Стабилизаторы напряжения с компенсационно-параметрическими каналами

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

С КОМПЕНСАЦИОННО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИМИ КАНАЛАМИ

Монография

ПРЕДИСЛОВИЕ

Источники питания современной радиоэлектронной аппаратуры за последние годы претерпели существенное изменение. В основном источники питания стали импульсными, что позволило улучшить их массогабаритные и энергетические характеристики. В то же время возросли требования к качеству питающих напряжений, особенно при построении различных информационно-измерительных комплексов и систем. В этой связи задача проектирования источника вторичного электропитания не может быть решена без непрерывных стабилизаторов напряжения.

Для питания современных информационно-измерительных систем требуются напряжения повышенной стабильности. Причем дестабилизирующими факторами могут быть нестабильность первичного источника питания, температура, нестационарное токопотребление, радиационная обстановка и т.д. Многие проблемы повышения стабильности выходного напряжения источников вторичного электропитания могут быть решены за счет хорошо зарекомендовавшего себя способа - введением контуров отрицательной обратной связи. Но увеличение глубины обратной связи порождает массу других проблем - обеспечение устойчивости, необходимых параметров переходных процессов и других.

Достижения современной микроэлектроники позволяют в полной мере использовать схемотехнические приемы для введения наряду с отрицательной обратной связью дополнительных каналов параметрической компенсации. Современные технологические возможности микроэлектроники позволяют добиться высокой повторяемости результатов и обеспечить действие компенсирующих каналов в широком диапазоне изменения различных дестабилизирующих факторов.

Основная цель монографии - продемонстрировать схемотехнические возможности применения дополнительных каналов параметрической компенсации в интегральных стабилизаторах напряжения и источниках опорного напряжения. В то же время некоторые из рассмотренных способов введения дополнительных каналов компенсации могут быть использованы в уже выпускаемых промышленностью интегральных стабилизаторах напряжения. Введение внешних дополнительных элементов позволит существенно улучшить качественные показатели системы электропитания.

Для большинства предлагаемых схемотехнических решений приведены аналитические выражения, позволяющие осуществить параметрический синтез устройств, приведены результаты сопоставительного компьютерного моделирования с помощью современных пакетов прикладных программ для схемотехнического моделирования, подтверждающие целесообразность предлагаемых способов.

1. Качественные ПоКАЗАТЕЛИ стабилизаторов напряжения

Стабилизаторами напряжения (СН) принято называть устройства, автоматически поддерживающие напряжение на стороне потребителя с заданной степенью точности.

Дестабилизирующие факторы, влияющие на точность поддержания напряжения на стороне потребителя, можно разделить на внешние и внутренние. К внешним факторам можно отнести колебания входного напряжения стабилизатора, изменение тока, потребляемого нагрузкой, изменение температуры окружающей среды, различных излучений, а также ряд других: воздействие электрических и магнитных полей, влажности, атмосферного давления и т.п. Последние из названных дестабилизирующих факторов в данной работе рассматриваться не будут, так как обычно учитываются только в специальных случаях.

К внутренним дестабилизирующим факторам относятся изменения источников тока и напряжения внутри самого СН, нестабильность различных элементов схемы. Эти факторы связаны как с процессом старения компонентов, так и с возможным технологическим разбросом параметров компонентов - транзисторов, резисторов и т.д.

Изменение входного напряжения, питающего стабилизатор, приводит к изменению выходного напряжения как за счет прямого прохождения, так и за счет изменения режима работы активных компонентов. Изменение тока нагрузки приводит к изменению падения напряжения на внутреннем сопротивлении СН и сопротивлении соединительных проводов и, как следствие, к изменению напряжения на нагрузке. Изменение температуры может вызвать изменение параметров элементов схемы СН и изменение выходного напряжения СН.

Следовательно, назначение СН заключается в уменьшении влияния всех дестабилизирующих факторов, что достигается, как правило, использованием отрицательной обратной связи (ООС).

Дестабилизирующие факторы в общем случае могут действовать так, что вызванные ими изменения выходного напряжения стабилизатора совпадают по знаку. Однако возможны и такие случаи, когда при одновременном воздействии нескольких дестабилизирующих факторов изменение одного из них компенсирует воздействие других. Случайным образом такая ситуация возникает достаточно редко и трудно поддается анализу. В то же время ситуацию с возможностью взаимной параметрической компенсации некоторых дестабилизирующих факторов можно создать искусственно - определенным схемотехническим построением СН. Именно такие СН и будут рассмотрены ниже.

Проектированию СН с непрерывным регулированием посвящено достаточно много технической литературы [1, 2], поэтому принцип работы стабилизаторов напряжения будет поясняться только в случаях отступления от классических схем.

Анализ схемы СН во многих случаях удобно проводить хорошо зарекомендовавшими себя методами теории автоматического регулирования. Следует заметить, что эти методы целесообразно применять в тех случаях, когда схему СН можно легко представить в виде классической структуры системы автоматического регулирования. Однако в некоторых случаях, например, при использовании методов функциональной и схемотехнической интеграции [9] при проектировании СН, для анализа схемы выгоднее применять так называемый метод приращений [3]. Кроме того, метод приращений легко позволяет провести анализ характеристик СН при условии, что задающее воздействие (источник опорного напряжения (ИОН) формируется внутри стабилизатора и подвержено влиянию тех же дестабилизирующих факторов, что и СН в целом.

Основными параметрами, которыми характеризуют качество как параметрических, так и компенсационных стабилизаторов напряжения, являются:

– коэффициент стабилизации, характеризующий стабильность выходного напряжения при изменении входного:

(1.1)

где - соответственно абсолютные приращения входного и выходного напряжения СН при неизменном токе нагрузки; - номинальные значения входного и выходного напряжений. В некоторых случаях качество стабилизации оценивается по относительной статической ошибке:

, (1.2)

при этом оговаривается, при каких входных и выходных напряжениях и неизменном токе нагрузки проводятся измерения;

- выходное сопротивление характеризует стабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки и неизменном входном напряжении. В общем случае это дифференциальный параметр, но обычно его принято выражать через конечные приращения. Отметим, что знаки приращений напряжения и тока важны, так как определяют характер выходного сопротивления СН:

. (1.3)

Иногда для оценки стабильности выходного напряжения определяется относительная статическая ошибка:

, (1.4)

измеряемая при постоянном входном напряжении и при заданном изменении тока нагрузки.

