Зовнішні джерела опорної напруги. Стабілітрон як прецизійне джерело опорної напруги Мікросхеми для джерел опорної напруги

Всім привіт!

Сьогоднішній огляд буде присвячений високоточному джерелу опорної напруги AD584 - 4-канальному модулю, що видає напругу 2,5В, 7.5В, 5В та 10В. Основне призначення цього пристрою – перевірка мультиметрів на точність. Як не складно здогадатися, за її допомогою перевіряється точність вольтметрів, інші режими роботи мультиметрів з нею не пов'язані.

Так уже вийшло, що у мене в домашньому господарстві основний мультиметр, що часто використовується, - HYLEC MS8232. В принципі він мене всім влаштовує і повністю підходить під всі домашні потреби. Єдине, максимальний струм, який може вимірювати в режимі амперметра - 200 мА, що дуже мало. Тому для вимірювання більш високих струмів, є у мене ще й A830L, який коштує вдвічі дешевше. Але який із них точніший? Для того, щоб дати відповідь на це питання якраз і знадобиться ця плата. Крім того, за її допомогою будь-який зможе перевірити свій мультиметр на точність даних, що відображаються, принаймні, в режимі вольтметра.

Отже, продавця на eBay було обрано зовсім випадково. На момент покупки плата коштувала $5.05, зараз вона трохи подорожчала і коштує $5.42. Думаю, можна знайти й бюджетніші варіанти, хоча отже не дорого. Після листування з продавцем було досягнуто домовленості про те, що посилку буде відправлено з треком (довелося доплатити ще 2$). Якщо комусь цікаво дізнатися як посилка подорожувала з Китаю до Білорусі, то дізнатися всю інформацію можна.

Поставляється плата в запаяному з усіх боків пакеті.


Наживо, наш «контрольний прилад» мало чим відрізняється від того, що можна побачити на сторінці продавця і на вигляд виглядає наступним чином:


Тут ми бачимо два роз'єми для підключення живлення: один для батарей, а другий для звичайного блоку живлення. Є червоний перемикач ON/OFF, призначення якого, отже, зрозуміло. Зліва від вимикача розташовані чотири регулятори вихідної напруги. Кожен із них підписаний, тож щось зробити не так важко. Перемикання напруги здійснюється за допомогою перестановки перемичок:) А-ля, привіт із 90-х.


Зате згадав часи, коли для підключення вінчестера в тому чи іншому режимі доводилося здійснювати дуже схожі маніпуляції:) Є моделі і з більш просунутим варіантом перемикання напруги, але оскільки користуватися платою щодня я не планую, то такий варіант для мене пригодиться. У самому низу плати розташовані контактні майданчики для підключення мультиметрів. Їх по 2 шт., тобто 2 плюсові та 2 мінусові. Крім того, що вони підписані, так ще й кольором позначені - сплутати дуже важко, хоча навіть якщо це і трапиться, то нічого страшного не станеться. Внутрішні контакти зручно використовувати для щупів, а зовнішні для крокодилів або підключення дротів.

Крім самої плати в пакеті спочатку був невеликий папірець з контрольними значеннями. На жаль, на жодний кадр вона не потрапила: (Нічого особливо цікавого в ній немає - уточнені дані за значеннями напруги, не більше. Виглядала вона приблизно так (фото взято з інтернету):


В основі цієї конструкції розташований восьмиконтактний модуль прецизійної напруги AD584LH.


Плата з одностороннім розташуванням елементів, так що з іншого боку нічого цікавого немає.


Розміри плати 56х56 мм. Мабуть, це останнє, що можна розповісти про її зовнішній вигляд та пристрій. Так що можна переходити до перевірки її працездатності, але, гадаю, спершу буде не зайвим ознайомити вас з її особливостями та характеристиками:

1. Використання батареї 15 В як джерело живлення дозволить отримати найбільш точні дані;
2. Плата має чотири програмовані клеми, кожна з яких відповідає вихідній напрузі. Перемикання здійснюється шляхом замикання відповідної клемної колодки. Оскільки AD584 є восьмиконтактним, то замикання кожного контакту впливає на вихідну напругу, щоб зменшити опір замикання, два паралельно з'єднуються два виводи;
3. Температурний коефіцієнт: 5 ppm/°C (максимум, від 0°C до 70°C, AD584L) 15 ppm/°C (максимум, від -55°C до +125°C, AD584T);
4. Потужність: Статичний струм: 1 мА (макс.), Низький струм спокою ідеально підходить для батарей;
5. Робоча напруга: від 4,5 В до 30 В, зверніть увагу, що робоча напруга повинна бути вищою за запрограмовану вихідну напругу;
6. Температурний діапазон: AD584J / K / L від 0 ° C до + 70 ° C, AD584S / T, від -55 ° C до + 125 ° C. 7. Зовнішнє електроживлення - напруга має бути більше 11В;
8. Два види інтерфейс вихідного сигналу опорної напруги відмінно підходять як для перевірки мультиметрів, так калібрування інших приладів;
9. Кожна плата на заводі перевіряється за допомогою 6-розрядного мультиметра.
Якось так. Ну що ж, почнемо. У перевірці братимуть участь сама плата, випрямляч як джерело живлення, а також два мультиметри (HYLEC MS8232 і A830L) як піддослідні.


Підключаємо живлення до контактів батарейного майданчика, перемикаємо «рубильник» у положення ON і бачимо, що на платі спалахує червоний діод, який інформує нас про те, що їй можна користуватися.


Живлення на контактних майданчиках батарейного набряку - 12,96В, чого більш ніж достатньо для перевірки плати в усіх режимах.


Оскільки за мовчанням на платі виставлено напругу 10 В, то саме з неї і почнемо. Спочатку HYLEC MS8232:


Підключаємо A830L:


Розбіжність у показаннях мультиметрів 0,04В - не так вже й багато. Але узагальнимо отримані дані трохи пізніше.

Перемикаємо перемички на 7,5В. HYLEC MS8232:


A830L:


Наступні черги 5В. HYLEC MS8232:


A830L:


І останній режим перевірки – 2,5В. HYLEC MS8232:


A830L:


Отже, видно, що чим вище напруга, там більше відрізняються дані, зняті з мультиметрів: на 2,5 - 0,01, на 5 - 0,02, на 7,5 - 0,02 і на 10 - 0,04. Причому дані HYLEC MS8232 стабільні і добре підпадають під дані, наявні на комплектному папірці. А ось у A830L не все так добре - чим вище напруга, там далі він уникає правдивих показань. І якщо на 10В різниця не така вже й велика, то на 200-220В вона буде помітна досить відчутно.

Підводячи підсумок усьому, що було написано, можу сказати, що джерело опорного напруги AD584 непогано впорався з поставленими їх завданнями. Тепер я знаю який мультиметр бреше, а також знаю приблизну прогресію відхилень. Крім перевірки мультиметрів, AD584 може пригодитися і для перевірки USB (і не тільки) тестерів, якщо придбати відповідний кабель і підключити його до вихідних майданчиків. Головне не забувати, що вхідна напруга має бути вищою за вихідний. Так що дана плата може бути корисна в домашньому господарстві тим, хто хоче бути впевненим у точності приладів, здатних відображати рівень напруги в мережі.

На цьому, мабуть, усі. Дякуємо за увагу та витрачений час.

Стабільність джерела живлення визначається практично лише його опорною напругою. Ми вже бачили, що стабілітрон через кінцевий внутрішній опір дає постійну вихідну напругу тільки при постійному струмі, що протікає через нього. Для отримання постійного струму є два звичайні способи: використовувати другий діод як попередній стабілізатор або застосувати транзистор як джерело стабільного струму. Схема попереднього стабілізатора показано на рис. 9.28 де стабілізатор на 10-вольтовому діоді грає роль стабілізованого джерела для стабілізатора на діоді з опорною напругою 5,6 В. Тому в останньому діоді тече майже постійний струм, що не залежить від змін вхідної напруги.

На рис. 9.29 наведена схема Вільямса «з подвійним кільцем» (ring of two), в якій витончено використані біполярні транзистори як джерела постійного струму для стабілітронів. Напруга на базі транзистора T Y підтримується рівним 5,6, тому його емітерний струм встановлюється таким, щоб напруга на емітері було 5,6 - 0,6 = 5,0 В; таким чином, емітерний струм транзистора Tj дорівнює 5,0/470 А, або приблизно 10 мА. Колекторний струм транзистора T vприблизно рівний струму емітера, тече в стабілітрон D vякий, у свою чергу, визначає напругу на базі Т гЦе призводить до того, що транзистор Т 2забезпечує протікання постійного струму 10 мА через стабілітрон D rА цей стабілітрон відіграє роль джерела опорної напруги, що подається на базу транзистора. Ту.

