорного напряжения вырабатывает постоянное температурно скомпенси- ованное напряжение, Прибор является диодом с постоянным падением напряжения и очень низким температурным коэффициеном и называется опорным диодом. Рис.
З.ЗЬ. Опорный диод 1ЬЫ113 Хаьопа1 Бетгсопаис!ое1, Схема опорного диода показана на рис. 3.35, она представляет собой несколько упрощенную схему опорного диода 1 М! 13 (деп11опа1 Зетссопйсгсгог). Транзисторы 9,— Яе и резисторы Я,— Ле выполняют те же функции, что в основной схеме источника опорного напряжения, определяемого шириной запрещенной зоны 1Рис 3.33). Следовательно, падение напряжения на диоде равно 1,283 В. Основная функция остальной части схемы заключается в том чтоб больш " 'обы обеспечить низкое выходное сопротивление и относительно лысой ток диода. Транзистор 1ее и резистор Ле реализуют ц1ее из "сточник тока и в свою очередь смещают токовое аеркало состоя„" нз есе и 1,ее. Транзистор е",е функционирует как источник тока " тужит активной нагрузкой для Де.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
