Микросхемы для источников опорного напряжения. Высокоточный источники опорного напряжения (ИОН)
Потребовалось мне тут запилить ИОН, для поверки и калибровки китайских мультиметров. Причесав интернет, решил остановиться на AD780 . И вот почему:
1. Програмируемый выход 2.5v±1 mV или 3.0v±1 mV max
2.Низки дрейф от температуры 3 ppm/°C max
3. Возможность уменьшения шума (что и было реализованно в схеме)
4. Напряжение питания +5v..+36v
И вроде все хорошо, но не устраивало выходное напряжение, потому что для поверки нужно мерить на середине шкалы, а у меня предел только 2v. Маловато. Поэтому в схему был добавлен длитель напряжение 1:2, собранный из 3-х параллельных 1% резисторов в каждом плече, для уменьшения этого % до 0.33%. Итого, в зависимости от состояния перемычек, получаем 4-е напряжения: 1.25v, 1.5v, 2.5v, 3.0v.
Схему набросал
И быстренько развел Орле
Тут же вытравил и собрал.
Едиственный косяк, подрукой оказались лишь 100кОм 1% резисторы, что дает нам 33кОм выходного сопротивления. Дешевые мультиметры с входным сопротивленим в 1мОм вносят нехилые искажения. Для этих целей рекомендую уменшить сопротивление делителя до 15кОм х 3 шт в каждом плече, главное при этом не преусердстовать т.к. максимальный выходной ток у AD780 всего 50мА. Дорогие мультиметр с выходным сопротивление в 10мОм такой проблемы не имеют.
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.
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)
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.
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
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.
Другой полезный вариант увеличения выходного тока с применением дополнительного транзистора представлен на рис.6
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.
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.
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.
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.
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:
- Schweber B. Investments in voltage references pays big system dividends. Electronic Design News, 1998, April, p.23.
- Государственный первичный эталон и Государственная поверочная схема для средств измерения электродвижущей силы и напряжения.
- Fluke Corporation, Catalog 1997/98.
- А. Боярин, Г.А. Владимиров, Т.В. Мишук, В.Н. Ярославский, Новое поколение эталонов высокого напряжения, Законодательная и прикладная метрология,1995, №5.
- Widlar R.J., New developments in IC voltage regulators. IEEE International Solid-State Conference,1970, Session FAM 13.3.
- Analog Devices, Designers’ Reference Manual, Winter 97/98 (CD).
- Burr-Brown Corporation, 1998 CD-ROM Catalog.
- Maxim, Program 1/98 (CD).
- Raytheon, Electronics Semiconductor Division, 1997 Data Book (CD).
- Kester W. Linear design seminar, Analog Devices Inc., 1995, Chapter 8.
Таблица 1. Производители прецизионных источников опорного напряжения
В статье рассматривается новое семейство прецизионных источников опорного напряжения (ИОН) из производственной линии Burr-BrownREF50xx . Эти ИОН выполнены по архитектуре бэндгап, но по характеристикам начального разброса, температурного дрейфа и шума способны конкурировать с другими лидирующими по уровню прецизионности архитектурами.
Источники опорного напряжения являются важной составной частью любого цифрового оборудования с функцией ввода/вывода аналоговых сигналов. Параметры этого прибора напрямую влияют на уровень рабочих характеристик конечной продукции. Возможностей встроенного в микроконтроллеры ИОН, при работе во всем рабочем диапазоне температур, хватит в лучшем случае на обеспечение 8-битной разрешающей способности. Например, чтобы обеспечить точность работы в 1/2 м.з.р. интегрируемого во многие микроконтроллеры 10-битного АЦП необходимо, чтобы диапазон изменения выходного напряжения ИОН не превышал 1,22 мВ (для ИОН на напряжение 2,5 В). В случае встроенного ИОН, который не предусматривает возможности подстройки выходного напряжения, в этот уровень должно уложиться изменение выходного напряжения, вызванное влиянием как температурного дрейфа, так и начального разброса. Таким образом, при обоснованном подходе к выбору ИОН для применений с 10-битной и более разрешающей способностью преобразования, скорее всего, возникнет потребность в применении внешнего ИОН. К дополнительным преимуществам такого выбора также относятся:
Возможность выбора ИОН с подходящим к заданным условиям применения выходным напряжением, меньшим уровнем шума, функцией аналоговой подстройки выходного напряжения, другими вспомогательными функциями и пр.;
Возможность работы не только совместно с АЦП/ЦАП, но и с внешней аналоговой схемой сопряжения;
Более высокая нагрузочная способность;
Возможность лучшей изоляции от влияния потребляемого цифровыми ИС тока.
