Источник опорного напряжения с температурной компенсацией
В данной схеме ток от источника I0 вызывает обратное смещение тока через VT1, так что VT1 работает ка стабилитрон. Падение напряжения на VT1 - это напряжение пробоя перехода между эмиттером и базой. Это напряжение обычно составляет от 6 до 7 В.
Расчитаем значения сопротивлений R1 ,R2 для получения нулевого температурного коэффициента. Выходное напряжение данного ИОН найдем из метода наложения.
а) При отсутствии транзистора VT4 выходное напряжение определяется следующим образом:
б) При отсутствии транзисторов VT1-VT3:
Суммарное выходное напряжение определяется:
Ф. 18
Возьмем производную по температуре последнего выражения с учетом того, что изменения отношения сопротивлений резисторов пренебрежимо малы по сравнению с изменением напряжений база-эмиттер и приравняем производную нулю:
Зная производные по температуре напряжения стабилизации и базо-эмиттерного напряжения из последнего выражения можно рассчитать значение для отношения резисторов R1/R2: Ф. 19
При выполнении последнего условия TKUВЫХ будет равняться нулю.Для нахождения значения выходного напряжения необходимо подставить значение этого отношения в Ф. 18. Для удобства расчета числитель и знаменатель правой части выражения Ф. 18 предварительно разделим на R1:
Заметим, что выходное напряжение нельзя получить произвольного значения, а только фиксированного значения, определяемого ТКUВЫХ=0. Для расчета конкретных значений сопротивлений необходимо задаться рабочим током транзисторов VT2, VT3, VT4 и сначала рассчитать значение сопротивления R2, а затем зная значение отношения сопротивлений рассчитать сопротивление резистора R1. При выполненни лабораторной работы значение рабочего тока принять в пределах 0.2-0.5мА.
Отметим, что выходное сопротивление такого источника невысоко и определяется приблизительно как сопротивление параллельно соединенных резисторов R1 и R2. Поэтому, с одной стороны, необходимо выбирать как можно больший рабочий ток, а с другой стороны, ток не должен быть больше допустимого тока коллекторов транзисторов VT2-VT4, и кроме этого большой рабочий ток ведет к увеличению потребляемой мощности.
Используя данную схему источника опорного напряжения можно теоретически получить нулевой температурный коэффициент. Другими словами говоря, ТКU будет равен нулю, если значения всех параметров схемы точно совпадают с расчетными. Если какой либо параметр схемы не совпадает с расчетным, температурный коэффициент будет отличаться от нуля, хотя может оставаться при этом очень малым
При исследовании влияния отличия параметров схемы от расчетной необходимо воспользоваться формулой Ошибка! Источник ссылки не найден., предварительно разделив числитель и знаменатель правой части на R2:
Исследуем влияние отклонения реальных параметров от расчетных. Сначала рассчитаем значение отношения резисторов для нулевого температурного коэффициента по формуле Ф. 19. Для типичных значений и расчет по этой формуле дает значение для отношения сопротивлений равным 3.3.
Рассчитаем какой будет температурный коэффициент при отклонении температурного коэффициета напряжения стабилизации от расчетного на 5%:
Несмотря на то, что температурный коэффициент не равен нулю, для большинства реализуемых практических ситуаций он все же достаточно мал.
Рассмотрим влияние отклонения от расчетного значения на ±0.1 мВ/°С:
Как видно он также достаточно мал. Наконец, оценим влияния отклонения отношения сопротивлений резисторов от расчетного. Для резисторов ИС, близких по конструкции и выполненных на одном кристалле, допустимое отклонение отношения обычно менее 5%, оценим влияние 2%-ного отклонения фактического отношения сопротивлений от расчетного среднего значения:
Как видно из последних трех формул, во всех случаях получался достаточно малый температурный коэффициент, и поэтому, данная схема может широко применяться на практике.
Термостатирование
Термостатирование - это поддержание температуры элементов схемы постоянной. В источнике опорного напряжения с тепловой стабилизацией температура установлена или поддерживается на постоянном уровне. В результате его выходное напряжение практически не зависит от внешней температуры и можно получить температурный коэффициент меньше чем 10-6 1/0С.
