Podręcznik

Można wyróżnić trzy typy układów źródeł napięciowych różniące się zastosowaniem i wymaganiami:

• źródła napięć zasilania,
• źródła napięć odniesienia,
• układy przesuwania poziomu składowej stałej.

Źródła napięcia zasilania służą do wytworzenia napięcia zasilania o zadanej, stałej wartości napięcia. Mogą to być samodzielne układy scalone, ale istnieją również układy źródeł napięcia zasilania wbudowywane do wnętrza układów scalonych. W tym ostatnim przypadku chodzi zwykle o to, by wewnętrzne bloki układu były zasilane innym napięciem, niż to, które doprowadza z zewnątrz użytkownik układu. W każdym przypadku zadaniem źródła napięcia zasilania jest przede wszystkim zapewnienie, by napięcie dostarczane przez źródło możliwie jak najsłabiej zależało od poboru prądu przez zasilany układ lub blok. Innymi słowy, zasadniczym wymaganiem dla źródła napięcia zasilania jest mała rezystancja wewnętrzna i pod tym kątem są te układy konstruowane.

Źródła napięcia odniesienia są to układy, których zadaniem jest wytworzenie napięcia służącego jako wzorcowy poziom napięcia, na przykład do porównywania z jakąś inną wartością napięcia wytwarzaną w układzie lub podawaną z zewnątrz na wejście układu. Źródła napięcia odniesienia są na ogół obciążane bardzo małym prądem (w układach MOS jest on najczęściej równy zeru), który nie ulega zmianom. Wobec tego rezystancja wewnętrzna źródła napięcia odniesienia nie ma większego znaczenia. Istotne są natomiast: stałość napięcia w funkcji takich czynników zakłócających, jak wahania napięcia zasilania i wahania temperatury. W niektórych zastosowaniach stosowane są również źródła napięcia odniesienia mające pewne szczególne cechy, np. proporcjonalność napięcia do temperatury bezwzględnej.

Układy przesuwania poziomu składowej stałej umożliwiają połączenie ze sobą stopni lub bloków układu, pomiędzy którymi należy przesyłać sygnały zmienne, a składowe stałe napięć na odpowiednich wejściach i wyjściach różnią się. Typowym przykładem są wzmacniacze kilkustopniowe. Rysunek 3-8 pokazuje prosty wzmacniacz trzystopniowy o napięciu zasilania równym 3,3V (takich układów się w rzeczywistości nie stosuje, ale chodzi tu tylko o ilustrację problemu dopasowania napięć). Załóżmy, że warunki polaryzacji w każdym stopniu są tak dobrane, że napięcie między drenem, a bramką wynosi 1V. Niech na pierwszej, wejściowej bramce panuje także napięcie 1V. Wówczas na drenie T1 mamy 2V, na drenie T2 - 3V, a na dren T3 nie starcza już napięcia zasilającego!

Rysunek 3‑8. Ilustracja problemu przesuwania poziomu składowej stałej

Wprowadzenie układów przesuwania poziomu składowej stałej rozwiązuje ten problem – patrz rysunek 3-9.

Rysunek 3‑9. Układy przesuwania poziomu składowej stałej (UPP) wymuszające różnicę napięć równą 1 V rozwiązują problem układu z rys. 3-8

Główne wymaganie dla układów przesuwania poziomu składowej stałej to „przezroczystość” dla składowej zmiennej. Układy te powinny zapewniać transmisję składowej zmiennej z wejścia na wyjście bez tłumienia, zakłóceń i zniekształceń. Wymagania odnoszące się do wymuszanej różnicy napięć mogą być różne, w zależności od zastosowania.

W naszym wykładzie nie będziemy zajmować się źródłami napięć zasilania. Jest to cała odrębna klasa układów analogowych. Ich bardziej szczegółowe omówienie mogłoby być tematem wielogodzinnego wykładu. Omówimy natomiast kilka przykładowych rozwiązań układów źródeł napięć odniesienia i układów przesuwania poziomu składowej stałej. Zaczniemy od omówienia elementów, które będą nazywane pierwotnymi źródłami napięcia odniesienia.

W układach źródeł napięciowych z reguły musi być co najmniej jeden element będący pierwotnym źródłem napięcia odniesienia. Pierwotne źródło napięcia odniesienia jest zwykle wykorzystywane w taki sposób, że wymuszany jest w nim prąd, a towarzyszący mu spadek napięcia jest wykorzystany jako napięcie odniesienia – przykład na rysunku 3-10.

