Что такое опорное напряжение

Опорное напряжение — это ключевой параметр в электронике и электротехнике, который играет важную роль в работе различных устройств. Упрощенно говоря, опорное напряжение это фиксированное или стабильное напряжение, которое используется для сравнения и обеспечения нужного уровня напряжения в электрической схеме или электронном устройстве.

Опорные напряжения широко применяются в многих областях техники, включая микроэлектронику, силовую электронику и электронику потребителей. Они используются в различных схемах, например, в операционных усилителях, стабилизаторах напряжения, источниках питания и транзисторах.

Опорное напряжение обычно генерируется специальными элементами схемы, такими как стабилитроны, потенциометры или электрические цепи. Оно может быть постоянным (константным) или изменяемым в зависимости от требований конкретного устройства. Опорное напряжение сравнивается с другими напряжениями в схеме для дальнейшей обработки или контроля.

Понятие и основы

Опорное напряжение можно рассматривать как точку отсчета, относительно которой измеряются другие напряжения в цепи. Обычно опорное напряжение выбирается таким образом, чтобы упростить расчеты и анализ схемы.

Опорное напряжение может быть задано как постоянным, так и переменным. Например, в постоянной цепи опорное напряжение может быть задано как постоянное напряжение источника питания, а в переменной цепи — как амплитуда синусоидального сигнала.

Опорное напряжение полезно для определения других характеристик цепи, таких как напряжение на различных элементах, токи, мощность и так далее. Оно позволяет установить отношение между различными элементами цепи и провести анализ электронных устройств и систем.

Преимущества опорного напряжения:
• Упрощает расчеты и анализ схемы
• Позволяет определить отношение между различными элементами цепи
• Используется для определения других характеристик цепи (напряжение, ток, мощность и т. д.)

Определение и опорные точки

Опорные точки – это особые значения, которые определяют диапазон значений, при которых работает прибор. Значения опорных точек устанавливаются производителем прибора и указываются в его технической документации.

Опорные точки используются для проверки и калибровки приборов. Они позволяют сравнивать показания прибора с известными значениями и определять его точность.

Для исследования электрических сигналов опорное напряжение является основным показателем. При подключении прибора к источнику опорного напряжения, можно проводить измерения и анализировать сигналы, которые передаются через прибор.

Важно отметить, что опорное напряжение должно соответствовать требованиям прибора. Использование неверного опорного напряжения может привести к неправильным показаниям и повреждению прибора.

Итак, опорное напряжение – это необходимая мощность для функционирования прибора, а опорные точки определяют диапазон его работы и используются для проверки и калибровки.

Немного об источниках опорного напряжения, на примере MAX6125

Как измеряется опорное напряжение

Для измерения опорного напряжения можно также использовать специальные приборы, такие как Вольтметр, который показывает точное значение напряжения с высокой степенью точности. Измерение опорного напряжения может проводиться с помощью многих других электронных приборов, таких как осциллограф или мультиметр.

Метод Описание
Использование стабилитрона
Опорные резисторы и стабилизаторыСоздание опорного напряжения с помощью опорных резисторов и стабилизаторов, которые обеспечивают постоянство напряжения в определенном диапазоне.
Использование специальных приборовИзмерение опорного напряжения с помощью специальных электронных приборов, таких как Вольтметр, осциллограф или мультиметр, которые предоставляют точные значения напряжения.

Измерение опорного напряжения играет важную роль в электронике, поскольку точность и стабильность этого напряжения существенно влияют на точность работы других электрических устройств и систем. Поэтому, выбор и обеспечение правильного измерения опорного напряжения является важной задачей для инженеров и разработчиков электроники.

Чтение сигнала

“Аналоговые” пины могут принимать напряжение от 0V (GND) до опорного напряжения и преобразовывать его в цифровое значение, просто в какие-то условные единицы. АЦП на AVR и esp8266 имеет разрядность в 10 бит, т.е. мы получаем измеренное напряжение в виде числа от 0 до 1023 .

Функция, которая оцифровывает напряжение, называется analogRead(pin) . Она принимает в качестве аргумента номер аналогового пина и возвращает оцифрованное напряжение. Сам пин должен быть сконфигурирован как INPUT (вход). Нумерация:

  • Arduino Nano:
  • Просто номером А-пина: A0 – 0
  • Как на плате: A0 – A0
  • Порядковым номером GPIO: А0 – 14 , A1 – 15 .. А7 – 21
  • Просто номером А-пина: A0 – 0
  • Как на плате: A0 – A0

Пример, опрашивающий пин А0:

int value1 = analogRead(0); // считать напряжение с пина A0 int value2 = analogRead(A0); // считать напряжение с пина A0 int value3 = analogRead(14); // считать напряжение с пина A0

Хранить полученное значение разумно в переменной типа int , потому что значение варьируется от 0 до 1023.

Нельзя подавать на аналоговый пин напряжение выше напряжения питания МК. Через ограничивающий резистор (~10k) – можно, но всё равно не рекомендуется этого допускать.