Во всех источниках опорного напряжения с тепловой стабилизацией температуру кристалла поддерживают выше внешней температуры методом замыкания цепи обратной связи. С помощью цепи обратной связи, которая контролирует количество электроэнергии, рассеявшейся на кристалле, и фиксирует подъем температуры вследствии этого рассеяния, обычно поддерживают температуру кристалла примерно от 90 до 100 0С. Схема температурной стабилизации и схема источника опорного напряжения размещается на одном кристалле кремния, поэтому между ними существует хороший тепловой контакт вследствии высокой теплопроводности кремния и малых размеров кристалла.
Математическая формулировка температурной стабилизации имеет вид:
при
32. Источники опорного напряжения: ИОН на основе ширины запрещенной зоны.
ИОН с напряжением запрещенной зоныСовременная 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 учетом (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 включен 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 счет 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 запрещенной зоны для кремния. Поэтому такие источники опорного напряжения часто называют источниками на запрещенной 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 путем изменения коэффициента деления делителя R1, R2.
В схеме на рис. 14 регулирующим элементом выступает верхний транзистор оконечного каскада усилителя, показаный пунктиром. Этот транзистор включен 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 емкостью 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 трехвыводных 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 создает 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. Ее 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 трехвыводном корпусе ТО92, причем наружу выведен верхний вывод резистора R2 (рис. 15) - вывод управления. При внешнем подключении вывода управления к выводу, соединенному 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
33. Источники опорного напряжения: Температурная компенсация и термостатирование. Термокомпенсированный источник опорного напряжения.
Термокомпенсированный источник опорного напряжения. Термостатированные источники опорного напряжения.
Температурная компенсация: общие положения
Температурно независимый источник опорного напряжения - электрическая схема, предназначенная для получения выходного напряжения, не зависящего от температуры. Конечно, практически невозможно достичь полной независимости от температуры, особенно в широком температурном диапазоне.
Изменение выходного напряжения схемы источника опорного напряжения с температурой называется температурным коэффициентом напряжения, или .
Температурный коэффициент выходного напряжения ТКUВЫХ - самая важная характеристика источника опорного напряжения. В большинстве случаев желательно, чтобы опорное напряжение как можно меньше зависело от напряжения питания; иными словами, чтобы было реализовано заметное уменьшени е потребляемой мощности. Кроме того, желательно, чтобы выходное напряжение как можно меньше зависело от тока в нагрузке, или выходного тока, то есть схема должна иметь низкое выходное сопротивление. Источник напряжения, следовательно, сочетает низкий ТКU, низкое выходное сопротивление.
Поскольку все электронные компоненты, используемые в схемах опорного напряжения, имеют некоторый ТКU, основные компоненты подбираются так, чтобы имели место компенсирующие эффекты, приводящие по крайней мере номинально к ТКU=0 при данной температуре. Такой метод носит название термокомпенсация. Простейшим примером термокомпенсации служит последовательное включение стабилитрона и диода. Как известно, прямой и обратносмещенный p-n переход имеют разные знаки температурных коэффициентов, хотя и разные по величине, т.о. достигается частичная температурная компенсация.
Источник опорного напряжения с температурной компенсацией
В данной схеме ток от источника I0 вызывает обратное смещение тока через VT1, так что VT1 работает ка стабилитрон. Падение напряжения на VT1 - это напряжение пробоя перехода между эмиттером и базой. Это напряжение обычно составляет от 6 до 7 В.
Расчитаем значения сопротивлений R1 ,R2 для получения нулевого температурного коэффициента. Выходное напряжение данного ИОН найдем из метода наложения.