Rysunek 3‑10. Typowy sposób wykorzystania pierwotnego źródła napięcia odniesienia. Napięciem jest spadek na elemencie nieliniowym (na rysunku jest to dioda)

Jako pierwotne źródła napięcia odniesienia bywają stosowane:

• dioda spolaryzowana w kierunku przewodzenia,
• dioda spolaryzowana w zakresie przebicia (zwana potocznie diodą Zenera),
• tranzystor MOS w połączeniu diodowym,
• bipolarny mnożnik $V_{BE}$.

Dioda spolaryzowana w kierunku przewodzenia – jest to często spotykane pierwotne źródło napięcia odniesienia. Używany jest zwykle tranzystor bipolarny w połączeniu diodowym. Jedno z zastosowań tego źródła już znamy – w źródłach prądowych. Spadek napięcia na diodzie spolaryzowanej w kierunku przewodzenia, dany zależnością 3-14 z części I, jest słabo (logarytmicznie) zależny od prądu płynącego przez diodę i w temperaturze otoczenia wynosi około 0,7 V. Napięcie to maleje o ok. 2 mV/^oC, dioda nie jest więc źródłem stabilnym temperaturowo.

W przypadku diody spolaryzowanej w zakresie przebicia napięcie przebicia lawinowego złącz p-nw układach scalonych może się wahać w szerokich granicach, od kilku do kilkudziesięciu V. Najniższe napięcia mają zwykle złącza emiter-baza tranzystorów bipolarnych. Napięcie na diodzie spolaryzowanej w zakresie przebicia jest równe napięciu przebicia lawinowego, nieznacznie zależy od prądu płynącego przez diodę i wzrasta z temperaturą. Dla napięć przebicia wynoszących 6 ... 9V (typowe wartości dla złącz emiter - baza) współczynnik temperaturowy napięcia przebicia wynosi około +3 mV/^oC. Zatem i to źródło nie jest źródłem stabilnym temperaturowo.

Tranzystor MOS w połączeniu diodowym jest to źródło używane w układach MOS, znane nam już z układów źródeł prądowych. Spadek napięcia jest określony przez zależność 3-3 , drugi składnik w tej zależności rośnie z pierwiastkiem prądu, nie jest to więc napięcie o dużej stałości. Wpływ drugiego składnika można jednak zminimalizować dobierając odpowiednio małą wartość stosunku wymiarów kanału L/W. Zależność od temperatury jest wyraźna, decyduje o niej zmniejszanie się z temperaturą napięcia progowego $V_T$.

Bipolarny mnożnik $V_{BE}$ jest to dwójnik będący połączeniem tranzystora bipolarnego i dwóch rezystorów – rysunek 3-11.

Rysunek 3‑11. Układ zwany bipolarnym mnożnikiem V_BE

Dla zanalizowania działania tego układu pominiemy prąd bazy tranzystora. Mamy wówczas proste zależności:

oraz

Skąd otrzymujemy

zatem napięcie $V$ jest proporcjonalne do $V_{BE}$. Stąd nazwa układu. Warunkiem działania układu jako pierwotnego źródła napięcia odniesienia jest wymuszenie dostatecznie dużego prądu I, tak aby napięcie $V_{BE}$ było dostatecznie duże (około 0.7 V w temperaturze otoczenia) i spełniony był warunek: $I_C\gg\ I_1$. Jeśli warunek ten nie jest spełniony, charakterystyka układu jest liniowa: $I={V}/{\left(R_1+R_2\right)}$ ponieważ prąd kolektora tranzystora jest pomijalnie mały. Wzór 3-11 jest wprawdzie nadal słuszny, ale napięcie $V_{BE}$ jest tak małe, że tranzystor praktycznie nie przewodzi. Układ nie spełnia wówczas swej roli. 

Zaletą mnożnika $V_{BE}$ jest możliwość uzyskania napięcia o dowolnej (ale tylko większej od $V_{BE}$) wartości przez odpowiedni dobór obu rezystancji. Tak, jak i poprzednie źródła, mnożnik $V_{BE}$ nie jest układem stabilnym temperaturowo. Jeżeli $V=kV_{BE}$ (kwyznaczone przez stosunek rezystancji we wzorze 3-11), to napięcie  maleje z temperaturą o k*2 mV/^oC.

Jak widać, pierwotne źródła napięć odniesienia nie zapewniają stabilności temperaturowej. Dlatego tam, gdzie potrzebne jest napięcie nie zmieniające się z temperaturą, stosowane są bardziej złożone układy. Omówimy kilka takich układów.

