3.4. Перспективні напрямки розвитку джерел опорної напруги

В останні роки широко застосовуються ДОН як прецизійні елементи, реалізовані на одному кристалі напівпровідника і які містять відповідно опорний елемент, джерело струму, схему стабілізації напруги і вихідний підсилювач. Опорний елемент тут представляє собою два планарних транзистора з різними площами поверхні, а відповідно, і з різними емітерними струмами. Так виконана інтегральна схема стабілітрона типу LМ199-399 фірми National Semiconductor (США). Зауважимо, що ці ІС містять систему термостатування кристалу [42-44]. Другий тип прецизійного ДОН з напругою забороненої зони - елемент REF-10 фірми Ргесіsion Monolithics (США), призначений для використання в супутниках, в цифрових вольтметрах і АЦП, відрізняється гарантованою нестабільністю 25∙10^-6 за 1000 год, малим рівнем шумів, ТКН, що дорівнює 3∙10^-6 1/°С, і низьким споживанням енергії [44].

Результатом розвитку ДОН в інтегральному або гібридному виконанні повинно стати створення ДОН з мінімальною залежністю вихідної напруги від температури зовнішнього середовища. Розрізняють ДОН трьох типів [40, 45]:

- без будь-якої спеціальної температурної компенсації або підтримання постійної робочої температури. В цьому випадку температура навколишнього середовища в значній мірі впливає на U_ст. В найпростішому випадку в структурі ДОН може використовуватись стабілітрон. Змінюючи робочий струм, можна зменшити ТКН до (200-300) 10^-6 1/°С;

- ДОН з температурною компенсацією, в якій передбачена електрична схема, що компенсує вплив навколишнього середовища. Компенсувальні схеми, що використовуються на сьогодні, можуть бути аналогового (ці схеми найбільш розповсюджені), цифрового або і змішаних типів. Для ІС, виготовлених з дискретних елементів, ТКН становить (200-300) 10^-6 1/°С, для спеціальних прецизійних ІС (в яких опорний і компенсувальний р-п переходи розташовані на одному кристалі напівпровідника) ТКН складає (2-3) 10^-6 1/°С;

- термостатовані ДОН. Розрізняють активні і пасивні термостати, як із зовнішнім, так і з внутрішнім термостатуванням. Найбільш перспективними є інтегральні або гібридні ДОН із внутрішнім термостатуванням [40, 45]. Термостатовані інтегральні ДОН мають ТКН 0,5∙10^-6 1/°С [46].

Досить вдалі термостабільні схеми ДОН вдається реалізувати, використовуючи інтегральні зборки транзисторів Для пасивних термостатів важливішу роль відіграє постійна часу, що забезпечує мінімальний час входження термостатувального елемента в режим і максимально послаблює температурний вплив навколишнього середовища. Однак пасивні термостати не захищають від повільних температурних впливів [45]. Активне термостатування ДОН забезпечує постійну робочу температуру, яка може бути нижчою або вищою температури навколишнього середовища. Останній спосіб використовується часто, як найпростіший. Похибка підтримання температури в середині термостата, в залежності від потрібної точності ДОН, складає ±(0,2-0.02) °С. Температура всередині термостата повинна відповідати наступним умовам: бути на 10-20 °С вищою від найвищої температури в середині приладу; бути вибрана так, щоб залежність U_ст даного опорного елемента ДОН від температури мала найменший приріст в точці, що відповідає робочій температурі в середині термостата [47-49]. Зустрічаються термостати, в яких з метою зменшення кількості полярних молекул, наприклад води, в елементах схеми підтримується температура 95°С [50].

При використанні стабілітрона або його аналога в ДОН апаратури найвищої точності спеціального або метрологічного призначення характеристики часового дрейфу вихідної напруги і набувають важливого значення.

Стабільність серійних прецизійних ІС і інтегральних ДОН можна підвищити, використовуючи способи штучного старіння: статичного термотренування, термострумового тренування, термообробки в іонізованому середовищі, термоциклування і т.д.

Способи підвищення часової стабільності ДОН різноманітні і постійно вдосконалюються. Враховуючи, що швидкість старіння залежить від характеру експлуатації (неперервний, періодичний, неперіодичний), то підтримуючи підібрану до мінімуму ТКН силу струму, з більшою точністю в неперервному режимі за рахунок стабілізації фізико-хімічних процесів можна різко зменшити довгочасову нестабільність. В момент випадкового відключення мережі автоматично включається живлення ДОН від акумулятора [51]. Використання схеми періодичного порівняння поточного зростання напруги на запам'ятовувальному конденсаторі, дозволяє у значній мірі компенсувати часові і температурні флуктуації вихідної напруги [52].

Таким чином, аналіз основних принципів побудови транспортованих і портативних ДОН дозволяє зробити наступні висновки:

- напівпровідникові ДОН поступово заміняють НЕ при використанні їх в нестаціонарних умовах;

- перспективні напівпровідникові ДОН будуються на основі ІС або їх аналогів в інтегральному або гібридному виконанні при внутрішньому термостатуванні. При цьому, як зразкова напруга використовується напруга забороненої зони, а не напруга пробою стабілітрона;

- застосування спеціальних способів штучного старіння і метрологічної атестації найстабільніших елементів призведуть до значного зменшення температурної і часової нестабільності;

- використання дискретної елементної бази і індивідуально атестованих прецизійних стабілітронів найдоцільніше при реалізації ДОН найвищої точності.