В некоторых случаях задают коэффициент нестабильности по току нагрузки как отношение относительных изменений выходного напряжения и выходного тока:

(1.5)

где RН - сопротивление нагрузки СН.

Одним из важных показателей СН является коэффициент сглаживания пульсаций входного напряжения:

, (1.6)

где - амплитуды пульсаций соответственно входного и выходного напряжений стабилизатора.

Практически очень часто коэффициент сглаживания пульсаций совпадает с коэффициентом стабилизации.

- температурный коэффициент выходного напряжения стабилизатора, измеряемый при неизменных входном напряжении и токе нагрузки:

(1.7)

где Т - изменение температуры окружающей среды.

- энергетические характеристики СН оцениваются коэффициентом полезного действия

(1.8)

где РВЫХ , РВХ - мощность на входе СН и в нагрузке соответственно, и минимальной разностью напряжения вход-выход

. (1.9)

В частности, для СН с последовательным включением регулирующего элемента справедлива следующая приближенная формула

(1.10)

то есть к.п.д. СН тем выше, чем при меньшей разности он сохраняет работоспособность.

2. Основные вопросы теории компенсационных СН

2.1 Методы анализа стабилизаторов напряжения

Статические и динамические параметры СН зависят от многих факторов, в первую очередь от принципа стабилизации. По этому принципу СН можно разделить на параметрические и компенсационные.

Параметрические СН, как правило, выполняют на тех или иных нелинейных элементах, падение напряжения на которых слабо зависит от протекающего через них тока. Чаще всего, в качестве таких элементов используют либо прямо смещенные p-n переходы, либо стабилитроны, стабисторы и т.п. Информация о выходном напряжении в таких стабилизаторах не используется, однако можно так построить схему, чтобы стабильность выходного напряжения была обусловлена не только нелинейными свойствами применяемого элемента, а так, чтобы она представляла разомкнутую систему автоматического регулирования по основному возмущению. В качестве такого возмущения может выступать, например, изменение питающего напряжения или температура окружающей среды. Как правило, такие схемы используются в качестве источников опорного напряжения, работающих на высокоомную нагрузку. Примеры построения таких схем будут рассмотрены ниже.

Рис. 2.1. Обобщенная функциональная схема СН с эмиттерным выходом регулирующего элемента

Компенсационные СН представляют собой систему автоматического регулирования, содержащую цепь ООС. Эффект стабилизации напряжения в таких устройствах достигается за счет изменения параметров регулирующего элемента (РЭ) при воздействии на него сигнала с выхода усилителя постоянного тока (рис. 2.1, 2.2).

Принцип действия стабилизаторов напряжения, выполненных по таким функциональным схемам, хорошо известен, и рассматривать его здесь не целесообразно [3]. Отметим только, что в первом приближении связь выходного напряжения с параметрами элементов схемы может быть определена следующим образом:

, (2.1)

где - коэффициент передачи делителя напряжения об-ратной связи; - коэффициент передачи усилителя постоянного тока (УПТ); - коэффициент передачи РЭ; - напряжение ИОН.

Рис. 2.2. Обобщенная функциональная схема СН с коллекторным выходом регулирующего элемента

При достаточно большом К0 выходное напряжение стабилизатора зависит только от опорного напряжения U0 и параметров цепи обратной связи. Член в выражении (2.1) характеризует статическую ошибку СН, которая тем меньше, чем больше усиление УПТ. Казалось бы, что увеличение усиления в петле обратной связи до бесконечности позволит получить абсолютную точность СН, но это не так. При повышении петлевого усиления в схеме СН начинают вступать в действие параметры второго порядка малости, своего рода «тонкая структура» системы автоматического регулирования. Кроме того, наличие различного рода помех, шумов снижают реальную точность СН.

Как уже отмечалось, к основным параметрам, характеризующим точность поддержания выходного напряжения, относятся КСТ и КI, которые определены выражениями (1.1) и (1.5). Представляет интерес исследовать зависимость этих характеристик от параметров элементов схемы СН, а также стабильности напряжения ИОН. Анализ проведем, используя метод конечных приращений, предполагая, что СН как система автоматического регулирования линеен.

2.2 Коэффициент стабилизации СН с эмиттерным выходом регулирующего элемента

Прежде чем приступить к анализу схемы (рис. 2.1), сделаем следующие замечания.

На нестабильность выходного напряжения СН при изменении входного (питающего) напряжения наиболее существенным образом влияет прямое прохождение входного возмущения на выход схемы, а также нестабильность напряжения ИОН. (Влияние нестабильности напряжения ИОН, обусловленного температурными изменениями, в данном случае учитываться не будет.) Очевидно, что КСТ должен существенно зависеть не только от параметров ИОН, но и от того, как он запитан - со входа или с выхода СН. Аналогично способ питания ИОН влияет и на коэффициент нестабильности при изменении тока нагрузки. Исследование и учет этих факторов позволит в дальнейшем рассмотреть методы проектирования СН с цепями компенсации различных возмущений путем воздействия на ИОН.

С целью упрощения дальнейшего анализа определим коэффициент стабилизации не через относительные, а через абсолютные приращения входного и выходного напряжений:

, (2.2)

что можно, при некоторых допущениях, рассматривать как функцию, обратную передаточной функции по помехе.

2.3 Определение коэффициента стабилизации при питании ИОН со входа СН

При наличии возмущения на входе СН часть его проникает на управляющий вход РЭ через сопротивление RКБ (рис. 2.1). В общем случае, сопротивление RКБ представляет собой параллельное соединение дифференциальных сопротивлений коллектор-база транзистора РЭ и источника тока, задающего ток управляющего входа РЭ. Поэтому часть входного возмущения UПР, попадающего на вход управления РЭ, можно определить через коэффициент прямой передачи КПР:

, (2.3)

где ; - эквивалентное сопротивление на входе РЭ; - выходное сопротивление УПТ; RH - сопротивление нагрузки; - коэффициент усиления тока базы РЭ.