Первый интегральный ИОН был разработан в 1969 году легендарным изобретателем и виртуозом транзисторных схем Робертом Видларом (в то время сотрудником National Semiconductor) в ходе работы над первым однокристальным 20-ваттным линейным стабилизатором напряженияLM109. Позже, в 1971 году, Видлар совместно с еще одним легендарным разработчиком Робертом Добкиным разрабатывают первый монолитный ИОНLM113. Этот ИОН получил название «бэндгап» (или ИОН на разности база-эмиттерных напряжений). Он был двухвыводным прибором и включался в схему по типу стабилитрона. Даже сейчас многие разработчики предпочитают называть ИОН этого типа программируемыми стабилитронами и обозначать их на схеме как стабилитроны, хотя правильнее их называть «ИОН параллельного (или шунтового) типа», что указывает на подключение параллельно нагрузке. Некоторые ИОН этого типа, например, TL431 компании Texas Instruments, выпускаются уже много лет и по-прежнему сохраняют свою популярность. Более совершенный, с точки зрения прецизионности, последовательный тип бэндгап ИОН был предложен Полом Брокау в конце 1970-х и выпускался компанией Analog Devices под наименованиемAD580. Он отличался 3-выводным подключением (по типу стабилизатора напряжения), позволял с помощью резистивного делителя напряжения устанавливать требуемое выходное напряжение (с использованием развивающейся в то время технологии лазерной подгонки параметров) и допускал возможность протекания выходного тока в обоих направлениях. Именно этот тип ИОН, ввиду оптимального соотношения «цена - качество» и сравнительной доступности в широком числе исполнений, со временем стал наиболее распространенным и выпускается в настоящее время множеством производителей.
Одним из лидеров в области разработки и производства бэндгап ИОН является компания Texas Instruments (TI). Одна из ее недавних разработок, серия REF50хх, стала настоящим прорывом для ИОН типа бэндгап, т.к. теперь по совокупности рабочих характеристик и степени прецизионности их можно поставить на одну ступеньку с лидирующими на данный момент архитектурами XFET компании Analog Devices и FGA компании Intersil (последняя архитектура была разработана в 2003 году компанией Xicor, год спустя вошедшей в состав Intersil; ее принцип действия идентичен ЭСППЗУ, но для хранения данных не в двоичной форме, а в аналоговой). Убедиться в этом поможет таблица 1, где представлены характеристики представителей семейства REF50xx и лучших ИОН с выходным напряжением 2,5 В, выполненных по технологиям FGA, XFET и стабилитрона со скрытым пробоем.
