![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Источники опорного напряжения
В любой схеме стабилизатора компенсационного типа требуется опорное напряжение, с которым сравнивается величина выходного напряжения. Стабильность выходного напряжения стабилизатора не может быть выше стабильности его источника опорного напряжения. Источники опорного напряжения (ИОН) широко применяются также в качестве эталонной меры в аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователях, а также в разного рода пороговых устройствах. Основное назначение ИОН — создавать образцовое напряжение, которое могло бы быть использовано электронными устройствами преобразования информации в качестве меры, эталона. ИОН на стабилитронах. Простейший метод получения опорного напряжения состоит в том, что нестабилизированное входное напряжение прикладывают через токоораничивающий резистор к стабилитрону, который играет роль так называемого параметрического стабилизатора, чей основной параметр — напряжение пробоя обратносмещенного p-n -перехода (рисунок а).
Полупроводниковый стабилитрон, представляющий собой разновидность диода обладает характерной вольтамперной характеристикой. При определенном обратном напряжении происходит пробой который называется коэффициентом стабилизации. Для схемы на рисунок а коэффициент стабилизации
и составляет обычно от 10 до 100. Здесь Существенного повышения коэффициента стабилизации можно достичь, если токоограничивающий резистор заменить источником стабильного тока, например на полевом транзисторе.
В этом случае
Коэффициент стабилизации в такой схеме определяется главным образом коэффициентом подавления нестабильности питания В схеме выходное напряжение ИОН не может быть меньше напряжения стабилизации стабилитрона. Если требуется более низкое напряжение, то между стабилитроном и неинвертирующим входом усилителя включается резистивный делитель. Так устроен, например, источник опорного напряжения AD586. Применение ОУ позволяет также путем подгонки соотношения сопротивлений резисторов В итоге, колебания выходного напряжения ИОН, выполненного по этой схеме, при реальных изменениях входного напряжения и нагрузки не превышают 1 мВ. Существенно большие значения имеют температурные колебания опорного напряжения. Температурный коэффициент напряжения стабилизации стабилитрона (ТКН) определяется как отношение относительного приращения напряжения стабилизации к приращению температуры Для большинства стабилитронов он находится в пределах Рекордными характеристиками для этого класса ИОН обладает 5-вольтовая ИМС VRE3050 производства фирмы «Thaler Corporation» — ТКН = Для повышения температурной стабильности в некоторые ИМС источников опорного напряжения (например, LM199/299/399, отечественный аналог — 2С483) встраивают термостаты с нагревательным элементом. Обе части схемы (нагреватель и ИОН) изготавливаются на одном кристалле, который помещается в теплоизолированном корпусе. Это позволяет достичь ТКН
ИОН на напряжении запрещенной зоны. Современная тенденция повышения экономичности электронных устройств требует снижения питающих напряжений. Многие типы аналоговых и цифровых микросхем в настоящее время питаются напряжениями 5 В, 3 В и менее. Для работы с такими схемами требуются источники опорного напряжения на 2.5 В и ниже, потребляющие ток менее 1 мА. В принципе напряжение база—эмиттер транзистора можно использовать в качестве опорного. Но его температурный коэффициент напряжения (ТКН) составляет Выходное напряжение схемы Чтобы температурный коэффициент выходного напряжения был равен нулю, необходимо (но не достаточно), чтобы температурные коэффициенты напряжений
Схема источника опорного напряжения на биполярных транзисторах, разработанная Р. Видларом в 1968 году, приведена на рисунке.
При анализе схемы будем полагать, что все транзисторы идеально согласованы по параметрам и имеют очень высокий коэффициент усиления тока базы. Напряжение база—эмиттер транзистора определяется следующим уравнением:
где
Опорное напряжение Температурный коэффициент опорного напряжения
Из последнего выражения следует, что, для того чтобы температурный коэффициент опорного напряжения был равен нулю, достаточно выполнения условия
Опорное напряжение при базовой температуре найдем из V REF при Т= То
Сравнивая последние соотношения, можем утверждать
т. е. для того чтобы ТКН равнялся нулю, опорное напряжение должно быть равно напряжению запрещенной зоны полупроводника при абсолютном нуле температуры. Для кремния это составляет 1.205 В. Именно поэтому такие источники называются ИОН на ширине запрещенной зоны. Выполнение последнего условия достигается выбором коэффициентов Источники опорного напряжения, построенные по схеме Рис. 5.33 и подобным ей, выпускаются многими фирмами в двухвыводных корпусах.Одним из первых был LM113. Это двухвыводной ИОН на номинальное напряжение стабилизации 1.22 В. Типичное отклонение опорного напряжения при изменении температуры —55°С...+125°С и изменении выходного тока 0.5мА...20мА не превышает 5 мВ. Другой пример: микросхема AD589 обеспечивает опорное напряжение 1.23 В с точностью 2% при ТКН =
Параметры источников опорного напряжения.
