
UPOS3 / Раздел5
.2.doc5.2 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 rд стабилитрона можно определить по минимальным и максимальным значениям напряжений и токов стабилизации обратной ветви его вольт-амперной характеристики (ВАХ) uст max,min, Iст max,min:
.
Принцип работы стабилизатора заключается в постоянстве тока I, протекающего через резистор Ro:
.
Работу стабилизатора можно отразить графически, для чего квадрант III ВАХ стабилитрона поворачивается на 90о и ещё раз вокруг вертикальной оси. Нагрузочные прямые проводятся из условия =arctgRo, 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 Кст0,001%.
3) Изменения тока нагрузки при относительно большом выходном сопротивлении стабилизатора (Rвыхrд). Для снижения Rвых стабилизатор дополняю требуемым усилительным каскадом на операционном усилителе (ОУ) с коэффициентом усиления Ко. Rвых для инвертирующего и неинвертирующего каскадов определяются:
;
,
где Rос,R1 – 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 Rвых 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 Iн будет сопровождаться противоположным изменением тока Iр РЭ, удерживая постоянным напряжение на резисторе Ro. В последовательном стабилизаторе выходное напряжение стабилизируется путём изменения напряжения на РЭ.
Численные значения Кст стабилизаторов на дискретных элементах лежат в пределах 200 – 1000, а Rвых – 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 uвых=Uст(1-пос). Ток стабилитрона определяет резистор R3: Iст=пос Uст/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 – 125оС обеспечить стабильность uвых с погрешностью 0,1%.
Также появились ИОН, называемые "стабилитрон с напряжением запрещенной зоны" (или "uбэ – стабилитрон") /7, с. 353 – 360/. В них генерируется напряжение с температурным коэффициентом, положительным и равным по абсолютной величине отрицательному температурному коэффициенту напряжения uбэ 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 uбэ 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 uбэ, равная lnkT/gln10 (формула Эберса - Молла: k – постоянная Больцмана, Т – температура), делает ток Iэ2 пропорциональным температуре (разность напряжений приложена к резистору R1), что обуславливает пропорциональность между Iк1 и температурой. Напряжение на резисторе R2 складывается с напряжением uбэ1, создавая стабильное опорное напряжение с нулевым температурным коэффициентом на базах транзисторов VT1,2.
Зачастую необходимо иметь двухполярные ИОН. Такой источник с малым Rвых 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=uэб/R3. Реальное соотношение I1I2 не влияет на работу схемы вследствие наличия отрицательной обратной связи в схемах на ОУ. Здесь I=Uст/(R1+R2); uвых1=IR2; uвых2=-IR1. Изменяя отношение R1/R2, можно получить изменение выходного напряжения от нуля до Uст, но всегда сохраняется разность uвых1- uвых2=Uст. При этом Iстuэб1,2/R3. В схеме имеется почти полная компенсация положительного температурного дрейфа uст отрицательным дрейфом Iст. Так как стабилитрон не подключен непосредственно к источникам питания, то исключается влияние на uвых 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 210-7/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=0,0510-61/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 – 125оС 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