Източници на стабилно напрежение и ток

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2010

Осигуряването на нормалната работа и желаните параметри на все повече електронни схеми и устройства изисква те да съдържат източник на много стабилно постоянно напрежение (най-често положително), нерядко наричано опорно напрежение. Не са малко случаите и на използване на източници на отрицателно напрежение, на положително и отрицателно напрежение, както и на стабилен ток. Независимо че ИС на стабилно напрежение и ток съществуват вече 40 години (първата за опорно напрежение е създадена от Роберт Видлар през 1971 г.), приложенията им продължават да нарастват. Това налага не само нови технологични решения за подобряване на параметрите, на първо място по-стабилно напрежение или ток и по-малък собствен шум, но и осигуряване на възможност за регулиране на напрежението на източниците и за изключването им.
В статията се разглеждат съвременните интегрални схеми на източници на напрежение и ток и се дават характерни техни приложения.

Двуполюсни източници на напрежение
Тяхното наименование (Shunt Voltage Reference, Shunt Regulator, Voltage Reference Diode) показва наличието на два извода, между които е стабилното напрежение. С това те наподобават стабилитроните (ценерови диоди), което определя означенията им (фиг. 1) и наименованията на изводите анод и катод.
Основни параметри. Смисълът им е аналогичен на тези на стабилитроните - напрежение на стабилизация (Reverse Breakdown Voltage) VR или V(BR)R, неговия производствен толеранс (Reverse Breakdown Voltage Tolerance, Initial Voltage Accuracy, Initial Tolerance) IT, промяната DVR на VR при изменение на тока в определени граници (Reverse Breakdown Voltage Change with Current), минималния (Minimum Operating Current, Minimum Reverse Current) IRmin и максималния (Maximum Operating Current, Maximum Reverse Current) IRmax работен ток. В посока анод-катод протича токът в права посока (Forward Current), като в каталозите се дава само неговата максимална стойност IF. Напрежението VR се влияе от температурата, като зависимостта обикновено е нелинейна, а при някои ИС дори не е монотонна (в определен температурен обхват VR нараства с температурата, а в друг - намалява). Поради това като параметър обикновено се използва средният температурен коефициент (Temperature Coefficient, Drift) TCU = (VRmax - VRmin)/(Tmax - Tmin), където Tmin и Tmax са границите на работния температурен обхват, а VRmin и VRmax - напреженията при тях. Полезно е да се има предвид, че почти всички производители предлагат разновидности на дадена ИС (с допълнение в означението) с различни производствени толеранси и TCU. При неизменни работни условия VR се променя във времето, което се отчита с параметъра стабилност във времето (Long-Term Stability, Drift) LTS, представляващ относителното изменение в ppm за 1000 часа при неизменни работни условия. При промяна на температурата на ИС и връщането й в първоначалната, нейното VR не възстановява точно стойността си. Това се оценява с параметъра хистерезис (HS), който е право пропорционален приблизително на корен квадратен от промяната на температурата и се измерва в ppm или mV.
Два са параметрите, които имат значение при свързването на двуполюсните източници в променливотокови схеми. Импедансът (Reverce Dynamic Impedance) ZR зависи силно от честотата и намалява с нарастване на IR, поради което в каталозите той се дава при фиксирани стойности на тези величини, а често има и съответните графики. Собственият шум eN, генериран от ИС, намалява при нарастване на честотата до около 1 kHz, след което остава почни неизменен. В каталозите се дава амплитудата от връх до връх в mVp-p на нискочестотния шум (Low Frequency Noise) в обхват 0,1 - 10 Hz или средноквадратичната стойност на широколентовия шум (обикновено 10 Hz - 10 kHz) в mVRMS.
За много приложения е съществено да се знае начинът на установяване на VR след свързване на източника по подходящ начин към захранващо напрежение. Свързването то се прави по схемата на фиг. 3а, а в каталозите се дава преходната характеристика, пример за каквото е фиг. 2. Освен това, като параметър често се дават границите на захранващото напрежение VIN на схемите, в които се свързват двуполюсните източници.