(При определении RЭКВ не учитывалось влияние дифференциального сопротивления эмиттера транзистора РЭ, так как в большинстве случаев оно пренебрежимо мало. Однако если на выходе СН включен датчик тока цепи токовой защиты, его сопротивление должно быть учтено при определении входного сопротивления РЭ.)

Одновременно с напряжением на управляющий вход РЭ поступает приращение напряжения с выхода УПТ, обусловленное приращениями опорного напряжения и выходного напряжения стабилизатора:

. (2.4)

С учетом выражения (2.2) для приращения напряжения на выходе ИОН можно записать:

, (2.5)

где - коэффициент стабилизации по напряжению ИОН, определенный по условию (2.2).

С учетом того, что коэффициент передачи РЭ по напряжению практически равен единице, а напряжения и на входе РЭ суммируются, получаем:

, (2.6)

где - петлевое усиление в схеме СН.

Вполне очевидно, что . Если при этом , достаточно легко выполняется условие . Тогда из выражения (2.6) следует:

, (2.7)

то есть коэффициент стабилизации СН практически полностью определяется стабильностью источника опорного напряжения.

В общем случае, при выполнении вышеназванных условий, выражение (2.4) может быть представлено в виде:

, (2.8)

где - составляющая нестабильности, обусловленная прямым прохождением возмущения со входа на выход СН при условии абсолютной стабильности ИОН; - составляющая нестабильности выходного напряжения, обусловленная только нестабильностью ИОН при отсутствии прямого прохождения возмущения на вход РЭ.

Анализ выражений (2.6) и (2.8) позволяет сделать следующие выводы:

1. Нестабильности, обусловленные возмущениями на входе СН, складываются. Это означает, что результирующий коэффициент стабилизации СН будет меньше меньшего (или ).

2. Выполнив ИОН с отрицательным коэффициентом стабилизации (при увеличении питающего напряжения опорное напряжение снижается), можно добиться компенсации прямого прохождения возмущения на выход СН.

Схемотехнические методы построения ИОН с отрицательным коэффициентом стабилизации будут рассмотрены в разделе 3.

2.4 Определение коэффициента стабилизации при питании ИОН с выхода СН

Используя методику, приведенную выше, можно легко получить выражение для коэффициента стабилизации при условии, что ИОН питается с выхода СН, то есть реализуется режим «стабилизатор в стабилизаторе». Обычно при анализе точностных характеристик СН в технической литературе нестабильность ИОН в этом случае не принимается во внимание ею просто пренебрегают. Однако, как будет показано ниже, и в этом случае недостаток схемы СН можно превратить в достоинство, используя нестабильность ИОН для компенсации различных возмущений.

Учитывая тот факт, что при питании ИОН с выхода СН его коэффициент стабилизации можно определить как

, (2.9)

результирующий коэффициент стабилизации СН в целом можно получить в виде

. (2.10)

Из выражения (2.8) действительно следует, что нестабильность ИОН в этом случае существенно меньше сказывается на нестабильности выходного напряжения стабилизатора в целом, но пренебречь влиянием можно лишь только тогда, когда TU >>1 и . Если эти условия выполняются, то соотношение (2.8) можно представить как

. (2.11)

В этом случае можно утверждать, что коэффициент стабилизации практически полностью определяется петлевым усилением и коэффициентом прямой передачи.

Следовательно, для повышения коэффициента стабилизации СН необходимо:

1. Снижать коэффициент прямой передачи.

2. В разумных пределах повышать петлевое усиление - либо за счет увеличения коэффициента усиления УПТ, либо за счет увеличения коэффициента передачи делителя напряжения обратной связи до максимально возможного значения, равного единице.

3. Повышать стабильность ИОН, особенно при питании его со входа СН.

4. В случае питания ИОН со входа СН выбирать схемотехнические решения для построения ИОН с отрицательным коэффициентом стабилизации для компенсации нестабильности, обусловленной прямой передачей входного возмущения.

5. Выбирать схемотехнические решения, позволяющие питать ИОН с выхода СН, реализуя для опорного напряжения принцип «стабилизатор в стабилизаторе».

2.5 Коэффициент стабилизации СН с коллекторным выходом регулирующего элемента

При анализе параметров СН с коллекторным выходом РЭ (рис. 2.2) необходимо учесть, что КРЭ 1 и, кроме того, для входного возмущения UВХ РЭ включен по схеме с общей базой (ОБ), а для напряжения обратной связи UВЫХ.УПТ - по схеме с общим эмиттером (ОЭ).

2.5.1 Определение коэффициента стабилизации при питании ИОН со входа СН

В первой степени приближения можно считать, что коэффициент усиления по напряжению для РЭ в схеме с ОБ и ОЭ численно равны. Учитывая, что схема с ОЭ инвертирует, а схема с ОБ не инвертирует фазу входного сигнала, результирующее приращение выходного напряжения СН можно найти как

(2.12)

При определении КРЭ с учетом конечного выходного сопротивления УПТ получаем:

где RН.Э - эквивалентное сопротивление нагрузки СН, учитывающее, что параллельно собственно сопротивлению нагрузки подключено выходное сопротивление РЭ; RВХ.РЭ rЭ (h21Э +1) - входное сопротивление транзистора РЭ в схеме с ОЭ; rЭ - дифференциальное сопротивление эмиттера транзистора РЭ.

С учетом выражений (2.4) и (2.5) соотношение (2.12) можно представить следующим образом

откуда после преобразований получаем

 (2.13)

где .

При выполнении условия ТU >> 1

(2.14)

Полученный результат аналогичен (2.7), что вполне закономерно - при питании ИОН со входа СН должны быть приняты соответствующие меры к повышению стабильности источника опорного напряжения.

2.5.2 Определение коэффициента стабилизации при питании ИОН с выхода СН

По аналогии со случаем СН с эмиттерным выходом РЭ, учитывая выражения (2.4) и (2.9), соотношение (2.12) можно представить в виде:

(2.15)

откуда после соответствующих преобразований получим:

.

Если ТU >> 1, то

.

Для типичного значения = 20 (если ИОН выполнен простейшим образом на основе стабилитрона) и КД = 0,5 коэффициент стабилизации снизится на 10 %, что необходимо учитывать при проектировании СН.

