Параметры и особенности применения

Цель настоящей статьи — помочь разработчику устройств, включающих прецизионные источники опорного напряжения, получить максимально возможное качество изделия за самое короткое время. Основное содержание статьи — как выбрать из широкой номенклатуры таких источников наиболее соответствующий поставленной задаче и уже на начальном этапе максимально учесть влияющие факторы, которые нередко всплывают только на стадии заключительных испытаний. Приведенные в тексте численные данные конкретных приборов четырех ведущих производителей опорных источников напряжения позволяют сориентироваться в достигнутом уровне.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ.

Прецизионные источники опорного напряжения (ИОН) нужны во многих случаях, и область их применения постоянно расширяется. Это измерительные приборы, системы связи, даже зарядные устройства литиевых батарей, но
чаще всего необходимость в них возникает при построении аналогово-цифровых преобразователей (АЦП), представляющих на выходе отношение входного напряжения к опорному в цифровой форме и цифро-аналоговых (ЦАП), на выходе которых получают напряжение опорного источника в масштабе, определяемом кодом на его цифровом входе. Некоторые из таких приборов имеют встроенный опорный источник, некоторым необходим внешний, часто прибор может работать как с внешним, так и внутренним источником. Сегодня 12-разрядная точность ЦАП и АЦП стала довольно обычной. Граница 20 разрядов пройдена более 10 лет назад. Еще в 80-е годы Минский завод “Эталон” серийно производил измерительную систему АКСАМИТ разработки В.М. Малышева с раз-
решением АЦП в 22 разряда. Сегодня целый ряд фирм производят 24 разрядные интегральных АЦП, реальное разрешение которых достигает 22 разрядов. В интегральных ЦАП достигнутый на сегодняшний день уровень — 18 разрядов. В какой степени параметр разрешение будет реализован в точности измерения или воспроизведения напряжения в значительной степени зависит от источника опорного напряжения. Стоимость ИОН обычно составляет малую часть системы в целом, но может оказать существенное влияние на ее результирующие характеристики, поэтому нет особого смысла экономить на этом нем . Кроме того, нередко система включает несколько устройств с собственными ИОН и для снижения общей погрешности системы целесообразно использовать один ИОН для всех устройств. Далее рассматривается ряд важных особенностей ИОН и их применения в основном применительно к отдельным приборам этого вида, хотя многие положения в такой же степени относится и к встроенным ИОН.
Тенденция к увеличению точности всегда в измерительной техники существовала всегда, далее речь идет о весьма высоких точностях, и уровень достигнутого целесообразно оценить по достигнутому мировой метрологией.

ДОСТИГНУТАЯ ТОЧНОСТЬ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ

Начиная с 1972 года во всем мире национальные эталоны напряжения строятся на базе открытого в 1962 года квантового эффекта Джозефсона. Без учета фундаментальной константы Джозефсона приведенная относительная
погрешность составляет 5х10 -9 , константа известна с точностью до 4х10 -7 . Однако это сложная стационарная установка, основной элемент которой работает при температуре 4,2 К и в качестве эталона сравнения напряжения в метрологической практике используются известные еще с 19 века гальванические нормальные элементы, или по имени их изобретателя — Вестона (Weston) с э.д.с. 1,018 В с среднеквадратичным отклонением менее 5х10 -8, групповой нестабильностью 6х10 -7 в год. К сожалению, эти приборы очень чувствительны к внешним условиям, тряске и температуре. При 20°C температурный коэффициент составляет -40,6 мкВ/°C. После изменения температуры требуется для достижения такой точности требуется значительное время, иногда до месяца. Для сравнения с полупроводниковыми источниками опорного напряжения эти величины удобнее выразить в относительных единицах, обычно используемых в справочных данных на такие приборы — ppm (промил). 1 ppm — миллионная
доля измеряемой величины. Таким образом, среднеквадратичное отклонение напряжения нормального элемента 0,05 ppm, годовая нестабильность 0,6 ppm, температурный коэффициент около -40 ppm .

