 |
Генераторы стабильного напряжения
|
|
|
|
В схемотехнике аналоговых ИС широко применяют генераторы стабильного напряжения (ГСН) – двухполюсники, падение напряжения на которых слабо зависит от протекающего тока. Простейший ГСН – диод, через который протекает ток (от ГСТ или через сопротивление от ИП). В качестве диода обычно используют прямосмещенный эмиттерный переход Т, стабилизирующий напряжение на уровне примерно 0,65 В. Для увеличения напряжения 
стабилизации применяют последовательное соединение двух Т в диодном включении либо схему рис. 4, а. В ней 
(
, 
– напряжения база – эмиттер Т). Иногда с целью повышения тока Т VT1 дополнительно вводят шунтирующее сопротивление 
величиной несколько килоом, что уменьшает его дифференциальное сопротивление. Дальнейшее увеличение достигают цепями из трех (четырех) Т. Температурный коэффициент 
напряжения, стабилизируемого прямым включением диодов, является отрицательным.
|
а б
Рис. 4. Схемы ГСН на транзисторах |
Для получения малых значений часто используют параллельное соединение делителя 
и Т VT (рис. 4, б). Здесь напряжение 
и, значит, ток через сопротивление 
стабильны. Приращение внешнего напряжения приложено к сопротивлению 
и изменяет ток базы, влияющий на ток коллектора. Напряжение стабилизации (пренебрегаем током базы) составляет 
. Варьируя значениями 
и , можно регулировать величину . Очевидно, в схеме 
, где 
(
) – приращение тока (напряжения) ГСН; 
– крутизна последнего. Поэтому выходное сопротивление рассматриваемого ГСН равно 
и составляет примерно 50…200 Ом.
Вместо диодов в ГСН часто применяют стабилитроны. Они имеют следующие недостатки: конечный набор значений и большой допуск на них (кроме дорогих прецизионных стабилитронов); большой уровень шума; достаточно большое дифференциальное сопротивление; зависимость напряжения от температуры (например, стабилитрон с = 27 В из серии 1N5221 производства США имеет коэффициент = 0,1 % /град).
|
|
|
|
Рис. 5. Зависимость ТКН
Стабилитронов от напряжения стабилизации и рабочего тока
|
Исследованиями фирмы Motorola, Inc. установлено, что в окрестности точки 
= 6 В стабилитроны имеют значительно меньшее, чем при других напряжениях, дифференциальное сопротивление и почти нулевой коэффициент 
, который зависит от рабочего тока (рис. 5). Это связано с используемыми в стабилитронах двумя механизмами пробоя: зенеровским (туннельным) при низком и лавинном при высоком напряжении. С учетом отмеченных закономерностей применяют так называемые компенсированные опорные элементы в виде последовательного соединения стабилитрона с напряжением 
5,6 В и прямосмещенного диода. Выбирая величину и рабочий ток, можно компенсировать отрицательный температурный коэффициент диода, равный –2,1 мВ/град. Такой подход использован в производимых фирмой Motorola, Inc. дешевых опорных элементах с напряжением = 6,2 В, имеющих коэффициент от 10–4 % /град (1N821) до 5×10–6 % /град (1N829). Указанные значения справедливы при токе 
= 7,5 мА. При этом в случае стабилитрона 1N829 приращение тока на 1 мА изменяет напряжение в три раза сильнее, чем изменение температуры от –55 до +100 оС.
