Обзор микросхем источников опорного напряжения. Часть 1

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июнь 2017

Микросхемы ИОН обеспечивают точное термокомпенсированное напряжение для использования во всевозможных приложениях – от аналого-цифровых преобразователей до медицинского оборудования

Источники опорного напряжения (ИОН) выпускаются как с фиксированными, так и с регулируемыми выходными напряжениями. Чтобы получить регулируемый выход, к выводу опорного напряжения подключают резистивный делитель. Эти ИОН бывают либо шунтового типа (двухвыводные), либо последовательного (трехвыводные). Обычно такие микросхемы выпускаются семействами, содержащими ряд точных выходных напряжений. В некоторых семействах может быть до десятка различных значений выходных напряжений от 0.500 В до 10.000 В с допусками от 0.05% до ±2%. Двумя из наиболее важных параметров ИОН являются начальная точность выходного напряжения и его температурный коэффициент.

Вот некоторые из характеристик, которыми должен обладать идеальный источник опорного напряжения:

• Выходное напряжение, независящее от изменений температуры;
• Выходное напряжение, независящее от тока нагрузки;
• Выходное напряжение, независящее от времени;

Кроме того, идеальный ИОН должен иметь:

• Высокую начальную точность;
• Возможность как отдавать, так и принимать ток;
• Низкий собственный ток потребления (или рассеваемая мощность);
• Низкие шумы;
• Приемлемую цену.

Однако эти идеальные характеристики недостижимы, поэтом разработчик должен учитывать следующее:

В двухвыводных опорных источниках обычно используются стабилитроны. Основным преимуществом стабилитронов является широкий диапазон напряжений от 2 В до 200 В. Кроме того, они имеют широкий диапазон допустимых мощностей – от нескольких милливатт до нескольких ватт. Недостатки стабилитронов заключаются в невысокой точности, не отвечающей требованиям прецизионных приложений. Кроме того, потребляемая стабилитронами мощность не позволяет использовать их в малопотребляющих приложениях. Еще одна проблема связана с относительно высоким выходным импедансом некоторых типов приборов.

Другой тип опорных источников, обычно используемый в трехвыводных микросхемах последовательного типа, основан на напряжении, определяемом шириной запрещенной зоны. Напряжение таких ИОН, называемых «бандгап» (от англ. bandgap) не зависит от температуры, поэтому они широко используются в интегральных схемах, и обычно имеют выходное напряжение порядка 1.25 В, что близко к теоретическому значению ширины запрещенной зоны кремния, равной 1.22 эВ при 0 K.

С точки зрения практического использования шунтовые ИОН похожи на стабилитроны, поскольку и тем и другим требуется внешний резистор, определяющий максимальный ток, который может быть отдан в нагрузку. Кроме того, внешний резистор задает минимальный ток смещения, необходимый для стабилизации напряжения. Остановить свой выбор на шунтовом ИОН вы можете в том случае, когда нагрузка почти постоянна, а колебания питающего напряжения минимальны.

Бандгапы не требуют никаких внешних компонентов, а их применение целесообразно там, где нагрузка нестабильна, а напряжение должно быть низким. Кроме того, по сравнению с шунтовыми приборами, огни более устойчивы к колебаниям напряжения питания.

Последовательные ИОН имеют ряд преимуществ перед шунтовыми. Шунтовым источникам нужен резистор, выбираемый в соответствии с требуемым максимальным током нагрузки. Этот ток шунтовой ИОН должен потреблять всегда, даже когда нагрузка далека от максимальной, что приводит к большому рассеиванию мощности и сокращению срока службы батареи. Последовательным ИОН токоограничительные резисторы не нужны, а диапазон их напряжений питания относительно велик и зависит от выходного напряжения.

Температурный дрейф является мерой зависимости выходного напряжения от изменения температуры и выражается в ppm/°C. Опорные источники на основе стабилитрона со скрытым переходом обычно имеют меньший температурный дрейф, чем приборы, в которых используется ширина запрещенной зоны.

Тепловой гистерезис выходного напряжения характеризует изменение выходного напряжения при опорной температуре, обычно равной 25 °C, обусловленное последовательными противоположными изменениями температуры от низкой к высокой и от высокой к низкой. Негативные последствия этого эффекта могут возникать из-за того, что его амплитуда прямо пропорциональна отклонениям температуры связанной системы. В некоторых системах этот параметр не воспроизводится от одного цикла изменения температуры к другому. Тепловой гистерезис зависит от схемы ИОН и от конструкции его корпуса. Гистерезис указывается в частях на миллион (ppm).

Начальная точность – важная характеристика для систем, в которых калибровка невозможна или неудобна. Подобная калибровка обычно выполняется для всей системы в целом. Начальная точность указывается для определенного входного напряжения и нулевого тока нагрузки (для последовательных ИОН) или для определенного тока смещения (для шунтовых ИОН).

Долговременный дрейф влияет на выходное напряжение, постепенно изменяя его с течением времени. Наиболее заметные изменения происходят в первые 200…500 часов работы ИОН. Этот параметр важен для особо ответственных и точных приложений или в тех случаях, когда периодическая калибровка невозможна. Данные о долговременной стабильности могут быть основаны на результатах наблюдения в течение 1000 часов при комнатной температуре. При необходимости поддержания высокой точности долговременный дрейф может требовать частой калибровки, и даже термотренировки схемы.

