Uref — За таким обозначением скрывается электронное устройство, предназначенное для выдачи высоко-стабильного напряжения — источник опорного напряжения (ИОН).
Как правило, требования к ИОН достаточно высокие, поскольку относительно этого напряжения производятся все преобразования аналог-цифра (ADC) и цифра-аналог (DAC). Собственно, англоязычное обозначение говорит о том же: Uref – напряжение референса (reference), т.е. опорное/базовое напряжение.
Ученые и инженеры давным-давно озаботились созданием таких ИОН — с 70-х годов прошлого века.
Стабилитроны, стабисторы, bandgap-источники — эти полупроводниковые элементы и структуры давно всем известны и лавры Видлара мы тут отбивать не будем.
- «Спарка» биполярных транзисторов разной проводимости.
Рассмотрим очень простую каскадную структуру:
Изучим вольт-амперные характеристики (далее – ВАХ) этой структуры при изменении Re в диапазоне 10..1000 Ohm.
Как видим, изменением значения Re мы можем регулировать значение Uref в диапазоне 1.1..1.4 V.
Запомним это (на самом деле, можно снизить Uref до 0.8 V, но об этом позже).
Что можно понять из данного графика? То, что ВАХ этой структуры обладает большой крутизной, т.е. отношение приращения напряжения к приращению тока очень велико — практически вертикальные участки графика.
Почему это важно? Большая крутизна позволяет создавать устройства с высокой стабильностью тока или напряжения. Нас пока интересует стабильное напряжение — ИОН.
Вот интересная схема, собранная из «бросовых» материалов и обладающая хорошими характеристиками.
Особенность схемы состоит в том, что это по сути регулируемый параллельный стабилизатор напряжения. Регулировка Uref осуществляется изменением соотношения резисторов R1 и R2, причем можно изменять только R1 или R2.
Транзистор Q2 является управляющим транзистором Q1, который, в свою очередь, являясь “силовым”, оттягивает на себя ток через нагрузочное сопротивление Rsrc, регулируя тем самым напряжение Uref.
Возможности данной схемы в регулировке Uref довольно значительны — от 1 V и до 4 V при питании 5 V, причем минимальное входное напряжение, при котором схема работоспособна составляет около 1.2 V, при условии Uref < Uin на 0.2 V.
Обычно параллельные стабилизаторы не являются особо экономичными, но попробуем приблизиться к параметрам схемы ИОН из первой части.
Дополнительно, поставим условие температурной компенсации в расширенном диапазоне рабочих температур 0..50 С.
ЗАДАЧА.
Обеспечить работоспособность ИОН в диапазоне входного напряжения 4.5..5.5 V, в диапазоне температур окружающей среды 0..50 С при собственном токе потребления < 1 mA. Отклонение Uref от номинала 1.25 V должно составлять не более 1 mV по всем диапазоне воздействующих факторов.
Исходя из опыта анализа первой схемы, сразу включаем источник тока вместо нагрузочного сопротивления Rsrc и получаем итоговую схему.
Прогнав схему в симуляторе в диапазоне температур 0..50 С, обнаруживаем, что ошибка поддержания Uref=1.25 V составляет ± 120 mV или 10 %, что конечно же много.
Следовательно, требуется температурная компенсация, в качестве элемента которой выберем резистор R1, сделав его сопротивление температурозависимым.
Для определения зависимости Rtemp, последовательно, исследуем схему при TEMP = 0; 25; 50 C и получим три значения Rtemp (14.66k; 12.25k; 10.38k) при которых Uref = 1.25 V.
Далее, в EXCEL строим график по трем точкам и добавляем две регрессионные линии — линейную и квадратичную.
Как видим, линейная регрессия не очень хорошо описывает исходный график, а квадратичная значительно лучше, однако и реализация квадратичной зависимости будет сложнее в настройке.
Выполняем симуляцию при линейной регрессии Rtemp.
Как видим, размах отклонений Uref составляет 8 mV и погрешность 0.6%, что много.
Выполняем симуляцию при квадратичной регрессии Rtemp.
В этом случае, мы получили отклонение от Uref=1.25 V всего +/- 230 uV или 0.037%, что является прекрасным результатом.
Отмечаем, что ток собственного потребления составляет 566 uA, что в два раза лучше требуемого тока 1 mA и практически соответствует схеме ИОН из первой части.
Как видим, в диапазоне комнатных температур, погрешность близка нулю и имеет два максимума при T=10C и T=40C.
Выводы.
Рассмотрена еще одна схема ИОН, собранная из «бросовых» элементов и имеющая параметры на уровне типовой схемы TL431 при отклонения входного напряжения, значительно лучшие параметры по температурных уходам и в три раза меньший ток потребления. Разумеется, сейчас есть клоны TL431 с очень хорошими метрологическими характеристиками.