Таблица 1.Основные характеристики ИОН семейства REF50xx и лучших конкурирующих решений
| Семейство REF50xx |
Сравнение с лучшими конкурирующими решениями (V OUT = 2,5 В) |
|||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| REF5020 | REF5025 | REF5030 | REF5040 | REF5045 | REF5050 | ISL21009 | ADR291 | MAX6325 | ||
| Архитектура | Бэндгап, последовательный тип | FGA | XFET |
Стабили- трон со скрытым пробоем |
||||||
| Выходное напряжение V OUT , В | 2,048 | 2,5 | 3 | 4,096 | 4,5 | 5 | 2,5 | 2,5 | 2,5 | |
| Начальный разброс (25°С), % | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,08 | 0,04 | |
| Макс. ТК, ppm/°C | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 1 | |
| Макс. ток нагрузки I OUT , мА | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 7 | 5 | 15 | |
| Собственный потребляемый ток I Q , не более, мкА | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 180 | 12 | 3000 | |
| Входное напряжение V IN , В | 2,7...18 | 2,7...18 | 3,2...18 | 4,296...18 | 4,7...18 | 5,2...18 | 3,5...16,5 | 2,8...15 | 8...36 | |
| Размах напряжения шума eN (0,1...10 Гц), мкВ | 6 | 7,5 | 9 | 12 | 13,5 | 15 | 4,5 | 8 | 1,5 | |
| Корпус | 8-SOIC | 8-SOIC, 8-TSSOP | 8-DIP/SOIC | |||||||
| Рабочий температурный диапазон, °C | -40 ...125 | -40...85 | ||||||||
Знакомство с семейством REF50xx
Как следует из таблицы 1, семейство REF50xx состоит из шести ИОН, различающихся уровнем выходного напряжения. Кроме того, каждый из этих ИОН доступен в двух исполнениях: повышенной точности (характеристики представлены в таблице 1) и стандартном. Точностные характеристики стандартного исполнения примерно в два раза хуже, чем у исполнения повышенной точности.
Все виды и исполнения ИОН доступны в 8-выводных корпусах двух типов: SO и MSOP. Расположение выводов представлено на рисунке 1а.
Рис. 1.Расположение выводов и упрощенная структурная схема ИОН REF50xx
Здесь же, на рисунке 1б, показана упрощенная структурная схема ИОН REF50xx.
Основой ИОН REF50xx является элемент бэндгап на напряжение 1,2 В. Это напряжение затем буферизуется и масштабируется до требуемого выходного уровня с помощью неивертирующего усилительного каскада, выполненного на основе прецизионного операционного усилителя (ОУ). Предусмотрена возможность влияния на коэффициент передачи этого усилительного каскада через вывод TRIM. Подключение потенциометра к этому выводу позволяет корректировать выходное напряжение в пределах ±15 мВ. Еще одной дополнительной возможностью REF50xx является возможность контроля температуры кристалла через вывод TEMP. Напряжение на этом выводе зависит от температуры (выражение этой зависимости показано на рисунке 1б). Важно обратить внимание на то, что функция контроля температуры больше подходит для контроля изменений температуры, чем ее абсолютного значения, т.к. погрешность измерения достаточно велика и составляет приблизительно ±15°С . Тем не менее, данная функция вполне применима в схемах температурной компенсации аналоговых каскадов. Выход TEMP является высокоомным, поэтому при работе со сравнительно низкоомными нагрузками потребуется его буферизация с помощью ОУ, обладающего малым температурным дрейфом. Производитель рекомендует использовать для этих целей ОУOPA333, OPA335 илиOPA376.
Обзор рабочих характеристик
Начальный разброс
Величина начального разброса демонстрирует, насколько может отклониться выходное напряжение ИОН относительно номинального значения сразу после подачи питания и при комнатной температуре (25°С). Как уже упоминалось, ИОН REF50xx выпускаются в двух исполнениях с начальным разбросом 0,05% (50 ppm) и 0,1% (100 ppm). Таким образом, начальный разброс даже стандартных исполнений отвечает требованиям систем с разрешающей способностью не меньше 12 бит и погрешностью преобразования 1 м.з.р. (для диапазона преобразования 2,5 В этим условиям эквивалентна разрешающая способность 610 мкВ, а у ИОН 2,5 В ±0,01% выходное напряжение отклоняется на величину не более 250 мВ). Если же задействовать возможность подстройки выходного напряжения, то, без учета прочих ограничений (температурный дрейф, шум), разрешающая способность может быть расширена до 16 бит.