ИОНы НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Зенеровский переход

В полупроводниковой электронике для получения стабильного напряжения чаще всего используют обратную ветвь вольтамперной характеристики p-n перехода с Зенеровским пробоем. Зенеровский пробой происходит при напряжениях примерно от 5 до 10 В. Для получения хороших метрологических характеристик требуется ток через переход не менее нескольких десятых мА.. Получаемое таким путем напряжение имеет положительный температурные коэффициент, зависящий от напряжения Зенеровского пробоя данного перехода и тока через него. Для его компенсации в прецизионных Зенеровских стабилитронах последовательно с Зенеровским включают прямосмещенные диоды, обладающие отрицательным температурным коэффициентом. В отечественном прецизионном стабилитроне Д818 таких переходов 3. Выбором протекающего тока удается существенно улучшить термостабильность. Часто в
технических описаниях встречается термин «buried Zener». Он отражает технологический прием, когда для повышения стабильности переход формируется под поверхностью полупроводникового кристалла и отделен от нее защитным диффузионным слоем, что позволяет снизить влияние механических напряжений, загрязнений и нарушений кристаллической решетки, которые сильнее всего проявляются на поверхности. Лучшие результаты с использованием Зенеровского стабилитрона достигнуты мировым лидером в области калибраторов Fluke Corp. Модель калибратора 734А, использующая специально разработанную фирмой микросхему, которая не продается отдельно, и термостабилизацию, имеет при таком же как у нормального элемента напряжении стабильность 0,8 ppm/месяц и 2 ppm/год, температурную зависимость 0,1 ppm/°C, т.е. сравнимы с нормальным элементом .
Лучшие интегральные источники опорного напряжения ведущих производителей полупроводников, выпускаемые серийно, имеют сравнимые характеристики. Например, ADR292 имеет временную нестабильность 0,2 ppm/1000
часов, т.е. почти за полтора месяца, а температурный коэффициент 5…25 ppm/°C, REF102 до 2,5 ppm/°C с возможностью подстройки, MAX671 температурную зависимость менее 1 ppm/°C без термостатирования. Многие прецизионные интегральные схемы опорных источников напряжения имеют встроенные датчики температуры кристалла, позволяющие значительно улучшить температурную стабильность результатов измерения одним из двух путей: строить прецизионные стабилизаторы температуры или программно корректировать результаты измерений. Некоторые ИОНы имеют встроенные нагреватели (LT1019).
Следует отметить, что все полупроводниковые ИОН обладают гистерезисом по температуре, т.е. при возвращении к первоначальной температуре после нагрева или охлаждения, величина опорного напряжения возвращается к прежней величине с некоторой погрешностью. Минимальное значение имеет порядок 20 ppm (MAX6225). К сожалению, чаще всего производитель не указывает эту величину. Чтобы избежать этой погрешности в калибраторе Fluke 734A ИОН всегда находится при постоянной температуре, и для термостатирования при перевозке предусмотрен аккумулятор, рассчитанный на 36 часов непрерывной работы. Если необходимо большее опорное напряжение, чем обеспечивает Зенеровский пробой, стабилитроны могут включаться последовательно, причем специальный подбор стабилитронов в группы позволяет снизить суммарный температурный коэффициент. Лучшие в мире результаты на этом пути достигнуты российской фирмой «Мегавольт-Метрология» в установке DWINA-1000, поставленной испытатель-
ному центру IREQ в Канаде. Максимальное напряжение 1000000 В, основной погрешностью 20 ppm и температурной в диапазоне от 15°C до 35°C 2,5 ppm (отметим что это не градиент, а максимальное изменение в данном диапазоне
температур) . Однако значительно чаще требуются напряжения меньшие напряжения Зенеровского пробоя. Очевидным и используемым путем является прецизионное деление напряжения, полученного на Зенеровском стабилитроне, как это сделано в AD584, имеющем одновременно выходы 10 В, 5 В и 2,5 В. BANDGAP
Другим стандартным путем получения опорных напряжений ниже уровней Зенеровского пробоя является использование известных с 1970 года “bandgap” схем . Этот термин, не имеющий общепринятого русского эквивалента, можно перевести как “барьерный потенциал p-n перехода”. Упрощенная принципиальная схема такого прибора представлена на рис.1.

Рис.1. Получение стабильного опорного напряжения в bandgap схеме.

Здесь транзисторная пара создает на резисторе R1. Падение напряжения пропорциональное абсолютной температуре, которое компенсирует отрицательный температурный коэффициент напряжения база-эмиттер транзистора VBE. Выходное напряжение схемы VZ определяется через постоянную Больцмана к, заряд электрона q, абсолютную температуру Т и отношение плотностей тока эмиттеров транзисторов:
V Z =V BE + 2ΔV BE R1/R2 где ΔV BE = kT/q x lnJ1/J2
При равных эмиттерных токах и площади эмиттера первого транзистора в 8 раз больше второго, нулевой температурный коэффициент V Z достигается при его значении 1,205В, что соответствует барьерному напряжению p-n перехода, экстраполированному на температуру абсолютного нуля, с чем связано название прибора. Включение делителя напряжения между выходом усилителя и базами транзисторов позволяет получить большие значения V Z . Температурно- зависимое напряжение на R1 используется для измерения температуры кристалла, как например в AD780 . Поскольку значение VBE обратно пропорционально, а компенсирующая величина прямо пропорциональна абсолютной температуре, точность компенсации зависит от температуры, а для устройства в целом от рабочего диапазона температур. В зависимости от последнего температурная погрешность может указываться изготовителем весьма малой, например, 3 ppm/°C (REF01). Этот вид приборов отличается существенно меньшим потреблением энергии, что особенно важно для применения в мобильных изделиях. Например, семейство LT1634 с напряжениями
1,25 В, 2,5 В, 4,096 В и 5 В потребляет всего 10 мкА при начальной точности 0,2%, термостабильности 25 ppm/°C и минимальной разнице входного и выходного напряжений 0,9 В. Приборы выпускаются в двух схемотехнических вариантах. Двухвыводной или параллельный (shunt) с внешними вольтамперными характеристиками, подобными стабилитрону. Они требуют внешнее токоограничивающее устройство, например резистор. Трехвыводной

(в принципе, но фактически может иметь больше выводов) или последовательный (series)
обеспечивает втекающий и вытекающий в ИОН токи без внешних компонентов и ток через внутреннюю схему опорного напряжения, в отличие от первого варианта, независим от нагрузки. Отметим что ИОНы на базе Зенеровского пробоя выпускаются только по второму варианту. Эквивалентом первого являются прецизионные стабилитроны.

ТЕХНОЛОГИЯ XFET™

Новым способ получения стабильных опорных напряжений запатентовала компания Analog Devices . Разность напряжений около 0,5 В с точно определенным диэлектрической постоянной кремния отрицательным темпера-
турным коэффициентом порядка 120 ppm/°C получают на стоках двух полевых транзисторов с изоляцией затвора p-n переходом (рис.2)

Рис.2. Получение стабильного опорного напряжения в XFET схеме.

