Построение источников опорного напряжения, страница 2

В момент включения усилителя с однополярным питанием на его выходе может быть только неотрицательное напряжение. Через резистор R1 оно поступает на неинвертирующий вход усилителя – возникает 100%-я положительная обратная связь и напряжение на выходе ОУ (и его неинвертирующем входе) нарастает до тех пор, пока не откроется стабилитрон. После этого коэффициент положительной обратной связи резко уменьшается (определите, чему он равен) и поведение схемы определяется цепью отрицательной обратной связи R3-R4.

Рисунок 2. Источник опорного напряжения с питанием стабилитрона постоянным током

Нагрузка R2 в этой схеме подключается к выходу операционного усилителя. Из этого следует ряд особенностей схемы:

-  исключается влияние сопротивления нагрузки на величину опорного напряжения (в пределах допустимого выходного тока операционного усилителя!);

-  появляется возможность устранить погрешность от допуска  стабилитрона путем подстройки коэффициента передачи усилителя (рисунок 3);

-  выходное опорное напряжение всегда больше  стабилитрона.

Рисунок 3. Источник опорного напряжения с возможностью подстройки

Задания:

1. Экспериментально определить коэффициент подавления нестабильности питающего напряжения схемой на рисунке 2 при R2=10 кОм при изменении напряжения питания от 13,5В до 16,5В для R1=510 Ом и для R1=1 кОм.

2. Экспериментально определить температурный коэффициент опорного напряжения схемы на рисунке 2 в диапазоне температур окружающей среды 0ºC ÷ +70ºC. Сравнить с паспортными данными на стабилитрон и операционный усилитель. Может ли такая схема использоваться в широком диапазоне температур?

3. Каким образом можно изменить схему на рисунке 2, чтобы увеличить ток стабилизации, а также сделать возможным подключение более низкоомной нагрузки? Повторите для измененной схемы исследования по п.1 и 2.

3. Источники опорного напряжения на запрещенной зоне полупроводника

Токовые зеркала

Согласно уравнению Молла-Эберса для биполярного транзистора:

,

где – постоянная Больцмана (Дж/К), – абсолютная температура, – заряд электрона (Кл), – ток насыщения транзистора (зависит от температуры).

Для схемы на рисунке 4 это означает, что напряжение   транзистора Q1 устанавливается в соответствии с заданным током I1, температурой окружающей среды и типом транзистора. В результате оказывается заданным   транзистора Q2 (равное   транзистора Q1). Если транзисторы Q1 и Q2 согласованы, ток через нагрузку R1 будет равен задающему току I1. Т.е., такая схема как бы «отражает» задающий ток и, поэтому, называется токовым зеркалом. Токовые зеркала широко используются в схемотехнике при построении операционных усилителей и других схем, существуют более совершенные схемы, чем показанная на рисунке 4 (с большим выходным сопротивлением и т.п.).

Рисунок 4. Простейшее токовое зеркало

Рисунок 5. Токовое зеркало с коэффициентом отражения, меньшим 1

Схема на рисунке 5 позволяет получить выходной ток, меньше задающего (из-за падения напряжения на R2, напряжение на эмиттере Q2 больше напряжения на эмиттере Q1, а значит <). Разность напряжений  двух согласованных транзисторов, согласно уравнению Молла-Эберса:

Как видим, эта разность напряжений линейно зависит от температуры, причем, с положительным коэффициентом (т.к. >).

В то же время, разность  представляет собой падение напряжения на резисторе R2, откуда можем определить ток через этот резистор: . Т.е., этот ток тоже имеет положительный температурный коэффициент. Но , т.е., выходной ток такого токового зеркала имеет положительный температурный коэффициент.

Теперь в нашем распоряжении есть:

1. Напряжение  транзистора, которое линейно (–2,1 мВ/°С) уменьшается с ростом температуры.

2. Выходной ток токового зеркала, который линейно увеличивается с ростом температуры.