Температурный дрейф (температурный коэффициент, ТК)
Данная характеристика показывает, насколько изменится выходное напряжение при изменениях температуры. ИОН REF50xx характеризуются очень малым ТК, который составляет 3 ppm/°C у исполнений повышенной точности и 8 ppm/°C у стандартных исполнений. Значение ТК 8 ppm/°C для ИОН напряжением 2,5 В означает, что при работе в температурном диапазоне шириной 100°С (например, -25...75°С) выходное напряжение ИОН будет изменяться на величину 2,0 мВ. Из этого следует, что ТК рассматриваемых ИОН вполне достаточно для обеспечения 10-битной разрешающей способности в широком диапазоне температур с погрешностью преобразования 1/2 м.з.р., а добиться более высокого разрешения можно только в более узком диапазоне температур. Для 16-битной системы с погрешностью преобразования 1/2 м.з.р. допускается относительное изменение напряжения всего лишь на 7,6 ppm (0,00076%). Таким образом, ИОН REF50xx смогут добиться такой точности лишь в полностью статических температурных условиях (отклонение не более 1...2°С). В 14-битной системе при прочих равных условиях REF50xx уже смогут обеспечить требуемую точность при колебаниях температуры до 10°С, в 12-битной - 40°С, в 10-битной - 160°С.
Выходное напряжение любого ИОН имеет шумовую составляющую. Шум, особенно низкочастотный, может затруднить измерение напряжения с высокой разрешающей способностью и/или с высоким быстродействием. Типичные значения размаха напряжения шума в диапазоне частот 0,1...10 Гц приведены в таблице 1 (распространяются и на стандартные исполнения). Данные значения вполне адекватны требованиям систем с разрешающей способностью до 14 бит включительно и погрешностью преобразования 1/2 м.з.р.
Нестабильность по входу и нагрузке
Данные характеристики позволяют оценить, насколько изменится выходное напряжение при колебаниях входного напряжения и тока нагрузки. Нестабильность по входу у всех ИОН REF50xx составляет не более 1 ppm/В, а по нагрузке - 50 ppm/мА (во всем рабочем диапазоне температур). Нестабильность по нагрузке можно также трактовать как выходное сопротивление ИОН, т.е. 50 ppm/мА означает, что выходное сопротивление ИОН на напряжение 2,5 В равно 2,5 × 50 =125 мОм.
Максимальный выходной ток
Несмотря на то, что ИОН REF50xx допускают протекание на выходе как втекающего, так и вытекающего тока величиной до 10 мА, желательно не использовать ИОН на пределе его возможностей. При работе с токами, близкими к предельным, не исключены самонагрев кристалла ИОН и возникновение вдоль микросхемы тепловых градиентов, негативно влияющих на точность и стабильность системы. Также важно заметить, что ИОН REF50xx оснащены защитой выхода от короткого замыкания с линиями питания (ток к.з. ограничивается на уровне 25 мА), что делает их более надежными приборами.
Диапазон напряжения питания
ИОН REF50xx рассчитаны на работу в достаточно широком диапазоне напряжения питания: от 2,7 В у самых низковольтных приборов до 18 В. Однако эти характеристики не следует трактовать как возможность работы от нестабилизированного напряжения, т.к. чтобы добиться прецизионных характеристик, ИОН лучше питать с выхода линейного стабилизатора напряжения, который примет на себя решение многих проблем, связанных с фильтрацией шума, подавлением переходных процессов на входе питания и др. Нижняя граница диапазона напряжения питания определяется еще одной характеристикой - минимально-допустимым перепадом напряжения. Его величина зависит от тока нагрузки и температуры, и при наихудших условиях (10 мА, 125°С) составляет чуть более 700 мВ. Если, исходя из озвученных выше рекомендаций, обеспечить работу с током, вдвое меньшим относительно максимального (т.е. 5 мА), то величина минимального перепада напряжения будет лежать в пределах 0,3...0,4 В в диапазоне температур 25...125°С, соответственно.