имеющих разные напряжения отсечки и работающих при одинаковых токах стока. Конструктивно FET1 и FET2 отличаются только конфигурацией затворов. Точная температурная компенсация достигается применением пропорциональным температуре источником тока IPTAT. Выходное напряжение схемы определяется выражением:
V OUT = ΔV P (R1 + R2 + R3)/R1 + IPTAT R3 Главные преимущества XFET перед bandgap приборами беспрецедентная временная стабильность 0,2 ppm за 1000 часов, примерно в 4 раза меньший шум при стабильности и экономичности того же порядка, что достигается благодаря работе на основных носителях тока. Изобретение реализовано в приборах последовательного типа ADR290, ADR291, ADR292, ADR293 с напряжениями 2,048 В, 2,5 В, 4,096 В и 5 В, соответственно, работающих при токе потребления от 12 мкА и разности входного и выходного напряжений не более
0,6 В. Погрешность начальной установки выходного напряжения 2 мВ, температурный коэффициент 8 ppm/°C, шумы 6 мкВ пик-пик от 0,1 Гц до 10 Гц и спектральная плотность шумов на 1 кГц составляет 420 нВ/Гц -1/2.

ПОЛУЧЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ ТОЧНОСТИ ЦАП И АЦП С ВНУТРЕННИМИ ИОНАМИ

Основной причиной применения в ЦАП и АЦП внешних прецизионных источников опорного напряжения — желание достичь максимально возможную точность. Если при этом используются приборы, имеющие встроенный источник опорного напряжения, следует учесть,что изготовители нередко используют заводскую подгонку коэффициентов передачи преобразователей, компенсируя таким путем отклонения напряжения внутреннего опорного источника от номинального значения, которая лежит в пределах не лучше 0,5…1%. Простая замена внутреннего источника внешним прецизионным может не только не дать положительного эффекта по абсолютной величине, но и привести к отрицательным результатам. Конечно, в этом случае временная и температурная стабильность будут улучшены, но для улучшения абсолютной точности преобразования в целом необходима коррекция мультипликативной погрешности, внесенной заводской подгонкой. Это обычно достигается подстройкой опорного источника. Такая подстройка в пределах ±3% предусмотрена во многих прецизионных приборах.

Рис.3. Схема коррекции выходного напряжения в REF102.

На рис.3 показана схема подстройкиREF102 в пределах ±25 мВ, если закоротить резистор 1 МОм, пределы регулировки расширятся до ±300 мВ.

ВЛИЯНИЕ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ, НАГРУЗКИ, ПОДВОДЯЩИХ ПРОВОДНИКОВ

При изменении питающего напряжения выходное напряжение ИОН также несколько изменяется, что необходимо учитывать. Иногда это изменение задается в абсолютных значениях, иногда в относительных. Этот параметр показывает, насколько должно быть стабилизировано входное напряжения ИОН для получения нужной точности.
Изменение выходного напряжения ИОН от тока нагрузки также можно найти в справочниках и они тоже могут быть заданы как в абсолютных, так и относительных единицах. Порядок этих величин для высококачественных последовательных ИОН от 20 ppm/мА (REF102) до 30 ppm/мА (ADR290). Применение внешних источников опорного напряжения в прецизионных преобразователях требует учета падения напряжения в подводящих опорное напряжение проводниках. Потребление по входу опорного напряжения АЦП и ЦАП часто имеет порядок нескольких миллиампер, а в случае АЦП прямого взвешивания (flash ADC) и более. Например, flash ADC TDC1035 фирмы Raytheon требует опорного напряжения 2 В при токе 35 мА. При сопротивлении проводников 0,1 Ом падение напряжения составит 3,5 мВ, что близко к гарантированной абсолютной погрешности АЦП — 3,9 мВ. Кроме пассивных мер, таких как снижение сопротивления проводников увеличением их ширины, некоторые прецизионные источники опорного напряжения (например MAX671, AD688) имеют встроенные средства борьбы с этим явлением путем перехода к четырехпроводной системе соединения с нагрузкой (схема Кельвина). При этом измерительные входы земли и обратной связи опорного источника соединены с нагрузкой отдельными проводниками. Упрощенная схема одного из таких приборов — MAX670, представлена на рис.4

Рис.4. 4-проводная схема (Кельвина) для уменьшения влияния подводящих проводников

Здесь выводы SENSE1 и GND SENSE1 используются для коррекции по выходному напряжению, а SENSE2 и GND SENSE2 для компенсации влияния тока нагрузки. Обычно выходной ток прецизионных ИОН составляет 5…30 мА, что в ряде случаев, например, для упомянутого выше TDC1035, недостаточно и необходимо использовать дополнительный внешний буфер. В случае схемы
Кельвина для повышения нагрузочной способности ИОН с минимальной потерей точности дополнительный буфер необходимо охватить общей с ИОН петлей обратной связи, как показано на рис.5.

Рис.5. Повышение нагрузочной способности с буфером в 4-проводной схеме Кельвина.

Другой полезный вариант увеличения выходного тока с применением дополнительного транзистора представлен на рис.6

Рис.6. Повышение нагрузочной способности с транзистором

При токе нагрузки до величины, создающей на резисторе R1 падения напряжения около 0.6В, при котором транзистор начинает открываться, ИОН работает по существу в обычном включении. Далее увеличение выходного тока ИОН увеличивается на базовый ток транзистора, а выходной ток устройства в целом на величину, умноженную на коэффициент усиления транзистора по току, который может составлять от нескольких десятков до нескольких тысяч. Такую схему нетрудно реализовать с близкой к схеме Кельвина топологией.

