Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2007 №6

Интегральные источники опорного напряжения

Пушкарев Михаил


Первыми полупроводниковыми источниками опорного напряжения (ИОН) были стабилитроны, для которых характерны большой разброс напряжения стабилизации от образца к образцу, значительный температурный дрейф, довольно большое динамическое сопротивление, особенно при малых токах стабилизации. Даже прецизионные стабилитроны, предназначенные для применения в измерительной технике, не лишены многих из этих недостатков и обеспечивают заявленные характеристики только при поддержании стабильного тока через стабилитрон, в большинстве случаев довольно значительного — до 10 мА.

Споявлением интегральных ИОН ситуация коренным образом изменилась. Особо следует отметить, что отличные характеристики обеспечиваются при низких значениях выходного напряжения, что дает интегральным ИОН абсолютное преимущество в современной аппаратуре, имеющей, как правило, низкие напряжения питания. По схемотехническому построению распространенные ИОН делятся на три группы: на стабилитронах, на ширине запрещенной зоны и на XFET-ячейке. Подробнее о вариантах исполнения ИОН можно узнать из специальной литературы [1, 2].

По способу включения в схему ИОН делятся на две группы: параллельные и последовательные.

Параллельные ИОН

Схема включения двухвыводного параллельного ИОН аналогична схеме включения стабилитрона. Наряду с двухвыводными имеется ряд микросхем так называемых «регулируемых стабилитронов», в том числе и популярнейшая разработка Texas Instruments — TL431. Наличие вывода регулировки позволяет с помощью двух резисторов получить ИОН с произвольным напряжением стабилизации в диапазоне напряжений от опорного до максимально допустимого рабочего напряжения микросхемы. В некоторых трехвыводных параллельных ИОН, таких как ADR512, LT1009, третий вывод предназначен для подстройки выходного напряжения в пределах от долей процента до единиц процентов.

Опорное напряжение в микросхеме TL431 и ее многочисленных версиях измеряется между выводом Ref и анодом, а в микросхемах AMS3100, LM185(285, 385), LM4041, LM4051 — между выводом Ref и катодом. Структурные схемы этих двух вариантов «регулируемых стабилитронов» показаны на рис. 1, 2 соответственно. Такое разнообразие дает разработчику дополнительные возможности при использовании трехвыводных ИОН в качестве элемента обратной связи.

Рис. 1
Рис. 2

Микросхема TL431 чаще всего используется в качестве элемента обратной связи, управляющего светодиодом оптрона в импульсных источниках питания, но ее использование затруднительно уже в источнике питания с выходным напряжением 5 В и менее. Это затруднение можно преодолеть с помощью микросхем LT1431 (Linear Technology), MIC4043 (Micrel), TS4431, TS4436 (STMicroelectronics), имеющих выход с открытым коллектором, и микросхемы NCP100 (ONSemiconductor) с минимальным напряжением стабилизации всего 0,9 В.

Параллельные ИОН перечислены в таблице 1, а их характеристики приведены в таблице 3.

Таблица 1. Параллельные ИОН
Параллельные ИОН
Таблица 3. Характеристики параллельных ИОН (полная версия таблицы на сайте http://www.finestreet.ru/magazine/compitech/specification.xls)
Характеристики параллельных ИОН

Последовательные ИОН

В таблице 2 перечислены микросхемы последовательных ИОН, а в таблице 4 приведены их характеристики.

Таблица 2. Последовательные ИОН
Последовательные ИОН
Таблица 4. Характеристики последовательных ИОН (полная версия таблицы на сайте http://www.finestreet.ru/magazine/compitech/specification.xls)
Характеристики последовательных ИОН

Последовательные ИОН включаются аналогично последовательным стабилизаторам напряжения. Существенным отличием для большинства микросхем последовательных ИОН является работоспособность не только при вытекающем, но и при втекающем токе нагрузки, что очень важно при совместной работе с ЦАП на переключаемых конденсаторах и в некоторых других приложениях.

Последовательные ИОН существенно экономичнее параллельных при большой разнице между напряжением питания и выходным напряжением, что дает преимущества при их использовании в аппаратуре с батарейным питанием. Дополнительные возможности по снижению энергопотребления дает наличие в ИОН (ADR318, LT1461) вывода отключения.

Как и стабилизаторы напряжения, большинство последовательных ИОН с малым падением напряжения на регулирующем элементе, так называемые LDO, чувствительны к выбору выходного конденсатора.

