30. Источники опорного напряжения: Простейший источник опорного напряжения.

Рис. 26 Простейший источник опорного напряжения

Определим напряжение на выходе источника U_ВЫХ. Напряжение на базе транзистора VT1 определяется как сумма напряжения стабилитрона и падения напряжения на диоде:

Напряжение на эмиттере транзистора VT1 меньше напряжения на базе приблизительно на 0.6В и с учетом этого можно записать:

Определим выходное динамическое сопротивление. Выходное динамическое сопротивление определяется по формуле:

Ф. 13

Для получения выражения для расчета выходного динамического сопротивления необходимо найти выражение для изменения выходного напряжения при изменении выходного тока. При больших изменениях выходного тока I_ВЫХ (I_Э) изменяются:

1. - напряжение U_БЭ согласно формуле

, где Iэт - тепловой ток эмиттера;

2. Базовый ток транзистора, что вызывает изменение падения напряжения на омическом сопротивлении базы - ;

1. Ток через стабилитрон, из-за изменения базового тока, что ведет к изменению напряжения на стабилитроне - ;

Таким образом изменение выходного напряжения будет определяться тремя составляющими:

Ф. 14

Найдем все эти три слагаемых в выражении Ф. 14

1. Изменение напряжения Uбэ определяется следующим образом:

Ф. 15

2. Изменение падения напряжения на омическом сопротивлении базы определяется по формуле:

Ф. 16

3. Изменение напряжения на стабилитроне, с учетом того что изменение тока через стабилитрон равно изменению базового тока, определяется следующим образом:

Ф. 17

Подставив выражения Ф. 15, Ф. 16, Ф. 17 в Ф. 14 получим необходимое выражение для изменения выходного напряжения при изменении выходного тока:

Разделив конечное выражение для U_ВЫХ на I_ВЫХ получим искомое выражение для расчета выходного динамического сопротивления:

Как видно это уравнение совпадает с уравнением для выходного сопротивления эмиттерного повторителя.

31. Источники опорного напряжения: ион на стабилитронах.

Простейший метод получения опорного напряжения состоит в том, что нестабилизированное входное напряжение прикладывают через токоограничивающий резистор к стабилитрону (рис.12а)

Рис. 12. Схемы ИОН на стабилитронах

Качество стабилизации оценивается коэффициентом

К_ст = DU_вх /DU_оп ,

который называется коэффициентом стабилизации. Для схемы на рис. 12а коэффициент стабилизации

К_ст = 1 + R/r_ст ,

и составляет обычно от 10 до 100. Здесь r_ст - 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 К_ст 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

U_вых = U_оп(1 + R₂/R₁)

и 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 = DU_ст /(U_ст DТ) .

Для большинства стабилитронов он находится в пределах +/-1· 10^-3 К ^-1. Для малых напряжений стабилизации он отрицателен, для больших - положителен. Минимума по абсолютной величине этот коэффициент достигает при напряжениях стабилизации около 6 В. Стабилитроны, имеющие ТКН в пределах +/- 1· 10^-5 К ^-1, называют опорными диодами и используют в схемах источников опорного напряжения на напряжения обычно свыше 7,5 В. Примером такого источника опорного напряжения может служить ИМС МАХ671С, обеспечивающая выходное напряжение 10 В с точностью 0,01% при К_ст=20000, ТКН=3· 10^-6 К^-1 и токе потребления 9 мА. Другой пример - AD586 (отечественный аналог - 1009ЕН2) создает выходное напряжение 5 В с точностью 0,05% при К_ст=10000, ТКН=2· 10^-6 К^-1 и токе потребления 3 мА.

Рекордными характеристиками для этого класса ИОН обладает 5-вольтовая ИМС VRE3050 производства Thaler Corporation - ТКН=0,6· 10^-6 К^-1, точность 0,01%, выходное сопротивление 0,025 Ом.

Для повышения температурной стабильности в некоторые ИМС источников опорного напряжения (например, LM199/299/399, отечественный аналог - 2С483) встраивают термостаты с нагревательным элементом. Обе части схемы (нагреватель и ИОН) изготавливаются на одном кристалле, который помещается в теплоизолированном корпусе. Это позволяет достичь ТКН <= 1· 10^-6 К^-1 в диапазоне температур от -25°С до +85°С. Недостаток такого решения - довольно большая мощность, потребляемая источником опорного напряжения (около 400 мВт при 25°С).