Иногда встречается необходимость использовать ИОН аналогично стабилитрону как ограничитель напряжения, т.е. с втекающим током. Никаких трудностей не возникает с двухвыводными приборами, которые имеют вольтамперные характеристики аналогичные Зенеровскому стабилитрону, хотя большинство из них относятся к bandgap приборам.
Обычно последовательный ИОН работает как источник положительного напряжения (с вытекающим током). Как правило, все такие приборы снабжены внутренним буфером, позволяющим работать как с вытекающим, так и втекающим током, однако для последнего максимально допустимое значения может быть намного меньшим. Например, у AD584 это 10 мА и 5 мА, а у REF02 даже 10 мА и 0,3 мА. Необходимо убедиться по данным изготовителя, что выбранный режим приемлем для прибора в режиме втекающего тока. При недостаточной величине последнего токовая характеристика прибора может быть смещена подключением на его выходе дополнительного источника втекающего тока или хотя бы резистора между его выходом и общим выводом (землей) или отрицательным источником напряжения.

ПОЛУЧЕНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ОПОРНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Чаще всего прецизионные источники опорного напряжения изготавливаются на положительные напряжения, хотя бывают и исключения, например, MX2701. Для получения отрицательных напряжений от источников положительных использование инверторов нежелательно, поскольку добавит погрешность инвертора. Возможно включение двухвыводного источника аналогично стабилитрону, т.е. необходимо подать на его отрицательный вывод отрицательный ток, хотя бы через резистор, подключенный от отрицательному источнику напряжения. Если необходимо использовать трехвыводную схему на положительные напряжения, ее выход должен быть заземлен, а на общий вывод прибора (обычно маркируемый как GND) с помощью источника тока или хотя бы резистора, подать отрицательный ток, достаточный для питания нагрузки и собственных нужд прибора. Следует убедиться, что напряжение между выводами входа и GND не превышает допустимой для прибора величины. В некоторые ИОН предусмотрены и другие варианты получения отрицательного напряжения.

Рис.7. Получение двухполярного опорного напряжения с AD688.

На рис.7 показана схема включения AD688 для получения двухполярного напряжения с помощью имеющихся в его составе дополнительных буферов. Следует помнить, что в случаях, когда требуется получить предельно возможную точность, нежелательно любое применения дополнительных элементов, даже расположенных на той же подложке.

СНИЖЕНИЕ ШУМОВ И УСТОЙЧИВОСТЬ

Для снижения шумов, в особенности высокочастотных, некоторые опорные источники имеют специальные выводы для подсоединения фильтрующих конденсаторов. На рис.8.

Рис.8. Снижение шумов подключением фильтрующих конденсаторов.

представлена упрощенная схема REF102. Поскольку основным источником шума является диод Зенера, подключение внешнего конденсатора 1 µF между выводами Noise Reduction и землей (Common) позволяет снизить шум с 800 мкВ до
200 мкВ от пика до пика (5 µV пик-пик в диапазоне 0,1 Гц…10 кГц). Определенного эффекта можно добиться включением конденсатора параллельно нагрузке. Следует учесть, что это может вызвать генерацию буфера, и проверить по данным изготовителя, какие максимальные емкостные нагрузки допускаются. Например, REF102 допускает всего 1 nF, хотя для других изделий той же фирмы допускается, и даже рекомендуется 1 µF.

ВРЕМЯ УСТАНОВЛЕНИЯ РАБОЧЕГО РЕЖИМА

Обычное время установления выходного напряжения источников опорного напряжения после подачи питания порядка 1…10 мс, высокоточные приборы также требуют некоторого времени, которое может достигать секунд, для
установления теплового режима, обеспечивающего точность, приведенную в справочных данных. Если требуется снизить время установления рабочего режима, необходимо выбрать тип прибора, рассчитанного на быстрый старт, и
минимизировать как емкостные нагрузки, так и фильтрующие емкости. Очень хорошие стартовые характеристики имеют например REF01 и REF02 — время установления до ±0,1% не более 5 мкс. Время установления теплового режима REF102 — не более 15 мкс (!).

ПОСТРОЕНИЕ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА

Необходимость в прецизионных источниках тока встречается гораздо реже, чем в прецизионных источниках напряжения. Ввиду этого в номенклатуре многих производителей источники тока либо отсутствуют (Analog Devices, Maxim), либо представлены очень скупо — Burr-Brown — один тип с посредственными характеристиками
(REF200). Прецизионные источники тока обычно строятся на базе ИОН. Стандартное решение для питания заземленной нагрузки R L положительным током представлено на рис.9.

Рис.9. Стандартная схема построения прецизионного источника тока.

Операционный усилитель А охвачен токовой отрицательное обратной связью через полевой транзистор FET и резистор R1, определяющий величину тока стабилизации I REF , поступающего в нагрузку R L . Использование полевого транзистора необходимо для максимального уменьшения тока ответвления в цепь управления токозадающего элемента (здесь FET). Другую хорошую возможность представляют ИОН с малым потреблением тока, построенные на bandgap и XFET принципах. Такая схема представлена на рис.10.

Рис.10. Прецизионный источника тока на ИОНе

Величина тока стабилизации I OUT , поступающего в нагрузку здесь равна сумме токов через резистор R, подключенный к выходу ИОН и тока собственного потребления ИОН. Поскольку он может составлять 10…20 мкА, а его изменение от напряжения, приложенного между выводами ИОН IN и G имеет порядок 30 ppm/В, на этом принципе уже с величины тока порядка 1…2 мА может быть построен прецизионный источник тока.

