БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра РЭС

Реферат на тему:

«Источники опорного напряжения»

МИНСК, 2009

В любой схеме стабилизатора требуется наличие опорного напряжения, 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 цифро-аналоговых преобразователях, а также в разного рода пороговых устройствах.

Простейший метод получения опорного напряжения состоит в том, что нестабилизированное входное напряжение прикладывают через токоограничивающий резистор к стабилитрону (рис. 1а).

Рис. 1. Схемы ИОН на стабилитронах

Качество стабилизации оценивается коэффициентом

К_ст = DU_вх /DU_оп,

который называется коэффициентом стабилизации. Для схемы на рис. 1а коэффициент стабилизации

К_ст = 1 + R/r_ст,

и составляет обычно от 10 до 100. Здесь r_ст - дифференциальное сопротивление стабилитрона. Оно приблизительно обратнопропорционально току, протекающему через стабилитрон, поэтому при заданном входном напряжении увеличением сопротивления резистора R невозможно добиться повышения коэффициента стабилизации. Важным фактором для выбора стабилитрона является величина шумовой составляющей напряжения стабилизации, которая сильно возрастает при малых величинах тока. Недостатком схемы на рис. 1а является относительно высокое выходное сопротивление (десятки ом), которое также возрастает при уменьшении тока через стабилитрон. Другим недостатком является большой разброс напряжений стабилизации, который даже для прецизионных стабилитронов достигает 5% от номинального значения.

Существенного повышения коэффициента стабилизации можно достичь, если токоограничивающий резистор заменить источником стабильного тока, например, на полевом транзисторе. В этом случае К_ст может превысить 1000.

Можно существенно улучшить характеристики источника опорного напряжения, если использовать в его составе операционный усилитель (рис. 1б). Коэффициент стабилизации в такой схеме определяется главным образом коэффициентом влияния источников питания Kв.ип в используемом ОУ и может достигать величины порядка 10000. Выходное сопротивление этой схемы составляет десятые доли ома. Поскольку напряжения на входах ОУ практически равны, выходное напряжение источника опорного напряжения

U_вых = U_оп(1 + R₂/R₁)

и не может быть меньше напряжения стабилизации стабилитрона. Применение ОУ позволяет также путем подгонки соотношения сопротивлений резисторов R₂/R₁ достичь высокой точности опорного напряжения.

Таким образом, колебания выходного напряжения источника опорного напряжения, выполненного по схеме на рис. 1б, при реальных изменениях входного напряжения и нагрузки не превышают 1 мВ. Существенно бoльшие значения имеют температурные колебания опорного напряжения. Температурный коэффициент напряжения стабилизации стабилитрона (ТКН) определяется как отношение относительного приращения напряжения стабилизации к приращению температуры:

ТКН = DU_ст /(U_ст DТ).

Для большинства стабилитронов он находится в пределах +/-1· 10^-3 К ^-1. Для малых напряжений стабилизации он отрицателен, для больших - положителен. Минимума по абсолютной величине этот коэффициент достигает при напряжениях стабилизации около 6 В. Стабилитроны, имеющие ТКН в пределах +/- 1· 10^-5 К ^-1, называют опорными диодами и используют в схемах источников опорного напряжения на напряжения обычно свыше 7,5 В. Примером такого источника опорного напряжения может служить ИМС МАХ671С, обеспечивающая выходное напряжение 10 В с точностью 0,01% при К_ст=20000, ТКН=3· 10^-6 К^-1 и токе потребления 9 мА. Другой пример - AD586 (отечественный аналог - 1009ЕН2) создает выходное напряжение 5 В с точностью 0,05% при К_ст=10000, ТКН=2· 10^-6 К^-1 и токе потребления 3 мА.

Рекордными характеристиками для этого класса ИОН обладает 5-вольтовая ИМС VRE3050 производства Thaler Corporation - ТКН=0,6· 10^-6 К^-1, точность 0,01%, выходное сопротивление 0,025 Ом.

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 <= 1· 10^-6 К^-1 в диапазоне температур от -25°С до +85°С. Недостаток такого решения - довольно большая мощность, потребляемая источником опорного напряжения (около 400 мВт при 25°С).

ИОН, использующий в качестве опорного параметра напряжение 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 ТКН его составляет -3· 10^-3 К^-1, что соответствует примерно -2,1 мВ/К, т.е. достаточно большой. Он может быть уменьшен, если это напряжение суммировать с другим напряжением, имеющим положительный температурный коэффициент. Практически такое напряжение получают как разность напряжений база-эмиттер двух транзисторов, которые работают при различных токах коллектора. Схема источника опорного напряжения на биполярных транзисторах, разработанная Р. Видларом в 1968 году, приведена на рис. 2.