Потенциометры

Аналоговые пины очень часто используются при работе с потенциометрами (переменный резистор). При помощи полученного значения можно влиять на ход работы программы, менять какие-то настройки и тому подобное. У потенциометра всегда три ноги: две крайние и одна центральная. Всё вместе это представляет собой делитель напряжения, который и позволяет менять напряжение в диапазоне 0-VCC: К Arduino потенциометр подключается следующим образом: средний вывод на любой A-пин, крайние – на GND и питание. От порядка подключения GND и питания зависит направление изменения значения. Что касается сопротивления, то читай заметку по делителям напряжения ниже в этом уроке. Чаще всего для МК ставят потенциометры с сопротивлением 10 кОм, но диапазон в принципе очень широк: от 1 кОм до 100 кОм. Чем больше, тем более шумным будет приходить сигнал, а если брать меньше – пойдут потери тока в нагрев потенциометра, а это никому не нужно. blank

Опорное напряжение играет главную роль в измерении аналогового сигнала, потому что именно от него зависит максимальное измеряемое напряжение и вообще возможность и точность перевода полученного значения 0-1023 в Вольты. Изучим функцию analogReference(mode) , где mode:

  • DEFAULT : опорное напряжение равно напряжению питания МК. Активно по умолчанию
  • INTERNAL : встроенный источник опорного на 1.1V (для ATmega168 или ATmega328P) и 2.56V (на ATmega8)
  • INTERNAL1V1 : встроенный источник опорного на 1.1V (только для Arduino Mega)
  • INTERNAL2V56 : встроенный источник опорного на 2.56V (только для Arduino Mega)
  • EXTERNAL : опорным будет считаться напряжение, поданное на пин AREF

После изменения источника опорного напряжения (вызова analogReference() ) первые несколько измерений могут быть нестабильными. Значение 1023 функции analogRead() будет соответствовать выбранному опорному напряжению или напряжению выше его.

В режиме DEFAULT мы можем оцифровать напряжение от 0 до напряжения питания VCC. Если напряжение питания 4.5 Вольта, и мы подаём 4.5 Вольт – получим оцифрованное значение 1023. Если подаём 5 Вольт – опять же получим 1023, т.к. выше опорного. Это правило работает и дальше, главное не превышать 5.5 Вольт. Как измерять более высокое напряжение, читайте ниже.

Что касается точности: при питании от 5V и режиме DEFAULT мы получим точность измерения напряжения (5 / 1024) ~4.9 милливольт. Поставив INTERNAL мы можем измерять напряжение от 0V до 1.1V с точностью (1.1 / 1024) ~0.98 милливольт. Весьма неплохо, особенно если баловаться с делителем напряжения.

Что касается внешнего источника опорного напряжения: нельзя подавать напряжение меньше 0V (отрицательное) или выше 5.5V в качестве внешнего опорного в пин AREF. Также при подключении внешнего опорного напряжения нужно вызвать analogReference(EXTERNAL) до первого вызова функции analogRead() (начиная с запуска программы), иначе можно повредить микроконтроллер!

Чтобы “на лету” переключаться между внутренними и внешним опорными, можно подключить его на AREF через резистор на ~5 кОм. Вход AREF имеет собственное сопротивление в 32 кОм, поэтому реальное опорное будет вычисляться по формуле REF = V * 32 / (R + 32), где R – сопротивление резистора (кОм), через которое подключено опорное напряжение V (Вольт). Например для 2.5V получим 2.5 * 32 / (32 + 5) = ~2.2V реальное опорное.

Интегральные источники опорного напряжения

Первыми полупроводниковыми источниками опорного напряжения (ИОН) были стабилитроны, для которых характерны большой разброс напряжения стабилизации от образца к образцу, значительный температурный дрейф, довольно большое динамическое сопротивление, особенно при малых токах стабилизации. Даже прецизионные стабилитроны, предназначенные для применения в измерительной технике, не лишены многих из этих недостатков и обеспечивают заявленные характеристики только при поддержании стабильного тока через стабилитрон, в большинстве случаев довольно значительного — до 10 мА.

Автор(ы) Пушкарев Михаил
Источник Компоненты и Технологии
Научный журнал

Анатомический анализ положения тела

Скелетные мышцы человека всегда находятся в состоянии некоторого напряжения, поскольку на них действует.
Они соприкасаются с опорной поверхностью.
Нижние конечности выпрямлены, но располагаются под острым углом по отношению к опорной.
Голова при таком положении тела удерживается за счет статического мышечного напряжения тех мышц, которые.
Напряжение мышц будет увеличиваться, если опорная поверхность имеет скользкую, гладкую структуру.

Автор Анжелика Ивановна Иванова
Источник Справочник
Категория Медицина
Статья от экспертов

Измерение напряжения

0-5 Вольт

Простой пример, как измерить напряжение на аналоговом пине и перевести его в Вольты. Плата питается от 5V.

float voltage = (float)(analogRead(0) * 5.0) / 1024;

Таким образом переменная voltage получает значение в Вольтах, от 0 до 5. Чуть позже мы поговорим о более точных измерениях при помощи некоторых хаков. Почему мы делим на 1024, а не на 1023 , ведь максимальное значение измерения с АЦП составляет 1023? Ответ можно найти в даташите:
АЦП при преобразовании отнимает один бит, т.е. 5.0 Вольт он в принципе может измерить только как 4.995, что и получится по формуле выше: 1023 * 5 / 1024 == 4.995.. . Таким образом делить нужно на 1024.

