[其他]能隙差稳压电源

说明书

本发明属于电子学领域，属于采用电子学方法获得宽温区低温度系数稳定直流电源的器件和电路发明。

目前低温漂低内阻稳压直流电源用两种方法获得：第一种方法采用处于反向击穿状态的击穿电压值具有正温度系数的p-n结与正向导通的p-n结串联，令其结电压温度系数相消，取其结电压之和为输出电压，在一定温区和工作电流范围内获得低温漂稳压电源，如中国电子产品2DW7系列稳压管。第二种方法采用两个不同电流密度的硅晶体管e-b结电压之差经过后续有源器件电路处理，构成线性集成电路，输出电压值等于硅半导体材料绝对零度禁带宽度值的直流电压，如美国NS（National    Semiconductor）公司电子产品LM113系列1.2伏特基准稳压电源。第一种方法不能获得低于5.5伏特的稳压值，p-n结反向击穿电压随温度的变化规律与p-n结正向电压随温度的变化规律不同，只能在某一狭窄温度区段近似抵消，限制了器件的使用温区，同时在这种工作方式下电源功耗大，相互串联的两个p-n结功耗约为60mw。第二种方法只能获得电压值为1.2伏特的稳压源，工作温区受到硅器件集成电路允许使用温度的限制。这两种稳压源都不能在低于-100℃和高于120℃的环境中工作。本发明采用与这两种方法不同的方案设计制造觉温区低功耗低温度系数具有多种输出电压值的直流稳压电源，为低温、高温电子电路及袖珍式测量仪表提供一种新型的供电电源和参考电压基准。获得的稳定电压值是两种半导体材料绝对零度禁带宽度值或两种肖特基二极管势垒高度值的差，简称能隙差稳压电源。

图1-能隙差稳压电源工作原理示意图。图中横坐标T表示温度，纵坐标V表示p-n结正向电压。曲线1-绝对零度禁带宽度值为Eg₀₁的半导体材料p-n结正向电压与温度的关系，实线为实验值，虚线为延伸作图线，曲线2-绝对零度禁带宽度值为Eg₀₂的半导体材料p-n结通过工作电流调节之后正向电压变化率与曲线1相同时正向电压与温度的关系，实线为实验值，虚线为延伸作图线，3-两条作图延伸线与纵坐标轴交点纵坐标之差△V＝（Eg₀₂-Eg₀₁）/q，4-能隙差稳压电源的工作温区，5-能隙差稳压电源的输出电压值（Eg₀₂-Eg₀₁）/q。

图2-能隙差稳压电源的基本构成和工作方式示意图。1-第1p-n结，2-第2p-n结，3-为第1p-n结供电的电流源，4-为第2p-n结供电的电流源，5-输出端，6-使两个p-n结等温的均热装置。

图3-一种进一步降低内阻的能隙差稳压电源电路原理图。1-限流电阻，2-第1p-n结，3-平衡电阻，4-运算放大器，5-限流电阻，6-第2p-n结，7-平衡电阻，8-运算放大器，9-输出端，10-直流电源。

图4-一种可以连续调节电压值的能隙差稳压电源电路原理图。1-第1p-n结，2-第2p-n结，3-运算放大器，4-可变电阻，5-直流电源，6-输出端，7、8、9、10、11、12、13、14-固定电阻。

图5-用1.5V干电池获得电压值为0.35伏特的低功耗低温漂稳压电源的构成电路原理图。1-砷化镓p-n结，2-硅p-n结，3-510Ω电阻，4-420Ω电阻，5-2KΩ电阻，6-1KΩ电位器，7-1.5伏特干电池，8-输出端。

采用置于相同温场中禁带宽度不同的两种半导体p-n结（或势垒高度不同的两种肖特基二极管）正向导通电压之差作为输出电源，分别调节其正向电流，使其具有相同的正向电压温度系数。在本征激发和材料体电阻可以然略不计的条件下，正向导通的p-n结结电压具有如下函数形式

V_F＝ (Ego)/(q) +F（T，I_F）

其中V_F-p-n结正向电压，单位为伏特

Ego-半导体材料绝对零度禁带宽度值，单位为电子伏特

q-电子电荷量，q＝1.6×10^-19库仑

F（T，I_F）-温度T的准线性函数，函数值与正向电流I_F有关。