Транзистор VT₁ используется в диодном включении. Его коллекторный ток составляет

Транзистор VT₃ охвачен отрицательной обратной связью по напряжению, осуществляемой с помощью резистора R. На коллекторе транзистора VT₂, так же как и на коллекторе транзистора VT₁, устанавливается потенциал 0,6 В. Ток коллектора транзистора VT₂ составляет

Рис. 2. Источник опорного напряжения на биполярных транзисторах

Соотношение коллекторных токов транзисторов VT₁ и VT₂, таким образом, составляет

I_к1 /I_к2 = n₁. (1)

Определим теперь напряжение U₁. Оно равно разности напряжений база-эмиттер транзисторов VT₁ и VT₂:

U₁ = U_бэ1 - U_бэ2. (2)

Напряжение база-эмиттер биполярного транзистора связано с током коллектора уравнением Эберса-Молла:

(3)

где I_к0 - теоретический обратный ток коллектора, e₀ - заряд электрона, k - постоянная Больцмана. С учетом (2) и (3) соотношение (1) примет вид:

U₁ = (kT/e₀)ln n₁ . (4)

Чтобы разность напряжений база-эмиттер транзисторов VT₁ и VT₂ была положительной, необходимо выполнение условия n₁ > 1, т.е. I_к1 > I_к2. Допустим, что n₁=10, тогда получим из (4) при комнатной температуре U₁ примерно равным 60 мВ. Температурный коэффициент этого напряжения положителен и составляет, согласно формуле (4),

(5)

При комнатной температуре (Т примерно равно 300 К) ТКН в рассмотренном примере составит около +0,2 мВ/К. Для получения компенсирующего напряжения с требуемым ТКН, составляющим +2 мв/К, необходимо увеличить напряжение U₁ в 10 раз. Эту задачу выполняет транзистор VT₂, в цепи эмиттера которого включен резистор с сопротивлением R/n₂. Для получения коэффициента усиления, равного 10, необходимо, чтобы n₂=10. При этом получим U₂=0,6В с необходимым положительным ТКН. За счет отрицательной обратной связи, осуществляемой каскадом на транзисторе VT₃, напряжение на его коллекторе (оно же выходное) установится равным величине

U_оп = U_бэ3 + U₂ = U_бэ3 + n₂(kT/e₀)ln n₁ = 1,2 В

и почти не будет зависеть от температуры.

Можно показать, что в такой схеме ТКН равен нулю, если n₁ и n₂ подобраны так, чтобы выходное напряжение равнялось

U_оп = W_g / e₀ = 1,205 В,

где W_g - ширина запрещенной зоны для кремния. Поэтому такие источники опорного напряжения часто называют источниками на запрещенной зоне (bandgap references).

Источники опорного напряжения, построенные по схеме рис. 2 и подобным ей, выпускаются многими фирмами в двухвыводных корпусах (без последовательного источника тока, показанного на рис. 2). Например, микросхема AD589 обеспечивает опорное напряжение 1,23 В с точностью 2% при ТКН=1·10^-5К^-1 и обладает выходным сопротивлением 0,6 Ом при токе потребления 50 мкА.

Если требуется опорное напряжение выше 1,2 В, то применяется вариант этой схемы с ОУ (рис. 3).

Рис. 3. ИОН на биполярных транзисторах с ОУ и последовательным регулирующим элементом

При работе ОУ в линейном режиме, его дифференциальное входное напряжение практически равно нулю. Поэтому, как и в предыдущей схеме, выполняется условие (1). Разность напряжений база-эмиттер транзисторов VT₁ и VT₂ U₁=n₂I_к2R падает на резисторе R/n₂. Напряжение

U₂ = (I_к1 + I_к2)[R/(1+n₁)]

в n₂ раз больше U1. Опорное напряжение в соответствии с вышеизложенным составляет

U_оп = U_бэ1 + U = U_бэ1 + n₂(kT/e₀)ln n₁

Если подобрать коэффициент n₂ln n₁ таким, что U_оп=1,205 В, то ТКН будет равен нулю. Выходное напряжение источника опорного напряжения можно варьировать путем изменения коэффициента деления делителя R₁, R₂.

В схеме на рис. 3 регулирующим элементом выступает верхний транзистор оконечного каскада усилителя, показаный пунктиром. Этот транзистор включен последовательно с нагрузкой, поэтому такой ИОН называют последовательным. Характерным примером последовательных источников опорного напряжения является семейство AD1582/3/4/5.

Типовая схема включения ИОН с последовательным регулятором содержит конденсатор емкостью обычно 1 мкФ или более, включаемый параллельно выходу ИОН. Этот конденсатор обеспечивает устойчивость источника. Кроме того, он несколько снижает шум выходного напряжения.

