Stephen Evanczuk
Digi-Key
Источники опорного напряжения (ИОН) жизненно важны для обеспечения точности измерительных приложений. Для того чтобы разработчики датчиков, получающих питание от энергии окружающей среды, имели возможность вписаться в ограниченный бюджет мощности, необходимы ИОН, способные обеспечивать требуемую точность при очень небольшом токе потребления. Инженерам предоставлен широкий выбор прецизионных маломощных ИОН. В частности, такие приборы выпускают Analog Devices, Intersil, Linear Technology, Maxim Integrated, Texas Instruments и Touchstone Semiconductor.
В приложениях, разработанных для мониторинга реальных характеристик, точность измерений определяется качеством эталонных источников напряжения. Стабильное опорное напряжение необходимо в системах с датчиками для точной работы АЦП, или в устройствах хранения энергии, требующих высокой точности поддержания напряжения, необходимого для оптимизации режима работы Li-ion аккумуляторов. Объединив выпускаемую Linear Technology микросхему монитора Li-ion батареи LTC6802 с микросхемой ИОН LT1461, конструкторы могут создать прецизионное устройство управления зарядом (Рисунок 1).
 |
|
| Рисунок 1. | Источники опорного напряжения обеспечивают высокую точность, необходимую для таких приложений, как управление зарядом Li-ion аккумуляторов. |
Источники опорного напряжения разрабатываются как высокоточные и стабильные приборы с известным выходным напряжением. Разумеется, параметры любого реального устройства отличаются от идеальных из-за производственного разброса и влияния внешних условий. Технические описания производителей дают инженерам лишь ключевые характеристики микросхем, которые должны использоваться при расчетах ошибок выходного напряжения, обусловленных внутренними и внешними факторами.
Рабочие характеристики
Из различных параметров ИОН важнейшими являются начальная точность, температурный дрейф, долговременная стабильность, тепловой гистерезис, шумы, качество стабилизации по входу и нагрузке, а также такие традиционные рабочие характеристики, как потребляемый ток и диапазон напряжений. Прецизионные источники опорного напряжения подобные тем, которые будут описаны ниже, имеют начальную погрешность в единицы милливольт, температурный коэффициент порядка нескольких десятков ppm/°C и шумы, измеряемые микровольтами.
Разработана и выпускается широчайшая номенклатура разнообразных микросхем ИОН, однако их фундаментальные характеристики определяются основной топологией, вариантов которой может быть только два: шунтовые ИОН и последовательные ИОН (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | Типичные параллельные источники опорного напряжения (а) представляют собой двухвыводные устройства, по принципу действия аналогичные стабилитронам, в то время как последовательные источники (б), как правило, имеют три вывода и похожи на LDO стабилизаторы. |
Шунтовые, или параллельные ИОН представляют собой двухвыводные приборы, сочетающие преимущества простоты применения и высокой стабильности в широком диапазоне условий эксплуатации. Несмотря на то, что по принципу работы они напоминают обычные стабилитроны, на самом деле это, как правило, устройства на основе ширины запрещенной зоны или стабилитроны с углубленным переходом. Для задания величины тока шунтовым ИОН требуются внешние резисторы, благодаря которым ИОН могут использоваться при высоких напряжениях питания, а также в схемах с отрицательным или плавающим опорным напряжением. С другой стороны, через эти устройства уходит в землю никак не используемый ток, при облегченной нагрузке становящийся источником значительных потерь энергии.
Последовательные ИОН
Мощность, потребляемая последовательными ИОН, наоборот, определяется только током нагрузки и собственным током покоя, поэтому такие приборы особенно подходят для приложений сбора энергии с очень судным бюджетом мощности. Последовательные ИОН с ультранизким потреблением дают и другие преимущества на системном уровне. Типичные источники опорного напряжения имеют весьма значительное время включения, необходимое для стабилизации их характеристик на заданном уровне. Но устройства, потребляющие при работе достаточно низкий ток, можно оставлять под напряжением постоянно, обеспечивая максимально возможную точность и минимальные задержки в измерительных схемах. Постоянно включенные стабильные ИОН полностью исключают проблему мертвого времени в преобразователях данных, устройствах мониторинга источников питания или в других критических измерительных приложениях, где для экономии энергии микросхемы с большей потребляемой мощностью приходилось бы периодически отключать.
Разработчики могут выбрать подходящие ИОН с током потребления не больше нескольких десятков микроампер из приборов таких семейств, как Analog Devices ADR291/ADR292, Intersil ISL60002, Linear Technology LT6656, Maxim Integrated Products MAX6018, Texas Instruments REF3312AIDCKR и Touchstone Semiconductor TS6001.
Выпускаемые Analog Devices устройства ADR291/2 имеют собственный ток потребления всего 12 мкА. Приборы делятся по величине начальной точности. Для ADR291 это группы ±2 мВ, ±3 мВ и ±6 мВ, а для микросхемы ADR292 – ±3 мВ, ±4 мВ и ±6 мВ.
Linear Technology для своего ИОН LT6656 гарантирует начальную точность 0.05%. В то же время, компания отмечает, что, как и все аналогичные устройства, LT6656 имеют подчиняющийся нормальному распределению разброс параметров, который должны принимать во внимание разработчики при создании прецизионных приложений (Рисунок 3).
 |
|
| Рисунок 3. | Индивидуальные характеристики каждой отдельной микросхемы ИОН отличаются от идеализированных параметров, приводимых в технической документации, из-за производственного и физического разброса. |
Так же, как у других последовательных устройств этого класса, ток потребления микросхем семейства MAX6018 компании Maxim Integrated Products практически не зависит от напряжения питания, изменяясь всего лишь на 0.1 мкА на каждый вольт. Maxim выпускает MAX6018 в миниатюрных корпусах SOT23-3, рассчитанных на использование в компактных конструкциях.
В свою очередь, Texas Instruments предлагает семейство REF33xx в корпусах SOC23-3 и SC70-3. Подобно множеству других подобных ИОН, REF33xx могут работать при напряжении питания очень близком к выходному опорному напряжению. Для питания REF33xx разработчики могут использовать источники с напряжением, превышающим специфицированное выходное напряжение всего на 180 мВ, за исключением микросхемы REF3312, минимальное напряжение питания которой должно быть 1.8 В.
Малый температурный дрейф напряжения важен для того, чтобы результаты измерений оставались достоверными во всем диапазоне рабочих температур, и для рассматриваемых устройств этот параметр имеет первостепенное значение. Микросхема TS6001 компании Touchstone Semiconductor сочетает ток потребления 27 мкА с начальной точностью выходного напряжения лучше 0.08%, низким температурным коэффициентом 7 ppm/°C и очень незначительным производственным разбросом между отдельными образцами (Рисунок 4).
 |
|
| Рисунок 4. | Микросхемы прецизионных источников опорного напряжения имеют незначительный температурный дрейф напряжения, практически одинаковый для различных экземпляров приборов. |
Несмотря на то, что перечисленные выше устройства с микроамперными токами потребления отличаются исключительно высокими рабочими характеристиками, конструкторы ищут еще более экономичные приборы. Микросхеме Intersil ISL60002, благодаря использованной запатентованной технологии плавающего затвора, достаточно тока всего 350 нА. Поэтому ISL60002 идеально подходит для устройств с постоянно подключенным питанием. Но, с другой стороны, за очень низкий ток потребления приходится расплачиваться большим временем включения, необходимым для стабилизации режимов внутренних цепей микросхемы. Таким образом, выбор источника опорного напряжения всегда будет компромиссом между требованиями конкретного приложения и параметрами реальной микросхемы.
Помимо ИОН, выполняющих только основную функцию, разработчики могут найти и многофункциональные приборы. Выпускаемая Linear Technology микросхема LT6700 в 6-выводных корпусах SOT-23 или DFN, помимо ИОН, содержит два компаратора с гистерезисом и выходами с открытым коллектором. Микросхема потребляет ток всего 6.5 мкА, и может использоваться для контроля напряжения в приложениях с малой потребляемой мощностью.
Заключение
Прецизионные источники опорного напряжения являются важнейшими элементами, обеспечивающими функциональную точность многих систем с питанием от устройств сбора энергии. В полной мере соответствуют требованиям, предъявляемым к подобным устройствам, микросхемы ИОН последовательного типа, сочетающие высокую временнýю и температурную стабильность параметров с очень низким током потребления. Выбрав подходящий ИОН, инженеры могут обеспечить высокую точность измерений в диапазоне приложений от систем датчиков до схем контроля критических напряжений Li-ion аккумуляторов.
Купить LT1461 на РадиоЛоцман.Цены
