1. Введение: назначение и ключевые требования
Источник опорного напряжения (ИОН; англ. Voltage Reference) — электронный компонент или схема, формирующая стабильное, высокоточное напряжение, используемое как эталон в измерительных цепях, АЦП/ЦАП, стабилизаторах и др.
какие витамины пить при климаксе
http://vitadel.ru/news/chto-prinimat-pri-klimakse-kakie-vitaminy-pri-menopauze/
Основные функции:
- задание опорного уровня для компараторов и АЦП;
- стабилизация выходных напряжений в регуляторах;
- калибровка и коррекция аналоговых трактов;
- обеспечение температурной и временной стабильности критических узлов.
Критические параметры ИОН:
- Точность (начальное отклонение от номинала, в % или мВ);
- Температурная стабильность (ppm/°C или мВ/°C);
- Дрейф во времени (долгосрочная стабильность, ppm/1000 ч);
- Шум (мкВ в заданной полосе частот);
- Температурный коэффициент напряжения (ТКН, ppm/°C);
- Выходное сопротивление (Ом);
- Ток потребления (мкА–мА);
- Диапазон рабочих температур;
- Время установления после включения.
2. Классификация ИОН по принципу действия
- Диодные (на стабилитронах и диодах);
- Бандгап‑источники (bandgap, на разности запрещённых зон);
- Прецизионные (включая ИОН на полевых транзисторах, супербандгапы);
- ИОН на основе ПТШ (полевых транзисторов с затвором Шоттки);
- Криогенные (на эффекте Джозефсона, лабораторного класса).
Ниже рассмотрим три ключевых типа: диодные, bandgap и прецизионные.
3. Диодные ИОН (на стабилитронах и диодах)
3.1. Принцип работы
Используют напряжение пробоя стабилитрона (Zener diode) или прямое падение напряжения кремниевого диода/транзистора (VBE).
Типичные напряжения:
- стабилитроны: 2,4–200 В (наиболее стабильны 5–10 В);
- диоды/транзисторы: ~0,6–0,7 В (при малых токах).
3.2. Схема на стабилитроне
Базовая конфигурация:
- стабилитрон + токозадающий резистор;
- возможна буферная каскад на ОУ для снижения выходного сопротивления.
Преимущества:
- простота и низкая стоимость;
- высокое выходное напряжение;
- доступность компонентов.
Недостатки:
- высокий ТКН (особенно у низковольтных стабилитронов);
- значительный шум (лавинный пробой);
- дрейф при старении;
- зависимость от тока через стабилитрон.
3.3. Температурная компенсация
Для снижения ТКН применяют:
- последовательное включение стабилитрона и диода (компенсация положительного и отрицательного ТКН);
- схемы с термокомпенсирующими резисторами;
- активные цепи коррекции на ОУ.
Пример: ИОН на стабилитроне 6,2 В + диод с ТКН ≈ −2 мВ/°C → суммарный ТКН < 5 ppm/°C.
4. Bandgap‑источники (бандгап)
4.1. Физический принцип
Опирается на температурно‑зависимые свойства p‑n‑переходов:
- напряжение VBE биполярного транзистора уменьшается с ростом температуры (~−2 мВ/°C);
- разность напряжений двух транзисторов, работающих при разных плотностях тока, растёт с температурой (~+2 мВ/°C).
Идея: сложить VBE и ΔVBE так, чтобы их температурные коэффициенты компенсировали друг друга. В идеале:
Vref=VBE+K⋅ΔVBE,
где K подбирается для нулевого ТКН.
Типовое значение Vref ≈ 1,22 В (близко к ширине запрещённой зоны кремния при 0 К).
4.2. Базовая схема бандгапа (Брокау, 1974)
- два транзистора разного размера (или в разных режимах);
- резисторы, задающие токи и коэффициент K;
- ОУ для балансировки и буферизации.
Достоинства:
- ТКН: 5–50 ppm/°C (в прецизионных — до 1 ppm/°C);
- низкое напряжение (удобно для низковольтных систем);
- совместимость с КМОП/биполярной технологией;
- малый шум (по сравнению со стабилитронами).
Недостатки:
- начальное отклонение ±1–3 %;
- чувствительность к паразитным сопротивлениям и токам;
- необходимость точной подгонки резисторов.
4.3. Улучшенные бандгапы
- Супербандгапы — с дополнительной термокомпенсацией и калибровкой;
- Бандгапы с нулевым ТКН — используют нелинейные элементы для коррекции остаточного дрейфа;
- Низковольтные бандгапы (Vref < 1 В) для современных ИС.
5. Прецизионные ИОН
5.1. Определение и особенности
Прецизионные ИОН обеспечивают:
- начальную точность ≤ ±0,05 %;
- ТКН ≤ 5 ppm/°C;
- дрейф ≤ 10 ppm/1000 ч;
- шум ≤ 1 мкВ (в полосе 0,1–10 Гц).
Технологии:
- супербандгапы;
- стабилитроны со скрытой структурой (XFET, FGA);
- ИОН на полевых транзисторах (ПТШ, DTAT).
5.2. Стабилитроны со скрытой структурой (Buried Zener)
Принцип: лавинный пробой в глубоко расположенном p‑n‑переходе, защищённом от поверхностных эффектов.
Примеры: AD588, LTZ1000.
Характеристики:
- точность: ±0,005 %;
- ТКН: 0,3 ppm/°C;
- дрейф: 2 ppm/1000 ч;
- шум: < 0,5 мкВ (0,1–10 Гц).
Применение: эталонные измерительные системы, калибраторы.
5.3. ИОН на ПТШ (XFET, eXtraFET)
Принцип: использует температурную зависимость напряжения отсечки полевого транзистора с затвором Шоттки.
Особенности:
- ТКН: 3–10 ppm/°C;
- низкое потребление;
- высокая устойчивость к радиации (для военных/космических применений);
- напряжение: 2,5–5 В.
Пример: Analog Devices ADM663.
5.4. DTAT‑источники (Difference-in-Temperature)
Принцип: разность напряжений двух бандгапов, работающих при разных температурах кристалла.
Плюсы:
- сверхнизкий ТКН (до 0,05 ppm/°C);
- малая зависимость от технологического разброса.
Минусы:
- сложность схемы;
- повышенное потребление.
6. Практические схемы включения
6.1. Буферизация и фильтрация
- ОУ в неинвертирующем включении для снижения выходного сопротивления;
- RC‑фильтры на выходе для подавления шума;
- экранированные дорожки и развязывающие конденсаторы.
6.2. Температурная стабилизация
- термостатирование (для эталонных ИОН);
- компенсация внешними терморезисторами;
- выбор корпусов с низким тепловым сопротивлением.
6.3. Калибровка и подстройка
- подстроечные резисторы в цепи обратной связи;
- цифровая коррекция (в микроконтроллерных системах);
- лазерная подгонка резисторов (в ИС).
7. Выбор ИОН для приложения
Факторы выбора:
- Требуемая точность (0,1 % → бандгап; 0,01 % → супербандгап/скрытый стабилитрон).
- Диапазон температур (от −40 °C до +125 °C → бандгап; экстремальные условия → ПТШ).
- Шум (АЦП высокого разрешения → скрытый стабилитрон; общее применение → бандгап).
- Потребление (батарейные устройства → низкопотребляющие бандгапы).