Източници с фиксирано напрежение. Те са две разновидности в зависимост от използвания елемент за осигуряване на VR. В класическата той е ценеров диод (Burred Zener Type) с предимства голямата стабилност във времето (особено при работа в тесен температурен обхват) и малък собствен шум и основен недостатък невъзможността за получаване на VR под 5 V. Примери за такива ИС са дадени в редове 1 и 2 на табл. 1. За повишаване на стабилността във времето и намаляване на TCU по-рядко се използват ИС с вграден нагревател (Heated Zener Type) за поддържане на постоянна температура на ценера - ред 3 на табл. 1. Втората разновидност (Bandgap Type) е значително по-разпространена, използва се главно за VR до 5 V и рядко до 10 V. При нея разликата в напреженията на два PN прехода осигурява през резистор ток, който линейно нараства с температурата. Той протича през диод с отрицателен температурен коефициент на напрежението си в права посока и така получената компенсация осигурява теоретически нулев TCU. Допълнително предимство е възможността за нормална работа на ИС на този принцип с много малък консумиран ток. Примери за ИС от тази разновидност са в редове 4-10 на табл.1.
Добре познатата възможност за изключване на една ИС, когато не се използва, намира приложение и в двуполюсните източници. Един пример е даденият в последния ред на табл.1. За нормалната му работа на специален вход трябва да се подаде напрежение над 0,75 VIN, а за изключването му - 0-0,7 V.
При свързването на двуполюсните източници в електронни схеми трябва да се има предвид, че стабилната работа (без евентуално самовъзбуждане) на част от тях изисква успоредно свързване на кондензатор, което заедно с капацитета му е указано в каталога.
Основната схема на свързване на източниците е дадена на фиг. 3а и нейното действие и изчисление не се различава от това на аналогичната схема със стабилитрон. Подобни са и приложенията й, например за осигуряване на опорно напрежение на АЦП и ЦАП, но тук точността и стабилността на VR са много по-големи, неговите стойности могат да бъдат под минимума от 2,4 V на стабилитроните и консумираният ток е значително по-малък. Получаването на различно от VR напрежение Uo=(1+R1/R2)VR се осигурява от схемата на фиг. 3б. Една от възможните схеми за двуполярно напрежение ±VR е дадена на фиг. 3в, като резисторите Ra трябва да са с толеранс не по-голям от ±0,1%.
Източници с регулируемо напрежение. Наименованията им в каталозите са същите, както източниците с фиксирано напрежение, а двете основни означения са на фиг. 4 а, б. Регулирането означава промяна с цел настройка на стабилизираното напрежение (Output Adjustment Range) в граници ±dVR около номиналната стойност VR. За целта се използва потенциометър с плъзгач или цифров, свързан в съответствие със схемата на фиг. 4в и съпротивление, указвано в каталога на ИС. Примери са дадени в табл. 2, като ИС от ред 3 има допълнителен извод за постоянно напрежение, зависещо линейно от температурата на чипа (температурен коефициент 1,9mV/°C). Това позволява използване на ИС и за измерване на температура.
Източници с програмируемо напрежение. Английските им наименования (Adjustable Voltage Reference Diode, Adjustable Shunt Reference, Output Adjustable Regulator, Trimmed Shunt Regulator Diode) не отразяват достатъчно точно тяхната същност – напрежението им VAK (съответстващо на VR от предния вид) се задава в широки граници чрез външен резистивен делител, свързван към входа им REF. Схемата за това се дава в каталога на източника, а типичният й вид е на фиг. 5а, като VAK=(1+R1/R2)VREF, а VREF е напрежението на вградения в ИС източник на опорно напрежение. Типичната структура на тази категория източници е на фиг. 5б, като в някои ИС транзисторът е MOS. Поради много големия коефициент на усилване на операционния усилвател, напрежението VREF реално е между изводи REF и А на ИС.