Сильно больше 5 Вольт

Для измерения постоянного напряжения больше 5 Вольт нужно использовать делитель напряжения на резисторах (Википедия). Схема подключения, при которой плата питается от 12V в пин Vin и может измерять напряжение источника (например, аккумулятора):
Код для перевода значения с analogRead() в Вольты с учётом делителя напряжения:

// GND — [ R2 ] — A0 — [ R1 ] — VIN #define VREF 5.1 // точное напряжение на пине 5V (в данном случае зависит от стабилизатора на плате Arduino) #define DIV_R1 10000 // точное значение 10 кОм резистора #define DIV_R2 4700 // точное значение 4.7 кОм резистора void setup() < float voltage = (float)analogRead(0) * VREF * ((DIV_R1 + DIV_R2) / DIV_R2) / 1024; >void loop() <>

Как выбрать/рассчитать делитель напряжения?

  • Согласно даташиту на ATmega, сумма R1 + R2 не рекомендуется больше 10 кОм для достижения наибольшей точности измерения. В то же время через делитель на 10 кОм будет течь ощутимый ток, что критично для автономных устройств (читай ниже). Если девайс работает от сети или от аккумулятора, но МК не используется в режиме сна – ставим делитель 10 кОм и не задумываемся. Также рекомендуется поставить конденсатор между GND и аналоговым пином для уменьшения помех.
  • Если девайс работает от аккумулятора и микроконтроллер “спит”: пусть аккумулятор 12V, тогда через 10 кОм делитель пойдёт ток 1.2 мА. Сам микроконтроллер в режиме сна потребляет ~1 мкА, что в тысячу раз меньше! На самом деле можно взять делитель с гораздо бОльшим суммарным сопротивлением (но не больше 20 МОм, внутреннего сопротивления самого АЦП), но обязательно поставить конденсатор на ~0.1 мкФ между аналоговым пином и GND (вот здесь проводили эксперимент). Таким образом например при при R1+R2 = 10 МОм (не забыть про конденсатор) ток через делитель будет 1.2 мкА, что уже гораздо лучше!
  • Коэффициент делителя (не тот, который в Википедии) равен (R1 + R2) / R2 . Коэффициент должен быть таким, чтобы при делении на него измеряемого напряжения не получилось больше напряжения питания МК. У меня в примере (10 + 4.7) / 4.7 ~ 3.13 . Я хочу измерять литиевый аккумулятор с максимальным напряжением 12.8 Вольт. 12.8 / 3.13 ~ 4 Вольта – отлично. Например для измерения 36 Вольт я бы взял делитель с плечами 100к и 10к.
  • Можно воспользоваться онлайн-калькулятором.

Сильно меньше 5 Вольт

Для более точных измерений маленького напряжения можно подключить пин AREF к источнику низкого опорного напряжения (об этом было выше), чтобы “сузить” диапазон работы АЦП. Источник может быть как внешний, так и внутренний, например изменив опорное на внутреннее 1.1V ( analogReference(INTERNAL) ) можно измерять напряжение от 0 до 1.1 Вольта с точностью 1.1/1024 ~ 1.01 мВ.

Видео

  • Набор GyverKIT – большой стартовый набор Arduino моей разработки, продаётся в России
  • Каталог ссылок на дешёвые Ардуины, датчики, модули и прочие железки с Aliexpress у проверенных продавцов
  • Подборка библиотек для Arduino, самых интересных и полезных, официальных и не очень
  • Полная документация по языку Ардуино, все встроенные функции и макросы, все доступные типы данных
  • Сборник полезных алгоритмов для написания скетчей: структура кода, таймеры, фильтры, парсинг данных
  • Видео уроки по программированию Arduino с канала “Заметки Ардуинщика” – одни из самых подробных в рунете
  • Поддержать автора за работу над уроками
  • Обратная связь – сообщить об ошибке в уроке или предложить дополнение по тексту ([email protected])

9 главных преимуществ источников опорного напряжения Texas Instruments

Назначением источников опорного напряжения является поддержание на выходе стабильного, постоянного электрического напряжения независимо от внешних факторов.
Как известно из истории развития электроники, первым описал свойства стабилитрона, работающего при обратном смещении в режиме пробоя (первого источника стабильного напряжения), Кларенс Зенер в 1933 году.
В настоящее время название «стабилитрон» сохранилось лишь за сравнительно небольшой группой приборов, хотя в ходе развития структура данных компонентов значительно усложнилась. С улучшением характеристик расширилась и область применения данных приборов, выделилось отдельное семейство элементов с определенными свойствами. В настоящее время широко распространены следующие принципы построения источников опорного напряжения (ИОН): стабилитрон со скрытой структурой, супербандгап, XFET, FGA. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки, рассмотрение которых уведет далеко за рамки короткого обзорного сообщения.
Источники опорного напряжения по типу подключения разделяют на последовательные (series) и параллельные (шунтирующие, shunt).
Пример схемы включения последовательного источника опорного напряжения в схеме цифро-аналогового преобразования приведен на рис.1, где для подстройки выходного напряжения может быть использован многооборотный подстроечный резистор. Рис.1. Пример применения высокостабильного ИОН в схеме ЦАПК преимуществам прибора относятся:

  • высокая начальная точность 0,1%
  • сверхмалый температурный коэффициент напряжения (ТКН) 3 ppm/°C (класс А)
  • отличная долговременная нестабильность (временной дрейф) 60ppm/1000ч
  • коэффициент стабилизации по входному напряжению 50ppm/V (тип.)
  • коэффициент стабилизации по току нагрузки 5ppm/mA (тип.)
  • низкий уровень шума 8,8 мкВ в полосе 0,1…10Гц
  • малый ток потребления: 230 мкА при работе, менее 1 мкА в режиме ожидания (EN=0)
  • падение напряжения 20 мВ при выходном токе 1мА
  • «двоично-цифровые» уровни опорного напряжения

Схема включения двухвыводного параллельного ИОН совпадает с классической схемой включения стабилитрона, также существуют и «регулируемые стабилитроны», например, TL431. У последнего напряжение стабилизации задается в диапазоне от опорного до максимального с помощью двух резисторов (рис.2). Возможны разные схемотехнические решения для увеличения выходного тока, получения стабилизированного отрицательного напряжения и другие.

Рис.2. Стандартная схема применения TL431

К преимуществам данного типа приборов относятся:

  • простота применения: минимум внешних компонентов
  • широкий диапазон токов от 1 мкА до 5мА
  • малый температурный коэффициент напряжения (ТКН): 30ppm/°Cmax (в диапазоне от 0°С до +70°С), 50 ppm/°C (в диапазоне от -40°С до +85°С)
  • большое количество схемных решений.

В зависимости от параметров, область применения источников опорного напряжения весьма широка. Данные компоненты нередко можно увидеть в трансформаторных и импульсных источниках питания, в схемах аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования (АЦП и ЦАП), в переносных приборах с питанием от батарей, в медицинском оборудовании, в системах связи, в схемах источников тока, в цифровых вольтметрах и другом измерительном оборудовании.
При выборе источника опорного напряжения для разрабатываемого устройства следует учитывать не только основные параметры — температурный коэффициент напряжения (ТКН), коэффициент стабилизации по входному напряжению, коэффициент стабилизации по току нагрузки, долговременная нестабильность (временной дрейф), ток потребления, но и дополнительные параметры, так как в некоторых случаях решающее значение будут иметь именно они.

Дополнительные параметры для всех источников опорного напряжения:

  • коэффициент передачи по переменному току
  • коэффициент подавления помех с шины питания (PSRR)
  • время установления после включения/ выключения
  • шум
  • допустимая ёмкость нагрузки

Для последовательных ИОН: «ток холостого хода» (аналогичен «току потребления»), ток через вывод земли.

Для параллельных ИОН: «минимальный рабочий ток», собственное падение напряжения.

В системе обозначений источников опорного напряжения Texas Instruments можно выделить две структуры: с указанием напряжения стабилизации сразу после класса ТКН или после обозначения корпуса прибора (рис.3 и рис.4):

Рис.3. 1 вариант обозначений источников опорного напряжения Texas Instruments

Рис.4. 2 вариант обозначений источников опорного напряжения Texas Instruments

Компания Texas Instruments выпускает универсальные и специализированные источники опорного напряжения:

Напряжение стабилизации,

В

Рабочий/ Выходной ток/

Ток потребления, мА

ТКН, ppm/°C

Диапазон рабочих температур,

°С

Последовательный/

параллельный

Источники опорного напряжения: основные параметры и принципы проектирования

Гамма НПФ сентябрь 23 контраткное производство F1

В современной технике для измерения физических величин, их постобработки, а также при управлении устройствами и формировании сложного вида сигналов нужны преобразователи данных из аналогового домена в цифровой и обратно. Эту роль выполняют аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи. Для перехода из цифровой области в аналоговую и обратно цифровой/аналоговый сигнал нужно сравнивать с неким эталонным аналоговым сигналом — напряжением или током. Редко в качестве такого сигнала может выступать напряжение питания. Непредсказуемое поведение в пределах сотен милливольт от номинального значения, шумы и помехи от других схем делают такой вариант абсолютно нежизнеспособным даже для схем средней точности.

В таких схемах, где требуется определенная точность, предсказуемость и малые шумы, в качестве формирователя эталонного сигнала (опорного напряжения) используют специальные микросхемы или блоки — источники опорного напряжения.