КОРПУС И МОНТАЖ

Для получения максимальной точности и стабильности результатов следует также учитывать механические напряжения и равномерность распределения температуры в кристалле.
Механические напряжения создаются при монтаже кристалла в корпус по причине разных температурных коэффициентов расширения кристалла и корпуса и в результате передачи на кристалл деформаций печатной платы. Для снижения этих эффектов используются специальные технологические приемы, такие как введение в конструкцию прибора кремниевых или полимерных слоев со специальными свойствами. Для устранения остаточных напряжений рекомендуется также после получения микросхемы ИОН от поставщика неделю выдержать ее при температуре 100°C. Механические напряжения, возникающие при деформации печатной платы также могут играть существенную роль. Так, в описан случай, когда выходное напряжение изменилось от деформации печатной платы на 56 ppm. Поэтому при конструировании важно обеспечить гибкую механическую связь участка, где смонтирован ИОН с остальной печатной платой, как минимум не заглублять выводы ИС на всю глубину,
а лучше использовать специальные гибкие крепления. Наилучшие результаты получают с металлическими корпусами, которые не создают механические напряжения при монтаже кристалла. Тонкие внутренние проводники к проволочным выводам и сами эти выводы практически устраняют механическую связь с печатной платой, а металлическая оболочка увеличивает тепловую инерцию и равномерность распределения температуры по кристаллу. Хорошие результаты получены также с корпусами для поверхностного монтажа SO и SOT-23.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Schweber B. Investments in voltage references pays big system dividends. Electronic Design News, 1998, April, p.23.
2. Государственный первичный эталон и Государственная поверочная схема для средств измерения электродвижущей силы и напряжения.
3. Fluke Corporation, Catalog 1997/98.
4. А. Боярин, Г.А. Владимиров, Т.В. Мишук, В.Н. Ярославский, Новое поколение эталонов высокого напряжения, Законодательная и прикладная метрология,1995, №5.
5. Widlar R.J., New developments in IC voltage regulators. IEEE International Solid-State Conference,1970, Session FAM 13.3.
6. Analog Devices, Designers’ Reference Manual, Winter 97/98 (CD).
7. Burr-Brown Corporation, 1998 CD-ROM Catalog.
8. Maxim, Program 1/98 (CD).
9. Raytheon, Electronics Semiconductor Division, 1997 Data Book (CD).
10. Kester W. Linear design seminar, Analog Devices Inc., 1995, Chapter 8.

Таблица 1. Производители прецизионных источников опорного напряжения

Для нормальной работы АЦП МК необходим источник опорного напряжения (ИОН). Если использовать внутренний ИОН, то могут возникнуть проблемы с его низкой температурной стабильностью и большим технологическим разбросом номинального напряжения. Для точных измерений (в том числе с нестандартными опорными напряжениями) практикуют подключение внешнего ИОН к выво-ду KREF МК. Состоять он может из дискретных элементов (Рис. 4.7, а...и) или из интегральных микросхем (Рис. 4.8, а...к).

Рис. 4.7. Схемы подключения внешних ИОН на дискретных элементах {начало):

а) МК(1) использует для своих измерений внутренний ИОН. Его выходное напряжение KRRF является внешним ИОН по отношению к МК(2). Достоинство — синхронизация измерений;

б) VD1 — это прецизионный стабилитрон «Shunt Voltage Reference» (фирма Analog Devices) с точностью поддержания выходного напряжения ±0.1%. Фильтр R2, C1 снижает ВЧ-помехи. При переходе на повышенное питание +5 В необходимо заменить резистор R1 (2.94 кОм). Для снижения потребляемого тока можно увеличить сопротивление резистора R1 до 34.8...41.2 кОм;

в) VD1 — это широкодиапазонный стабилитрон «Adjustable Voltage Reference» фирмы National Semiconductor. Резистор RI задаёт ток через VDI в пределах 0.01...20 мА. Если вместо LM385-2.5 поставить LM4040-4.1 и увеличить резистор до 10 кОм, то KREF станет равным +4.096 В;

г) регулируемый ИОН с плавной юстировкой напряжения многооборотным резистором R3

д) VD1 — это трёх вы вод ной стабилитрон «Programmable Shunt Regulator» (серия «431»). Двухполюсное включение VD1 определяет опорное напряжение +2.5 В (или +1.25 В в серии «1431»);

е) опорное напряжение +4.9 В поступает с выходной линии МК. Такое включение полезно при тестах (НИЗКИЙ/ВЫСОКИЙ уровень) и для удобства разводки печатной платы;

Рис. 4.7. Схемы подключения внешних ИОН на дискретных элементах (окончание):

ж) регулируемый ИОН на основе трёхвыводного стабилитрона VD1 серии «431». Опорное напряжение определяется по формуле KREF[B] = 2.5-(1 + Я,[кОм]/Я2[кОм]);

з) напряжение KREF близко к напряжению питания. Из особенностей — двухступенчатая фильтрация помех при помощи элементов L1, C1 и RI, С2, СЗ;

и) на вход VREF подаётся опорное напряжение, которое чуть больше напряжения питания Усс МК. Это обеспечивает широкий динамический диапазон измерений, но надо следить, чтобы разница между КЕРи Усс не превышала 0.2 В. Если поставить стабилитрон VDI LM4040DIZ-5.0, то опорное напряжение уменьшится до +5.0 В, а точность установки улучшится с 5 до 1 %.