Примери за ИС на такива източници са дадени в редове 1-6 на табл. 3. С Iz е означен токът на източника и DVREF/DVAK е промяната на напрежението VREF при изменение DVAK. Специфичен представител на тази категория е даденият в ред 7 с електронна настройка на VАК. Постоянното напрежение за настройка се подава на специален вход на ИС и променя VАК със стъпка 1 mV до достигане на желаната му стойност. Съответстващото входно напрежение се преобразува от вграден АЦП, полученото число се записва в памет EEPROM на ИС и осигурява стойността на VАК в процеса на експлоатация без да има нужда от напрежението за настройка.
Приложения. Най-характерните от тях са в захранващи блокове и устройства, в АЦП и ЦАП, апаратури с батерийно захранване, измервателни прибори, системи за управление и контрол на производствени процеси и др.

Триполюсни източници на напрежение
Наименованието им (Voltage Reference, Serie Reference) се дължи на наличието на отделни вход за положително нестабилизирано напрежение VIN и изход за положително стабилизирано напрежение VOUT, като и двете са спрямо третия извод. Тяхната структура (източник на опорно напрежение, усилвател на грешката и изходно стъпало), принцип на действие и основна схема на свързване (фиг. 6) са аналогични на линейните триизводни стабилизатори на напрежение. Основните разлики са много по-малкият производствен толеранс  (Initial Accuracy) IA на VOUT, малката разлика VDO=VIN-VOUT (Dropout Voltage),  по-голямата стабилност на VOUT и малкият изходен ток IOUT (или IL). Когато последният е излизащ (режим Sourcing) се отбелязва като положителен, а когато е влизащ (режим Sinking) – като отрицателен. Изходът обикновено е с максималнотокова защита, която определя параметъра изходен ток на късо съединение IOUTSC. Значението на параметрите коефициент на стабилизация по вход (Line Regulation) LR и коефициент на стабилизация по изход (Load Regulation) LdR е както при триизводните стабилизатори на напрежение. Полезно е да се има предвид, че за LR се използват еднаквите мерни единици mV/V и ppm/V, а за LdR - mV/mA и ppm/mA. Класическите реализации на източника на опорно напрежение са както при двуполюсните източници.
Разработена е технология с плаващ гейт (FGA Technology на Intersil), при която под несвързан гейт на MOS транзистор се натрупва електрически заряд, на който е пропорционално опорното напрежение. Резултатът е много малък температурен коефициент на това напрежение, малки негови производствени толеранси и нищожна постояннотокова консумация.
Сред съществените параметри е входният ток IIN - поради стремежа за непрекъснато намаляване на стойността му и съответно на консумираната от ИС мощност.
Кондензаторите CIN и COUT на фиг. 6 не са задължителни – поставят се за осигуряване на работа без самовъзбуждане и за намаляване на изходния шум eN. Друга практическа особеност е, че почти винаги производителите предлагат набор от ИС с различни VOUT и евентуално IA и eN, и еднакви останали параметри. За много от приложенията съществено значение имат промените на изходното напрежение при скок на VIN (Line Transient Response) и при рязка промяна на IOUT (Load Transient Response). Те се оценяват чрез времедиаграми, давани в каталозите.
Източници с фиксирано напрежение. Тяхното напрежение се определя по време на производството и не може да се променя след това. Примери са дадени в табл. 4.
Източници с регулируемо напрежение. Притежават специален извод, обикновено означаван с TRIM, за настройка в тесни граници на напрежението им чрез външен потенциометър. Схемата на свързване се дава в каталога, а типичният й вид е на фиг. 7. Параметрите на тези източници са както на предните, но към тях се прибавя обхватът на регулиране (Trim-Adjustment Range) DVOUT. Примери са дадени в редове 1-2 на табл. 4, като този в ред 2 може да се използва и за измерване на температура - постоянното напрежение на специален изход е UT = 2,64t°[°C] + 0,509V, където t° е температурата на чипа на ИС. В схемата за получаване на опорното напрежение в този на ред 1 е използвана технологията XFET, осигуряваща много стабилно VREF - то е пропорционално на разликата на напреженията на запушване на два полеви транзистора с PN преход.