Потребляемый ток
ИОН REF50xx характеризуются достаточно большим потребляемым током, если сравнивать с конкурирующими технологиями FGA и XFET, что видно из таблицы 1. Столь высокое потребление свойственно другой прецизионной архитектуре: ИОН на стабилитроне со скрытым пробоем. Таким образом, применение REF50xx ограничено в приложениях с батарейным питанием, где требуется непрерывная работа ИОН. Однако и в приложениях с периодической работой ИОН существует еще одно ограничение - время установления после подачи питания. У REF50xx оно достаточно большое: при работе с нагрузочным конденсатором 1 мкФ типичное значение времени установления равно 200 мкс. Таким образом, эти ИОН больше подходят для работы в составе стационарной прецизионной аппаратуры, для которой более низкая себестоимость продукции более важна, чем характеристики энергопотребления.
Типичные применения и схемы включения
Как уже упоминалось, ввиду достаточно большого энергопотребления, но и сравнительно небольшой стоимости, ИОН семейства REF50xx идеальны для работы в составе высокоточного стационарного оборудования с разрешающей способностью преобразования до 16 бит, в т.ч.:
Системы сбора данных;
Автоматизированное испытательное оборудование;
Устройства промышленной автоматики;
Медицинское оборудование;
Прецизионные контрольно-измерительные приборы.
Базовая схема включения, которая не предусматривает использование функций контроля температуры и подстройки выходного напряжения, показана на рисунке 2а. В этой конфигурации ИОН дополняется снаружи всего лишь двумя компонентами: блокировочный конденсатор на входе емкостью 1...10 мкФ и нагрузочный конденсатор на выходе емкостью 1...50 мкФ. Нагрузочный конденсатор должен относиться к типу «low ESR», т.е. обладать малым эквивалентным последовательным сопротивлением. При необходимости подстройки выходного напряжения, эту схему необходимо дополнить схемой на рисунке 2б. Важно понимать, что использование недорогого резистора типа «сermet» в качестве подстроечного может привести к ухудшению ТК ИОН, т.к. ТКС этого резистора превышает 100 ppm. Более предпочтительно использовать прецизионные проволочные или металло-фольговые типы подстроечных резисторов с 5%-ым допуском на сопротивление и ТКС менее 50 ppm.
Рис. 2.Схемы
включения REF50x: базовая (а), с подстройкой выходного напряжения (б)
и в составе 16-битной системы сбора данных: с однополярным (в) и
двуполярным (г) входом
На рисунке 2 в можно увидеть пример построения входного каскада одноканальной 16-битной системы сбора данных с входным диапазоном 0...4 В . Здесь входной сигнал буферизуется прецизионным ОУOPA365, включенным по схеме неинвертирующего усилителя-повторителя. Далее сигнал фильтруется RC-цепью и поступает на вход 16-битного АЦПADS8326. Измерительный диапазон задается ИОНREF5040 на напряжение 4,0 В. Благодаря поддержке ОУ полного размаха напряжения на входе и выходе (тип rail-to-rail) и малому минимальному перепаду напряжения ИОН, схема способна работать от 5-вольтового источника питания.
Еще один пример, но уже для преобразования двуполярного сигнала в диапазоне ±10 В, показан на рисунке 2г. Схема отличается применением во входном каскаде инструментального усилителяINA159, который выполняет преобразование двуполярного диапазона ±10 В в однополярный 0...4 В. В качестве АЦП используется 16-битный АЦП с однополярным входом и частотой преобразования до 1 МГцADS8330.
Несмотря на то, что ИОН семейства REF50хх выполнены по архитектуре бэндгап, они обладают столь высокой прецизионностью, что их можно поставить в один ряд с такими лидирующими архитектурами, как стабилитрон со скрытым пробоем, XFET и FGA.