Точностные параметры. Основное назначение ИОН — создавать образцовое напряжение, которое могло бы быть использовано электронными устройствами преобразования информации в качестве меры, эталона. Поэтому главное требование к ИОН — поддерживать выходное напряжение неизменным, равным номинальному значению в условиях изменяющегося входного напряжения, токов нагрузки, температуры окружающей среды и старения элементов. К точностным параметрам ИОН относятся: начальная точность установки выходного напряжения в нормальных условиях, коэффициент стабилизации по входному напряжению, коэффициент стабилизации по току нагрузки, температурный коэффициент напряжения, тепловой гистерезис, временная нестабильность, шум выходного напряжения. Начальная точность установки выходного напряжения зависит в основном от технологических факторов. Отклонения выходного напряжения от номинального значения вызваны разбросом элементов, входящих в состав ИОН. Точность установки повышают путем лазерной подгонки сопротивлений резисторов схемы. Коэффициент стабилизации по входному напряжению определяется как отношение приращения входного напряжения к вызываемому им приращению выходного напряжения ИОН: Иногда в справочниках приводится нестабильность по напряжению как абсолютное изменение выходного напряжения в мВ, процентах или миллионных долях (ррm) при изменении входного напряжения в заданных пределах. Повышение коэффициента стабилизации достигается увеличением коэффициента усиления контура регулирования. Коэффициент стабилизации по току нагрузки характеризует стабильность выходного напряжения стабилизатора при изменении тока нагрузки. Обычно под этим коэффициентом понимают относительное изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки в заданных пределах в процентах или миллионных долях от номинальной величины. Используются также термины «нестабильность по току нагрузки» и «выходное дифференциальное сопротивление»: которое измеряется в Ом. Этот параметр также существенно зависит от коэффициента усиления контура регулирования. Для уменьшения влияния выходного тока при работе ИОН на удаленную нагрузку широко используется кельвиновское (т. е. четырехпроводное) подключение (при этом напряжение обратной связи снимается непосредственно с входных зажимов питания устройства-потребителя). Для этого некоторые модели прецизионных ИОН, например AD588, имеют специальные выводы. Выходное сопротивление для трехвыводных параллельных ИОН зависит от коэффициента передачи Температурный коэффициент выходного напряжения характеризует нестабильность выходного напряжения ИОН при изменении температуры окружающей среды. Это вторая по важности после точности установки выходного напряжения (а в некоторых случаях даже первая) точностная характеристика. Для многих изготовителей измерительных приборов ТКН менее Однако в силу того, что эта зависимость не только не линейна, но даже и не монотонна, ТКН, определенный по этой формуле, сам очень сильно зависит от температуры. Обычно применяется метод поля, при котором задается поле допуска на отклонения опорного напряжения от номинального значения в заданном температурном диапазоне. На следующем рисунке представлен график зависимости опорного напряжения от температуры для прецизионного ИОН AD588.
Эта зависимость (ее называют S-образной) характерна для ИОН на основе стабилитронов с так называемым «захороненным» слоем (или скрытым Зенеровским переходом). Очевидно, что вычисленный по вышеприведенной формуле ТКН, ни в какой мере не определяет действительные границы, в которых должно оставаться опорное напряжение при изменении температуры в рабочем диапазоне. Поэтому обычно ТКН вычисляют по формуле
Например, для AD588 эта формула дает На вид зависимости опорного напряжения от температуры существенно влияет величина его начального значения. Это вызвано тем, что, в свою очередь, величина опорного напряжения конкретного ИОН связана с точностью компенсации ТКН его базового опорного элемента. Недокомпенсаиия ведет к снижению V REF, а перекомпенсация наоборот, к его увеличению. На следующем рисунке приведены графики зависимости опорного напряжения от температуры для трех образцов ИОН типа TL431.
