Источники опорного напряжения

Слайд-лекция на тему:
«Источники опорного напряжения»
по дисциплине:
«Электронные средства ИИТ»
Преподаватель
кафедры Приборостроения
Б е л и к Михаил Николаевич
Старший преподаватель
кафедры Приборостроения
Какимова Клара Шамелевна
Специальность 5B071600 - Приборостроение
План лекции:
1. Общие сведения;
2. Стабилитрон как источник
опорного напряжения;
3. Источники опорного напряжения
на транзисторах;
4. Источники опорного напряжения
на ОУ;
5. Интегральные ИОН.
Общие сведения
Источник, или генератор, опорного напряжения
(ИОН)
—
базовый
электронный
узел,
поддерживающий
на
своём
выходе
высокостабильное
постоянное
электрическое
напряжение.
ИОН применяются для задания величины
выходного
напряжения
стабилизированных
источников электропитания, шкал цифро-аналоговых
и аналого-цифровых преобразователей, режимов
работы аналоговых и цифровых интегральных схем
и систем, и как эталоны напряжения в составе
измерительных приборов.
Точность
и
стабильность
этих
устройств
определяются
точностными
параметрами
используемых в них ИОН.
История создания ИОН
В эпоху вакуумных ламп были доступны два типа
источников
опорных
напряжений:
газоразрядные
стабилитроны и химические источники напряжения.
Использовались не точные, но дешёвые и относительно
безопасные герметичные гальванические элементы и
батареи. Ртутно-цинковые элементы на напряжение 1,35 В
были способны отдавать ток в несколько мА в течение
тысячи часов, но уступали в точности и стабильности
лабораторным эталонам.
Для задания напряжений от 80 В до 1 кВ использовались
заполненные инертными газами стабилитроны тлеющего
разряда, для напряжений от 400 В до 30 кВ — заполненные
водородом стабилитроны коронного разряда. Устройства на
газовых
стабилитронах
не
требовали
регулярного
обслуживание, но их отклонение от номинального
напряжения достигало ±5 %.
Стабилитрон как источник опорного
напряжения
В 1953 году Кларенс Зенер изобрёл
полупроводниковый стабилитрон, или «диод
Зенера»
—
полупроводниковый
диод,
работающий при обратном смещении на
участке, соответствующем напряжению пробоя,
там где ток пробоя быстро нарастает при росте
напряжения и поддерживающий на своих
выводах постоянное напряжение в широком
диапазоне токов и температур.
Характеристики стабилитрона
UREF
IREF(MIN)
UREF
Рабочая
область
 IREF
IREF
Обратная ветвь ВАХ стабилитрона
Зависимость ТКН стабилитронов в
зависимости от номинального
напряжения стабилитрона
Дискретные стабилитроны
Для
того,
чтобы
стабилитрон можно было
использовать в качестве
ИОН,
надо
обеспечить
прохождение через него
постоянного тока.
Такой ИОН представляет
собой
делитель
напряжения,
питаемый
напряжением
заведомо
большим, чем напряжение
стабилизации.
Rmin = Eп/Iст max
При этом
максимальный
ток нагрузки
Iн max=Iст max-Iст min.
Качество
стабилизации
коэффициентом
Кст = Uвх /Uоп ,
оценивается
который
называется
коэффициентом
стабилизации.
Для схемы ИОН на стабилитроне коэффициент
стабилизации
Кст = 1 + R/rст ,
и составляет обычно от 10 до 100.
Здесь rст - дифференциальное сопротивление
стабилитрона.
Источники опорного напряжения на
транзисторах
При
отсутствии
стабилитрона
на
необходимое
напряжение стабилизации в пределах 4...9 В можно
использовать
маломощные
высокочастотные
транзисторы. Напряжение стабилизации зависит от типа и
буквы транзистора.
Наиболее простой способ увеличения нагрузочной
способности такого генератора напряжения - применение
эмиттерного повторителя на простом или составном
транзисторе (в зависимости от тока нагрузки) в качестве
буферного
каскада.
Такой
источник
называют
стабилизатором последовательного типа (a).
Улучшенные
стабилизаторы
параллельного
типа (аналог
мощного
стабилитрона)
– б), в)
a)
б)
в)
Замена токозадающего резистора генератором
стабильного тока (ГСТ) позволяет получить
прецизионные источники опорного напряжения.
На рисунках представлены улучшенные источники
последовательного (а) и параллельного типа (б).
а)
б)
.
Суперэкономичный источник опорного
напряжения с применением ГСТ на полевом
транзисторе в микротоковом режиме
Температурно-стабилизированные ИОН
Температурный
коэффициент
напряжения
стабилизации стабилитрона (ТКН) определяется как
отношение относительного приращения напряжения
стабилизации к приращению температуры:
ТКН = Uст /(Uст Т) .
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.
Термокомпенсированный стабилитронный источник
опорного напряжения с отрицательной обратной связью
Ток стабилитрона не зависит от
входного напряжения и определяется
по формуле:
IСТ = UVT1 б-э/R1.