Следовательно:

1. Выражения, определяющие зависимость коэффициента стабилизации от параметров элементов в СН с коллекторным и эмиттерным выходами РЭ, имеют аналогичный вид.

2. При одинаковом коэффициенте усиления УПТ в СН с эмиттерным выходом коэффициент стабилизации выше, чем в СН с коллекторным выходом (при питании ИОН с выхода СН).

3. Методы повышения коэффициента стабилизации в СН с коллекторным выходом РЭ аналогичны случаю СН с эмиттерным выходом РЭ.

2.6 Нестабильность выходного напряжения СН при изменении тока нагрузки

Нестабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки определяется дифференциальным выходным сопротивлением СН, охваченного отрицательной обратной связью (ООС) и собственно сопротивлением нагрузки, подключенной к выходу стабилизатора (см. (1.5)):

Следовательно, определение зависимости КI от параметров элементов СН можно свести к отысканию выходного сопротивления. Анализ достаточно провести для случая, когда ИОН питается с выхода СН, поскольку KI определяется при постоянном входном напряжении.

2.6.1 Коэффициент нестабильности тока нагрузки в СН с эмиттерным выходом РЭ

При изменении тока нагрузки на выходе СН появляется приращение напряжения

,

где RВЫХ.Р - выходное сопротивление СН, цепь ООС в котором разомкнута.

В частности, для стабилизатора с эмиттерным выходом РЭ

где rБ - объемное сопротивление базы РЭ; rЭ = T/IВЫХ - дифференциальное сопротивление эмиттера РЭ; T - температурный потенциал.

Приращение напряжения на выходе СН компенсируется по цепи ООС выходным напряжением УПТ. Поскольку коэффициент передачи РЭ близок к единице, результирующее приращение выходного напряжения можно записать как

(2.16)

С учетом (2.5) из (2.16) можно получить, что

(2.17)

Если считать, что U0 0 или TU >> КДК?ОП , то выражение (2.17) упрощается:

(2.18)

Следовательно, выходное сопротивление СН снижается в петлевое усиление раз. Этот результат известен из теории автоматического регулирования и является общим для систем, охваченных отрицательной обратной связью.

Выбор данного метода анализа, который можно назвать методом приращений, обусловлен тем, что при разработке СН с параметрическими каналами компенсации не всегда удается свести стабилизатор к классической структуре системы автоматического регулирования. В некоторых случаях цепи компенсации приходится вводить во внутренние узлы усилителя сигнала рассогласования или источника опорного напряжения, и тогда классические методы анализа с помощью методов теории автоматического регулирования либо не дают результата, либо их применение затруднено. Кроме того, рассмотренный метод имеет наглядный физический смысл.

3. ИСТОЧНИКИ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Традиционно требования к источнику опорного напряжения сводятся к повышению его стабильности при влиянии различных дестабили-зирующих факторов. В первую очередь это относится к повышенной стабильности при изменении температуры. Но, как было показано выше, полезным свойством источника опорного напряжения может оказаться отрицательный коэффициент стабилизации, что в ряде случаев положительно сказывается на характеристики СН в целом.

Прежде чем приступить к рассмотрению принципов проектирования ИОН, необходимо сделать следующие замечания.

Источник опорного напряжения может быть использован не только как элемент СН - как источник задающего воздействия в системе электропитания, но и как элемент различных измерительных систем. В любом случае точность ИОН будет определять фактическую точность системы. Поэтому целесообразно рассмотреть различные характеристики точностных параметров ИОН, в том числе и принятые за рубежом.

Разные производители приводят данные о точности ИОН, используя различные системы представления. Используются миллионные части (parts per million - ppm), проценты, вольты. Каждый из этих способов вполне приемлем, так как между ними есть прямая связь, вычисляемая посредством простых соотношений. Наиболее часто для указания точности применяют проценты от номинального значения выходного напряжения.

Например, для выяснения пределов колебания (в вольтах) выходного напряжения ИОН с номинальным значением 2,5 В и точностью ±1,5 % можно воспользоваться следующим выражением:

Следовательно, максимальное отклонение фактического выходного напряжения от номинального составляет 75 мВ, а значение выходного напряжения лежит в пределах от 2,4625 до 2,5375 В. Знание этих границ позволяет правильно рассчитать остальные элементы схемы. В то же время необходимо учитывать, что использование такого ИОН в СН приведет к тому, что результирующая нестабильность выходного напряжения системы электропитания будет еще выше, так как дрейф опорного напряжения будет поделен на коэффициент передачи делителя напряжения цепи обратной связи, который, в общем случае, меньше единицы.

Другой часто употребляемой единицей для выражения точности является миллионная часть. Эта величина применяется для выражения малых значений, например, температурного дрейфа. Дело в том, что одна миллионная часть от, например, 2,5 В составляет всего 2,5 мкВ. Поэтому для выражения относительно больших значений такая единица измерения мало применима. К примеру, точность в 10 ррm составляет

То есть фактическое значение выходного напряжения ИОН лежит в пределах от 2,499975 до 2,500025 В, а это очень хороший показатель.

Однако здесь не следует впадать в ошибку, обусловленную некоторыми рекламными трюками производителей. Если, например, температурная стабильность ИОН задана в [ppm/K], то это вовсе не значит, что во всем оговоренном техническими условиями эксплуатации температурном диапазоне температурный дрейф постоянен. Обычно его значение оговаривают вблизи комнатных температур, поэтому результирующее отклонение в диапазоне температур может существенно превышать паспортные данные. Как будет показано ниже, наиболее объективной можно считать характеристику абсолютного дрейфа напряжения ИОН в заданном диапазоне температур.

Это же значение в миллионных долях легко перевести в проценты:

Иногда для указания пригодности ИОН по критерию точности для обеспечения корректности аналого-цифрового или цифро-аналогового преобразования применяют понятие «точность столько-то бит». Это означает, что данный ИОН имеет колебания выходного напряжения в пределах одного младшего разряда преобразователя. Например, точность в 16 бит означает максимально допустимое колебание значения выходного напряжения не более 2-16 от номинального. Для диапазона преобразования 0…2,5 В оно составляет

Поэтому приемлемая точность для 16-разрядного преобразования при использовании ИОН с номинальным выходным напряжением 2,5 В составляет

В данном разделе будут рассмотрены источники опорного напряжения с повышенной стабильностью при изменении температуры и питающего напряжения и с возможностью обладания отрицательным коэффициентом стабилизации, при проектировании которых используются принципы параметрической компенсации.