Рис. 4.8. Схемы подключения внешних ИОН на микросхемах (начало):

а) использование низковольтного стабилизатора напряжения DA1 в качестве ИОН;

б) точность установки опорного напряжения составляет 2.4% (5.00 В ± 120 мВ). Замена стабилизатора DAI — 78L05. Конденсаторы C1 и С2 необходимо располагать возле выводов DA /;

в) точность установки опорного напряжения DA 1 составляет 0.05% (5.00 В ± 2.5 мВ), температурная стабильность 5 ррт/°С (25 мкВ на один градус);

г) двухступенчатый стабилизатор (VDI, DAI). Точность установки опорного напряжения DAI (фирма Intersil) составляет 0.01% (5.00 В ± 0.5 мВ), температурная стабильность 5 ррш/°С;

Рис. 4.8. Схемы подключения к МК внешних ИОН на микросхемах (окончание):

д) плавно регулируемый ИОН в пределах 0...+3 В. Замена стабилизатора DA1 аналогичным, нос другим выходным напряжением (+2.5...+5 В), задаёт верхний предел регулирования;

е) повышенная стабильность ИОН благодаря генератору тока на микросхеме DA1. Ток через трёхвыводной стабилитрон VDI (1...8 мА) определяется по формуле /[мА] = 1.25 /[кОм];

ж) программно регулируемый ИОН 0...+5 В на микросхеме DA1 фирмы Microchip. Функционально это дискретный 6-битный переменный резистор с крайними выводами «А», «В» и средним выводом «W». Сопротивление от 2.1 до 50 кОм. Буферным повторителем служит ОУ DA2;

з) оперативная смена двух напряжений. Высокоточный ИОН на микросхеме DA1 (фирма Analog Devices) выдаёт напряжение +2.5 или +3 В в зависимости от положения перемычки SL Фильтр LI, CI снижает помехи по питанию;

и) вывод KREF МК соединяется с линией питания, которая и служит внешним ИОН. Напряжение питания регулируется резистором R3. Значение +5.12 В выбрано не случайно. Это сделано для того, чтобы при 10-битном АЦП МК цена одного деления составляла ровно 5 мВ;

к) регулируемый ИОН с повышенной нагрузочной способностью на основе повторителя DA1. Выходное напряжение +2.5 В может использоваться для средней точки других ОУ.

Известные отечественные интегральные источники опорных напряжений (ИОН) заметно уступают зарубежным, которые отличаются большим разнообразием, включая высокоточные малогабаритные, а также мощные как одной полярности выходных напряжений, так и двух полярностей. Широко распространены трехвыводные стабилизаторы, имеющие только вход, выход и вывод на общую шину. Существуют преобразователи батарейного питания в стабилизированное напряжение (в том числе и более высокое, чем входное), экономичные преобразователи - в повышенное и пониженное напряжение, преобразователи положительного напряжения - в отри нательное, и т. д. .

Для управления СУЛИ наибольший интерес представляют прецизионные ИОН. Широко доступны для потребителя источники опорного напряжения,

гарантирующие долговременную нестабильность не более 2 * 10 -5 за 10 3 ч

и температурный дрейф не более 3-КГ 6 / К (/Ш780?А Г) либо соответственно

5 10 -5 за 10 3 чи 1...2,5 10" 6 /АТ (ЯЕЛ02) .

Прецизионные ИОН следует применять для формирования напряжений, которые определяют режим работы схемы (опорное напряжение для АЦП, задание рабочей точки, регулировка напряжения и т. п.). Применение для этих целей напряжений питания блока некорректно. Поясним эту мысль. В последнее время широко распространены магистрально-модульные системы, в которых устройство состоит из стандартного корпуса с отдельными модулями. Этот корпус снабжен источником питания и шинами для передачи сигналов и питающих напряжений на модули и обратно. Разбиение системы на модули осуществляется из соображений функциональной законченности (что позволяет их унифицировать) и минимизации количества передаваемых сигналов между ними. Например, могут быть выделены в отдельные модули источники различных сигналов, ЦАП, АЦП, синхронные детекторы, регуляторы и т. д. Такое разбиение позволяет быстро создавать новые системы из набора стандартных модулей, а также модифицировать созданные системы, перерабатывая лишь ее отдельные части. Как правило, для питания модулей используют лишь низкие напряжения (от 6 до 24 В обеих полярностей), что обеспечивает безопасность работы с такими сис темами и простоту их отладки для модификации и испытания вновь созданных систем без дополнительных специальных мер: работать с печатной платой, на которую подведено нс более ±24 В, совсем нс то же самое, что настраивать устройство, питающееся непосредственно из сети ~220 В. Источники питания при этом едины для всей системы, расположены они непосредственно в корпусе (как в системе КАМАК) или в отдельных вставляемых модулях (как в системе МиШ-ВЦЗ). Эти напряжения стабилизируются. Поэтому велик соблазн для разработчиков системы использовать эти напряжения без дополнительной стабилизации. Для питания цифровых микросхем (кроме ЭСЛ) и некоторых аналоговых микросхем, таких как операционные усилители, ключи, УВХ, генераторы, таймеры и т. п., стабильность этих напряжений может оказаться достаточной. Однако некоторые узлы требуют особо высокой стабильности (точности) формирования их выходных параметров. Прежде всего это относится к опорным напряжениям для АЦП, ЦАП, компараторов, питания измерительных мостов, стабильных генераторов, стабильных таймеров, микросхем серии ЭСЛ и т. д. Рассмотрим, например, систему, содержащую два модуля, как показано на рис. 4.41.

Даже если блок питания системы формирует питающее напряжение с высокой точностью, проводники, доставляющие это напряжение в модули, обладают ненулевым сопротивлением. В этом случае включение в блок дополнительного узла или изменение потребляемой мощности любого другого узла в блоке может вызвать изменение напряжения питания и повлиять на работу данного узла. Перестановка узла в другой идентичный блок также в этом случае потребует новой настройки узла или даже всей системы. Источник опорного напряжения (ИОН) непосредственно на плате по месту потребности стабильного напряжения устраняет эту проблему.