Некоторые ИОН подключением соответствующих резисторов к выводу регулировки позволяют изменять выходное напряжение от опорного напряжения (LM4121-ADJ, MAX6160) почти до напряжения питания. Выходное напряжение ИОН X60250, DS4303, DS4305 сигналами на выводах программирования устанавливается от нуля и почти до напряжения источника питания. Часть прецизионных ИОН (LT1236, MAX6143, REF02) имеет вывод подстройки для подключения потенциометра, который обеспечивает изменение выходного напряжения в небольших пределах.

Последовательные ИОН ADR121, LT1019, REF02 и некоторые другие имеют встроенный датчик температуры, сигнал с которого может использоваться для коррекции температурного дрейфа выходного напряжения.

Выходное напряжение (напряжение стабилизации)

Подавляющее большинство ИОН имеет выходное напряжение из ряда 1,2–1,25; 2,048; 2,5; 3; 3,3; 4,096; 5 В. Нижняя граница этого ряда близка к ширине запрещенной зоны кремния, другие значения получены соответствующим усилением.

Исключения представлены ADR510 с напряжением стабилизации 1 В, ADR130 с переключаемым выходным напряжением 0,5 или 1 В, ADR318 с выходным напряжением 1,8 В.

Отклонение выходного напряжения от номинального значения

Это одна из важнейших характеристик ИОН, которая определяет необходимость калибровки и пределы регулировки в собранном устройстве. Если первые микросхемы имели отклонение выходного напряжения от номинального значения до ±4% (TL431), то в последних разработках лазерной подгонкой значение этого параметра доведено до ±0,02% (MAX6126). Как уже было показано ранее, некоторые из ИОН имеют вывод подстройки, к которому подключается потенциометр, позволяющий подстроить выходное напряжение к необходимому пользователю значению без ухудшения других характеристик.

Температурный коэффициент выходного напряжения (температурный дрейф)

Не менее важной характеристикой ИОН, а для применения в высокоточной измерительной аппаратуре — зачастую и определяющей, является зависимость выходного напряжения с изменением температуры окружающей среды. Обычным является измерение температурного коэффициента напряжения (ТКН) в млн–1/°C. Такой способ описания температурного дрейфа вполне корректен для стабилитронов, у которых напряжение стабилизации изменяется практически линейно с изменением температуры. Для интегральных ИОН характерна существенно нелинейная зависимость выходного напряжения от температуры. Существует несколько методик измерения ТКН [3]. Для многих параллельных ИОН температурный дрейф нормируется в абсолютных единицах. Часто температурный дрейф ИОН нормируется в нескольких диапазонах температур, что позволяет вполне объективно оценить качество ИОН применительно к конкретным условиям эксплуатации и точностным характеристикам аппаратуры. К примеру, для MAX6035A максимальное значение ТКН составляет 20, 25 и 30 млн–1/°C для температурных диапазонов 0...+70 °C, –40…+85 °C и –40…+125 °C соответственно.

LM4132 температурный дрейф корректируется с использованием таблицы коэффициентов, записанных во встроенную EEPROM, чем достигнуто значение ТКН менее 20 млн–1/°C в температурном диапазоне от –40 до +125 °С.

Температурный гистерезис

После нагрева или охлаждения ИОН и возвращения его к первоначальной температуре выходное напряжение возвращается к исходному значению с некоторой погрешностью, называемой температурным гистерезисом. Для прецизионных ИОН последних разработок эта характеристика обязательно приводится в справочных данных. Устранить влияние температурного гистерезиса в высокоточной аппаратуре можно термостатированием ИОН при температуре, заведомо большей максимально возможной температуры эксплуатации устройства, вплоть до термостатирования при транспортировке.

Зависимость выходного напряжения от тока нагрузки

Зависимость выходного напряжения от тока нагрузки нормируется обычно для всего диапазона рабочих токов (для микромощных ИОН нередко диапазон рабочих токов разбивается на два поддиапазона с отдельным нормированием параметра в каждом поддиапазоне). Для последовательных ИОН параметр измеряется в мкВ/мА, %/мА, млн–1/мА, а для параллельных ИОН — в мВ.

Зависимость выходного напряжения от напряжения питания

Для последовательных ИОН нормируется зависимость выходного напряжения от напряжения питания в мкВ/В, %/В, либо в абсолютных единицах при изменении напряжения питания в допустимых пределах. Для получения максимальной точности аппаратуры рекомендуется питать ИОН стабилизированным напряжением.