|
в Рис. 6. Реализация ГСН на ИС |
|
а б |
Имея компенсированный опорный элемент VD с фиксированным напряжением = 6,2 В, можно построить с помощью буферного операционного усилителя DA1 ГСН на любое требуемое напряжение 
(рис. 6, а). Опорный элемент, представляющий последовательное соединение стабилитрона и диода, включается в любой полярности. Необходимый рабочий ток его 
= 7,5мА задается сопротивлением 
, величина которого, например, при = 10 В составляет 510 Ом (при этом 
= 3,83 кОм и 
= 6,19 кОм). По рассматриваемой схеме строятся так называемые стабилитронные ИС, обеспечивающие 
= 30×10–6 % /град. Они, как и их дискретные аналоги, обладают существенным недостатком: имеют высокий уровень шума, который сильнее в стабилитронах с лавинным пробоем ( > 6 В). Для уменьшения шума используют стабилитронную структуру с так называемым захороненным, или подповерхностным, слоем.
|
|
|
В последнее время в ГСН в качестве опорных элементов все шире применяют так называемые стабилитроны с напряжением запрещенной зоны, которые было бы точнее назвать 
-стабилитронами (рис. 6, б). В них элементы VT1, VT2 и 
образуют ТЗ с коэффициентом передачи 
< 1. Очевидно,
,
,
= 
,
,
,
где 
, 
, 
– напряжения база – эмиттер Т VT1…VT3;
, 
– входной и выходной токи ТЗ;
– падение напряжения на резисторе .
Из этого следует, что напряжение 
, в отличие от , имеет положительный температурный коэффициент. Поэтому, подбирая (в зависимости от тока) величину , можно обеспечить нулевой коэффициент , что, как оказывается, выполняется при 
1,22 В (напряжение запрещенной зоны кремния при температуре абсолютного нуля). Ток ТЗ задают при помощи сопротивления 
или от ГСТ. Подключая рассматриваемый опорный элемент в предыдущую схему вместо стабилитрона VD, можно получить ГСН на любое требуемое напряжение.
В весьма распространенной схеме ГСН на основе 
-стабилитрона (рис. 6, в) элементы VT1, VT2 и образуют ТЗ с коэффициентом передачи 
= 0,1. По аналогии со схемой рис. 6, б ток 
. Поэтому 
и 
= 1,22 В. Ток 
создает на сопротивлении напряжение 
с положительным температурным коэффициентом, которое можно использовать в качестве выходного сигнала температурного датчика. Цепь отрицательной ОС (усилитель DA1, делитель 
, Т VT1 и VT2) дополнительно компенсирует возможные изменения 
. Существуют также другие варианты построения -стабилитро-нов, но все они основаны на ТЗ с кратным отношением токов и сложении напряжений и вырабатываемого ТЗ.
Дальнейшие улучшение параметра достигают температурной стабилизацией всего ГСН (термостатированием). Как известно, обычному термостатированию присущи громоздкость, сравнительно большая потребляемая мощность, медленные разогрев и выход на режим (10 и более минут). Поэтому в последнее время температуру стабилизируют на уровне кристалла (чипа) ИС, включая в состав последней нагревательную схему с температурным датчиком. Подход впервые опробован в 60-х годах фирмой Fairchild (США), выпустившей стабилизированную дифференциальную пару mА726 и предварительный усилитель постоянного тока mА727. Позже появились “термостатированные” ГСН, например, серии National LM399, которые имеют = 2×10–5 % /град. Такие ГСН производятся в стандартных транзисторных корпусах типа ТО-46, имеют нагреватели с мощностью потребления 0,25 Вт и временем выхода на режим не более 3 с. Они построены на стабилитронах с захороненным слоем. Отметим также, что на основе последних путем качественного схемотехнического решения фирмой Linear Technology (США) созданы ГСН без подогрева, имеющие = 0,05×10–6 % /град и на порядок лучшие характеристики по долговременной стабильности и шуму.
|
|
|
ЛИТЕРАТУРА
1. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 2003. – 608 с.
2. Математическое моделирование и макромоделирование биполярных элементов электронных схем / Е.А. Чахмахсазян, Г.П. Мозговой, В.Д.Силин. – М.: Радио и связь, 1999. – 144 с.
3. Ногин В.Н. Аналоговые электронные устройства: Учебное пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 2002. – 304 с.
|
|
|
12 |
