Построение источников опорного напряжения

Лабораторная работа №3

Источники опорного напряжения

Цели работы:

1.  Познакомиться с принципами построения источников опорного напряжения на стабилитронах и на напряжении запрещенной зоны полупроводника

2.  Исследовать характеристики источников опорного напряжения

Для работы многих измерительных схем необходимы источники образцового (опорного) напряжения. При этом, зачастую, точность измерительной схемы напрямую зависит от точности задания опорного напряжения.

Не следует путать источники опорного напряжения и источники питания! Назначение источника питания – обеспечить элементы схемы стабилизированным питающим напряжением. Это питающее напряжение может иметь относительно большой начальный допуск, температурный дрейф, пульсации. Во многих случаях допустимым является отклонение питающего напряжения от номинального значения на ±5%. Источник питания должен обеспечивать выходной ток достаточный для работы схемы (в зависимости от конкретной схемы выходной ток источника питания может составлять от десятков миллиампер до десятков ампер).

Источник опорного напряжения должен формировать очень стабильное напряжение, с низким уровнем шумов, пульсаций, слабо зависящее от сопротивления нагрузки, температуры, напряжения питания. Самые простые источники опорного напряжения обеспечивают отклонение выходного напряжения от номинального не более чем на ±1%. Выходной ток, отбираемый от источников опорного напряжения, не превышает, как правило, нескольких миллиампер.

Основные параметры источников опорного напряжения:

-  Номинальное выходное напряжение;

-  Начальный допуск: отклонение реального выходного напряжения от номинального при температуре окружающей среды +25°C. Указывается в Вольтах или процентах;

-  Температурный коэффициент: зависимость выходного напряжения от температуры окружающей среды. Указывается в 1/°C или ppm/°C;

-  Шумы выходного напряжения. Для низкочастотных шумов, как правило, указывается двойной размах напряжения («от пика до пика», «peak-to-peak») в какой-то полосе частот (как правило, от 0,1 до 10 Гц). Для высокочастотных указывается спектральная плотность шума () с указанием полосы частот, для которой применима эта плотность. Для перехода от спектральной плотности к эффективному (средневыпрямленному) значению напряжения нужно умножить плотность на  (корень из ширины полосы частот). Например, пусть для полосы 10 Гц ¸ 1кГц плотность шума опорного напряжения составляет 500 и это напряжение снимается через ФНЧ 1-го порядка с частотой среза 100 Гц. Эффективная полоса ФНЧ с прямоугольной АЧХ для ФНЧ первого порядка составляет примерно . Таким образом, эффективное напряжение шума на выходе ФНЧ составит 6,3мкВ. Но это значение шума в полосе от 10 Гц! Если указан двойной размах шума в полосе 0,1¸10 Гц равный 15 мкВ, можем определить эффективное значение в полосе от 0,1 Гц: . Эмпирический множитель 1/6 используется для перехода от двойного размаха к эффективному значению;

-  Диапазон питающих напряжений – диапазон напряжения питания, в котором источник способен нормально работать;

-  Максимальный выходной ток;

-  Зависимость выходного напряжения от напряжения питания (указывается в 1/В, %/В или в ppm/В);

-  Зависимость выходного напряжения от выходного тока (указывается в 1/мА, %/мА или в ppm/мА).

1. Стабилитронный источник опорного напряжения

Простейший источник опорного напряжения может быть построен на основе стабилитрона. Стабилитрон представляет собой диод, работающий при обратном смещении на участке пробоя, где ток пробоя очень быстро нарастает при дальнейшем росте напряжения.

Стабилитроны выпускаются на ряд напряжений (от 2В до 200В), с допуском на напряжение стабилизации от 1% до 20%, с номинальной рассеиваемой мощностью от долей Ватта до 50Вт.

Чтобы получить из стабилитрона источник опорного напряжения, необходимо обеспечить прохождение через него постоянного тока (или, как минимум – приблизительно постоянного). Проще всего это сделать, подключив стабилитрон через резистор к источнику постоянного напряжения (рисунок 1, файл VoltRef1.ckt).