Видно, что при недокомпенсашш в диапазоне температур преобладает отрицательный ТКН, а при перекомпенсации — положительный. В справочниках часто приводится так называемая «температурная стабильность», под которой понимают относительное изменение выходного напряжения в процентах от номинальной величины при изменении температуры окружающей среды в допустимых для данной ИМС пределах. Используется также термин «температурный дрейф выходного напряжения», определяемый отношением Тепловой гистерезис — неоднозначность изменения опорного напряжения в результате изменения температуры. Он проявляется в том, что при нагреве ИОН и последующем возврате к исходной температуре, его опорное напряжение не всегда принимает первоначальное значение. Тепловой гистерезис трудно компенсировать, и зачастую он является главным источником погрешности при температурных колебаниях с амплитудой 25 °С и больше. Изготовители ИОН сравнительно недавно начали включать данные о тепловом гистерезисе своих изделий в техническую документацию. Например, для ИОН МАХ6250 тепловой гистерезис при изменении температуры в последовательности 25°С à 50°С à 25°С равен 20 мкВ, что сопоставимо с отклонением опорного напряжения при изменении температуры на 7°С. Долговременная нестабильность (временной дрейф) определяет относительное изменение выходного напряжения в процентах от номинального значения за 1000 часов работы при температуре окружающей среды, соответствующей верхней границе рабочего диапазона. Для ИОН на стабилитронах типичное значение временного дрейфа составляет Шум опорного напряжения характерен для ИОН, так же как и для ОУ, но интенсивность шума ИОН значительно превосходит таковую для ОУ. Шум опорного напряжения вносит ошибку в измерения. В опорном напряжении преобладают два типа шума: фликкер-шум ( График спектральной плотности шума для прецизионного ИОН AD588
Широкополосный тепловой шум может быть заметно сглажен путем подключения параллельно выходу ИОН конденсатора. На следующем рисункеможно видеть степень влияния на спектральную плотность шума ИМС МАХ6225 конденсатора емкостью 1 мкФ, подключенного параллельно выходу ИМС.
Влияние шунтирующего конденсатора на спектральную плотность шума
Однако не все модели ИОН допускают непосредственное подключение конденсатора без потери устойчивости. Решением здесь может быть подключение нагрузки к ИОН через.
График зависимости действующего значения шума опорного напряжения ИОН от частоты среза выходного фильтра
Поскольку в отличие от ОУ выходное напряжение ИОН меняться не должно, можно использовать фильтр с большой постоянной времени. К сожалению, применение В стабилитронных ИОН конденсатор для снижения шума может быть подключен непосредственно параллельно стабилитрону либо параллельно неинвертирующему входу усилителя, входящего в состав ИОН, как это, например, предусмотрено у прецизионного AD587. При этом условия устойчивости ИОН не ухудшаются, поскольку конденсатор не входит в контур обратной связи. К основным динамическим параметрам источников опорного напряжения относятся коэффициент подавления пульсаций, полное выходное сопротивление и время установления после включения. Коэффициент подавления пульсаций
Полное выходное сопротивление
Графики зависимости от частоты модуля полного выходного сопротивления ИМС МАХ6225.
В фирменных описаниях микросхем ИОН часто приводятся графики переходных характеристик — зависимости от времени опорного напряжения при скачкообразном изменении входного напряжения или тока нагрузки. Время установления после включения — время, в течение которого опорное напряжение устанавливается с заданной точностью после подачи питания. У большинства ИОН опорное напряжение устанавливается до 0.1% за время менее 10 мкс. Этот параметр важен для систем с батарейным питанием, поскольку в этом случае целесообразно подавать питание на узлы системы только на короткое время их работы.
К важнейшим эксплуатационным параметрам ИОН относятся: • диапазон допустимых входных напряжений; • максимально допустимый ток нагрузки; • максимально допустимая рассеиваемая мощность; • минимально допустимое напряжение между входом и выходом ИОН при максимальном или дополнительно оговоренном токе нагрузки; • ток, потребляемый ИОН в режиме холостого хода (часто называемый током утечки); • допустимый диапазон температур окружающей среды. В таблице приведены параметры некоторых моделей источников опорного напряжения.
Примечание. Если в качестве регулирующего элемента выступает транзистор включенный последовательно с нагрузкой, то такой ИОН называют последовательным. Схема ИОН, основанная на регулирующем элементе (транзисторе), включаемым параллельно нагрузке, называется параллельным.
|