UPOS3 / Раздел5

5.2 Источники опорного напряжения

Простейшим источником опорного напряжения (ИОН) является параметрический стабилизатор напряжения /2, с. 182 – 187; 5, с. 306 – 308/, схема которого приведена на рис. 5.8.

Параметрический стабилизатор напряжения

Рис.5.8

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}:

.

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

.

Работу стабилизатора можно отразить графически, для чего квадрант III ВАХ стабилитрона поворачивается на 90^о и ещё раз вокруг вертикальной оси. Нагрузочные прямые проводятся из условия =arctgR_o, рис. 5.9.

Графоаналитический расчёт параметрического стабилизатора

Рис.5.9

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:

.

Для увеличения коэффициента стабилизации применяют каскадное включение параметрических стабилизаторов, или от него запитывают источник тока, например на БПТ по схеме с ОБ /2, 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:

; ,

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 /2, с. 183 – 184/.

Большие коэффициенты стабилизации напряжения при малом R_вых позволяют получить вторичные источники электропитания в виде стабилизаторов /5 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. 5.10.

Параллельный и последовательный компенсационный стабилизатор напряжения

Рис. 5.10

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 сопряжено с большими трудностями в виде дополнительных конструкторских и схемных решений.

Однополярный ИОН на ОУ, позволяющий исключить влияние источника питания, использует положительную обратную связь /6., с. 183/ - рис. 5.11, 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=_пос U­_ст/R₃(1-_пос).

ИОН с использованием ПОС

Рис. 5.11

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 /6, с. 183 – 184/, позволяющая в диапазоне температур минус 55 – 125^оС обеспечить стабильность u_вых с погрешностью 0,1%.

Также появились ИОН, называемые "стабилитрон с напряжением запрещенной зоны" (или "u_бэ – стабилитрон") /7, с. 353 – 360/. В них генерируется напряжение с температурным коэффициентом, положительным и равным по абсолютной величине отрицательному температурному коэффициенту напряжения u_бэ БПТ. При их сложении получается напряжение с нулевым температурным коэффициентом. Схема ИОН с напряжением запрещенной зоны (НЗЗ) приведена на рис. 5.12 /7/.

ИОН с НЗЗ

Рис.5.12

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 ОК (1,22В).

На рис. 5.13 показана схема ИОН, позволяющая также снимать напряжение, соответствующее температуре стабилитрона с НЗЗ /7/.

ИОН с НЗЗ и температурным датчиком

Рис.5.13

VT1,2 – согласованная пара транзисторов, за счёт обратной связи работающая при соотношении коллекторных токов 10 : 1. Разность напряжений u_бэ, равная lnkT/gln10 (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 VT1,2.

Зачастую необходимо иметь двухполярные ИОН. Такой источник с малым R_вых представлен на рис. 5.14 /6, с. 184 – 185/.

Двухполярный ИОН

Рис.5.14

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.

Примеры зарубежных ИС ИОН приведены в таблице 5.2 /7, с. 354 – 355/.

Таблица 5.2

ИС зарубежных ИОН

Тип	Изготовитель	Напряжение, В	Погрешность, %	Температурный коэф-т, 10-6/оС	Напряжен. пит. минимальн. В	Ток питания, мА	Долговременная стабильность, 10-6/1000ч.
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 2,75В, имеет ТКНС 10^-5/^оС, максимально допустимый ток 100мА. Для данных по рис. 5.15, выходное напряжение 10В.

Управляемый стабилитрон

Рис. 5.15

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 0,25Вт, 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^-61/^оС. Перечисленные ИОН без термостатирования специальные стабилитроны (с захоронённым 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. 5.16, а в качестве электрических параметров можно привести /8/:

Схема и характеристики баистора

Рис. 5.16