Источники опорного напряжения, построенные по схеме рис. 3, выпускаются многими фирмами в трехвыводных корпусах и в корпусах других типов. Например, микросхема AD780 обеспечивает опорное напряжение 2,5 или 3 В с точностью 0,04% при К_ст=100 000, ТКН=3· 10^-6К^-1 и обладает выходным сопротивлением 0,04 Ом при токе потребления 1 мА. Микромощный ИОН МАХ872 создает опорное напряжение величиной 2,5 В с точностью 0,2% при К_ст=50000, ТКН=4·10^-5К^-1. Его выходное сопротивление равно 0,6 Ом, а ток потребления - 10 мкА. Обе микросхемы имеют вывод датчика температуры.

Схема источника опорного напряжения с регулирующим элементом, включаемым параллельно нагрузке, приведена на рис. 4.

Рис. 4. ИОН с параллельным регулирующим элементом

Здесь усилитель управляет транзистором VT₃, который поддерживает разность потенциалов коллектор-эмиттер равной

Эта схема так же как и схема на рис. 2 представляет собой двухвыводной опорный элемент. Ее основное достоинство - схемотехническая простота генерации опорного напряжения как положительной, так и отрицательной полярности. Недостатком параллельного регулятора является повышенное потребление энергии в случае изменения входного напряжения источника опорного напряжения в широких пределах. На рис. 5 для сравнения приведены зависимости тока потребления I_пот от входного напряжения U_вх для последовательного ИОН AD1582 и параллельного AD1586.

Рис. 5. Графики зависимости тока потребления от входного напряжения для последовательного и параллельного ИОН

Параллельные источники опорного напряжения, как правило, не требуют подключения параллельного корректирующего конденсатора.

Широко применяемая недорогая ИМС параллельного источника опорного напряжения TL431 (отечественный аналог - 142ЕН19) выпускается в трехвыводном корпусе ТО92, причем наружу выведен верхний вывод резистора R₂ - вывод управления. При внешнем подключении вывода управления к выводу, соединенному с коллектором транзистора VT₃, ИОН имеет выходное напряжение 2,5 В. Если требуется более высокое опорное напряжение, то коллектор транзистора VT₃ соединяется с выводом управления через внешний резистивный делитель.

ИОН на полевых транзисторах

Сравнительно недавно на рынке электронных компонентов появилось новое поколение источников опорного напряжения - XFET-источники (eXtra Field Effect Transistor). Новая схемотехника обеспечивает источнику опорного напряжения низкий шум, малый ток потребления, низкий ТКН и очень высокую долговременную стабильность.

Ядро XFET-источника состоит из двух полевых транзисторов с управляющим pn-переходом (рис. 6), один из которых (VT₂) имеет дополнительный встроенный канал, за счет чего его напряжение отсечки увеличено по сравнению с напряжением отсечки транзистора VT₁.

Рис. 6. ИОН на полевых транзисторах

Токи стоков транзисторов одинаковы (J₁=J₂); за счет действия операционного усилителя разность потенциалов истоков транзисторов равна нулю. Поэтому образуется разность потенциалов между затворами транзисторов Uоп, которая может быть усилена и использована для формирования весьма стабильного опорного напряжения.

Для этих источников опорного напряжения характерна величина U_оп примерно 0,5 В с отрицательным ТКН около -60 мкВ/К, что примерно в 30 раз меньше, чем у ИОН на ширине запрещенной зоны. Такая малая температурная нестабильность может быть легко скомпенсирована практически таким же способом, что и у источника опорного напряжения на ширине запрещенной зоны. В схеме на рис. 6 эта компенсация осуществляется источником тока JТК с положительным ТКН.

Меньшая величина ТКН опорного элемента на полевых транзисторах и, как следствие, меньший компенсационный ток JТК, обуславливают значительно меньший, чем у источников опорного напряжения на ширине запрещенной зоны, шум выходного напряжения, так как большая часть шума ИОН на ширине запрещенной зоны приходит из схемы температурной компенсации. Уравнение электрического равновесия схемы на рис. 6 имеет вид

Характерными представителями источников опорного напряжения на полевых транзисторах является семейство ADR29х, из которого, например, ИОН ADR291Е на 2,5 В имеет типичное значение ТКН=3·10^-6 1/К, уровень шума 8 мкВ от пика к пику в полосе 0,1...10 Гц, типовой ток потребления 9 мкА и прекрасную долговременную стабильность.

В таблице 1 представлены основные параметры некоторых моделей источников опорного напряжения.

Таблица 1

Литература

Лидовский В.И. Теория информации. - М., «Высшая школа», 2002 г. - 120 с.

Метрология и радиоизмерения в телекоммуникационных системах. Учебник для ВУЗов. / В.И. Нефедов, В.И. Халкин, Е.В. Федоров и др. - М.: Высшая школа, 2001 г. - 383 с.

Цапенко М.П. Измерительные информационные системы - М.: Энергоатом издат, 2005. - 440 с.

Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В., Финк Л.М. Теория передачи сигналов. М: Радио и связь, 2001 г. -368 с.