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PN结肖特基结极低噪声高精度电压基准:一种全新类型的电压基准

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pfcz|  楼主 | 2024-7-7 22:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 pfcz 于 2024-7-7 23:02 编辑

     PN结具有明显的负温度系数,PN结或肖特基结的反向电流则随温度增加而呈指数型增大,而PN结在指数型增加的电流下其电压会呈几何型增大,于是当把反向肖特基与PN结串联时,PN结的温度系数发生了明显的变化,当参数合适并串入一个电阻修正后,其电压温度系数在数十度温度范围内几乎为零——于是,一种全新类型的极低噪声高精度电压基准诞生了:PN结肖特基结电压基准。普通肖特基与硅PN结的组合中,PN结上的基准电压约为0.5V,很适宜通过两路PN结肖特基结的组合形成1V的高精度电压基准,可以在低于1.2V的低电压下工作。       在简单的PN结肖特基结电压基准的组合实验中,1V电压基准的温漂低至3PPM,0.1~10 Hz噪声低至0.2uVp-p

     发明专利申请号2018109442265


原理图

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pfcz|  楼主 | 2024-7-7 22:34 | 显示全部楼层
不同电压基准值的组合

不同基准电压值的组合

不同基准电压值的组合

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pfcz 2024-7-10 12:20 回复TA
@xch :这是一个原理示意图,请指教有什么不对吗 
xch 2024-7-8 12:41 回复TA
这张图吓扯蛋了 
jszjzy| | 2024-7-8 01:51 | 显示全部楼层
很有价值,一时竟看不明白,要慢慢消化

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Siderlee| | 2024-7-8 12:55 | 显示全部楼层
这个东西不早有了

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coody| | 2024-7-8 13:22 | 显示全部楼层
好,做成产品,大卖!

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pfcz|  楼主 | 2024-7-8 23:40 | 显示全部楼层
当三极管C极接反向肖特基,参数合适时,三极管b极的电压温度系数也一样会趋向于零。
mmexport1720451741563.jpg

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pfcz|  楼主 | 2024-7-8 23:42 | 显示全部楼层
本帖最后由 pfcz 于 2024-7-9 08:30 编辑
Siderlee 发表于 2024-7-8 12:55
这个东西不早有了


已经经过专利审查员搜索审查,在本发明申请之前并没有公开的这种方案。专利审查答复也已经被认可,应该快被授权了

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pfcz|  楼主 | 2024-7-9 09:21 | 显示全部楼层
本帖最后由 pfcz 于 2024-7-10 12:21 编辑

1V超低噪声高精度低压差串并联电压基准示意图:   R51、D51、对Q51实现电压温度系数补偿, Q51的电压约为0.5V;R52、D52则对Q52的Vb进行电压温度系数补偿。而Q53、R53、R55则为附加温度系数调整, 可以对整体的电压温度补偿误差通过改变R53、R55电阻比来精密调整, 对非线性误差也可以改变Q53的参数、改Q53参数或改为其它温度敏感元件、改变调整电路组合等方法进行精密调整。三极管Q52的C极接反向肖特基D52后,不仅使Vbe电压温度系数得到补偿,使Q52能准确的放大来自基极的电压信号;由于反向肖特基的恒流特性,还使电压放大倍数增加好多倍。在电路中,Q52的be极与Q51构成电压检测回路,回路中没有其它元件,使得电压检测灵敏度非常高,Vref略有偏移或波动就有灵敏的反应, 限制其灵敏度的因素只有Q52、Q51be极本身极低的低频噪声。图中,Vcc为外部电源,Vdd为负载电流输出端,给负载提供高精度电压、电流;GND为公共端,Vref则为接近电压取样三极管Q51、Q52端子的电压精准输出端,Vdd负载输出的电流不流经+Vref、-Vref组成的回路,Vdd输出电流的线路压降对Vref几乎不构成影响。当Vcc接外部电源时,就构成串联稳压基准,最低压差仅仅是场效应管N-JEFT的最低压降。 ​   图示电路经实际测试,具有极高电源直流电压抑制比。在输出1.00V时, 空载时电源电压从1.05V到12V, Vref输出变化小于0.2uV。0.1到10Hz的1/f噪声极低, 峰-峰值可低达0.2uV。 ​     图中所示电路还可以对较大电流的负载进行并联稳压, 用Vdd、GND端子与负载并联即可, 由Q55执行控制电压功能;如果专门用于并联稳压,可省略N-IFET。反之,如果对旁路电流功能没有要求,也可省略Q55这一组电路。

IMG_20240709_235850.jpg

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pfcz|  楼主 | 2024-7-9 10:15 | 显示全部楼层
本帖最后由 pfcz 于 2024-7-10 11:55 编辑

图中通过改变R54与R55的电阻比, 可以改变R55的压降, 从而改变由Q54基极控制的肖特基D52的电位,D52的反向电流也随着出现少量变化, 从而引起Q52的Vbe变化, 实验中, R55的电压变化150mV, 会引起输出Vref 1mV的变化, 从而实现精调输出电压;感温三极管Q53通过R53、R55的限流, 产生随着温度的变化而变化的电流,同样道理,最终影响Vref输出的变化,因为这个变化随温度而变,所以可实现温度系数的精确调整。同样的,当R55上电压出现150uV/C的变化时, 会引起输出Vref 1uV/*C即1ppm/℃的变化。故这种电路可以在反向肖特基与三极管没能很好配对时也能实现对温度系数非常精确的调整。根据实际电路产生的温度系数的变化情况,配以合适的温度系数调整电路,以对温度系数的非线性也得到补偿, 可进一步降低电压温度系数;也可再附加温度-程序控制电流给R55提供调整电流,可非常灵活的在全使用温度范围内精准的给予电压温度系数补偿。

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pfcz|  楼主 | 2024-7-9 10:32 | 显示全部楼层
这种电压基准原理明显不同于现有普遍使用的稳压管、带隙、MOS管电压基准,没有被这方面的教科书或其它专业资料提到过,不知有专业人员及企业愿意深入开发吗?

