Стабилизаторы напряжения линейного типа .
Упрощённая схема стабилизатора
В упрощённом виде схема линейного стабилизатора напряжения приведена на рис. 1. Схема состоит из операционного усилителя, включённого по схеме неинвертирующего усилителя с отрицательной обратной связью по напряжению и выполняющего роль усилителя ошибки. Выходной ток ОУ управляет регулирующим транзистором VТ1, включённым по схеме эмиттерного повторителя. Питание операционного усилителя осуществляется однополярным положительным напряжением. Это накладывает ограничения на допустимый диапазон входных и выходных сигналов, которые должны быть только положительными.
Рис. 1. Схема линейного стабилизатора напряжения
Для схем источников питания такое ограничение не играет роли, поэтому от использования отрицательного напряжения питания можно отказаться. Ещё одно преимущество подобной схемы состоит в том, что положительное напряжение питания операционного усилителя можно удвоить, не опасаясь превысить его предельно допустимые параметры. Таким образом, стандартные операционные усилители можно использовать в схемах стабилизаторов со входным напряжением до 30 В. Хотя операционный усилитель питается от нестабилизированного входного напряжения Uвх, благодаря глубокой отрицательной обратной связи, влияние этого фактора на стабильность выходного напряжения невелико.
Интегральный линейный стабилизатор напряжения
Представленная на рис. 1 схема стабилизатора может быть выполнена в виде интегральной схемы. Такие схемы выпускаются промышленностью (например, серии mА78хх, LM310, 142ЕНхх, TPS77xxx и др.) на несколько значений стандартных выходных напряжений: от 1,2 до 27 В. В этом исполнении схема имеет только три внешних вывода: вход, выход и массу (общий вывод). Требования, предъявляемые к регулирующему усилителю, не очень высоки, поэтому, как правило, достаточно простейшей схемы дифференциального усилителя, показанной на рис. 2. Для получения опорного напряжения могут быть использованы различные способы. На рис. 2 в качестве источника опорного напряжения (ИОН) показан символический стабилитрон VD1. Реально в низковольтных стабилизаторах используется ИОН на ширине запрещённой зоны. Впервые его применил Р. Видлар в одном из первых трёхвыводных стабилизаторов LM109. За счёт отрицательной обратной связи, образуемой делителем напряжения R1, R2, выходное напряжение стабилизатора устанавливается равным
Uвых = Uоп(1 + R2/R1).
Рис. 2. Типовая упрощённая схема интегрального стабилизатора напряжения
Интегральный стабилизатор напряжения имеет встроенную систему ограничения выходного тока. Для этого в схему включены резистор R3 и транзистор VT2. Если падение напряжения на R3 превысит величину, равную приближённо 0,6 В, транзистор VT2 откроется и предотвратит дальнейшее увеличение базового тока транзистора VТ1, поэтому величина выходного тока стабилизатора ограничена уровнем
Iвых.макс = 0,6В/R3.
При этом мощность, рассеиваемая на выходном регулирующем транзисторе VT1, равна
Pт = Iвых.макс(Uвх - Uвых). (1)
В случае короткого замыкания эта мощность значительно превысит предельную мощность для регулирующего транзистора, т.к. при этом выходное напряжение упадет от номинальной величины до нуля. Чтобы снизить мощность, рассеиваемую в этом случае транзистором, одновременно с уменьшением выходного напряжения нужно уменьшать уровень ограничения тока. При таком способе ограничения тока внешняя характеристика стабилизатора имеет неустойчивый участок. Она изображена на рис. 3. В случае значительного увеличения напряжения на регулирующем транзисторе происходит быстрый рост мощности, рассеиваемой на его коллекторном переходе. Это обусловлено тем, что соответственно возрастает разность напряжений (Uвх - Uвых), которая входит в выражение для мощности (1). Защита выходного транзистора от перегрева в этом случае достигается тем, что уровень ограничения тока Iвых.макс делают зависимым от разности напряжений (Uвх - Uвых). В схеме на рис. 2 для этой цели служат резистор R5 и стабилитрон VD2.
Рис. 3. Внешняя характеристика стабилизатора напряжения с защитой от перегрузки по току
Если разность напряжений (Uвх - Uвых) остается меньшей, чем напряжение стабилизации стабилитрона VD2, через резистор R5 ток не течет. В этом случае уровень ограничения тока остаётся равным 0,6В/R3. Если же эта разность превысит величину напряжения стабилизации стабилитрона, то вследствие образования делителя напряжения на резисторах R5, R4 появляется положительное напряжение, приложенное к эмиттерному переходу транзистора VT2. При этом транзистор VT2 будет открываться при соответственно меньших токах через регулирующий транзистор VT1.
В последних моделях ИМС стабилизаторов напряжения все шире применяется тепловая защита от перегрузок. Так например, ADP3303 снабжён схемой, которая резко снижает выходной ток при нагреве кристалла до температуры 165°С.
Конденсатор Ск осуществляет необходимую частотную коррекцию схемы. В качестве дополнительной меры по предотвращению самовозбуждения следует включать на входе и выходе стабилизаторов конденсаторы ёмкостью 0,1...10 мкФ. В последнее время на рынке появились стабилизаторы, так называемые, "Cap-free", которые не требуют подключения конденсаторов параллельно выходу. Примером может служить REG103 фирмы Burr-Brown.
Кроме стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением выпускаются также регулируемые стабилизаторы напряжения (например, 142ЕН3 или 1168ЕН1). В схемах таких стабилизаторов отсутствует делитель напряжения R1, R2, а база транзистора VT4 подключена к выводу микросхемы для соединения с внешним делителем напряжения. Значительная часть ИМС регулируемых стабилизаторов (mА78G, 142ЕН4 и др.) имеет как минимум 4 вывода, поскольку ток собственного потребления микросхемы составляет единицы миллиампер и зависит от нагрузки. Поэтому его нельзя замкнуть через цепь внешнего делителя напряжения, поскольку это вызовет изменение напряжения на делителе при изменении тока нагрузки. Совершенствование схемотехники ИМС стабилизаторов позволило снизить этот ток до десятков микроампер и избавиться от четвёртого вывода (LM317, LT1085 и др.).
В то же время, наличие специального вывода для подключения цепи обратной связи по напряжению позволяет обеспечить высокую стабильность напряжения на удалённой нагрузке (сделать его независимым от падения напряжения на соединительных проводах). Поэтому наряду с трёхвыводными, выпускаются ИМС стабилизаторов с большим числом выводов (например, ADР3331, TPS70151 и др.) которые наряду со входом обратной связи имеют также управляющие входы для отключения нагрузки от стабилизатора и некоторые другие.
Стабилизация отрицательных напряжений
Вышеописанные стабилизаторы предназначены в основном для стабилизации положительных напряжений относительно общей точки (земли) схемы. Однако те же самые схемы можно применять и для стабилизации отрицательных напряжений, если использовать гальванически изолированное от общей точки входное напряжение. В этом случае выходной вывод стабилизатора соединяется с общей точкой, а минусовым выводом схемы является точка соединения минусового вывода источника входного напряжения и общей точки стабилизатора (вывод 3 на схеме рис. 2).
Значительно более удобным оказывается применение специальных схем стабилизаторов для отрицательной полярности напряжения, например, mА79xx или 1168ЕНхх. Для случаев, когда требуется два симметричных относительно общей точки стабилизированных напряжения ( например, +/-15 В для питания операционных усилителей) выпускаются ИМС, содержащие два стабилизатора - на положительное и отрицательное напряжение, например, NE5554 (отечественный аналог - КР142ЕН6). Упрощенная схема внутренней структуры такого стабилизатора приведена на рис. 4а, а схема включения - на рис. 4б.
Рис. 4. Стабилизация двух напряжений, симметричных относительно общей точки
Канал стабилизации отрицательного напряжения является независимым. Дифференциальный усилитель ДУ2 управляет регулирующим транзистором VT2 так, чтобы выполнялось соотношение:
-UвыхR1/(R1 + R3)= -Uоп.
Усилитель ДУ1 с помощью транзистора VT1 стремится поддержать потенциал точки соединения резисторов R2 и R4 нулевым, что при выполнении условия R2 = R4 обеспечивает равенство положительного и отрицательного выходных напряжений. Подключая дополнительные резисторы между соответствующими выходами микросхемы, можно независимо подстроить баланс выходных напряжений и их величину.Уменьшение потерь в стабилизаторах
Требуемое для нормальной работы интегрального стабилизатора на рис. 2 минимальное падение напряжения на нем составляет около 3 вольт. Для схем, питающихся от химических источников тока, это очень много. При использовании такого схемного решения, как на рис. 2, эта величина принципиально не может быть снижена. Как следует из этой схемы, источник тока I1 должен обеспечивать ток коллектора транзистора дифференциального каскада VT4 и базовый ток выходного составного транзистора VT1, VT'1. Для нормальной работы схемы источника тока необходимо падение напряжения на нем не менее 1,5 В. Остальная часть общего падения напряжения приходится на выходной составной транзистор; эта величина также составляет около 1,5 В.
Существенного снижения падения напряжения на стабилизаторе можно достичь применением pnp-транзистора в качестве выходного. В этом случае коллекторный ток транзистора дифференциального каскада может непосредственно использоваться в качестве базового тока выходного транзистора; при этом отпадает необходимость в источнике тока I1, рис.2. Схема такого стабилизатора приведена на рис. 5.
Рис. 5. Стабилизатор напряжения с малым напряжением потерь
Очевидно, что составной транзистор выходного каскада включён здесь по схеме с общим эмиттером. Вследствие возникающего в такой схеме дополнительного инвертирования фазы сигнала, для управления выходным каскадом используется не транзистор VT4, как в предыдущей схеме, а транзистор VT3. Минимальное падение напряжения на стабилизаторе равно напряжению насыщения коллектор-эмиттер транзистора VT1 и не превышает 1 В. Для стабилизации отрицательных напряжений все транзисторы этой схемы должны быть заменены на транзисторы с противоположным типом проводимости. По подобной схеме построены, например, трёхвыводные стабилизаторы напряжения малой мощности типа 1170ЕНхх, работающие при минимальном падении напряжения вход-выход 0,6 В. Они выпускаются в корпусах ТО-92 на фиксированные выходные напряжения 5, 6, 8, 9, 12 В при токе нагрузки до 100 мА и собственном потреблении не более 1,2 мА. Стабилизаторы такого типа условно называют "low drop" (низкое падение)-стабилизаторы.
Дальнейшее уменьшение минимально допустимого падения напряжения на стабилизаторе может быть достигнуто применением МОП-транзистора в качестве выходного. Например, двухканальный стабилизатор напряжения МАХ8865 имеет минимальное прямое напряжение 55 мВ при токе нагрузки 50 мА и всего 1 мВ при токе нагрузки 1 мА.
Расширение номенклатуры устройств с батарейным питанием требует дальнейшего повышения их экономичности. Многие узлы измерительных приборов, устройств связи и др. должны обеспечиваться питанием лишь время от времени. В этом случае на нерабочих интервалах напряжение их питания следует снижать до нуля. Для этого некоторые модели ИМС стабилизаторов снабжены выводами "Shutdown", подача активных логических уровней на которые вызывает принудительное запирание регулирующего транзистора. Это, например, семейство LT176x фирмы Linear technology с номинальными токами от 0,1 до 3 А и минимальным прямым напряжением "вход-выход" 0,3 В, а также семейство ADP333х фирмы Analog devices c минимальным прямым напряжением "вход-выход" 0,17 В при токе 0,2 А.Основные параметры линейных стабилизаторов напряжения
Параметры, описывающие качество линейных стабилизаторов напряжения, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные.
Точностные параметры
Основное назначение стабилизаторов - поддерживать выходное напряжение неизменным, равным номинальному значению в условиях изменяющегося входного напряжения, токов нагрузки, температуры окружающей среды и старения элементов.
К точностным параметрам относятся: точность установления выходного напряжения, коэффициент стабилизации, выходное сопротивление, температурный коэффициент напряжения, временнaя стабильность, шум выходного напряжения.
Точность установления выходного напряжения обычно указывается для стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением. Она зависит, в основном, от технологических факторов. Отклонения выходного напряжения от номинального значения вызваны разбросом элементов, входящих в состав стабилизатора. Точность установления повышают путем лазерной подгонки сопротивлений делителя обратной связи.
Коэффициент стабилизации определяется как отношение приращения входного напряжения к вызываемому им приращению выходного напряжения стабилизатора:
Кст = D Uвх /D Uвых.
Часто вместо этой величины в справочниках приводится так называемая "нестабильность по напряжению", под которой понимают относительное изменение выходного напряжения в % при изменении разности входного и выходного напряжений в заданных пределах. Иногда также приводится нестабильность по напряжению как абсолютное изменение выходного напряжения в мВ при изменении разности входного и выходного напряжений или просто входного напряжения в заданных пределах. Повышение коэффициента стабилизации достигается увеличением коэффициента усиления усилителя ошибки.
Выходное сопротивление характеризует стабильность выходного напряжения стабилизатора при изменении тока нагрузки:
Rвых = D Uвых /D Iн.
В справочниках вместо выходного сопротивления иногда приводится так называемая "нестабильность по току", под которой понимают относительное изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки в заданных пределах, в процентах от номинальной величины для стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением и в милливольтах - для регулируемых стабилизаторов.
Температурный коэффициент напряжения характеризует стабильность выходного напряжения стабилизатора при изменении температуры окружающей среды:
ТКН = D Uвых /D Т° .
В справочниках часто приводится так называемая "температурная стабильность", под которой понимают относительное изменение выходного напряжения в процентах от номинальной величины при изменении температуры окружающей среды в допустимых для данной ИМС пределах. Используется также термин "температурный дрейф выходного напряжения", определяемый отношением DUвых/(Uвых.номТ° ) и измеряемый в мВ/(° С*В).
Долговременная стабильность определяет относительное изменение выходного напряжения в процентах от номинального значения за 1000 часов работы при температуре окружающей среды, соответствующей верхней границе рабочего диапазона.Динамические параметры
К динамическим параметрам линейных стабилизаторов напряжения относятся коэффициент подавления пульсаций и полное выходное сопротивление.
Коэффициент подавления пульсаций определяется как отношение (в дБ) амплитуд основной гармоники пульсаций напряжений на выходе и входе стабилизатора при его питании от однофазного двухполупериодного выпрямителя. Обычно приводится для частоты 100 Гц, равной удвоенной частоте промышленной сети.
Полное выходное сопротивление задаётся либо в виде графика в функции от частоты изменения тока нагрузки, либо в виде значений в омах на частотах 10 Гц и 10 кГц.Эксплуатационные параметры
К важнейшим эксплуатационным параметрам относятся:
- диапазон допустимых входных напряжений;
- номинальное выходное напряжение для стабилизатора с фиксированным выходным
- напряжением, либо диапазон выходных напряжений для регулируемого стабилизатора;
- максимально допустимый ток нагрузки;
- максимально допустимая рассеиваемая мощность;
- минимально допустимое напряжение между входом и выходом стабилизатора при максимальном или дополнительно оговорённом токе нагрузки;
- ток, потребляемый стабилизатором в режиме холостого хода (часто называемый током утечки);
- допустимый диапазон температур окружающей среды.
Типовое включение
На рис. 6 приведены типовые схемы включения стабилизаторов напряжения с фиксированным (а) и регулируемым (б) выходным напряжением. Конденсаторы С1 и С2 включают для повышения устойчивости стабилизаторов.
Рис. 6. Типовые схемы включения линейных стабилизаторов напряженияУвеличение выходного напряжения
В стабилизаторах с фиксированным значением выходного напряжения имеется возможность изменения в некоторых пределах выходного напряжения. Для этого в цепь вывода массы включают стабилитрон, как показано на рис. 7. Это повышает выходное напряжение на величину Uст.
Рис. 7. Повышение выходного напряжения интегрального стабилизатора с фиксированным напряжением стабилизации
Включение такой ИМС по схеме на рис. 6б возможно, но нежелательно, т.к. через резистор R2 будет течь ток Iпот, потребляемый цепями управления стабилизатора, который зависит от тока нагрузки. Это приведет к увеличению выходного сопротивления стабилизатора. Выходное напряжение стабилизатора в этом случае определяется по формуле:
Uвых = Uвых.ном(1 + R2/R1) + IпотR2 .Повышение максимального выходного тока
Повысить максимальный выходной ток стабилизатора можно, включив дополнительный мощный транзистор, как показано на рис. 8.
Рис. 8. Повышение максимального выходного тока
Вместе с внутренним выходным транзистором интегрального стабилизатора он образует комплементарный составной транзистор. Недостаток такого способа состоит в том, что схема ограничения тока и цепь защиты выходного транзистора стабилизатора фактически не используется. Некоторые фирмы выпускают микросхемы, содержащие, по существу, только цепи управления стабилизатором напряжения и предназначенные для подключения к мощному транзистору по схеме, сходной с приведённой на рис. 8. Так, например, фирма Maxim Integrated Products производит ИМС типа МАХ687, к которой подключается pnp-транзистор с малым напряжением насыщения коллектор-эмиттер. При фиксированном выходном напряжении 3,3 В этот стабилизатор допускает при токе нагрузки 1А минимальную разность входного и выходного напряжений 0,14 В. Фирма Analog Devices выпускает в миниатюрном корпусе SO-8 микросхему регулятора ADP3310, которая совместно с мощным полевым транзистором способна отдать в нагрузку ток до 10 А. Минимальная разность напряжений вход-выход составляет в этом случае порядка 0,5 В (существенно зависит от параметров регулирующего МОП-транзистора). Для токовой защиты включается внешний резистор.Стабилизация тока
Схема источника стабильного тока на ИМС стабилизатора напряжения приведена на рис. 9.
Рис. 9. Схема источника стабильного тока
Сопротивление резистора R определяется выражением:
R = Uвых.ном /Iвых .
На резисторе R падает напряжение, равное номинальному выходному напряжению стабилизатора. Это составляет для КР142ЕН5 около 5 В, что приводит к большим потерям энергии в резисторе. Поэтому в такой схеме целесообразно использовать ИМС регулируемого стабилизатора, например, КР142ЕН12, у которого, при указанной схеме включения, это напряжение составит 1,2 В.Источник двухполярного напряжения
Номенклатура двухполярных стабилизаторов напряжения сравнительно бедна, поэтому для построения стабилизатора с выходным напряжением, например, +/- 5 В можно использовать схему, приведённую на рис. 10. Поскольку потенциал неинвертирующего входа ОУ1 нулевой, то и потенциал инвертирующего входа этого усилителя также должен быть равен нулю. При работе ОУ в линейном режиме и равенстве сопротивлений резисторов в делителе это может быть только в случае равенства по абсолютной величине разнополярных напряжений на выходе схемы. В простейшем случае, если ток выхода отрицательной полярности не превосходит допустимого выходного тока ОУ, транзистор VT1 может быть исключён из схемы, а выход ОУ должен быть непосредственно соединён с отрицательным выходом стабилизатора.
Рис. 10. Схема двухполярного стабилизатораПолучение искусственной общей точки
Часто при питании электронных устройств от батарей возникает необходимость получения из одного гальванически изолированного напряжения аккумуляторной батареи двух симметричных относительно общей точки (земли) напряжений. Это, в частности, нужно для питания операционных усилителей, которые часто должны усиливать входные сигналы обеих полярностей. В принципе для этих целей мог бы подойти резистивный делитель напряжения, средняя точка которого соединена с общей точкой (рис. 11а).
Рис. 11. Схема симметрирования гальванически изолированного от земли напряжения
Коэффициент деления напряжения такой схемы тем более стабилен, чем более низкоомными выбираются резисторы делителя. Это приводит к увеличению потерь в делителе.
Лучшие характеристики имеет схема с операционным усилителем, подключённым по схеме неинвертирующего повторителя к средней точке резистивного делителя напряжения (рис. 11б). В данной схеме делитель может быть высокоомным, т.к. он нагружен только входным током операционного усилителя. ОУ сравнивает потенциал на выходе схемы с потенциалом в средней точке делителя и поддерживает напряжение на своём выходе таким, чтобы разность сравниваемых потенциалов была равна нулю. Этот эффект достигается благодаря действию отрицательной обратной связи. При малых токах покоя, потребляемых этой схемой (в пределах 1 мА), такой активный делитель имеет выходное сопротивление менее 1 Ом. Фирма Texas Instruments (США) выпускает специальную ИМС типа TLE2425 для формирования искусственной средней точки. Эта ИМС изготавливается в малогабаритном трёхвыводном корпусе ТО-92 и обеспечивает ток через искусственную среднюю точку до 20 мА в любом направлении при токе собственного потребления не более 0,25 мА и выходном сопротивлении не более 0,22 Ом.Источники опорного напряжения
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.
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
Кст = DUвх /DUоп ,
который называется коэффициентом стабилизации. Для схемы на рис. 12а коэффициент стабилизации
Кст = 1 + R/rст ,
и 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)
и не может быть меньше напряжения стабилизации стабилитрона. Применение ОУ позволяет также путём 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 большие 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) .
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 Кст=20000, ТКН=3· 10-6 К-1 и токе потребления 9 мА. Другой пример - AD586 (отечественный аналог - 1009ЕН2) создаёт выходное напряжение 5 В с точностью 0,05% при Кст=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).ИОН с напряжением запрещённой зоны
Современная тенденция повышения экономичности электронных устройств требует снижения питающих напряжений. Многие типы аналоговых и цифровых микросхем в настоящее время питаются напряжениями 5 В, 3 В и менее. Для работы с такими схемами требуются источники опорного напряжения на 2,5 В и ниже, потребляющие ток менее 1 мА.
В принципе напряжение база-эмиттер транзистора можно использовать в качестве опорного. Но ТКН его составляет -3· 10-3 К-1, что соответствует примерно -2,1 мВ/К, т.е. достаточно большой. Он может быть уменьшен, если это напряжение суммировать с другим напряжением, имеющим положительный температурный коэффициент. Практически такое напряжение получают как разность напряжений база-эмиттер двух транзисторов, которые работают при различных токах коллектора. Схема источника опорного напряжения на биполярных транзисторах, разработанная Р. Видларом в 1968 году, приведена на рис. 13.
Транзистор VT1 используется в диодном включении. Его коллекторный ток составляет
Транзистор VT3 охвачен отрицательной обратной связью по напряжению, осуществляемой с помощью резистора R. На коллекторе транзистора VT2, так же как и на коллекторе транзистора VT1, устанавливается потенциал 0,6 В. Ток коллектора транзистора VT2 составляет
Рис. 13. Источник опорного напряжения на биполярных транзисторах
Соотношение коллекторных токов транзисторов VT1 и VT2, таким образом, составляет
Iк1 /Iк2 = n1 . (2)
Определим теперь напряжение U1. Оно равно разности напряжений база-эмиттер транзисторов VT1 и VT2:
U1 = Uбэ1 - Uбэ2 . (3)
Напряжение база-эмиттер биполярного транзистора связано с током коллектора уравнением Эберса-Молла:
(4)
где Iк0 - теоретический обратный ток коллектора, e0 - заряд электрона, k - постоянная Больцмана. С учётом (3) и (4) соотношение (2) примет вид:
U1 = (kT/e0)ln n1 . (5)
Чтобы разность напряжений база-эмиттер транзисторов VT1 и VT2 была положительной, необходимо выполнение условия n1 > 1, т.е. Iк1 > Iк2. Допустим, что n1=10, тогда получим из (5) при комнатной температуре U1 примерно равным 60 мВ. Температурный коэффициент этого напряжения положителен и составляет, согласно формуле (5),
(6)
При комнатной температуре (Т примерно равно 300 К) ТКН в рассмотренном примере составит около +0,2 мВ/К. Для получения компенсирующего напряжения с требуемым ТКН, составляющим +2 мв/К, необходимо увеличить напряжение U1 в 10 раз. Эту задачу выполняет транзистор VT2, в цепи эмиттера которого включён резистор с сопротивлением R/n2. Для получения коэффициента усиления, равного 10, необходимо, чтобы n2=10. При этом получим U2=0,6В с необходимым положительным ТКН. За счёт отрицательной обратной связи, осуществляемой каскадом на транзисторе VT3, напряжение на его коллекторе (оно же выходное) установится равным величине
Uоп = Uбэ3 + U2 = Uбэ3 + n2(kT/e0)ln n1 = 1,2 В
и почти не будет зависеть от температуры.
Можно показать, что в такой схеме ТКН равен нулю, если n1 и n2 подобраны так, чтобы выходное напряжение равнялось
Uоп = Wg / e0 = 1,205 В,
где Wg - ширина запрещённой зоны для кремния. Поэтому такие источники опорного напряжения часто называют источниками на запрещённой зоне (bandgap references).
Источники опорного напряжения, построенные по схеме рис. 13 и подобным ей, выпускаются многими фирмами в двухвыводных корпусах (без последовательного источника тока, показанного на рис. 13). Например, микросхема AD589 обеспечивает опорное напряжение 1,23 В с точностью 2% при ТКН=1·10-5К-1 и обладает выходным сопротивлением 0,6 Ом при токе потребления 50 мкА.
Если требуется опорное напряжение выше 1,2 В, то применяется вариант этой схемы с ОУ (рис. 14).
Рис. 14. ИОН на биполярных транзисторах с ОУ и последовательным регулирующим элементом
При работе ОУ в линейном режиме, его дифференциальное входное напряжение практически равно нулю. Поэтому, как и в предыдущей схеме, выполняется условие (2). Разность напряжений база-эмиттер транзисторов VT1 и VT2 U1=n2Iк2R падает на резисторе R/n2. Напряжение
U2 = (Iк1 + Iк2)[R/(1+n1)]
в n2 раз больше U1. Опорное напряжение в соответствии с вышеизложенным составляет
Uоп = Uбэ1 + U = Uбэ1 + n2(kT/e0)ln n1
Если подобрать коэффициент n2ln n1 таким, что Uоп=1,205 В, то ТКН будет равен нулю. Выходное напряжение источника опорного напряжения можно варьировать путём изменения коэффициента деления делителя R1, R2.
В схеме на рис. 14 регулирующим элементом выступает верхний транзистор оконечного каскада усилителя, показанный пунктиром. Этот транзистор включён последовательно с нагрузкой, поэтому такой ИОН называют последовательным. Характерным примером последовательных источников опорного напряжения является семейство AD1582/3/4/5.
Типовая схема включения ИОН с последовательным регулятором содержит конденсатор ёмкостью обычно 1 мкФ или более, включаемый параллельно выходу ИОН. Этот конденсатор обеспечивает устойчивость источника. Кроме того, он несколько снижает шум выходного напряжения.
Источники опорного напряжения, построенные по схеме рис. 14, выпускаются многими фирмами в трёхвыводных корпусах и в корпусах других типов. Например, микросхема AD780 обеспечивает опорное напряжение 2,5 или 3 В с точностью 0,04% при Кст=100 000, ТКН=3· 10-6К-1 и обладает выходным сопротивлением 0,04 Ом при токе потребления 1 мА. Микромощный ИОН МАХ872 создаёт опорное напряжение величиной 2,5 В с точностью 0,2% при Кст=50000, ТКН=4·10-5К-1. Его выходное сопротивление равно 0,6 Ом, а ток потребления - 10 мкА. Обе микросхемы имеют вывод датчика температуры.
Схема источника опорного напряжения с регулирующим элементом, включаемым параллельно нагрузке, приведена на рис. 15.
Рис. 15. ИОН с параллельным регулирующим элементом
Здесь усилитель управляет транзистором VT3, который поддерживает разность потенциалов коллектор-эмиттер равной
Эта схема так же как и схема на рис.13 представляет собой двухвыводной опорный элемент. Её основное достоинство - схемотехническая простота генерации опорного напряжения как положительной, так и отрицательной полярности. Недостатком параллельного регулятора является повышенное потребление энергии в случае изменения входного напряжения источника опорного напряжения в широких пределах. На рис. 16 для сравнения приведены зависимости тока потребления Iпот от входного напряжения Uвх для последовательного ИОН AD1582 и параллельного AD1586.
Рис. 16. Графики зависимости тока потребления от входного напряжения для последовательного и параллельного ИОН
Параллельные источники опорного напряжения, как правило, не требуют подключения параллельного корректирующего конденсатора.
Широко применяемая недорогая ИМС параллельного источника опорного напряжения TL431 (отечественный аналог - 142ЕН19) выпускается в трёхвыводном корпусе ТО92, причём наружу выведен верхний вывод резистора R2 (рис. 15) - вывод управления. При внешнем подключении вывода управления к выводу, соединённому с коллектором транзистора VT3, ИОН имеет выходное напряжение 2,5 В. Если требуется более высокое опорное напряжение, то коллектор транзистора VT3 соединяется с выводом управления через внешний резистивный делитель.ИОН на полевых транзисторах
Сравнительно недавно на рынке электронных компонентов появилось новое поколение источников опорного напряжения - XFET-источники (eXtra Field Effect Transistor). Новая схемотехника обеспечивает источнику опорного напряжения низкий шум, малый ток потребления, низкий ТКН и очень высокую долговременную стабильность.
Ядро XFET-источника состоит из двух полевых транзисторов с управляющим pn-переходом (рис. 17), один из которых (VT2) имеет дополнительный встроенный канал, за счёт чего его напряжение отсечки увеличено по сравнению с напряжением отсечки транзистора VT1.
Рис. 17. ИОН на полевых транзисторах
Токи стоков транзисторов одинаковы (J1=J2); за счёт действия операционного усилителя разность потенциалов истоков транзисторов равна нулю. Поэтому образуется разность потенциалов между затворами транзисторов Uоп, которая может быть усилена и использована для формирования весьма стабильного опорного напряжения.
Для этих источников опорного напряжения характерна величина Uоп примерно 0,5 В с отрицательным ТКН около -60 мкВ/К, что примерно в 30 раз меньше, чем у ИОН на ширине запрещённой зоны. Такая малая температурная нестабильность может быть легко скомпенсирована практически таким же способом, что и у источника опорного напряжения на ширине запрещённой зоны. В схеме на рис. 17 эта компенсация осуществляется источником тока JТК с положительным ТКН.
Меньшая величина ТКН опорного элемента на полевых транзисторах и, как следствие, меньший компенсационный ток JТК, обуславливают значительно меньший, чем у источников опорного напряжения на ширине запрещённой зоны, шум выходного напряжения, так как большая часть шума ИОН на ширине запрещённой зоны приходит из схемы температурной компенсации. Уравнение электрического равновесия схемы на рис. 17 имеет вид
Характерными представителями источников опорного напряжения на полевых транзисторах является семейство ADR29х, из которого, например, ИОН ADR291Е на 2,5 В имеет типичное значение ТКН=3·10-6 1/К, уровень шума 8 мкВ от пика к пику в полосе 0,1...10 Гц, типовой ток потребления 9 мкА и прекрасную долговременную стабильность.