Источники опорного напряжения (ИОН) предназначены для формирования прецизионного малошумящего напряжения известной величины с минимальными температурными и временными дрейфами. ИОН могут применяться как источники эталонного напряжения для АЦП, ЦАП, для источников питания, источников эталонного тока и т. д.

Основными параметрами ИОН являются:

  • исходная точность выходного напряжения;
  • температурный дрейф в расчете на градус и диапазон температур, в котором он измерялся;
  • шумы выходного напряжения;
  • зависимость выходного напряжения от напряжения питания;
  • зависимость выходного напряжения от тока нагрузки;
  • временной дрейф выходного напряжения.

Приоритетность того или иного параметра при выборе ИОН зависит от приложения, в котором его планируется использовать. Так, в широкополосных преобразователях, предназначенных для обработки (генерирования) радиосигнала, исходная точность и дрейфы не столь важны, как шумы и подавление помех по питанию. Для измерительных же систем различные дрейфы — одни из важнейших параметров.

Исходная точность выходного напряжения определяется в процентах от идеального значения и приводится для комнатной температуры. Исходная точность различных ИОН может колебаться от нескольких процентов (для простейших, часто встроенных в другие микросхемы ИОН) до сотых долей процента для высокоточных ИОН.

Температурный дрейф принято измерять в миллионных долях выходного напряжения, отнесенных к изменению температуры на один градус Цельсия (ppm/°C). При выборе ИОН необходимо обращать внимание, каким методом получен данный параметр и в каком диапазоне температур. Исходя из единиц измерения, данный параметр является первой производной выходного напряжения по температуре, отнесенный к некоему номинальному значению, как правило, к напряжению при комнатной температуре. Однако измерять выходное напряжение даже с шагом в один градус Цельсия в процессе производства не представляется возможным, поэтому чаще всего используют трехточечный метод. Измерение выходного напряжения выполняется в трех точках: на краях температурного диапазона и при комнатной температуре. Из полученных значений находят минимальное и максимальное, и их разница делится на диапазон температуры и выходное напряжение при комнатной температуре, полученное значение умножается на 10 6 . Таким образом, полученное значение является некой аппроксимацией зависимости выходного напряжения от температуры линейной функцией. Конечно, это не соответствует действительности, а потому на некотором диапазоне температур производная выходного напряжения может быть больше, чем указано в спецификации, однако на части температурного диапазона дрейф может оказаться нулевым.

Шумы выходного напряжения ИОН также являются важным параметром. Поскольку процесс преобразования представляет собой перемножение входного сигнала (аналогового или цифрового) на опорное напряжение, то и шумы опорного напряжения переносятся в выходной сигнал (цифровой или аналоговый). То есть чем больше входной сигнал, тем сильнее шумы опорного напряжения проявляются в выходном сигнале. Большие шумы опорного напряжения могут привести к сокращению динамического диапазона преобразователей и замаскировать слабый сигнал на фоне сильного. Как правило, приводят интегральное значение шума в небольшой полосе (0,1–10 Гц), где играет роль 1/f-шум (может приводиться как среднеквадратическое отклонение шума, так и размах шумового напряжения) и спектральная плотность мощности шума на «полке» температурного (белого) шума. Интегральное значение приводят в мкВ, плотность мощности — в нВ/√Гц.

Зависимость выходного напряжения от напряжения питания (Line regulation) тесно связана с параметром подавления помех по питанию (PSRR) и приводится в миллионных долях исходного напряжения к одному вольту изменения напряжения питания.

Зависимость выходного напряжения от тока нагрузки определяется как изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки с 0 до максимального значения, отнесенное к значению на нулевом токе нагрузки, и приводится в ppm/мА.

Временной (долговременный) дрейф — изменение выходного напряжения от времени — определяется в ppm/1000 ч. Временной дрейф не является линейной функцией от времени, как правило, дрейф за первые 1000 ч намного выше, чем за следующие 1000 ч. Годовой дрейф — дрейф за 8766 ч рассчитывается как дрейф за 1000 ч, умноженный на √8,77, но даже эта цифра является достаточно пессимистическим прогнозом.

Существует три основных принципа формирования опорного напряжения, используемых в интегральных схемах:

  • применение «потайного» стабилитрона (диода Зенера, у которого поверхности анода и катода не являются поверхностями микросхемы);
  • применение пары полевых транзисторов с управляющим p‑n‑переходом (JFET) c различным напряжением отсечки;
  • применение напряжения запрещенной зоны кремния (band-gap reference).

Все три метода имеют свои достоинства и недостатки, однако первые два требуют такие этапы производства микросхем, которые недоступны компаниям, работающим на стандартных процессах. Кроме того, схемы с диодом Зенера недоступны для низких выходных напряжений.

Наиболее популярным и доступным методом построения ИОН, который обладает отличной степенью интеграции на одном кристалле с современными АЦП/ЦАП, является метод, основанный на ширине запрещенной зоны кремния. Существует много вариантов схем, использующих данную величину в качестве эталонного напряжения, но базовый принцип у всех один. Ниже представлено уравнение зависимости напряжения база-эммитер биполярного транзистора от температуры и тока коллектора VBE(H,IC), где H = T/TN — температура, нормированная относительно комнатной, T — температура, TN — комнатная температура.