Выходное напряжение :
UВЫХ = UСТ + UVT1 б-э.
Схема
обеспечивает
температурную
компенсацию
выходного
напряжения
для
стабилитрона
с
температурным
коэффициентом, равным порядка 2,2
мВ/°C. Это достигается за счет
отрицательного
температурного
коэффициента –2,2 мВ/°C у перехода
база-эмиттер транзистора VT1.
Источники опорного напряжения на ОУ
Для улучшения характеристик ИОН, в его составе
используют операционный усилитель.
Коэффициент стабилизации
в
схеме
определяется
главным
образом
коэффициентом подавления
нестабильности питания KПП в
используемом ОУ и может
достигать величины порядка
10000.
Выходное
сопротивление
этой
схемы
составляет
десятые доли Ом. Выходное
напряжение ИОН
UВЫХ=UСТ(1+R2/R3)
Стабилитронный источник опорного
напряжения на операционном усилителе
Термокомпенсация
осуществляется
включением
последовательно
со
стабилитроном диода в прямом
направлении.
Выходное
напряжение можно изменять в
достаточно больших пределах:
UВЫХ = UСТ(1 +
R2/R3),
где: UСТ — напряжение
стабилитрона
(с
цепями
термокомпенсации).
Ток
стабилитрона
поддерживается неизменным и
выбирается по формуле:
IСТ = UВЫХ – UСТ/R1.
Интегральные ИОН
«Стабилитронные» ИС
Эти, как правило, двухвыводные устройства очень похожи на
стабилитроны, но на самом деле содержат помимо собственно
стабилитрона, целый ряд активных компонентов, служащих для
улучшения характеристик. Главный недостаток подобных ИОН —
большой собственный шум.
"Стабилитронная" ИС LM129A с величиной ТКН = 6 мкВ/0С.
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 помешается в
теплоизолированном корпусе. Это позволяет достичь ТКН < 110-6К-1 в
диапазоне температур -250С...+850С, причем время, требуемое для
установления рабочего режима после включения, составляет всего 3 с.
ИОН
типа
LM199/LM299/LM399
3
1 являются прецизионными, температурно
LM199
- стабилизированными монолитными
стабилитронами, эквивалентная схема
которых представлена на рисунке.
Стабилизатор
Активная
схема
уменьшает
температуры
динамический импеданс стабилитрона
до приблизительно 0.5 Ом и позволяет
стабилитрону работать в диапазоне
токов от 0.5 мА до 10 мА практически без
изменения
напряжения
и
4
2 температурного коэффициента. ТКН =
0,2 мкВ/0С
Интегральные ИОН: «Bandgap» ИОН
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.
ИОН с напряжением запрещенной зоны
Схема источника опорного напряжения на биполярных
транзисторах, разработанная Р. Видларом в 1968 году,
приведена на рисунке. Такие источники опорного
напряжения часто называют источниками на запрещенной
зоне (bandgap references).
На русском языке эта
схема
имеет
много
названий: "стабилитрон с
напряжением запрещенной
зоны", "источник опорного
напряжения
равного
ширине запрещенной зоны",
"ИОН с использованием
напряжения
ширины
запрещенной зоны" и еще
некоторые другие.
Если требуется опорное напряжение выше 1,2В,
то применяется вариант этой схемы с ОУ
ИОН на биполярных транзисторах с ОУ и
последовательным регулирующим элементом
Схема источника опорного напряжения с регулирующим
элементом, включаемым параллельно нагрузке.
Здесь
усилитель
управляет
транзистором
VT3,
который
поддерживает разность потенциалов коллектор-эмиттер равной
В таблице представлены основные параметры
моделей источников опорного напряжения
Рекомендуемая литература
Титце У., Шенк К. Полупроводниковая
схемотехника. 12-е изд. Том II: Пер. с нем. - М.:
ДМК Пресс, 2007. - 942 с: ил.
2. Павлов В. Н., Ногин В. Н. Схемотехника
аналоговых электронных устройств: Учебник для
вузов. – М.: Горячая линия–Телеком, 2001.– 320 с.
3. Лаврентьев Б.Ф. Схемотехника электронных
средств. Учебное пособие для студ. высш. учеб.
заведений / Б.Ф. Лаврентьев – М.: Издательский
центр «Академия», 2010. – 336 с.
4. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и
аналого-цифровых электронных устройств 3-е
изд.стер./ Волович Г.И. – М.: Издательский дом
«Додэка-XXI»,2011. – 528 с.
1.
Задания для СРС
1.
Чем
отличается
источник
опорного
напряжения от стабилизатора напряжения?
2. Область применения источников опорного
напряжения?
3. Объясните принцип действия источника
опорного напряжения.
4. Чем отличаются источники опорного
напряжения на основе биполярных, полевых
транзисторах и операционных усилителях?
5.
Источники
опорного
напряжения
в
интегральном исполнении.