Рис. 4.41.

Отечественные источники опорных напряжений представлены серией КР142 и некоторыми другими сериями, содержащими источники на фиксированные положительные напряжения: КР142ЕН5А(Б, В, Г), КР142ЕН8А(Б, В, Г), КР142ЕН9А(Б, В, Г), источники отрицательного напряжения КР142ЕН10, регулируемые однополярные источники КР142ЕН12, регулируемые двухполярные источники КР142ЕН6, и т. д. . Основные параметры отечественных ИОН представлены в табл. 4.10 и 4.11.

Таблица 4.10

Характеристики интегральных стабилизаторов

Тип стаби- лизатора			№х- - ^вых} шт				Лют

Окончание табл. 4.10

Тип стабилизатора			№х- - ?4ых} піт				Лют
					2Х(14,5... 15,5)
					2Х(14,5... 15,5)

Таблица 4.11

Характеристики популярных интегральных стабилизаторов

Тип сгабили- затора			{^вх- - ^вых} П11П				Лют

Таблица 4.12

Параметры микросхемы Л/)780

Окончание табл. 4.12

Прецизионный источник опорного напряжения Л?)780 позволяет задавать опорное напряжение с высокой точностью и измерять температуру. Эта микросхема может применяться для создания прецизионных источников тока полупроводникового лазера и в системах термостабилизации лазеров всех типов. Ее электрические параметры даны в табл. 4.12.

Понадобился мне тут недорогой источник опорного напряжения. Полистав каталоги, я остановил свой выбор на микросхеме TL431 за 20 рублей. Сейчас расскажу, что это за букашка и как ее использовать.

TL431

TL431 - это так называемый программируемый стабилитрон . Применяется в качестве источника опорного напряжения и источника питания для малопотребляющих схем. Выпускается несколькими производителями и в разных корпусах, мне досталась от Texas Instruments в корпусе SOT23.

Технические характеристики:

Выходное напряжение от 2.5 до 36 В
- рабочий ток от 1 до 100 мА
- выходное сопротивление 0.2 Ом
- точность 0.5%, 1% и 2%

Имеет три вывода. Два как у стандартного стабилитрона - анод и катод. И вывод опорного напряжения, который подключается к катоду или средней точке делителя напряжения. На зарубежных схемах обозначается так:

Минимальная схема включения требует один резистор и позволяет получать опорное напряжение 2.5 В.

Резистор в этой схеме рассчитывается по следующей формуле:

где Ist - ток TL431, а Il - ток нагрузки. Входной ток опорного вывода не учитывается, так как он ~2 мкА.

В полной схеме включения к TL431 добавляются еще два резистора, но в этом случае можно получить произвольное выходное напряжение.

Номиналы резисторов делителя напряжения и выходное напряжение TL431 связаны следующим соотношением:

,где Uref = 2.5 В, Iref = 2 мкА. Это типовые значения и они имеют определенный разброс (смотрите даташит).

Если задаться значением одного из резисторов и выходным напряжением, то можно рассчитать значение второго резистора.

А зная выходное напряжение и входной ток, можно рассчитать номинал резистора R1:

,где Iin - входной ток схемы, который складывается из рабочего тока TL431, тока делителя напряжения и тока нагрузки.

Если TL431 используется для получения опорного напряжения, то резисторы R2 и R3 нужно брать с точностью 1% из ряда E96.

Расчет стабилизатора напряжения на TL431

Начальные данные

Входное напряжение Uin = 9 В
Требуемое выходное напряжение Uout = 5 В
Ток нагрузки Il = 10 мА

Данные из даташита:

Ist = 1..100 мА
Iref = 2 мкА
Uref = 2.495 В

Расчет

Задаемся значением резистора R2. Максимальное значение этого резистора ограничено током Iref = 2 мкА. Если брать номинал резистора R2 равным единицам/десяткам кОм, то это подойдет. Пусть R2 = 10 кОм.

Так как TL431 используется в качестве источника питания, высокая точность здесь не нужна и членом Iref*R2 можно пренебречь.

Округленное значение R3 будет равно 10 кОм.

Ток делителя напряжения равен Uout/(R1+R2) = 5/20000 = 250 мкА.

Ток TL431 может быть от 1 до 100 мА. Если взять ток Ist > 2 мА, то током делителя можно пренебречь.

Тогда входной ток будет равен Iin = Ist + Il = 2 + 10 = 12 мА.

А номинал R1 = (Uin - Uout)/Iin = (9 - 5)/0.012 = 333 Ом. Округляем до 300.

Мощнность, рассеиваемая на резисторе R1, равна (9 - 5)*0.012 = 0.05 Вт. На остальных резисторах она будет еще меньше.

R1 = 300 Ом
R2 = 10 кОм
R3 = 10 кОм

Примерно так, без учета нюансов.

Емкость нагрузки

Если будете использовать TL431 и повесите на выходе конденсатор, то микросхема может "загудеть". Вместо уменьшения выходного шума, на катоде появится периодический пилообразный сигнал в несколько милливольт.

Емкость нагрузки, при которой TL431 ведет себя стабильно, зависит от тока катода и выходного напряжения. Возможные значения емкости показаны на картинке из даташита. Стабильные области - это те, что за пределами графиков.