3.1 Параметрические стабилизаторы с повышенным коэффициентом стабилизации

Параметрические стабилизаторы напряжения (ПСН) используются, как правило, для питания маломощных цепей радиоэлектронной аппаратуры с небольшим пределом изменения тока потребления и в качестве источников опорного напряжения.

Для стабилизации напряжения в этом случае применяются элементы с нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Одним из таких элементов является кремниевый стабилитрон, выполняющий роль опорного элемента (ОЭ).

Простейшие функциональная и принципиальная схемы однокаскадного ИОН на основе элемента с нелинейной ВАХ приведена на рисунках 3.1а и б соответственно.

а) б)

Рис. 3.1 Простейшие функциональная (а) и принципиальная (б) схемы параметрического стабилизатора напряжения

При изменении входного напряжения UВХ на UВХ ток через стабилитрон изменяется на IСТ. Вследствие конечного (не нулевого) внутреннего дифференциального сопротивления rСТ нелинейного элемента на выходе схемы возникает приращение напряжения UВЫХ, которое зависит от UВХ, внутреннего сопротивления RИТ токостабилизирующего двухполюсника (ТД) и дифференциального сопротивления ОЭ (стабилитрона). Коэффициент стабилизации такого ПСН, определенный по выражению (2.2)

(3.1)

где RИТ - дифференциальное сопротивление токостабилизирующего двухполюсника; rСТ - дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Из (3.1) следует, что для повышения коэффициента стабилизации при изменении входного напряжения следует повышать внутреннее сопротивление токостабилизирующего двухполюсника, так как повлиять на дифференциальное сопротивление стабилитрона практически невозможно. В этом случае токостабилизирующий двухполюсник может быть выполнен, например, на основе полевого транзистора, при этом ток, протекающий через стабилитрон, может быть сделан достаточно большим, а внутреннее сопротивление источника тока позволит сделать коэффициент стабилизации 100-1000.

Другой путь повышения стабильности параметрического стабилизатора - введение дополнительных цепей, компенсирующих приращение тока через стабилитрон. Пример построения такого рода схем ПСН приведен на рисунке 3.2.

а) б)

Рис. 3.2. Структурные схемы ПСН с компенсацией приращения тока через ОЭ (а) и компенсацией приращения тока в источнике тока (б)

Основная задача при проектировании принципиальной схемы ПСН, соответствующей одной из структур, приведенных на рисунке 3.2 заключается в том, чтобы статический ток, протекающий в компенсирующей цепи был весьма мал, а компенсирующий ток был равен приращению тока через токостабилизирующий двухполюсник, то есть, через стабилитрон.

Принципиальная схема, соответствующая структурной схеме рисунка 3.2а приведена на рисунке 3.3 [13]. Компенсирующая цепь состоит из резистора R1 повторителя тока на транзисторах VT1 и VT2.

Для схемы ПСН (рис. 3.2) можно записать:

(3.2)

где UБЭ - приращение напряжения база-эмиттер транзистора VT2 при изменении входного напряжения; R1 - сопротивление резистора R1.

С учетом того, что

где rЭ - дифференциальное сопротивление эмиттера транзистора VT2, выражение (3.2) можно представить как

(3.3)

откуда

(3.4)



Рис. 3.3. Параметрический стабилизатор с цепью компенсации приращения тока через стабилитрон

При выполнении условия

(3.5)

коэффициент стабилизации схемы обращается в бесконечность, то есть она становится инвариантной к возмущению на входе.

На практике условие (3.5) трудно выполнить в широком диапазоне питающих напряжений, так как дифференциальные сопротивления источника тока и эмиттера транзисторов режимно зависимы. Но даже при неточном выполнении этого условия коэффициент стабилизации может составлять несколько тысяч, причем, как следует из выражения (3.4), знак коэффициента стабилизации может быть как отрицательным, так и положительным.

Проведенный анализ подтверждается результатами моделирования схемы ПСН (рис. 3.3) в среде PSpice, представленными на рисунке 3.4.

Моделирование проводилось при сопротивлении источника тока 50 кОм и при расстройке условия баланса (3.5) на 10 %. График (рис. 3.4) иллюстрирует изменение знака коэффициента стабилизации, который по абсолютной величине остается более чем 2·104. Изменение статического тока через стабилитрон приводит к изменению напряжения на выходе ИОН, однако изменение сопротивления на 20 % приводит к относительному изменению выходного напряжения не более чем на 0,0012 %, что говорит о низкой параметрической чувствительности такого способа компенсации.

Рис. 3.4 Результаты моделирования схемы ПСН, представленной на рисунке 3.3

Заметим, что в схеме ПСН (рис. 3.3) использована упрощенная модель реального источника тока, выходное сопротивление которого параметрически независимо, поэтому условие компенсации (3.5) может быть выполнено в достаточно широком диапазоне изменения питающего напряжения.

В большинстве случаев, для создания источника тока, питающего стабилитрон, используются схемы повторителей тока, приращение тока на выходе которых определяется не выходным сопротивлением источника тока, а цепями, задающими начальный статический ток. Поэтому источники тока надо строить по принципу независимости выходного тока от питающего напряжения, например, когда выходной ток зависит либо от напряжения база-эмиттер транзистора, либо от разности напряжений база-эмиттер двух биполярных транзисторов [4, 5]. Но и в этом случае будет определенная зависимость выходного тока источника от питающего напряжения, которую необходимо скомпенсировать для повышения стабиль-ности ИОН.

Примером такого ИОН может служить схема, приведенная на рисунке 3.5. В первом приближении можно считать, что ток эмиттера транзистора VT1 (а при условии, что коэффициент передачи тока эмиттера близок к единице) и ток его коллектора определяется как

(3.6)

где UД1 - падение напряжения на диоде VD1 и VD2; UБЭ1 - падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора VT1.