Източници с програмируемо напрежение. Чрез външен делител от прецизни резистори, свързван към специален извод на ИС, тяхното VOUT се установява в границите от VREF на ИС до VIN минус няколко десети от V. Схемата на свързване, изчислението на съпротивленията на делителя и VOUT се дават в каталога. Два примера за такива източници са в редове 4 и 5 на табл. 5, а схемата на свързване на делителя на последния е на фиг. 8.
Източници с изключване. Притежават вход (ENABLE или STDN) за изключването им чрез подаване на напрежение за изключване (Shutdown Voltage) VSH и установяване на нормалната работа чрез напрежение за включване (Enable Voltage) VEN. Освен тези напрежения допълнителни параметри са токът на ИС в изключено състояние (Quescent Current in Shutdown) IQSH и времето за включване (Turn-On Time) tR. Примери за такива източници са дадени в табл. 6, като този в ред 3 е и с регулируемо VOUT.
Приложения. Все по-тесните писти на печатните платки означават нарастване на съпротивлението им и на напрежението върху тях от протичащия ток. Поради това, за осигуряване на VOUT в точка отдалечена от изхода OUT на ИС се използва свързването на фиг. 9а (Kelvin Connection), което осигурява стабилно напрежение върху товара RL. Съществуват триполюсни източници (например даденият в ред 2 на табл.6) с два изхода F и S, позволяващи свързването на фиг. 9а без допълнителен операционен усилвател. Една от възможните схеми за отрицателно VOUT е на фиг. 9б.
Основните области на приложение на триполюсните източници са в захранващи блокове (включително зарядни устройства), АЦП и ЦАП до 24 разреда, измервателни и медицински прибори, комуникационни устройства, индустриални системи за управление.

Източници на ток
Предназначението им е да осигурят стабилен постоянен ток през товар RL с изменящо се напрежение, но приложенията са значително по-редки от тези на източниците на напрежение.
Интегрални схеми. Те са твърде малко, като типичен пример е REF200 на TI. Тя съдържа два независими източника 100 mA±0,25% с типично изходно съпротивление 100 MW и температурен коефициент на тока 25 ppm/°C, които могат да се свързват в схеми със захранващо напрежение VS между 2,5 и 40V. В каталога на ИС има много схеми за приложение, една от които за IOUT=0,1(N+1), mA е дадена на фиг. 10а. Друг пример е LM134 на National Semiconductor, чийто ток се задава чрез външен резистор. В основната схема на фиг. 10б токът е ISET[mA]=0,22Т/RSET [kW], където Т е температурата в келвини на ИС, а ISET може да е между 2 mA и 5 mA. Очевидно приложение на ИС е за измерване на температура.
Реализация с ИС на източници на напрежение. Те са много по-разпространени от ИС на източници на ток, като на фиг. 11 са дадени схеми с двуполюсен източник с напрежение VR. Тази на фиг. 11а осигурява ток IOUT=(VR - 0,6)/R върху RLЈ(VIN - VR - 2)/IOUT, като за пренебрегване на тока на източника на напрежение спрямо IOUT трябва Raіk(VIN - VR)/IOUT при kі20. Схемата на фиг. 11б създава IOUT=VR/R върху RLЈ(VIN - VR - 1)/IOUT, а резисторът Rа определя ток на двуполюсния източник IR=IOUTRL/Ra. Схемата с триполюсен източник на фиг. 12а е желателно да има IOUTі20IR, като IOUT=VR/R и RLЈ(VIN - VR - 1)/IOUT. Регулиране на IOUT от 0 до VR/R се осигурява от схемата на фиг. 12б чрез потенциометъра Р, който може да е цифров за получаване на програмируем източник на ток. Необходимото RL е както в предната схема.




Top