Rys. 12.16 przedstawia układ mnożnika $V_{BE}$ wykonanego w technologii CMOS, z wykorzystaniem bipolarnego tranzystora podłożowego p-n-p (patrz punkt 2.2.7). Nie jest to jednak dwójnik, jak mnożnik bipolarny, lecz układ bardziej złożony.

Rysunek 3‑12. Układ mnożnika VBE w technologii CMOS

Zakładamy, że tranzystory T1 i T2 są identyczne, oraz identyczne są także tranzystory T3, T4 i T5. Górne zwierciadło prądowe (tranzystory pMOS T3 i T4) wymusza przepływ dwóch prądów o identycznej wartości w gałęziach, w których znajdują się: tranzystor nMOS T1 i tranzystor bipolarny p-n-pw połączeniu diodowym oznaczony D (lewa gałąź) oraz tranzystor nMOS T2 i rezystor R1 (prawa gałąź). A ponieważ jednakowe są prądy płynące przez tranzystory T1 i T2, to jednakowe muszą być ich napięcia bramka-źródło, skąd wnioskujemy, że jednakowe są napięcia w węzłach A i B. Zatem jednakowe, równe $V_{BE}$, są także napięcia na tranzystorze bipolarnym i na rezystorze R1. Tranzystory T4 i T5 są identyczne, zatem prądy płynące przez rezystory R1 i R2 są także identyczne. Ponieważ rezystor R2 ma rezystancję równą $mR_1$, spadek napięcia na nim jest równy $mV_{BE}$. Innymi słowy, napięcie wyjściowe układu jest równe

Układ mnożnika $V_{BE}$ według rysunku 3-12 daje napięcie Vmalejące z temperaturą, podobnie jak mnożnik bipolarny. Po niewielkiej rozbudowie układ może także dawać napięcie nie malejące, lecz rosnące z temperaturą. Układ taki jest pokazany na rysunku 3-13. Zastosowano w nim dwa podłożowe tranzystory bipolarne D1 i D2, różniące się powierzchnią złącza emiterowego: $A_{E2}=nA_{E1}$, gdzie $n>1$.

Rysunek 3‑13. Układ mnożnika kT/q w technologii CMOS

Podobnie jak w poprzednim układzie prądy w gałęziach z tranzystorami T3 i T4 są równe, jak również równe są napięcia w węzłach a i B. Wynika z tego, że na rezystorze R1 odkłada się teraz różnica napięć $V_{BE}$ na tranzystorach bipolarnych D1 i D2. Ponieważ powierzchnia złącza emiterowego D2 jest większa, niż D1, napięcie $V_{BE2}$ jest mniejsze, niż $V_{BE1}$ (wzór 3-14 w części I). Różnica napięć $V_{BE1}-V_{BE2}$ odkładająca się na rezystorze R1 wynosi

To napięcie ulega mnożeniu na rezystancji R2 podobnie, jak w poprzednim układzie, a więc napięcie wyjściowe układu wynosi

Jak widać, układ ten daje napięcie proporcjonalne do temperatury bezwzględnej T. Taki układ może być wykorzystany na przykład jako czujnik temperatury w elektronicznym termometrze. Można także, łącząc ten układ z układem z rysunku 3-12, otrzymać układ źródła napięcia odniesienia dający napięcie niezależne od temperatury. W tym celu można zastosować układ sumowania napięć sumujący oba napięcia z odpowiednimi wagami. Można również postąpić prościej – sumując z wagami bezpośrednio prądy wyjściowe (tj. prądy drenów tranzystorów T5 obu układów) i otrzymany w ten sposób prąd przepuszczając przez rezystor. W takim układzie można uzyskać napięcie praktycznie stałe w szerokim zakresie temperatur.

Zauważmy przy okazji, że w układzie z rysunku 3-13 napięcie wyjściowe zależy tylko od stosunku dwóch rezystancji oraz od stosunku powierzchni złącz emiterowych dwóch tranzystorów bipolarnych. Stosunki te nie zależą od temperatury i wykazują małą wrażliwość na rozrzuty produkcyjne. 

Do kategorii źródeł napięciowych zaliczane są też układy przesuwania poziomu napięcia stałego. Omówione będą przy okazji omawiania układów wzmacniaczy, bo tam są potrzebne. Wspomnimy tam też o dzielnikach napięcia, które bywają stosowane wtedy, gdy w układzie potrzebne jest wiele różnych napięć.