В семейство входят шесть ИОН на различные выходные напряжения в диапазоне от 2,048 до 5 В. Кроме того, каждый из этих ИОН доступен в двух исполнениях: стандартном и повышенной точности. Все ИОН поддерживают возможность подстройки выходного напряжения и контроля температуры.
Существенными недостатками ИОН являются их высокое энергопотребление (1 мА) и большое время установления после подачи питания (200 мкс), что ограничивает возможность их применения в критичных к уровню энергопотребления системах. Производитель указывает на возможность применения ИОН в системах с разрешающей способностью до 16 бит включительно.
Наука начинается там, где начинают измерять. И как мы знаем, точность, это характеристика качества измерений, отражающая степень близости результатов измерений к истинному значению измеряемой величины. Иными словами, берясь за новый, или наоборот, видавший виды мультиметр или стрелочный вольтметр нас как минимум должен беспокоить вопрос, насколько точны его показания?
Это действительно важно, поскольку проводя измерения и наладку аппаратуры китайскими приборами мы должны быть уверены, что все сделали правильно. Поэтому проверить, насколько точно откалиброван измерительный прибор, задача первостепенной важности! Как же это сделать? Точные фирменные, и поверенные приборы стоят очень дорого, равно как и лабораторные эталоны напряжений для калибровки, да и в ВНИИФТРИ знакомые есть далеко не у всех. Однако выход есть. Можно взять достаточно точный источник опорного напряжения на ИМС измерить в нормальных условиях отдаваемое им напряжение на поверенном приборе (откалибровать) и приложить эту информацию к источнику напряжения для того, чтобы использовать в процессе проверки оборудования. Естественно, точность такого источника напряжения будет определяться множеством факторов, но главным образом температурой окружающей среды и точностью прибора которым проводились калибровочные измерения. Показания такого источника напряжения со временем дрейфуют крайне незначительно. Таким образом, наш источник опорного напряжение становится своего рода носителем информации о более дорогом и точном измерительном приборе. Задача сделать такой источник опорного напряжения, казалось бы, достаточно сложная, но Китай, как всегда, спешит на помощь. Мне удалось найти автономный источник опорного напряжения на микросхеме AD584 (Analog Devices) с программируемым выходом и 4 выходными напряжениями, которые прекрасно подойдут для проверки показаний и калибровки любого мультиметра. Точности такого источника для радиолюбительских целей более чем достаточно. Как говориться, точно в яблочко может, и не попадешь, но ногу себе точно не отстрелишь.
Немного о AD584
AD584 представляет собой прецизионный источник опорного напряжения с возможностью программируемого выбора из четырех разных выходных напряжений: 10.0 В, 7.5 В, 5.0 В и 2.5 В. Кроме того, возможно получение другого выходного напряжения, лежащего выше, ниже или между этими четырьмя стандартными значениями, с помощью внешнего сопротивления. Входное напряжение микросхемы может изменяться от 4.5 В до 30 В. Для точной подгонки напряжений и температурного коэффициента используется лазерная технология Laser Wafer Trimming (LWT).
В дополнение к программируемым выходным напряжениям AD584 имеет уникальный вывод стробирования, который позволяет включать и выключать прибор. Когда AD584 используется в качестве источника опорного напряжения в схеме питания, питание может быть выключено с помощью одного маломощного сигнала. В состоянии «выключено» ток потребления микросхемы уменьшается приблизительно до 100 мкА. В состоянии «включено» общий ток потребления, включая выходной буферный усилитель, составляет обычно 750 мкА.
Микросхема во всех отношениях замечательная и заслуживает пристального внимания. Почти все подобные источники опорного напряжения, используемые для калибровки и производимые в поднебесной сделаны как раз на AD584. Например, вот пара разных вариантов исполнения. Раз и два .
Подробнее об источнике опорного напряжения
Свой источник опорного напряжения для калибровки имеющихся у меня мультиметров я заказывал на AliExpress вот у этого продавца.