где EGE — напряжение запрещенной зоны легированного кремния, зависит от конкретного процесса и составляет 1,14–1,19 В; VBEN — напряжение база-эммитер, измеренное при комнатной температуре на токе коллектора IN; VTN = k×q/TN, где k — постоянная Больцмана, а q — заряд электрона»; h — коэффициент нелинейности характеристики, определяемый экспериментально и находящийся в диапазоне от 3 до 5,5.

Как видно из уравнения, основным членом, влияющим на температурное поведение напряжения база-эммитер, является отрицательный линейный коэффициент (EGE–VBEN)/Tn, который и обусловливает основной отрицательный наклон характеристики ≈ –2 мВ/°C. Таким образом, первой задачей при проектировании ИОН является компенсация этого отрицательного температурного коэффициента.

Предположим, что транзистор запитан током коллектора, который имеет положительный температурный коэффициент (так называемый PTAT-ток) и равен IC = l×H×IN. В этом случае получаем следующую зависимость напряжения база-эммитер:

Запитка транзиcтора PTAT током позволяет уменьшить на 1 коэффициент нелинейности температурной характеристики. Если продифференцировать полученное уравнение по температуре, то окажется, что для устранения отрицательного наклона характеристики к ней необходимо добавить PTAT-напряжение, которое при номинальной (комнатной) температуре должно иметь значение:

Таким образом, в идеальном случае останется только дрейф, связанный с коэффициентом нелинейности. На рис. 1 показано отклонение выходного напряжения от напряжения при комнатной температуре в зависимости от температуры для h = 5,4 и 3.

Температурный дрейф идеального ИОН первого порядка с коэффициентами нелинейности 5,4 и 3

Рис. 1. Температурный дрейф идеального ИОН первого порядка с коэффициентами нелинейности 5,4 и 3

Для формирования напряжения с положительным температурным коэффициентом очень удобно использовать разницу напряжений база-эммитер двух транзисторов, через которые протекают токи разной плотности, в этом случае:

где М — отношение плотности токов. Прилагая такое напряжение к резистору с нулевым ТКС, можно получить требуемый PTAT-ток c l = 1, пропуская полученный ток через второй резистор также с нулевым ТКС — искомое PTAT-напряжение для суммирования его с VBE диода и получения температурной характеристики с рис. 1.

Существует несколько базовых схем ИОН первого порядка, такие как схема Видлара, например, но наибольшей популярностью пользуется ячейка Брокау (рис. 2).

Ячейка Брокау

Рис. 2. Ячейка Брокау

Большинство ИОН, особенно это касается ИОН, встроенных в микросхемы АЦП/ЦАП, являются ИОН первого порядка, то есть микросхемами, в которых осуществляется коррекция только первого порядка, но остается коэффициент, имеющий параболический вид:

Даже в случае идеального подбора компонентов (резисторов и транзисторов) температурный дрейф такого ИОН в диапазоне температур будет составлять не менее 16 ppm/°С (для h = 4) при измерении трехточечным методом и более 30 ppm/°С на краях температурного диапазона, если анализировать кривую более точно. Разброс компонентов приводит к тому, что точка нулевого ТКС выходного напряжения смещается с комнатной температуры и температурный дрейф может составлять выше 60 ppm/°С. На практике даже схемы ИОН первого порядка нуждаются в тримминге для получения температурных дрейфов менее 30–40 ppm/°С.

Некоторые измерительные системы требуют гораздо меньших температурных дрейфов — не более 5 ppm/°С. Получить такие параметры без коррекции нелинейного коэффициента, как было показано выше, невозможно. Необходимо строить ИОН высокого порядка с той или иной коррекцией температурной нелинейности.

Существует много вариантов компенсации нелинейного коэффициента в схемах ИОН, вот некоторые из них:

  • компенсация за счет отрицательного ТКС резисторов;
  • так называемая «полная» компенсация;
  • компенсация PTAT-токами высокого порядка.

Рассмотрим для примера первый вариант.

На рис. 2 изображена ячейка Брокау как одна из самых популярных схем формирования опорного напряжения.

В данной схеме разница плотности токов (за счет разной площади транзисторов) в транзисторах Q1 и Q2 и резистор R2 создает ток:

который в свою очередь на резисторе R1 создает PTAT-напряжение, компенсирующее линейный отрицательный температурный коэффициент напряжения VBE. Однако если резистор R2 имеет ненулевой ТКС, ток, протекающий через биполярные транзисторы, перестает быть линейным от температуры. Нелинейная зависимость тока компенсирует нелинейный коэффициент напряжения VBE. Отрицательный ТКС резисторов снижает температурную нелинейность опорного напряжения.

Основной принцип «полной» компенсации заключается в выделении тем или иным способом остаточного нелинейного напряжения, в зависимости от температуры после компенсации первого порядка, преобразования данного напряжения в ток и подачи данного тока в один из узлов (чаще всего в R1) ИОН. Наиболее часто для формирования остаточного нелинейного напряжения используется разница VBE двух транзисторов, один из которых запитывается PTAT-током, а второй током с ТКС, близким к нулю.