Для того, чтобы получить источник опорного напряжения с нулевым (или почти нулевым) температурным дрейфом нам остается:

1. Сформировать стабильный управляющий ток токового зеркала;

2. Превратить выходной ток токового зеркала в напряжение;

3. Сложить это напряжение с напряжением .

На рисунке 6 приведена схема, решающая эти три задачи. Она содержит токовое зеркало (R3-Q1 – «задающее» плечо, R1-Q2-R2 – «отражающее» плечо) и операционный усилитель с цепью обратной связи R5-R6.

Рисунок 6. Источник опорного напряжения на запрещенной зоне полупроводника

Сопротивление R1 выбирается в 8 раз больше сопротивления R3, а R2 подбирается таким, чтобы обеспечить  в те же 8 раз меньше, чем . При таких условиях обеспечивается примерное равенство напряжений в точках A и B.

Напряжение в точке A: ; напряжение в точке B: . ОУ усиливает разность напряжений .

Операционный усилитель охвачен отрицательной обратной связью. В самом деле, если  увеличивается, то ОУ, согласно приведенной формуле, уменьшает напряжение на своем выходе и в точке C. Этим напряжением определяется , следовательно, его уменьшение уменьшает .

Ток  (как мы помним из разбора схемы токового зеркала) определяется разностью , т.е., пропорционален температуре. В силу того, что ОУ поддерживает постоянное соотношение  и , ток  (а, значит, и ) тоже пропорционален температуре. Поэтому суммарный ток , протекающий через R4 пропорционален температуре.

Можно подобрать такое R4, что уменьшение  будет покрываться увеличением, так, чтобы  оставалось неизменным, а менялось только . Оказывается, при этом, В, что равно напряжению запрещенной зоны кремния (при 0 К). Поэтому такого рода источники опорного напряжения получили название источников «с запрещенной зоной» (band-gap reference). Точное выходное напряжение источника устанавливается с помощью резисторов R5 и R6.

На рисунке 7 приведена схема модели источника опорного напряжения +5 В с запрещенной зоной.

Рисунок 7. Источник опорного напряжения +5 В с запрещенной зоной

В этой схеме вместо модели конкретного ОУ использован источник напряжения управляемый напряжением E1. Этот источник усиливает разность напряжений на коллекторах транзисторов в 10000 раз (рисунок 8) и, фактически, представляет ОУ, лишенный погрешностей ЭДС смещения, входных токов и их температурных дрейфов.

Рисунок 8. Окно настроек ИНУН

В настоящее время выпускается множество микросхем источников «с запрещенной зоной» на различные выходные напряжения (как с внутренними задающими резисторами и, поэтому, фиксированными выходными напряжениями, так и с внешними резисторами, с помощью которых можно задать любое выходное напряжение в широком диапазоне). У некоторых из этих микросхем сигнал  выведен наружу, поэтому их можно использовать не только как источники опорного напряжения, но и как датчики температуры окружающей среды.

Задания:

1. Для схемы на рисунке 4 (файл CurrMirror1.ckt) исследуйте зависимость  и   от .

2. Для схемы на рисунке 4 исследуйте зависимость  и   от температуры при =5мА в диапазоне –40°С…+85°С.

3. Для схемы на рисунке 5 (файл CurrMirror2.ckt) исследуйте зависимость ,   и   от .

4. Для схемы на рисунке 5 исследуйте зависимость ,   и  от температуры при =5мА в диапазоне –40°С…+85°С.

5. Для схемы на рисунке 7 (файл CurrMirror11.ckt) исследуйте зависимость , ,  и  от температуры в диапазоне –40°С…+85°С.

6. Измените (дополните) схему на рисунке 7 так, чтобы она формировала напряжение, описываемое уравнением . Исследуйте зависимость от температуры в диапазоне –40°С…+85°С.

Таблица 1

№ варианта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
U0, В	0	0	0	0	0,2	0,4	0,2	0,4	0,1	0,1	0	0
t0, °С	–40	85	–20	25	0	0	0	0	0	0	10	20
k, мВ/°С	1,0	–1,0	0,5	–0,5	2,0	–2,0	5,0	10,0	–5,0	–10,0	2,5	–1,0