ИСТОЧНИКИ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Необходимость в хорошем источнике опорного напряжения часто возникает во многих схемах. Например, вам нужно построить прецизионный источник стабилизированного питания с лучшими характеристиками, чем у готовых стабилизаторов типа 723 (поскольку интегральные схемы стабилизаторов рассеивают заметную мощность из-за наличия встроенных проходных транзисторов, они могут довольно ощутимо нагреваться с соответствующим дрейфом параметров), или нужно построить прецизионный источник тока (т. е. схему со стабилизированным выходным током). Далее, есть еще одна область, в которой нужны прецизионные источники опорных напряжений (но не прецизионные источники -это проектирование точных вольтметров, омметров или амперметров.

Существуют два вида источников опорного напряжения - стабилитроны и так называемые источники опорного напряжения с шириной запрещенной зоны полупроводника стабилитроны», см. разд. 6.15); каждый из них может использоваться как сам по себе, так и в составе ИМС источника опорного напряжения.

6.14. Стабилитроны

Простейшим видом источников опорного напряжения является стабилитрон - прибор, который мы рассматривали в разд. 1.06. В сущности это диод, работающий при обратном смещении на участке, соответствующем напряжению пробоя, где ток пробоя очень быстро возрастает при дальнейшем росте напряжения. Чтобы использовать этот диод в качестве источника опорного напряжения, надо обеспечить прохождение через него приблизительно постоянного тока.

Обычно это делается с помощью резистора, подключенного к достаточно высокому напряжению, и таким образом строится наиболее примитивный стабилизированный источник.

Стабилитроны выпускаются на целый ряд значений напряжения - от 2 до 200 В (их напряжения имеют тот же набор значений, что и сопротивления стандартных -ных резисторов), с допустимой мощностью рассеяния от долей ватта до и допуском на напряжение стабилизации от 1 до 20%. Привлекательные на первый взгляд в качестве опорных источников напряжения для различных целей стабилитроны, однако, не так просты в использовании по многим причинам: они имеют конечный набор значений напряжения, у них большой допуск на напряжение стабилизации (кроме дорогих прецизионных стабилитронов), они сильно шумят и их напряжение зависит от тока и температуры. Вот пример двух последних эффектов: стабилитрон на 27 В из распространенной серии стабилитронов на имеет температурный коэффициент порядка , и в силу этого его напряжение меняется на 1%, когда ток изменяется от 10 до 50% от максимального.

Есть исключение из правила о плохих характеристиках стабилитронов. Оказывается, что в окрестности значения напряжения стабилизации 6 В стабилитроны мало чувствительны к изменениям тока и при этом имеют почти нулевой температурный коэффициент. Этот эффект виден на кривых рис. 6.19, полученных путем измерения стабилитронов с разными напряжениями. Это характерное поведение связано с тем, что в стабилитронах в действительности используются два разных механизма пробоя: зенеровский и лавинный; первый - при низком напряжении, второй - при высоком. Если стабилитрон используется только как стабильный источник напряжения и вам все равно, каково будет это напряжение, то лучше всего взять один из компенсированных опорных стабилитронов, состоящих из стабилитрона прйблизительно на 5,6 В и последовательно с ним соединенного диода, смещенного в прямом направлении. Напряжение стабилитрона выбирается так, чтобы взаимно компенсировать положительный температурный коэффициент стабилитрона и отрицательный температурный коэффициент диода, соответствующий около .

Рис. 6.19. Зависимость дифференциального сопротивления стабилитронов (а) и вариаций напряжения стаблизации стабилитронов (б) от номинального напряжения стабилизации (с разрешения Motorola, ).

Как видно из рис. 6.20, температурный коэффициент зависит от рабочего тока, а также от напряжения стабилитрона. Поэтому, выбирая ток стабилитрона, можно как-то «подстроить» температурный коэффициент. Из таких стабилитронов со встроенными последовательно диодами получаются неплохие источники опорного напряжения.

Рис. 6.20. Зависимость температурного коэффициента напряжения стабилизации стабилитронов от их номинального напряжения (с разрешения Motorola, ).

Для примера: серия дешевых стабилитронов на 6,2 В имеет температурные коэффициенты от до , а стабилитроны на 9 В и 11,7 В имеют температурный коэффициент .

Задание рабочего тока стабилитрона.

