RadioRadar - Радиоэлектроника, даташиты, схемы

https://www.radioradar.net/articles/scientific_technical/ion.html

Выбор источника опорного напряжения

На первый взгляд, источники опорного напряжения (ИОН) весьма несложные устройства. Но их правильный подбор для конкретного применения без методически обоснованного подхода может оказаться длительной и рутинной работой. В этой статье приведен краткий обзор доступных типов ИОН, выпускаемых фирмой MAXIM, и обсуждается возможность использования технических условий на приборы при их выборе.

Если основная масса электронных схем пытается идеально передать форму, величину и другие важные параметры сигнала со входа на выход, главная задача источника опорного напряжения - поддерживать постоянным значением V_вых несмотря на все изменения по времени, температуры, входного напряжения, тока нагрузки. По тому, как приборы данного типа идеально точно выполняют свою основную задачу, и происходит разделение параметров и выбор соответствующего прибора.

Стабильность напряжения приборов

Первым современным твердотельным источником опорного напряжения является диод Зенера. Используемый, главным образом, в схемах фиксации и в источниках питания, диод Зенера работает с последовательным резистором от источника нерегулируемого напряжения. Для такого простого и дешевого прибора выходное напряжение его достаточно точное, а температурный коэффициент напряжения (ТКН) имеет минимальное значение при 6,3 В. Соединив последовательно p-I-n переход с Зенеровским диодом, получим комбинацию, у которой прямое напряжение (при определенном рабочем токе) может иметь чрезвычайно низкий ТКН.

Известная, как опорный диод или стабилитрон, эта комбинация имеет множество усовершенствований. Однако, для получения ТКН ниже 25 ppm/°C стоимость становится существенным фактором для изготовления таких приборов.

Сочетание диода Зенера и операционного усилителя в одной микросхеме дает существенные качественные изменения. Теперь для любого стабилитрона температурный коэффициент подстраивается по стандарту операционного усилителя. Каждый стабилитрон с усилителем проходит двойную температурную подстройку, в результате которых ТКН становится лучше, чем 1 ppm/°C. Микросхемы MAX 670/MAX 671 выполнены и протестированы именно таким образом.

Следующим этапом развития источников опорного напряжения стало использование напряжения запрещенной (энергетической) зоны полупроводника. Это стало возможным по мере совершенствования технологии изготовления кремниевых ИС.

Кремниевые диоды, проводящие в прямом направлении, имеют четкий температурный коэффициент - 2,1 mV/°C. Если изготовить, например, 11 идентичных диодов на кремниевой подложке, и все, кроме одного, центрального, соединить параллельно, то можно сделать следующее. Пропустим одинаковые токи через один центральный диод и группу диодов. Тогда окажется, что плотность тока через центральный диод примерно в 10 раз выше, чем через один диод, входящий в диск. Напряжение на центральном диоде имеет отрицательный ТКН, а напряжение для диода из группы имеет положительный ТКН. Интегральное исполнение позволяет суммировать эти два напряжения (переход U_б-э + напряжение с положительным ТКН). При этом температурный коэффициент будет нулевым, когда суммарное напряжение равно напряжению запрещенной зоны кремния (для температуры абсолютного нуля), что составляет примерно 1, 205В.

Рис. 1. Зависимость обратного напряжения от тока

Самая простая и дешевая схема с использованием напряжения запрещенной зоны кремния является выпускаемый MAXIMом двухполюсный прибор ICL8069 (см. рис.1). Напряжение стабилизации этого прибора 1, 23В и имеет острое колено при низком уровне рабочего тока (от 50 А до 5 mA) - менее 15 mB. Низкое рабочее напряжение и ток этих приборов делают их наиболее приемлемыми в цепях обратной связи операционных усилителей, где применение диода Зенера становится невозможным.

Технические требования

Чтобы выбрать лучший источник для заданного применения необходимо знать не только различные типы ИОН, но также и специальные определения изготовителей, которые характеризуют указанные приборы.

Точность

Это - неоднозначный термин. Сюда входит сумма всех отклонений от идеального выходного значения. Выражается как доля Х от идеального значения, помноженная на 100, т. е. Т=(Х*100/U_вых) %. ИОН с 1% точностью означает, что общая ошибка составляет 1% от идеального значения, а не 99%.

Ошибка

Конкретная категория отклонения от идеального значения. Выражается в абсолютном значении (например, милливольты) или как доли в процентах, или количеством частей на миллион (ppm).

Начальная точность

Допуск выходного напряжения, показанный ИОН при начальном включении напряжения питания. Часто начальная точность - наиболее важное требование. Для дешевых ИОН это может быть единственное требование точности.

Дрейф при включении

Изменение выходного напряжения в определенном интервале времени (обычно от нескольких миллисекунд), следующим за включением. Если ИОН выполнен с термостатированием, то величина дрейфа измеряется после стабилизации температуры. Все ИОН показывают некоторое изменение выходных параметров в первые секунды после включения питания. Обычно дрейф при включении имеет асимптотическую характеристику и является важным требованием для портативных систем при запитке на короткие промежутки времени.