Рис. 3.5. Вариант ПСН с компенсацией приращения тока через опорный элемент

Как видно из выражения (3.6), ток через стабилитрон не зависит от питающего напряжения, но на самом деле при изменении питающего напряжения будет изменяться ток через диоды и, соответственно, падение напряжения на них. Для целей компенсации приращения тока через стабилитрон служит повторитель тока на транзисторах VT2 и VT3.

Ток, протекающий через стабилитрон VD3, можно представить следующим образом:

(3.7)

где К - коэффициент передачи повторителя тока на транзисторах VT2 и VT3. (Следует отметить, что из соображений протекания через стабилитрон тока, достаточного для стабилизации напряжения, необходимо, чтобы К < 1.)

Дифференцируя выражение (3.7) по UВХ и приравнивая производную нулю, находим условие, когда напряжение на выходе ИОН не будет зависеть от изменения входного напряжения:

(3.8)

где rД = Т /I0 - дифференциальное сопротивление диода; Т - температурный потенциал.

Выражение (3.8) получено в предположении, что UД UБЭ3, а производная

Условие полной компенсации содержит режимно зависимую составляющую, поэтому его удобно представить в виде

(3.9)

Вполне очевидно, что условие (3.9) выполняется в единственной точке, в окрестности которой коэффициент стабилизации может принимать как положительное, так и отрицательное значения, оставаясь весьма большим на интервале заданного изменения входного напряжения. Это подтверждается результатами моделирования, представленными на рису-нке 3.6.

График напряжения V(2) представляет собой выходное напряжение ПСН, которое имеет экстремум в окрестностях входного напряжения 10 В. (Отметим, что в результате расчета по выражениям (3.8) и (3.9) номиналы резисторов R1 и R2 оказались 200 Ом и 10 кОм соответственно. В результате уточнения номиналов резисторов в процессе моделирования при относительной симметрии графика выходного напряжения экстремум функции достигается при R1 = 205 Ом, что подтверждает удовлетворительные условия приближения, принятые при анализе схемы.)

Верхний график (рис. 3.6) представляет собой не что иное, как коэффициент стабилизации : DV(1) - изменение входного, DV(2) - изменение выходного напряжения соответственно. В окрестности точки V(1)= =10 В коэффициент стабилизации обращается в бесконечность, что приводит к разрыву второго рода, однако коэффициент стабилизации по абсолютной величине меняется от 9·103 до 16·103.



Рис. 3.6 График моделирования схемы ПСН (рис. 3.5)

Еще один вариант построения схемы ПСН приведен на рисунке 3.7.

В отличие от предыдущего случая, в качестве токостабилизирующего двухполюсника в цепи компенсации используется источник тока, выполненный на основе полевого транзистора VT4. В результате коэффициент стабилизации такого ПСН достигает 7·104, хотя условие перекомпенсации в таком ПСН практически недостижимо. С другой стороны, подобная схема за счет введения компенсирующей приращение тока цепи обладает свойством температурной стабильности в заданном диапазоне температур, о чем будет сказано в следующем разделе.

стабилизатор напряжение схемотехника параметрический канал



Рис. 3.7 Вариант построения ПСН с токостабилизирующим двухполюсником в цепи компенсации приращения тока через опорный элемент

Результаты моделирования схемы ПСН рисунка 3.7 представлены на рисунке 3.8.

Рис. 3.8. Результаты моделирования схемы ПСН с токостабилизирующим двухполюсником в цепи компенсации приращения тока через опорный элемент

Стабильность такой схемы, в первую очередь, зависит от стабильности источника тока на транзисторе VT4 при изменении входного напряжения, а компенсирующая цепь обеспечивает стабильность тока через стабилитрон при наличии канала прямого прохождения возмущения со входа на выход схемы за счет конечного сопротивления коллектор-база транзистора VT1 (рис. 3.7).

Схемы, рассмотренные ранее, обеспечивали стабильный ток через опорный элемент за счет его параллельного шунтирования. Ниже будут рассмотрены варианты построения схем с введением цепи компенсации непосредственно в источник тока в соответствии со структурной схемой, соответствующей рисунку 3.2б).

Один из вариантов построения такой схемы приведен на рисунке 3.9. Компенсирующая цепь в этом случае наиболее проста и состоит из резистора R1. Принцип ее действия компенсации аналогичен ранее рассмотренным: приращение тока через резистор R3 вызывает приращение напряжения база-эмиттер транзисторов VT2, VT3, что, в свою очередь, вызывает приращение тока через резистор R2. Поскольку через резистор R2 протекает и ток резистора R1, возникающее приращение тока через него уменьшает результирующее приращение тока коллектора транзистора VT1 и стабилизирует ток через стабилитрон VD1. Поэтому напряжение на выходе ПСН остается весьма стабильным.



Рис. 3.9 Параметрический стабилизатор напряжения с компенсацией входного возмущения в источнике тока

Для определения коэффициента стабилизации необходимо найти зависимость тока, протекающего через стабилитрон, от входного напряжения:

(3.10)

где I1 - ток, протекающий через резистор R2; I2 - ток, протекающий через резистор R1; UБЭ1 - напряжение база-эмиттер i-го транзистора, причем UБЭ2 UБЭ3 = UБЭ.

В этом случае коэффициент стабилизации можно определить следующим образом:

(3.11)

где rСТ - дифференциальное сопротивление стабилитрона VD1.

Дифференцируя (3.10) по dUВХ и учитывая, что dUБЭ1/dUВХ 0, получаем:

(3.12)

Следовательно, условие обращения в бесконечность коэффициента стабилизации (условие компенсации входного возмущения) - обращение в нуль знаменателя выражения (3.12):

откуда условие для выбора сопротивления резистора R1 выглядит следующим образом:

(3.13)

поскольку дифференциальное сопротивление эмиттера транзисторов VT2, VT3 можно определить как

(3.14)

Выражение (3.13) показывает, что условие полной компенсации достигается только в определенной точке. Подставляя (3.3) в (3.12), из получившегося соотношения можно оценить параметрическую чувствительность как и изменению питающего напряжения, так и к точности согласования резисторов. Используя моделирующие программы тира PSpice, эту процедуру легко проделать в режиме «Монте-Карло». Результаты моделирования схемы ПСН (рис. 3.9) представлены на рисунках 3.10-3.12 и хорошо согласуются с результатами расчета. Отметим, что при параметрическом синтезе сопротивления резисторов R2 и R3 выбираются из практических инженерных соображений (при заданных координатах статического режима активных элементов), сопротивление резистора R1 - из условия полной компенсации входного возмущения. В частности, расчетное значение резистора R1 оказалось 30 кОм, а уточненное по результатам моделирования - 30,5 кОм.