Описанные выше компенсированные стабилитроны могут использоваться в схемах в качестве источников стабильного напряжения, но надо обеспечить питание их постоянным током. Для серии изготовителем указано 6,2 В при токе с дифференциальным сопротивлением 15 Ом; таким образом, изменение тока на изменяет напряжение в три раза сильнее, чем изменение температуры от —55 до (для прибора ). На рис. 6.21 показано, как довольно просто можно обеспечить постоянный ток смещения прецизионного стабилитрона. Операционный усилитель включен как неинвертирующий усилитель и имеет на выходе стабильное напряжение, равное , которое используется для получения прецизионного тока . Это самозапускающаяся схема, но она может включиться с любой полярностью на выходе! При «неправильной» полярности стабилитрон работает как обычный диод с прямым смещением. Включение операционного усилителя от однополярного источника питания снимает эту странную особенность. Прежде чем ставить в схему тот или иной ОУ, убедитесь, что его диапазон синфазных входных сигналов включает в себя потенциал минусовой шины источника питания (ОУ с «однополярным питанием»).

Рис. 6.21.

Существуют компенсированные специальные стабилитроны с гарантированной временной стабильностью напряжения; этот параметр, как правило, не указывается. Примеры - серия . Стабилитроны такого типа имеют гарантированную стабильность или еще лучше. Они недешевы. В табл. 6.5 собраны характеристики некоторых стабилитронов и диодных источников опорного напряжения, а в табл. -ряд представителей двух популярных серий стабилитронов общего назначения на .

Стабилитронные ИМС.

Для достижения свойственных стабилизатору 723 превосходных характеристик (стабильность ) используется компенсированный стабилитрон. Стабилизатор - вполне приличный источник опорного напряжения, и соместно с необходимыми навесными элементами эта ИМС может использоваться для получения стабильного источника с любым желательным напряжением.

Стабилизатор 723, применяемый в качестве опорного источника напряжения, служит примером «трехвыводного» опорного источника, т. е. источника, для работы которого нужен внешний источник питания; в схему источника входят цепь смещения стабилитрона и буферный усилитель выходного напряжения.

Таблица 6.5. Стабилитроны и источники опорного напряжения

К трехвыводным стабилитронным ИМС относятся превосходная фирмы National тип.) и фирмы Burr-Brown (температурный коэффициент не более ); в своих схемах мы часто используем недорогую ИМС Motorola (которая фактически является -стабилитроном, см. ниже). Вскоре мы более подробно рассмотрим трехвыводные источники опорного напряжения, а сейчас обратимся к двухвыводным.

Прецизионные температурно-компенсированные стабилитронные ИМС выпускаются в виде двухвыводных устройств: с точки зрения внешних электрических соединений они выглядят просто как стабилитроны-, хотя в действительности содержат еще ряд активных элементов для улучшения характеристик (наиболее существенная - постоянство стабилизированного напряжения при заданном токе). Пример - недорогая схема с напряжением . В лучшем варианте ее темп, коэффициент равен (тип.), (макс.) при постоянном токе .

Таблица 6.6. Стабилитроны на 500 мВт

Рис. 6.22. Зависимость напряжения шумов малошумящего стабилитрона, подобного тому, который используется в стабилизаторе 723, от рабочего тока стабилитрона.

Перечислим некоторые стабилитронные ИМС с необычными характеристиками: температурно-стабилизированная тип.), микромощная (которая работает от тока, доходящего до ) и выпускаемая фирмой Linear Technology ИМС с ее потрясающими параметрами: типовой температурный коэффициент , дрейф и низкочастотный шум .

К несчастью, стабилитронные ИМС, как и их дискретные аналоги, сильно шумят. Шум становится сильнее для стабилизаторов, использующих лавинный пробой, т. е. с напряжением стабилитрона больше 6 В. На рис. 6.22 показан график шума стабилитронного источника 723. Этот шум связан с поверхностными эффектами и применение стабилитронной структуры с так называемым захороненным (скрытым) или подповерхностным слоем может сильно улучшить стабильность стабилитрона и существенно уменьшить его шум. Так, только что упоминавшийся источник опорного напряжения на стабилитроне с захороненным слоем - самый совершенный из всех типов источников опорного напряжения. также имеют очень малый шум.

В табл. 6.7 перечислены характеристики почти всех выпускаемых стабилитронных ИМС, как на основе собственно стабилитронов, так и на стабилитронах.