51. Источники эталонного напряжения и тока

В качестве источников эталонного (опорного) напряжения используются различные стабилизаторы напряжения. При этом специальными мерами уменьшают две основных составляющих погрешности таких источников:

1) зависимость эталонного напряжения от температуры окружающей среды;

2) зависимость эталонного напряжения от нестабильности питающего напряжения;

Методы уменьшения первой составляющей:

-использование в схеме источника опорного напряжения резисторов и стабилитронов с малыми значениями температурных коэффициентов сопротивления и напряжения.

-применение пассивного или активного термостатирования.

Для уменьшения второй составляющей погрешности источников эталонного напряжения ток стабилизации стабилитрона формируется параметрическим источником (стабилизатором) тока. В качестве параметрических источников постоянного тока используются нелинейные элементы, ток которых мало зависит от напряжения, приложенного к ним.

В любой схеме стабилизатора требуется наличие опорного напряжения, с которым сравнивается величина выходного напряжения. Стабильность выходного напряжения стабилизатора не может быть выше стабильности его источника опорного напряжения. Источники опорного напряжения (ИОН) широко применяются также в качестве эталонной меры в аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях, а также в разного рода пороговых устройствах.

Для получения опорного напряжения необходимо нестабилизированное входное напряжение приложить через токоограничивающий резистор к стабилитрону (рис. 12.1 а).

Рис. 12 а) Схема ИОН на стабилитроне; б) Схема ИОН на основе ОУ и стабилитроне.

Качество стабилизации оценивается коэффициентом:

Кст = DUвх /DUоп, который называется коэффициентом стабилизации.

Для схемы на рис. 12а коэффициент стабилизации:

Кст = 1 + R/rст. Составляет обычно от 10 до 100. Здесь rст - дифференциальное сопротивление стабилитрона. Оно приблизительно обратнопропорционально току, протекающему через стабилитрон, поэтому при заданном входном напряжении увеличением сопротивления резистора R невозможно добиться повышения коэффициента стабилизации. Важным фактором для выбора стабилитрона является величина шумовой составляющей напряжения стабилизации, которая сильно возрастает при малых величинах тока.

Недостатком схемы на рис. 12а является относительно высокое выходное сопротивление (десятки ом), которое также возрастает при уменьшении тока через стабилитрон. Другим недостатком является большой разброс напряжений стабилизации, который даже для прецизионных стабилитронов достигает 5% от номинального значения.

Существенного повышения коэффициента стабилизации можно достичь, если токоограничивающий резистор заменить источником стабильного тока, например, на полевом транзисторе. В этом случае Кст может превысить 1000.

Можно существенно улучшить характеристики источника опорного напряжения, если использовать в его составе операционный усилитель (рис. 12б). Коэффициент стабилизации в такой схеме определяется главным образом коэффициентом влияния источников питания Kв.ип в используемом ОУ и может достигать величины порядка 10000. Выходное сопротивление этой схемы составляет десятые доли ома. Поскольку напряжения на входах ОУ практически равны, выходное напряжение источника опорного напряжения

Uвых = Uоп(1 + R2/R1) не может быть меньше напряжения стабилизации стабилитрона. Применение ОУ позволяет также путем подгонки соотношения сопротивлений резисторов R2/R1 достичь высокой точности опорного напряжения.

Таким образом, колебания выходного напряжения источника опорного напряжения, выполненного по схеме на рис. 12б, при реальных изменениях входного напряжения и нагрузки не превышают 1 мВ. Существенно бoльшие значения имеют температурные колебания опорного напряжения. Температурный коэффициент напряжения стабилизации стабилитрона (ТКН) определяется как отношение относительного приращения напряжения стабилизации к приращению температуры: ТКН = DUст /(Uст DТ) .