На рисунке 3.10 представлено семейство графиков выходного напряжения параметрического стабилизатора при относительном разбросе сопротивления резистора R1 5 %. Относительное изменение выходного напряжения в этом случае не превышает 0,004 % во всем диапазоне изменения входного напряжения, что говорит о низкой параметрической чувствительности ПСН к установлению статического режима.

Рис. 3.10 Зависимость выходного напряжения ПСН от изменения входного напряжения при разбросе сопротивления компенсирующего резистора в пределах 5 %

Верхний график рисунка 3.11 показывает, что при изменении сопротивления компенсирующего резистора в пределах 5 % коэффициент стабилизации меняется в пределах от 9,5·103 до 17,4·103. Параметрическая чувствительность схемы оказывается достаточно большой, но и коэффициент стабилизации достаточно велик, что говорит о целесообразности такого метода компенсации.

Рис. 3.11 Зависимость выходного напряжения ПСН и коэффициента стабилизации от изменения входного напряжения при разбросе сопротивления компенсирующего резистора в пределах 5 % при положительных значениях коэффициента стабилизации



Рис. 3.12 Зависимость выходного напряжения ПСН и коэффициента стабилизации от изменения входного напряжения при разбросе сопротивления компенсирующего резистора в пределах 5 % при отрицательных значениях коэффициента стабилизации

Верхний график на рисунке 3.12 иллюстрирует чувствительность коэффициента стабилизации ПСН к разбросу сопротивления компенсирующего резистора в области отрицательных значений коэффициента стабилизации. Параметрическая чувствительность ПСН остается того же порядка, как и в области положительных значений коэффициента стабилизации, однако его абсолютные значения в 1,5 2 раза больше.

Варианты схемотехнической реализации предложенных методов можно продолжить, однако ограничимся примерами еще двух схем ПСН (рис. 3.13 и 3.14), в которых использован дополнительный стабилитрон как схема сдвига уровня. Это позволяет получить достаточно малый статический ток, протекающий в цепи компенсации и слабо влияющий на абсолютное значение выходного напряжения ПСН. В то же время крутизну преобразования компенсирующего тока можно выбрать необходимой для реализации условий компенсации. В остальном работа таких схем ПСН аналогична рассмотренным ранее.

Рис. 3.13 Вариант построения ПСН с повышенной крутизной преобразования компенсирующего тока

Рис. 3.14 Вариант построения ПСН с повышенной крутизной преобразования компенсирующего тока

На основании проведенного анализа и результатов моделирования можно дать следующие рекомендации при проектировании схем ПСН с повышенным коэффициентом стабилизации с использованием цепей компенсации приращения тока через опорный элемент:

- способ введения компенсирующего тока параллельно опорному элементу является универсальным, однако требует введения дополнительного элемента в виде токового зеркала, шунтирующего опорный элемент;

- в тех случаях, когда структура токостабилизирующго двухполюсника имеет узлы, позволяющие ввести компенсирующие цепи, предпочтительнее использовать компенсацию такого рода, так как она требует минимального количества дополнительных элементов;

- предпочтение нужно отдавать способам компенсации, имеющим низкую параметрическую чувствительность как к изменению режима работы активных элементов, так и к технологическому разбросу параметров элементов цепи компенсации.

Рассмотренные выше схемы ориентированы на повышение стабильности выходного напряжения при изменении входного и должны работать либо на достаточно высокоомную, либо на неизменную нагрузку.

Способы снижения выходного сопротивления ПСН достаточно хорошо известны [5] и сводятся либо к применению эмиттерных повторителей для повышения нагрузочной способности, либо к созданию дополнительных шунтирующих опорный элемент цепей, обладающих относительно низким дифференциальным сопротивлением.

Одним из примеров такого ПСН является схема, приведенная на рисунке 3.15.



Рис. 3.15 ПСН с пониженным выходным сопротивлением Выходная проводимость ПСН (рис. 3.15) определяется как

Увеличение выходной проводимости по сравнению с базовой схемой позволяет повысить нагрузочную способность и несколько повысить , однако для повышения нагрузочной способности необходимо увеличивать ток токостабилизирующего двухполюсника, что приведет к снижению его внутреннего сопротивления и одновременному понижению КСТ, определяемому по выражению (2.2).

Если в схему ПСН (рис. 3.15) ввести транзистор VT1 в диодном включении, как показано на рисунке 3.16, то происходит снижение дифференциального выходного сопротивления:

(3.15)

где IK - ток коллектора транзистора VT2.

Рис. 3.16 Параметрический СН с пониженным выходным сопротивлением и повышенным коэффициентом стабилизации

Пренебрегая базовым током транзистора и учитывая, что приращение тока через стабилитрон обусловлено приращением напряжения база-эмиттер транзистора, выражение (3.15) можно представить в виде

где - коэффициент передачи тока эмиттера транзистора VT2; IЭ - ток его эмиттера.

Находя соответствующие производные, определим выходное сопротивление

(3.16)

В сравнении со схемой ПСН рисунка 3.14 выигрыш в уменьшении выходного при прочих равных условиях сопротивления составит:

 (3.17)

Выражение (3.17) получено при условиях: R1>>rСТ; R1>>rЭ; 1, что легко реализуется на практике.

Для определения коэффициента стабилизации схемы ПСН (рис. 3.15) воспользуемся следующей системой уравнений:

(3.18)

где dIИТ - приращение тока через источник тока; dIСТ - приращение тока через стабилитрон VD1; dIК - приращение тока коллектора транзистора VT2; S = /rЭ2 - крутизна прямой передачи транзистора VT2.

(Система уравнений (3.18) для схемы ПСН рисунка 3.15 легко превращается в систему уравнений для ПСН рисунка 3.14, если положить напряжение UБЭ2 = 0.)