Микросхемы ИОН обеспечивают точное термокомпенсированное напряжение для использования во всевозможных приложениях - от аналого-цифровых преобразователей до медицинского оборудования

Источники опорного напряжения (ИОН) выпускаются как с фиксированными, так и с регулируемыми выходными напряжениями. Чтобы получить регулируемый выход, к выводу опорного напряжения подключают резистивный делитель. Эти ИОН бывают либо шунтового типа (двухвыводные), либо последовательного (трехвыводные). Обычно такие микросхемы выпускаются семействами, содержащими ряд точных выходных напряжений. В некоторых семействах может быть до десятка различных значений выходных напряжений от 0.500 В до 10.000 В с допусками от 0.05% до ±2%. Двумя из наиболее важных параметров ИОН являются начальная точность выходного напряжения и его температурный коэффициент.

Вот некоторые из характеристик, которыми должен обладать идеальный источник опорного напряжения:

• Выходное напряжение, независящее от изменений температуры;
• Выходное напряжение, независящее от тока нагрузки;
• Выходное напряжение, независящее от времени;

Кроме того, идеальный ИОН должен иметь:

• Высокую начальную точность;
• Возможность как отдавать, так и принимать ток;
• Низкий собственный ток потребления (или рассеваемая мощность);
• Низкие шумы;
• Приемлемую цену.

Однако эти идеальные характеристики недостижимы, поэтом разработчик должен учитывать следующее:

В двухвыводных опорных источниках обычно используются стабилитроны. Основным преимуществом стабилитронов является широкий диапазон напряжений от 2 В до 200 В. Кроме того, они имеют широкий диапазон допустимых мощностей - от нескольких милливатт до нескольких ватт. Недостатки стабилитронов заключаются в невысокой точности, не отвечающей требованиям прецизионных приложений. Кроме того, потребляемая стабилитронами мощность не позволяет использовать их в малопотребляющих приложениях. Еще одна проблема связана с относительно высоким выходным импедансом некоторых типов приборов.

Другой тип опорных источников, обычно используемый в трехвыводных микросхемах последовательного типа, основан на напряжении, определяемом шириной запрещенной зоны. Напряжение таких ИОН, называемых «бандгап» (от англ. bandgap) не зависит от температуры, поэтому они широко используются в интегральных схемах, и обычно имеют выходное напряжение порядка 1.25 В, что близко к теоретическому значению ширины запрещенной зоны кремния, равной 1.22 эВ при 0 K.

С точки зрения практического использования шунтовые ИОН похожи на стабилитроны, поскольку и тем и другим требуется внешний резистор, определяющий максимальный ток, который может быть отдан в нагрузку. Кроме того, внешний резистор задает минимальный ток смещения, необходимый для стабилизации напряжения. Остановить свой выбор на шунтовом ИОН вы можете в том случае, когда нагрузка почти постоянна, а колебания питающего напряжения минимальны.

Бандгапы не требуют никаких внешних компонентов, а их применение целесообразно там, где нагрузка нестабильна, а напряжение должно быть низким. Кроме того, по сравнению с шунтовыми приборами, огни более устойчивы к колебаниям напряжения питания.

Последовательные ИОН имеют ряд преимуществ перед шунтовыми. Шунтовым источникам нужен резистор, выбираемый в соответствии с требуемым максимальным током нагрузки. Этот ток шунтовой ИОН должен потреблять всегда, даже когда нагрузка далека от максимальной, что приводит к большому рассеиванию мощности и сокращению срока службы батареи. Последовательным ИОН токоограничительные резисторы не нужны, а диапазон их напряжений питания относительно велик и зависит от выходного напряжения.

Температурный дрейф является мерой зависимости выходного напряжения от изменения температуры и выражается в ppm/°C. Опорные источники на основе стабилитрона со скрытым переходом обычно имеют меньший температурный дрейф, чем приборы, в которых используется ширина запрещенной зоны.

Тепловой гистерезис выходного напряжения характеризует изменение выходного напряжения при опорной температуре, обычно равной 25 °C, обусловленное последовательными противоположными изменениями температуры от низкой к высокой и от высокой к низкой. Негативные последствия этого эффекта могут возникать из-за того, что его амплитуда прямо пропорциональна отклонениям температуры связанной системы. В некоторых системах этот параметр не воспроизводится от одного цикла изменения температуры к другому. Тепловой гистерезис зависит от схемы ИОН и от конструкции его корпуса. Гистерезис указывается в частях на миллион (ppm).

Начальная точность - важная характеристика для систем, в которых калибровка невозможна или неудобна. Подобная калибровка обычно выполняется для всей системы в целом. Начальная точность указывается для определенного входного напряжения и нулевого тока нагрузки (для последовательных ИОН) или для определенного тока смещения (для шунтовых ИОН).

Долговременный дрейф влияет на выходное напряжение, постепенно изменяя его с течением времени. Наиболее заметные изменения происходят в первые 200…500 часов работы ИОН. Этот параметр важен для особо ответственных и точных приложений или в тех случаях, когда периодическая калибровка невозможна. Данные о долговременной стабильности могут быть основаны на результатах наблюдения в течение 1000 часов при комнатной температуре. При необходимости поддержания высокой точности долговременный дрейф может требовать частой калибровки, и даже термотренировки схемы.

Рассеиваемая мощность зависит от напряжения и тока, необходимых для поддержания надлежащих рабочих характеристик.

Выходной шум обычно приводится в документации для двух частотных диапазонов: от 0.1 Гц до 10 Гц (пиковое значение) и от 10 Гц до 1 кГц (среднеквадратичное значение). Учет шума необходим в связи с тем, что он снижает динамический диапазон системы сбора данных. В системах выборки данных высокого разрешения шум опорного источника может быть единственной причиной «дрожания» младших разрядов результатов преобразования. В некоторых ИОН предусмотрена возможность снижения шума с помощью внешнего фильтрующего конденсатора, подключаемого к специальному выводу.