Поставляется источник без какой-либо упаковки и выглядит вот так.
В корпусе из оргстекла заключена плата с источником напряжения, «сервисом» и встроенном аккумулятором. Такую штучку можно взять с собой на рынок и проверять мультиметры при покупке, отбраковывая, что называется, не отходя от кассы.
На нижней крышке находится наклейка с измеренными напряжениями конкретно этого источника.
Измерения проводятся на дорогущем и навороченном прецизионном мультиметре Agilent 34401A (сейчас такой стоит около 1600$), что дает основание этим показаниям более-менее верить. Измерения проводятся при температуре 21 градус Цельсия.
Разберем корпус и внимательно изучим плату и компоненты на ней.
Аккумулятор. Приклеен к нижней крышке. Напряжение аккумулятора 3,7В.
Монтажная плата снизу.
Непосредственно источник опорного напряжения AD584KH.
Буква К, говорит о том, что этот прибор может работать при температурах от 0 до +70 градусов по Цельсию, а также указывает на класс точности. Есть и более экзотические варианты AD584, например, с буквой S, способные работать от -55 до +125 градусов по Цельсию. Мой экземпляр видимо был выдран из какой-то старой техники, о чем говорят боевые шрамы на его корпусе. Значит, скорее всего, это не подделка.
Как видно на фото, закреплен источник на плате особой конструкции. Скорее всего это сделано, для термостатирования, дабы нагрев платы не сильно влиял на характеристики самого источника.
Здесь же на плате находится миниатюрный импульсный повышающий преобразователь напряжения.
Ясное дело, если питать наш источник от слабенького аккумулятора, для формирования напряжения в 5 В и выше, требуется напряжение не ниже 13 В. Преобразователь построен на микросхеме AP34063. В моем экземпляре кривые руки китайцев при сборке повредили индкутивность, но на работу преобразователя и источника это не влияет.
Выходные напряжения источника выбираются последовательно кнопкой и выбранное значение обозначается соответствующим светодиодом. Очень удобно. Включается и выключается прибор длительным нажатием на эту же кнопку.
Сзади расположилось гнездо для подключения зарядного устройства и внешнего питания.
Практика использования
В моей скромной лаборатории постоянно используются три мультиметра, это два переносных, заслуженный и проверенный временем Mastech MS8269 и UNI-T UT61E, а также один стационарный Vichy VC8145.
Кто-то спрашивал, чем я пользуюсь при работе в ремонте и модернизации радиостанций? Вот этим вот и пользуюсь. Проверка всех трех мультиметров показала, что с ними все в полном порядке и подстройка им если и нужна, то весьма незначительная.
Mastech + UNU-T (hold). В рамочке напряжение источника.
Vichy. В рамочке напряжение источника.
Минусы
Что не понравилось, так это то, что отверстия для щупов сквозные! И кроме мусора внутрь корпуса прибора могут попасть любые металлические предметы. А уж о том, что самим щупом можно невзначай закоротить схему внутри источника я уже и не говорю.
Update 29.12.15
Сегодня удалось получить доступ к поверенному (правда поверка уже просрочена на пару месяцев) к высокоточному мультиметру Agilent 34461A. Это следующая более современная модель выпущенная после Agilent 34401A.
Собственно сертификат о калибровке (конверт вскрыть не дали, но не думаю, что там лажа).
И результаты измерений.
Как видим, отличие только в 4 знаке после запятой, да и разрыв в заявленном и фактически измеренном очень мал. Это значит, что написанному на нашей волшебной коробочке можно верить!
Итог
В целом, для калибровки радиолюбительской аппаратуры такой источник можно смело рекомендовать к использованию. Он компактный, откалиброван по точным приборам, может автономно работать от встроенной АКБ, это значит, что его можно использовать и в полевых условиях. В общем, как говориться, маст хэв для любителей точных измерений!
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.