Решение системы (3.18) приводит к следующему выражению для коэффициента стабилизации:

(3.19)

Анализ выражения (3.19) показывает, что введение дополнительного транзистора (VT2) в базовую схему ПСН увеличивает коэффициент стабилизации в R1/rЭ2 раз. В то же время можно показать, что включение последовательно со стабилитроном резистора R1 приводит к снижению коэффициента стабилизации в R1/rСТ раз. Введение в схему ПСН транзистора VT1 в диодном включении компенсирует вредное влияние резистора на параметры схемы ПСН, существенно повышая коэффициент стабилизации. Заметим, однако, что сопротивление резистора R1 мало, так как оно, совместно с напряжением база-эмиттер транзистора VT2, определяет минимальный ток стабилизации стабилитрона VD1. Из практических соображений для интегральных стабилитронов это сопротивление не может быть больше 1 2 кОм, а для дискретных - не более 600 1000 Ом.

Результаты сопоставительного моделирования схем ПСН, приведенных на рисунках 3.15 и 3.16, изображены на рисунке 3.17.

Коэффициент стабилизации схемы ПСН (рис. 3.17) превышает 3·104 при сопротивлении источника тока RИТ = 20 кОм. При тех же условиях коэффициент стабилизации схемы ПСН рисунка 3.15 весьма незначительно превышает 1,7·103, то есть введением одного дополнительного элемента - транзистора в диодном включении удается повысить коэффициент стабилизации в сравнении с известной схемой на порядок и более.

Рис. 3.17 Зависимость коэффициента стабилизации при изменении питающего напряжения для схем ПСН (рис. 3.14) () и 3.15 ()

Температурная стабильность такого ПСН (рис. 3.16) полностью определяется температурным дрейфом опорного элемента (стабилитрона). Если опорный элемент выполнить на основе диода Видлара [8] (ИОН на основе ширины запрещенной зоны кремния), то температурностабильный ИОН будет обладать еще и очень большим коэффициентом стабилизации.

Еще более существенным преимуществом обладает схема ПСН, выполненная на полевых транзисторах (рис. 3.18) [18].

Параметрический СН (рис. 3.18) работает аналогично ПСН, схема которого приведена на рисунке 3.16. Существенное отличие заключается лишь в том, что входное сопротивление полевого транзистора VT3 не влияет на параметры схемы и при использовании полевых транзисторов с пороговым напряжением затвор-исток 1 3 В сопротивление резистора R0 может быть выбрано в пределах 10 20 кОм.

Аналитическое выражение для коэффициента стабилизации для этой схемы ПСН может быть получено по аналогии с предыдущим случаем:

(3.20)

где r - внутреннее сопротивление полевого транзистора в диодном включении; SПТ - крутизна прямой передачи полевого транзистора VT3.



Рис. 3.18 Схема ПСН на полевых транзисторах

В выражении (3.20) полностью компенсируется влияние резистора R0 на увеличение сопротивления опорного элемента, так как полностью отсутствует ток затвора полевого транзистора VT3 и ток его истока равен току стока.

Результаты моделирования схемы ПСН (рис. 3.17) приведены на рисунке 3.18.

Коэффициент стабилизации достигает 3,5·104 при выходном сопротивлении источника тока 20 кОм, а выходное напряжение ПСН определяется падением напряжения на полевом транзисторе VT1 в диодном включении. Естественно, что температурный дрейф выходного напряжения также будет определяться температурным дрейфом напряжения опорного элемента.

Еще несколько вариантов введения прямого, компенсирующего входное возмущение, канала в схемы ПСН приведены на рисунке 3.19.

Приведенные схемы ПСН существенно не отличаются друг от друга. И в том и в другом случае образуется дополнительный канал передачи входного возмущения в базу транзистора VT1, за счет чего приращение тока в источнике тока I0 шунтируется транзистором и даже уменьшает ток через опорный элемент.

Некоторое отличие заключается в том, что для схемы ПСН (рис. 3.20а) требуется высокоомный резистор RK и ее чувствительность к условиям настройки выше, чем у схемы ПСН (рис. 3.20б). Но, в то же время, коэффициент стабилизации первой схемы в 2-3 раза выше.

Следует отметить некоторые проблемы, которые возникают при моделировании схем в среде PSpice с коэффициентами стабилизации в несколько тысяч. В этом случае необходимо находить производные, значения которых могут включать ноль, что приводит к обращению в «бесконечность» результирующей функции.

Рис. 3.19 Коэффициент стабилизации ПСН (кривая ?) и выходное напряжение (кривая ¦) в зависимости от изменения входного напряжения

Можно рекомендовать следующий порядок определения значения коэффициента стабилизации в окрестностях некоторой точки входного напряжения. Источник напряжения UВХ описывается как AC [6] c заданной DC компонентой. Затем по директиве .AC в частотной области проводится моделирование при компоненте VAC = 1 В.

Рис. 3.20 Модифицированная схема ПСН с повышенным коэффициентом стабилизации

Рис. 3.21 Вариант схемы ПСН с повышенным коэффициентом стабилизации

Результат моделирования представляется в виде отношения VВХ/VВЫХ, что по сути будет совпадать с коэффициентом стабилизации ПСН при наличии приращения входного напряжения UВХ = 1 В в линеаризованной области.

Результаты моделирования по директивам .DC и .AC приведены на рисунках 3.22 и 3.23.

Рис. 3.22 Зависимость выходного напряжения схемы ПСН рисунка 3.20а от изменения входного напряжения

Из-за существования режимной зависимости условий компенсации полная компенсация изменения выходного напряжения присутствует только при UВХ 9 В. В то же время нетрудно увидеть, что изменение выходного напряжения происходит в шестом знаке после запятой при изменении выходного напряжения на 0,2 В. При этом в окрестностях точки полной компенсации коэффициент стабилизации составляет (4 8)·104 (рис. 3.23). Коэффициент стабилизации, определенный на частоте 100 Гц при изменении входного напряжения на 1 В, практически совпадает со значением этого параметра на постоянном токе, однако при машинном моделировании не возникает проблем сходимости при вычислении производных. (Заметим, что все результаты получены либо при отсутствии, либо при неизменном токе нагрузки.)