Долговременная стабильность

Выходное напряжение ИОН изменяется со временем. Это изменение характеризуется параметром «долговременная стабильность», обычно нормируемым в млн–1/1000 ч при фиксированной, обычно повышенной, температуре. Изменение выходного напряжения со временем имеет нелинейный характер, и вовсе не значит, что через две тысячи часов работы оно будет в два раза больше, чем через 1000 часов. Многократными опытами установлено, что временной дрейф выходного напряжения практически прекращается задолго до достижения 1000-часовой наработки [4]. Улучшить долговременную стабильность можно искусственным старением ИОН, предпочтительно в составе устройства, что позволит стабилизировать характеристики и других компонентов.

Шумы

Шумовые характеристики ИОН нормируются в виде напряжения шумов от пика до пика в частотном диапазоне от 0,1 до 10 Гц, либо в виде среднеквадратичного напряжения шумов в частотном диапазоне от 10 Гц до 10 кГц. Для большинства качественных ИОН в справочных данных приводятся обе величины. Для уменьшения уровня шумов некоторые последовательные ИОН (MAX6126) имеют специальный вывод для подключения корректирующей емкости.

Ток потребления

Большое собственное энергопотребление характерно для ИОН на стабилитронах, особенно для микросхем первых разработок (до 12 мА для AD688). Минимальным энергопотреблением отличаются ИОН, изготовленные по КМОП-технологии (0,9 мкА для ISL60002). Минимальный рабочий ток параллельных ИОН находится в пределах от 0,6 мкА (LT1389-1.2) до 1 мА (TL431).

Конструктивное исполнение и монтаж

ИОН выпускаются в различных металлостеклянных, металлокерамических и пластмассовых корпусах для монтажа в отверстия и поверхностного монтажа с количеством выводов от двух до двадцати. Механические напряжения в кристалле, вызванные различиями температурных коэффициентов расширения (ТКР) кремния и материалов корпуса и печатной платы, изменяют геометрические размеры кристалла и электрические характеристики элементов интегральной схемы. Это сказывается на ТКН и долговременной стабильности. Наиболее стабильны ИОН в металлостеклянных коваровых корпусах, у которых ТКР кристалла и корпуса имеют близкие значения, а проволочные выводы практически устраняют влияние деформации печатной платы.

В справочных данных на VRE41xx рекомендуется устанавливать микросхему на краю печатной платы, где минимальны механические напряжения и перегрев. Дополнительно уменьшить воздействия можно, сделав вокруг микросхемы U-образный вырез.

Области применения

Основные области применения ИОН — источники питания, зарядные устройства, измерительная техника. Если в источниках питания зачастую можно обойтись компонентами с не слишком высокими характеристиками, то в измерительной технике характеристики ИОН могут иметь определяющее значение. Особенно важны температурный дрейф и уровень шумов, значение которых возрастает с повышением точности измерительного устройства. Для обеспечения дополнительной температурной погрешности в схеме с 14-разрядным АЦП, равной 0,5 МЗР в диапазоне температур от –40 до +85 °С, ТКН ИОН должен быть не более 0,5 млн–1/°С [2]. На рис. 3 показана схема линейного стабилизатора напряжения с использованием NCP100. В [4] приведен пример использования микросхемы VRE3050 в качестве ИОН для 16-разрядного АЦП.

Рис. 3

Ранее речь шла об интегральных ИОН, вся схема которых выполнена в одном кристалле. Фирмой Thaler по технологии гибридных интегральных схем выпускаются ИОН с исключительно высокими характеристиками. В качестве примера в таблицу 4 включены характеристики микросхемы VRE3025.

Кроме отдельных ИОН производится ряд комбинированных микросхем, сочетающих в себе ИОН с операционными усилителями или компараторами.

Литература

  1. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М.: Издательский дом «Додека-XXI». 2005.
  2. Miller P., Moore D. Precision Voltage Reference. SLYT183. Texas Instruments Inc.
  3. Шитиков А. Выбор источника опорного напряжения // Электронные компоненты. 2002. № 3.
  4. The Effect of Long-Term Drift on Voltage Reference. Application Notes AN-713. Analog Devices Inc.
  5. Miller P., Moore D. The Design and Performance of a Precision Voltage Reference Circuit for 14-bit and 16-bit A-to-D and D-to-A Converters. SLYT168. Texas Instruments Inc.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке



Ответы как уничтожить постельных клопов dezspas.ru.