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coody| | 2024-7-9 22:12 | 显示全部楼层
我90年代时,TL431都很难买到,后来我发现红光LED的温度系数跟三极管BE极PN结比较接近,于是使用红光LED+三极管射极输出做成1.2V左右的基准,或者做恒流源(使用至今),效果不错。现在做分立零件HIFI功放,我依旧使用红光LED+三极管射极输出做恒流源负载,工作点稳定、准确。

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pfcz|  楼主 | 2024-7-9 23:33 | 显示全部楼层
本帖最后由 pfcz 于 2024-7-9 23:35 编辑

LED也属于PN结,压降更高,以ppm表示其温度系数一般比硅PN结低不少。

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pfcz|  楼主 | 2024-7-9 23:37 | 显示全部楼层
对普通LED做了测试,其低频噪声比硅PN结大很多

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pfcz|  楼主 | 2024-7-9 23:45 | 显示全部楼层
本帖最后由 pfcz 于 2024-7-10 12:13 编辑

某一肖特基同一反向电压在不同温度下的反向电流测试数据
IMG_20240710_120509.jpg

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pfcz|  楼主 | 2024-7-10 00:38 | 显示全部楼层
本帖最后由 pfcz 于 2024-7-10 12:16 编辑

某一肖特基同一温度在不同反向电压下的反向电流测试数据
IMG_20240710_120601.jpg

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PPDDPPDD1234| | 2024-7-10 21:35 | 显示全部楼层
这玩意,看起来逻辑上没问题。但是问题或许就出在“当参数合适并串入一个电阻修正后,其电压温度系数在数十度温度范围内几乎为零”,工业上,能批量的才有意义。
“简单的PN结肖特基结电压基准的组合实验中,1V电压基准的温漂低至3PPM,0.1~10 Hz噪声低至0.2uVp-p”,老实讲,温度系数我是不太信。要想让别人乐意试试,你至少也得来10套或者20套做个基本的实验,看看有多少真正到了3ppm

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pfcz|  楼主 | 2024-7-11 00:43 | 显示全部楼层
PPDDPPDD1234 发表于 2024-7-10 21:35
这玩意,看起来逻辑上没问题。但是问题或许就出在“当参数合适并串入一个电阻修正后,其电压温度系数在数十 ...

对于这个问题在专利申请说明书中有比较详细的说明,既经过大量的实验验证也进行了理论的推导。其实,这个原理很简单,就是反向肖特基的反向电流恰好能对正向PN结的非常明显的负电压温度系数进行很好的补偿,并且在工业生产中很容易实现。这种控制跟带隙基准一样,通过控制结面积的比值就可以很方便的控制电压温度系数的大小与方向。控制了结面积的比例也就控制了电流密度,也就是控制了电压温度系数。而控制这些参数,都是现在非常成熟的技术,在工业生产中可以非常精确高效的进行修调。PN结不同电流密度时温度系数的关系式:0.086ln(I1/I2) mV/℃,假如因制造误差为匹配结面积的±1%,那么因此产生的电压温度系数偏移就是±0.086ln1.05=±0.86uV/℃。


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pfcz|  楼主 | 2024-7-11 00:46 | 显示全部楼层
本帖最后由 pfcz 于 2024-7-11 21:48 编辑

   带隙基准电压的根本也来源于PN结电压。其中包含一个明显负温度系数的PN结电压,再叠加一个由不同电流密度的PN结形成的正温度系数的电压差并加以放大至相同数值的正温度系数,用以刚好抵消PN结的负温度系数。正温度系数被放大的同时,低频噪声及其它误差也被放大,严重影响带隙基准电压的低频噪声与精度。而肖特基反向电流具有噪声低性能稳定的优势,能刚好对PN结的负温度系数进行很好的补偿,还容易精准方便的组成各种大小的电压及精密微调电压与温度系数,原理与电路比带隙电压基准也更简单,具有明显的优点与特色。

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PPDDPPDD1234| | 2024-7-11 21:42 | 显示全部楼层
pfcz 发表于 2024-7-11 00:43
对于这个问题在专利申请说明书中有比较详细的说明,既经过大量的实验验证也进行了理论的推导。其实,这个 ...

我不是搞电的。没看过啥论文,作为一个纯外行来说,
一般低温漂系数实现最直白的就是两个相反温度系数的东西去匹配,你这个是两个相反电流系数的材料去匹配,绕了一手而已。并且由于指标并不突出,TOP10都到不了,科研价值寥寥。大佬们显然不屑于做这个。工业界只关心能不能大卖而已,似乎也不搭边。
故而,我感觉这个事情,有新意但没前途。

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pfcz|  楼主 | 2024-7-11 22:19 | 显示全部楼层
PPDDPPDD1234 发表于 2024-7-11 21:42
我不是搞电的。没看过啥论文,作为一个纯外行来说,
一般低温漂系数实现最直白的就是两个相反温度系数的 ...

肖特基与硅PN结并非相反温度系数,恰恰它们的正向电压都具有明显的负温度系数,反向电流都具有明显的正温度系数,具有类似的电压-电流表达方程式。但在小电流下,肖特基的电压降比硅PN结低很多,相应的,肖特基的反向电流比硅PN结大好几个数量级。反向肖特基与正向PN结串联后,PN结上的电压等于相同小电流下它们的正向电压差。在实验中,PN结电压在0.5V左右时有很小的电压温度系数。这个电压值与材质有关。

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