а) При отсутствии транзистора VT4 выходное напряжение определяется следующим образом:
б) При отсутствии транзисторов VT1-VT3:
Суммарное выходное напряжение определяется:
Ф. 20
Возьмем производную по температуре последнего выражения с учетом того, что изменения отношения сопротивлений резисторов пренебрежимо малы по сравнению с изменением напряжений база-эмиттер и приравняем производную нулю:
Ф. 21
Зная производные по температуре напряжения стабилизации и базо-эмиттерного напряжения из последнего выражения можно рассчитать значение для отношения резисторов R1/R2:
Ф. 22
При выполнении последнего условия TKUВЫХ будет равняться нулю.Для нахождения значения выходного напряжения необходимо подставить значение этого отношения в Ф. 18. Для удобства расчета числитель и знаменатель правой части выражения Ф. 18 предварительно разделим на R1:
Заметим, что выходное напряжение нельзя получить произвольного значения, а только фиксированного значения, определяемого ТКUВЫХ=0. Для расчета конкретных значений сопротивлений необходимо задаться рабочим током транзисторов VT2, VT3, VT4 и сначала рассчитать значение сопротивления R2, а затем зная значение отношения сопротивлений рассчитать сопротивление резистора R1. При выполненни лабораторной работы значение рабочего тока принять в пределах 0.2-0.5мА.
Отметим, что выходное сопротивление такого источника невысоко и определяется приблизительно как сопротивление параллельно соединенных резисторов R1 и R2. Поэтому, с одной стороны, необходимо выбирать как можно больший рабочий ток, а с другой стороны, ток не должен быть больше допустимого тока коллекторов транзисторов VT2-VT4, и кроме этого большой рабочий ток ведет к увеличению потребляемой мощности.
Используя данную схему источника опорного напряжения можно теоретически получить нулевой температурный коэффициент. Другими словами говоря, ТКU будет равен нулю, если значения всех параметров схемы точно совпадают с расчетными. Если какой либо параметр схемы не совпадает с расчетным, температурный коэффициент будет отличаться от нуля, хотя может оставаться при этом очень малым
При исследовании влияния отличия параметров схемы от расчетной необходимо воспользоваться формулой Ошибка! Источник ссылки не найден., предварительно разделив числитель и знаменатель правой части на R2:
Исследуем влияние отклонения реальных параметров от расчетных. Сначала рассчитаем значение отношения резисторов для нулевого температурного коэффициента по формуле Ф. 19. Для типичных значений и расчет по этой формуле дает значение для отношения сопротивлений равным 3.3.
Рассчитаем какой будет температурный коэффициент при отклонении температурного коэффициета напряжения стабилизации от расчетного на 5%:
Несмотря на то, что температурный коэффициент не равен нулю, для большинства реализуемых практических ситуаций он все же достаточно мал.
Рассмотрим влияние отклонения от расчетного значения на ±0.1 мВ/°С:
Как видно он также достаточно мал. Наконец, оценим влияния отклонения отношения сопротивлений резисторов от расчетного. Для резисторов ИС, близких по конструкции и выполненных на одном кристалле, допустимое отклонение отношения обычно менее 5%, оценим влияние 2%-ного отклонения фактического отношения сопротивлений от расчетного среднего значения:
Как видно из последних трех формул, во всех случаях получался достаточно малый температурный коэффициент, и поэтому, данная схема может широко применяться на практике.
Термостатирование
Термостатирование - это поддержание температуры элементов схемы постоянной. В источнике опорного напряжения с тепловой стабилизацией температура установлена или поддерживается на постоянном уровне. В результате его выходное напряжение практически не зависит от внешней температуры и можно получить температурный коэффициент меньше чем 10-6 1/0С.
Во всех источниках опорного напряжения с тепловой стабилизацией температуру кристалла поддерживают выше внешней температуры методом замыкания цепи обратной связи. С помощью цепи обратной связи, которая контролирует количество электроэнергии, рассеявшейся на кристалле, и фиксирует подъем температуры вследствии этого рассеяния, обычно поддерживают температуру кристалла примерно от 90 до 100 0С. Схема температурной стабилизации и схема источника опорного напряжения размещается на одном кристалле кремния, поэтому между ними существует хороший тепловой контакт вследствии высокой теплопроводности кремния и малых размеров кристалла.
Математическая формулировка температурной стабилизации имеет вид:
при