Компенсация током PTAT высокого порядка осуществляется путем запитки транзисторов ядра ИОН током, нелинейно возрастающим по температуре, один из вариантов — степень тока PTAT должна быть равна нелинейному коэффициенту VBE данного технологического процесса.

Более подробно узнать о способах нелинейной компенсации можно из источников, приведенных в списке литературы.

Создание хорошей микросхемы ИОН не ограничивается только компенсацией нелинейного коэффициента температурной характеристики напряжения база-эммитер.

Микросхема ИОН должна обладать высокой устойчивостью к помехам по цепи питания, хорошей нагрузочной способностью, малыми шумами. Для того чтобы обеспечить хороший выход годных, в микросхеме должна быть предусмотрена система калибровки технологического процесса и разбросов от микросхемы к микросхеме. В микросхеме должен быть реализован простой механизм перехода от одного выходного напряжения к другому в процессе производства и калибровки.

На данный момент в компании «Миландр» разрабатывается микросхема ИОН со следующими целевыми характеристиками (таблица).

Параметр

Значение

Ряд выходных напряжений, В

1,25; 2,048; 2,5; 3; 3,3; 4,096

Исходная точность выходного напряжения

Выбор источника опорного напряжения. с чего начать?

Источник опорного напряжения (ИОН) (реже — тока) является важнейшим элементом АЦП или ЦАП. От его точности и стабильности зависит точность всей системы. Многие преобразователи имеют встроенный ИОН. Рассмотрим вопросы, которые наиболее часто возникают при выборе ИОН.

Насколько качественным должен быть опорный сигнал?

Это зависит от назначения устройства. При проведении абсолютных измерений точность преобразования определяется точностью опорного сигнала. Однако во многих системах важна не столько абсолютная точность, сколько стабильность или повторяемость. Например, монолитный ИОН на стабилитроне со скрытым переходом (ИС AD588 и AD688) имеет начальную точность 1 мВ на 10 В (0,01% или 100 ppm) и температурный дрейф 1,5 ppm/°C. Этой точности достаточно для 12-разрядной системы (1 МЗР = 244 ppm), но не для 14- или 16-разрядной системы. Хотя, если начальную ошибку привести к нулю, то такие ИОН можно использовать в 14- и 16-разрядных системах в ограниченном температурном диапазоне (1 МЗР = 61 ppm, что соответствует изменению температуры на 40°C в AD588 или AD688).
Для увеличения абсолютной точности преобразователь необходимо «закалить» в термостатической печи, чтобы распределение тепла по кристаллу было равномерным, и откалибровать согласно стандарту. Иногда преобразователь должен иметь разрешение не меньше 12 разрядов, даже если в системе не требуется 12-разрядая абсолютная точность. В подобных случаях лучше применять менее точные и более дешевые ИОН на основе стабилитрона с напряжением запрещенной зоны.

Что такое стабилитрон со скрытым переходом и стабилитрон с напряжением запрещенной зоны?
Это два самых распространенных прецизионных ИОНа, используемых в современных ИС. Стабилитрон с заглубленным (или скрытым) p-n-переходом характеризуется большей стабильностью и точностью. Это диод, сформированный под поверхностным слоем кристалла и покрытый защитным диффузионным слоем, чтобы зона пробоя полностью лежала под поверхностью подложки (см. рис. 1).

Рис. 1. Структура стабилитрона со скрытым переходом

На поверхностном слое кремния сосредоточено больше примесей, дислокаций кристаллической решетки и механических напряжений. Они увеличивают шум и нестабильность полупроводникового устройства, поэтому стабилитрон со скрытым переходом более стабилен и меньше шумит.
Напряжение пробоя стабилитрона составляет обычно около 5 В или более, ток потребления — несколько сотен мкА. ИОНы данного типа неприменимы в маломощных схемах и устройствах с низким напряжением питания. Для них предпочтительнее использовать стабилитроны с напряжением запрещенной зоны. В русскоязычной литературе они также называются источниками опорного напряжения, равного ширине запрещенной зоны, или ИОН с использованием напряжения ширины запрещенной зоны.
Принцип работы заключается в том, что ИОН генерирует напряжение с положительным температурным коэффициентом, чтобы компенсировать отрицательный температурный дрейф напряжения Vbe транзистора. Результирующее напряжение оказывается численно равным напряжению запрещенной зоны кремния при нулевом температурном дрейфе.
Для наглядности обратимся к рисунку 2. Площадь эмиттера Q2 в 8 раз больше площади эмиттера Q1. Транзисторы обеспечивают пропорциональный абсолютной температуре (PTAT) ток через резистор R1. Напряжение на резисторе R1 складывается с напряжением база-эмиттер Vbe транзистора Q1, усиливается и поступает на выход схемы. Это менее стабильный ИОН, однако его коэффициент температурного дрейфа не превышает 3 ppm/°C .