Рассеиваемая мощность зависит от напряжения и тока, необходимых для поддержания надлежащих рабочих характеристик.

Выходной шум обычно приводится в документации для двух частотных диапазонов: от 0.1 Гц до 10 Гц (пиковое значение) и от 10 Гц до 1 кГц (среднеквадратичное значение). Учет шума необходим в связи с тем, что он снижает динамический диапазон системы сбора данных. В системах выборки данных высокого разрешения шум опорного источника может быть единственной причиной «дрожания» младших разрядов результатов преобразования. В некоторых ИОН предусмотрена возможность снижения шума с помощью внешнего фильтрующего конденсатора, подключаемого к специальному выводу.

Микросхемы источников опорного напряжения

Analog Devices

Выпускаемые Analog Devices прецизионные последовательные КМОП ИОН ADR3412/ ADR3420/ ADR3425/ ADR3430 /ADR3433/ ADR3440/ ADR3450 в корпусах SOT-23 дешевы, потребляют небольшую мощность, имеют начальную точность до ±0.1% и низкие шумы. Для повышения точности на финальном этапе сборки выполняется цифровая подстройка выходного напряжения и температурного коэффициента каждой микросхемы, технология которой была разработана Analog Devices и запатентована под названием DigiTrim.

Низкие значения температурных коэффициентов и незначительный гистерезис выходного напряжения позволяют поддерживать высокую точность систем как при изменениях температуры, так и во времени, что потенциально сокращает количество перекалибровок оборудования. Кроме того, низкий рабочий ток (не более 100 мкА) позволяет использовать ИОН в малопотребляющих устройствах с батарейным питанием.

Благодаря запатентованным архитектурным решениям, компании удалось создать КМОП микросхемы ИОН с высокой точностью, низким температурным коэффициентом и низким уровнем шумов. Как и все ИОН, в которых используется ширина запрещенной зоны, эти приборы основаны на комбинации двух опорных напряжений с противоположными температурными коэффициентами, формирующей выходное напряжение, практически не зависящее от окружающей температуры. Однако, в отличие от обычных бандгапов, источником независимого от температуры опорного напряжения здесь служит напряжение база-эмиттер биполярного транзистора при комнатной температуре, а не при 0 K. (Напряжение база-эмиттер биполярного транзистора при 0 K приблизительно равно ширине запрещенной зоны кремния). К этому напряжению добавляется соответствующее напряжение с положительным температурным коэффициентом, компенсирующее отрицательный температурный коэффициент.

Важнейшим преимуществом этой технологии является то, что настройки начальной точности и температурного коэффициента никак не влияют друг на друга и могут выполняться независимо, благодаря чему существенно увеличивается общая точность в диапазоне температур. Дополнительного снижения чувствительности к вариациям температуры позволяет добиться коррекция нелинейности. Для получения стабильного выходного напряжения напряжение запрещенной зоны буферизуется и усиливается. Выходной буфер может отдавать вытекающий ток до 10 мА и принимать втекающий ток нагрузки до –3 мА.

Семейство КМОП ИОН ADR34xx представлено широким диапазоном выходных напряжений и рассчитано на работу в промышленном диапазоне температур от –40 °C до +125 °C.

Texas Instruments

Texas Instruments выпускает семейство REF50xx малошумящих прецизионных последовательных ИОН с низким дрейфом. Специальные технологии, запатентованные компанией, позволяют получать отличный температурный дрейф (3 ppm/°C) и высокую точность (0.05%).

На Рисунке 1 показана упрощенная блок схема ИОН семейства REF50xx, обеспечивающего очень высокие уровни точности выходного напряжения. Однако при необходимости снижения шумов и коррекции напряжения V_OUT выходное напряжение можно сместить относительно номинального значения с помощью вывода (TRIM/NR). Вывод TRIM/NR обеспечивает подстройку на ±15 мВ напряжения запрещенной зоны, что, соответственно, на ±15 мВ смещает выходное напряжение на выводе V_OUT.

Рисунок 1.	Источники опорного напряжения REF50xx поддерживают как втекающие, так и вытекающие выходные токи и очень устойчивы к колебаниям входного напряжения и тока нагрузки.

Для развязки по питанию рекомендуется использовать блокировочные конденсаторы емкостью от 1 мкФ до 10 мкФ. Между выходом V_OUT и шиной GND необходимо включить конденсатор с умеренным значением ESR и емкостью от 1 мкФ до 50 мкФ. ESR конденсатора (эквивалентное последовательное сопротивление) не должно превышать 1.5 Ом. В то же время, для минимизации шумов рекомендуется выбирать выходную емкость с ESR от 1 Ом до 1.5 Ом. При подключении конденсатора между выводом TRIM/NR и землей в комбинации с внутренним резистором 1 кОм образуется фильтр нижних частот, ослабляющий общие шумы, измеряемые на выводе V_OUT. Для получения частоты среза 14.5 Гц рекомендуется использовать конденсатор емкостью 1 мкФ. При увеличении емкости частота среза снижается.

Всего предлагается семь значений выходных напряжений: 2.048, 2.5, 3.0, 4.096, 4.5, 5.0 и 10 В. В сою очередь, каждый прибор может иметь стандартные и улучшенные характеристики. Приборы поставляются в корпусах SO-8 и рассчитаны на работу в диапазоне температур от –40 °C до +125 °C.

Материалы по теме

Окончание