Рисунок 1. Простейший источник опорного напряжения на основе стабилитрона

В этой схеме использован стабилитрон VD1 типа 1N5231B с номинальным напряжением стабилизации 5,1 В (таблицы 1 и 2). Резистор R1 формирует от источника напряжения V1 ток через стабилитрон. Резистор R2 представляет сопротивление нагрузки.

Таблица 1. Параметры стабилитрона 1N5231B

Напряжение стабилизации UСТ при IСТ=I0, В			I0, мА	Макс. диф. Сопротивление rСТ, Ом		Макс. обратный ток		Макс.температурный к-т при IСТ =I0, %/°С
Номин.	Мин.	Макс.		при IСТ =I0	при IСТ = 0,25мА	мкА	при Uобр, В
5,1	4,85	5,36	20	17	1600	5,0	2,0	+0,030

Таблица 2. Предельно допустимые параметры стабилитрона 1N5231B

Параметр	Обозначение	Значение	Ед.изм.
Максимальная рассеиваемая мощность	PMAX	500	мВт
Тепловое сопротивление между pn-переходом и окружающей средой	θ	300	°С/Вт
Прямое падение напряжения при токе  IПР = 200mA	UПР	1.1	В
Температурные диапазоны работы и хранения	TРАБ, TХР	–65…+200	°С

Можно выделить ряд недостатков стабилитронов, затрудняющих их использование в качестве источников опорного напряжения:

-  конечный набор значений напряжения стабилизации;

-  большой допуск на напряжение стабилизации;

-  большой уровень шума;

-  сильная зависимость напряжения стабилизации от тока, протекающего через стабилитрон;

-  большой температурный дрейф напряжения стабилизации.

Зависимость напряжения стабилизации от тока через стабилитрон обычно выражается через дифференциальное сопротивление стабилитрона: . Чем больше , тем сильнее изменяется напряжение стабилизации при изменении тока.

В схеме на рисунке 1 на ток, протекающий через стабилитрон, оказывают влияние:

-  величина питающего напряжения V1;

-  значения токозадающего сопротивления R1 и резистора нагрузки R2.

Задания:

1. Экспериментально определить дифференциальное сопротивление стабилитрона . Подсказка: R2 включен параллельно , поэтому при определении  резистор R2 необходимо исключить из схемы. При построении графиков в среде B2Spice пользователю доступны различные математические операторы, в том числе – взятия производной ().

2. Аналитически определить коэффициент подавления нестабильности питающего напряжения при R2=10 кОм при изменении напряжения питания от 13,5В до 16,5В для R1=470 Ом и для R1=1 кОм. (Подсказка: заместите стабилитрон эквивалентной схемой из источника ЭДС с напряжением равным номинальному напряжению стабилитрона и сопротивления, равного дифференциальному сопротивлению).

3. Экспериментально проверить результаты расчетов по п.2.

4. Определите мощность, выделяемую на стабилитроне, рассчитайте температуру его pn-перехода, если температура окружающей среды составляет +20°С.

2. Источник опорного напряжения со стабилизацией тока через стабилитрон

Для устранения влияния  необходимо сделать так, чтобы стабилитрон питался постоянным током. Схема на рисунке 2 (файл VoltRef2.ckt) обеспечивает это. Операционный усилитель включен по неинвертирующей схеме. На его неинвертирующий вход поступает напряжение стабилизации , на выходе получается . Это напряжение используется для формирования тока через стабилитрон с помощью резистора : .

В данной схеме применен операционный усилитель с однополярным питанием. Это важно по следующим причинам. Стабилитрон – это диод, работающий в режиме пробоя. Как диод он обладает прямой проводимостью. При подаче питания на схему на выходе операционного усилителя может присутствовать любое напряжение (разумеется, в пределах его напряжений питания!). Если усилитель имеет двуполярное питание, это начальное выходное напряжение может быть отрицательным, из-за чего стабилитрон откроется в прямом направлении, как обычный диод. На выходе схемы установится отрицательное напряжение, пропорциональное падению напряжения на открытом pn-переходе, а не напряжению .