Краткосрочный дрейф

Подобен дрейфу при включении, но указывается на короткий период (минуты) после включения. Этот параметр часто указывается в технических условиях в виде диаграмм или осциллограмм. Краткосрочный дрейф отличается от шума только единицей измерения, но обе небольшой величины, непредсказуемые и произвольны.

Долгосрочный дрейф

Медленные изменения на выходе ИОН, которые происходят за длительный (месяцы) период работы. Обычно выражается в ppm/1000 часов, является формой шума и поэтому случаен и непредсказуем. Этот параметр характеризуется только тестами образца. Надо отметить, что тесты образца не гарантируют будущие рабочие характеристики, но статистический анализ данных дает высокий уровень доверия результатам теста.

Старение

Постепенное изменение выходного напряжения за весь период работы. Старение отличается от долгосрочного дрейфа тем, что оно заканчивается медленным однонаправленным изменением опорного напряжения, в то время как долгосрочный дрейф вызывает произвольные колебания напряжения.

Шум

Электрический шум на выходных терминалах источника опорного напряжения. Это может быть широкополосный тепловой шум, низкочастотные пики широкополосного шума и узкополосный 1/f шум. Тепловой шум небольшой и легко отфильтровывается простой RC - цепочкой, если нет запрета на ее использование. При использовании ИОН короткое время большинство форм шума переводятся в компонент начальной точности.

Температурный дрейф

Изменение выходного напряжения при воздействии температуры, выраженное в ppm/°C или %/°C. Этот параметр является вторым по значимости после начальной точности. Температурный дрейф становится доминирующим, если начальную точность можно компенсировать калибровкой регулируемого прироста.

Есть три метода определения температурного дрейфа:

1. Метод "наклонных линий" (рис. 2). Определяется линия наихудшего изменения du/dt по температурному диапазону. Этот метод используется в военных изделиях с предположением, что дрейф линеен (часто неверно) и позволяет вычислить самый плохой случай. Фактическая точка максимального наклона не определена.
   

   Рис. 2. Метод "наклонных линий": зависимость выходного напряжения от температуры 236ppm/°C

2. Метод "прямоугольника" (рис. 3). Формируется прямоугольник в представляющем интерес температурном диапазоне. Сверху и снизу включает в себя максимальные и минимальные выходные напряжения. Этот вариант соответствует методу испытаний и обеспечивает более близкую оценку фактической ошибки, чем делает метод наклонных линий. Однако, и при таком методе нет ответа на точную форму изменений выходного напряжения.
   

   Рис. 3. Метод "прямоугольника": зависимость выходного напряжения от температуры 2,4 мВ/°C

3. Метод "бабочки" (рис. 4). Более детальная установка пределов, которые относятся к одной точке (здесь +25°С), с минимальными и максимальными наклонами линий, проходящих через указанную точку. Имеются также две или более контрольных точек по каждой линии. Название метода исходит из формы этих линий.
   

   Рис. 4. Метод "бабочки": зависимость выходного напряжения от температуры 50мкВ/°C

Все три метода не дают точной числовой оценки изменения выходного напряжения от температуры во всем диапазоне. Но эти графические показатели можно сравнивать друг с другом "преобразуя треугольник", вытянуть диагональ и т. д.

Саморазогрев

Изменение выходного напряжения ИОН в зависимости от протекаемого тока через прибор. Этот эффект коварен, потому что имеет несколько постоянных времени в пределах от микросекунд до секунд. Саморазогрев редко определяется, т. к. не обнаруживается в высокоскоростных измерениях в линии и нестабильности выходного напряжения или тока по нагрузке. Для уменьшения экстремального тока нагрузки и устранения саморазогрева добавляют внешний транзистор или буферный усилитель. В монолитных схемах MAX 676 - MAX 678 был применен другой способ: встраивалась активная схема, которая поддерживала постоянной внутреннюю рассеивающую мощность в зависимости от изменения тока нагрузки. При этом температурные изменения напряжения не превышали 1ppm/°C.

Нестабильность выходного напряжения от нагрузки: ошибка, создаваемая изменением тока нагрузки. Этот параметр не включает эффекты импульсной помехи от нагрузки.

Нестабильность выходного напряжения в зависимости от сети: ошибка, происходящая от изменения во входном напряжении. Этот параметр не включает пульсации напряжения и импульсные помехи.

Переходная характеристика: реакция выхода ИОН на переходные процессы входного напряжения и выходного тока. В техдокументации могут быть представлены фотографии типовых кривых для переходного процесса, они не дают гарантируемых технических трданных. Для благоприятных условий работы ИОН желательно добавить другую схему, чтобы обезопасить от переходных процессов входных и выходных воздействий.

Этот небольшой обзор характерных отклонений выходного напряжения ИОН дает разработчику возможность выбора прибора для конкретного применения.

В дополнение к вышесказанной информации приводится краткая таблица источников опорного напряжения, выпускаемых фирмой MAXIM.

Таблица 1. Характеристики источников опорного напряжения фирмы Maxim

Автор:Анатолий Шитиков