Рис. 2. Принципиальная схема ИОН с напряжением запрещенной зоны

Что еще необходимо учитывать?
Для ИОН применимы все основные правила аналоговых схем. Итак, необходимо:
– избегать перепадов напряжения на проводниках с высоким импедансом;
– по возможности минимизировать шум на шине общей земли;
– обеспечивать качественную развязку цепи питания.
Следует также удостовериться в правильности подключения полярности, а также быть внимательными при работе с емкостными нагрузками.

Какой ток должен обеспечивать ИОН?
Как правило, ИОНы имеют внутренний буфер, а втекающий или вытекающий ток находится обычно в диапазоне 5…10 мА. Если ИОН используется в качестве системного или стоит на входе высокоскоростного параллельного АЦП, который имеет очень низкий импеданс, то этого достаточно. При токе 10 мА на сопротивлении 100 мОм падение напряжения составляет 1 мВ. Для некоторых схем это недопустимо. Такие ИОН как AD588 и AD688 имеют специализированные контакты на выходном выводе и выводе земли. Замыкая цепь ОС вокруг источников ошибки, эти контакты компенсируют падение напряжения. Они корректируют также отклонение коэффициента усиления и напряжения смещения, когда к усилителям с токовым буфером подключена большая нагрузка, или если ток течет в неправильном направлении. Разъем «sense» должен быть подключен к выходной части буферного усилителя, желательно к выводу нагрузки.

Что значит «ток течет в неправильном направлении»?
Рассмотрим 5-В ИОН с напряжением питания равным 10 В. Если к выходу 5 В подключена заземленная нагрузка, то ток потечет на землю. Если резистор подключен к линии питания, то ток будет втекающим. Во многих ИОНах допускается любое направление тока, однако некоторые модели рассчитаны либо только на втекающий, либо только на вытекающий ток. Самый простой пример — использование ИОН с положительным выходным напряжением в качестве опорного отрицательного сигнала. Допустимое направление тока указано в документации.

Существуют ли ИОНы с отрицательным напряжением?
Большинство однополярных ИОН — положительные. Двухвыводные активные источники могут использоваться в любой полярности. Они используются так же, как и стабилитроны с напряжением запрещенной зоны.
Выход источника положительного опорного напряжения можно использовать в качестве отрицательного опорного сигнала, если для данного источника втекающее направление тока разрешено. В этом случае выходной вывод подключается к земле, а вывод земли, напряжение на котором становится отрицательным, — к опорному выводу через резистор RS или источник постоянного тока (см. рис. 3).

Рис. 3. Получение отрицательного опорного сигнала

В общем случае на вывод положительного напряжения должен поступать положительный сигнал. Но некоторые схемы могут обеспечивать отрицательное напряжение на обоих выходах, для этого вывод положительного напряжения и выходной вывод вместе подключаются к земле.
Сопротивление резистора RS подбирается так, чтобы возможные отклонения тока были в пределах допустимого.

На что следует обращать внимание при работе с емкостными нагрузками?
Во многих источниках на выходе стоит усилитель, стабильность которого может нарушаться при работе с большими емкостными нагрузками порядка нескольких мкФ и
более.
В то же время для ослабления шума к ИОН рекомендуется подключать конденсаторы емкостью 1…10 нФ. Некоторые источники, например AD588, имеют вывод с шумоподавлением, к которому можно подключать большие емкости. Если микросхема имеет силоизмерительные выводы, то диапазон разрешенных емкостей регулируется с помощью контура ОС.
Заметим, что даже если схема достаточно стабильна, использовать большие емкости не рекомендуется, поскольку они увеличивают время включения источника.

Каково время установления ИОН?
Как правило, требуется некоторое время для включения ИОН. Во многих источниках ток, протекающий через опорный элемент, поступает со стабилизированного выхода. Эта положительная ОС увеличивает стабильность по постоянному току, однако препятствует включению. Данный эффект устраняется схемотехнически, но время включения ИОН не равно нулю, а составляет 1…10 мс. Не во всех устройствах такая задержка допустима.
Для прецизионных ИОН может потребоваться дополнительное время для температурной стабилизации, пока не будет достигнуто температурное равновесие на кристалле и не установятся смещения, вызванные изменением температуры. Эти эффекты описаны в документации и обычно не превышают нескольких секунд.

Всегда ли использование внешнего прецизионного источника позволяет повысить точность преобразования?
Не всегда. Например, АD674B, быстродействующий вариант классического AD574, имеет заводскую погрешность калибровки не более 0,25%, а точность при использовании внутреннего источника не хуже 100 мВ (1%). Поскольку 0,25% от 10 В = 25 мВ, то напряжение ПШ = 10,025 В. Полагая, что AD674B с внутренним ИОН, напряжение которого было на 1% выше (10,1 В), был откалиброван на заводе при напряжении ПШ, равном 10,000 В, получаем погрешность 1%. Если к АЦП подключен прецизионный ИОН, то напряжение ПШ равно 10,100 В, т.е. погрешность в 4 раза больше, чем указано в документации.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий