UPOS3 / Раздел2

2. ИСТОЧНИКИ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Простейшим источником опорного напряжения (ИОН) является параметрический стабилизатор напряжения [6, с. 182–187; 7, с. 306–308], схема которого приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Параметрический стабилизатор напряжения

Дифференциальное сопротивление r_д стабилитрона можно определить по минимальным и максимальным значениям напряжений и токов стабилизации обратной ветви его вольт-амперной характеристики (ВАХ) u_{ст max,min­}, I_{ст max,min­}:

. (2.1)

Принцип работы стабилизатора заключается в постоянстве тока I, протекающего через резистор R_o:

. ** (2.2)

Работу стабилизатора можно отразить графически, для чего третий квадрант ВАХ стабилитрона поворачивается на 90 ^о и ещё раз вокруг вертикальной оси. Нагрузочные прямые проводятся из условия  = arctgR_o, рис. 2.2. Графический расчёт наглядно показывает возможные пределы измерения u₁ и u₂.*

Погрешность установки выходного напряжения стабилитрона обусловлена следующими факторами.

1) За счёт изменения температуры стабилитрона и временным изменением его параметров. Стабилитроны КС191С,Т,У,Ф имеют температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКНС) не более 0,0005 %/С⁰ и временные изменения порядка 0,005 % за 5000 ч.

2) За счёт нестабильности входного напряжения u₁, что отражается коэффициентом стабилизации:

. (2.3)

Рис.2.2. Графоаналитический расчёт параметрического стабилизатора

Для увеличения коэффициента стабилизации применяют каскадное включение параметрических стабилизаторов, или от него запитывают источник тока, например на биполярном транзисторе по схеме с ОБ [6, с. 182–183]. При этом достигается величина К_ст  0,001 %.

3) Изменения тока нагрузки при относительно большом выходном сопротивлении стабилизатора (R_вых  r_д). Для снижения R_вых стабилизатор дополняю требуемым усилительным каскадом на операционном усилителе (ОУ) с коэффициентом усиления К_о. R_вых для инвертирующего и неинвертирующего каскадов определяются:

; , (2.4)

где R­­_ос, R_1­ – резисторы в обратной связи и на входе ОУ.

Для регулировки выходного напряжения ИОН, в него вводятся регулировки, например с помощью делителей напряжения на резисторах [7, с. 183–184].

Большие коэффициенты стабилизации напряжения при малом R_вых позволяют получить вторичные источники электропитания в виде стабилизаторов [7 с. 308 – 314]. По принципу работы - это система регулирования, в которой изменения выходного напряжения передаются на регулирующий элемент РЭ таким образом, что в результате уменьшается изменение выходного напряжения. Используются две основные функциональные схемы таких стабилизаторов: параллельная и последовательная, рис. 2.3.

Рис. 2.3. Параллельный и последовательный компенсационный стабилизаторы

В параллельном стабилизаторе изменения I_н будет сопровождаться противоположным изменением тока I_р РЭ, удерживая постоянным напряжение на резисторе R_o. В последовательном стабилизаторе выходное напряжение стабилизируется путём изменения напряжения на РЭ.

Численные значения К_ст стабилизаторов на дискретных элементах лежат в пределах 200-1000, а R_вых - десятые и сотые доли Ома. Интегральные схемы стабилизаторов имеют выигрыш по массо-габаритным, стоимостным и качественным показателям (ИС серии 142).

Использование импульсных (ключевых) стабилизаторов в ЦИУ должно выполняться с учётом того, что их регуляторы являются источниками мощной широкополосной помехи, влияющей на точностные характеристики других блоков, и защита от которой сопряжена с большими трудностями в виде дополнительных конструкторских и схемных решений.

Однополярный ИОН на ОУ, позволяющий исключить влияние источника питания, использует положительную обратную связь (ПОС) [8., с. 183] - рис. 2.4, резисторы R₁, R₂. Коэффициент передачи по цепи обратной связи _пос=R₂/(R₁+R₂) должен быть меньше единицы для исключения самовозбуждения усилителя, а u_вых = U­_ст(1 - _пос). Ток стабилитрона определяет резистор R₃: I_ст = _посU­_ст/R₃(1 - _пос).

Второй диод обеспечивает надёжный запуск ИОН при включении питания. Дрейфовые характеристики данного ИОН определяются стабилитроном. Для получения температурного дрейфа меньше, чем обуславливает стабилитрон, в схему включается компенсирующая схема [8, с. 183-184], позволяющая в диапазоне температур минус 55-125 ^оС обеспечить стабильность u_вых с погрешностью 0,1 %.

Рис. 2.4. ИОН с использованием ПОС

Также появились ИОН, называемые "стабилитрон с напряжением запрещенной зоны" (или "u_бэ-стабилитрон") [9, с. 353 – 360]. В них генерируется напряжение с температурным коэффициентом, положительным и равным по абсолютной величине отрицательному температурному коэффициенту напряжения u_бэ, биполярного транзистоа (БПТ). При их сложении получается напряжение с нулевым температурным коэффициентом. Схема ИОН с напряжением запрещенной зоны (НЗЗ) приведена на рис. 2.5 [9].

Рис. 2.5. ИОН с НЗЗ

Резистор R определяет величину напряжения, которая складывается с u_бэ и имеет положительный температурный коэффициент. Подбирая R, получают нулевой результирующий температурный коэффициент, что наблюдается, если суммарное напряжение равно напряжению запрещенной зоны кремния при температуре 0 К (примерно, 1,22 В).

На рис. 2.6 показана схема ИОН, позволяющая также снимать напряжение, соответствующее температуре стабилитрона с НЗЗ [9].

Рис. 2.6. ИОН с НЗЗ и температурным датчиком

VT 1, 2 – согласованная пара транзисторов, за счёт обратной связи работающая при соотношении коллекторных токов 10 : 1. Разность напряжений u_бэ, равная ln kT/qln10 (формула Эберса-Молла: k - постоянная Больцмана, Т - температура), делает ток I_э2 пропорциональным температуре (разность напряжений приложена к резистору R1), что обуславливает пропорциональность между I_к1 и температурой. Напряжение на резисторе R₂ складывается с напряжением u­_бэ1, создавая стабильное опорное напряжение с нулевым температурным коэффициентом на базах транзисторов VT 1, 2.

Зачастую необходимо иметь двухполярные ИОН. Такой источник с малым R_вых представлен на рис. 2.7 [8, с. 184-185]. Ток стабилитрона задаётся транзисторными генераторами тока. При идентичности характеристик транзисторов pnp и npn, выполняется условие: I₁ = I₂ = u_эб/R₃. Реальное соотношение I₁  I₂ не влияет на работу схемы вследствие наличия отрицательной обратной связи в схемах на ОУ. Здесь I = U_ст/(R₁ + R₂); u_вых1 = IR₂; u_вых2 = -IR₁. Изменяя отношение R₁/R₂, можно получить изменение выходного напряжения от нуля до U_ст, но всегда сохраняется разность u_вых1- u_вых2 = U_ст. При этом I_ст  u_эб1,2/R₃. В схеме имеется почти полная компенсация положительного температурного дрейфа u_ст отрицательным дрейфом I_ст. Так как стабилитрон не подключен непосредственно к источникам питания, то исключается влияние на u_вых помех, имеющихся даже на общей шине в приборе.

Рис. 2.7. Двухполярный ИОН

Примеры зарубежных ИС ИОН приведены в табл. 2.1 [9, с. 354-355].

Таблица 2

ИС зарубежных ИОН

Тип	Изготовитель	Напряжение, В	Погрешность, %	Температурный коэф-т, 10-6/оС	Напряжен. пит. минимальн. В	Ток питания, мА	Долговременная стабильность, 10-6/1000 ч
A723C	FS+	7,15	3	20	9,5	2,3	1000
LM336B-5	NS	5,0	1	15	-	1	20
LM385BX-1.2	NS	1,235	1	30	-	0,1	20
LM385BX-2.5	NS	2,50	1,5	30	-	0,1	20
REF-01A	PM	10,0	0,3	3	12	1	-
REF-08G	PM	минус10,0	0,2	10	минус 11,4	2	-
REF10KM	BB	10,0	0,05	1	13,5	4,5	10
LM369B	NS	10,0	0,05	1,5	13	1,4	6
AD584L	AD	2,5	0,05	10	5	0,75	25
AD584L	AD	5,0	0,06	5	7,5	0,75	25
AD588B	AD	10,0	0,01	1,5	14	10	25
LT1019A-2,5	LT	2,5	0,002	3	4	0,7	-
LT1031B	LT	0,05	3	11	1,2	10	0,00005
TL431	TI	2,75	2	10	-	10	-

ИОН на ИС TL431C - программируемый, включается при управляющем напряжении 2,75 В, имеет ТКНС 10^-5/^оС, максимально допустимый ток 100 мА. Для данных по рис. 2.8, выходное напряжение 10 В.

Рис. 2.8. Управляемый стабилитрон

Температурно-стабилизированные ИОН могут использовать термостатирование, в том числе на уровне полупроводникового кристалла (серия ИС LM199): ТКНС = 0,00002 %/^оС или 210^-7/^оС, мощность нагревателя 0,25 Вт, время разогрева 3 с.

ИС ИОН без термостатирования – это REF10KM, REF101KM(TKHC = 10^-6/^oC), а также ИС МАХ671, AD2710, AD2712, LTZ1000, причём для последней ИС ТКНС = 0,0510^-6/^оС. Перечисленные ИОН без термостатирования - специальные стабилитроны (с захороненным слоем), что обеспечивает намного меньший шум, чем у остальных ИОН.

Следует отметить такой элемент, как баистор, состоящий из диода и резистора, температурные зависимости характеристик которых обеспечивают температурную стабилизацию рабочей точки (напр., КЖ102А, Б). Он рассчитан на эксплуатацию в диапазоне температур минус 60-125 ^оС на корпусе. Схема и характеристика баистора показаны на рис. 2.9, а в качестве электрических параметров можно привести [10] по рис. 2.9.

Рис. 2.9. Схема и характеристики баистора