У більшості стабілітронів напруга пробою змінюється з температурою. Діоди з напругою пробою менше 5 В функціонують в основному за рахунок тунельного ефекту і мають негативний температурний коефіцієнт, тобто у них напруга пробою зменшується зі зростанням

Мал. 9.28. Джерело стабільної опорної напруги із попереднім стабілізатором.

Мал. 9.29. Схема джерела еталонного напруги «з подвійним кільцем», у якій транзистори грають роль джерел стабільного струму.

температури. При напругах більше 6 В пробої домінує лавинний ефект і температурний коефіцієнт при цьому позитивний, тобто напруга пробою збільшується зі зростанням температури. Постає питання: що відбувається між цими двома режимами, де пробою є комбінацією цих двох механізмів? Відповідь полягає в тому, що можуть бути створені діоди з напругою пробою близько 5,6 або 6,2, дійсно мають дуже малі температурні коефіцієнти; якщо застосувати такі діоди в схемах, подібних до тих, що наведені на рис. 9.28 і 9.29, можна отримати так само стабільну е.д.с., як в еталонного елемента Вестона.

Увага!!! Доставка всіх приладів, які наведені на сайті, відбувається по всій території наступних країн: Російська Федерація, Україна, Республіка Білорусь, Республіка Казахстан та інші країни СНД.

По Росії існує налагоджена система поставки в такі міста: Москва, Санкт-Петербург, Сургут, Нижньовартовськ, Омськ, Пермь, Уфа, Норильськ, Челябінськ, Новокузнецьк, Череповець, Альметьевськ, Волгоград, Липецьк Магнітогорськ, Тольятті, Когалим, Кстово, Новий Уренгой Нижньокамськ, Нефтеюганськ, Нижній Тагіл, Ханти-Мансійськ, Єкатеринбург, Самара, Калінінград, Надим, Ноябрськ, Викса, Нижній Новгород, Калуга, Новосибірськ, Ростов-на-Дону, Верхня Пишма, Красноярськ, Казань, Набережні Челни, Му Ярославль, Кемерово, Рязань, Саратов, Тула, Усинськ, Оренбург, Новотроїцьк, Краснодар, Ульяновськ, Іжевськ, Іркутськ, Тюмень, Воронеж, Чебоксари, Нефтекамськ, Великий Новгород, Тверь, Астрахань, Новомосковськ, Томськ, Прокоп'євськ , Білгород, Курськ, Таганрог, Володимир, Нефтегорськ, Кіров, Брянськ, Смоленськ, Саранськ, Улан-Уде, Владивосток, Воркута, Подільськ, Красногорськ, Новоуральськ, Новоросійськ, Хабаровськ, Залізногорськ, Кострома, Зеленогірськ, Тамбов, Ставрополь, , Архангельськ та інші міста Російської Федерації.

По Україні існує налагоджена система поставки до таких міст: Київ, Харків, Дніпро (Дніпропетровськ), Одеса, Донецьк, Львів, Запоріжжя, Миколаїв, Луганськ, Вінниця, Сімферополь, Херсон, Полтава, Чернігів, Черкаси, Суми, Житомир, Кіровоград, Хмельницький , Рівне, Чернівці, Тернопіль, Івано-Франківськ, Луцьк, Ужгород та інші міста України.

По Білорусії існує налагоджена система поставки до таких міст: Мінськ, Вітебськ, Могильов, Гомель, Мозир, Брест, Ліда, Пінськ, Орша, Полоцьк, Гродно, Жодино, Молодечно та інші міста Республіки Білорусь.

По Казахстану існує налагоджена система поставки в такі міста: Астана, Алмати, Екібастуз, Павлодар, Актобе, Караганда, Уральськ, Актау, Атирау, Аркалик, Балхаш, Жезказган, Кокшетау, Костанай, Тараз, Шимкент, Кизилорда, Лисаков Рідер, Рудний, Сімей, Талдикорган, Теміртау, Усть-Каменогорськ та інші міста Республіки Казахстан.

Виробник ТМ «Інфракар» - це виробник багатофункціональних приладів, таких як газоаналізатор та димомір.

За відсутності на сайті в технічному описі необхідної інформації про прилад Ви завжди можете звернутися до нас за допомогою. Наші кваліфіковані менеджери уточнять для Вас технічні характеристики на прилад із його технічної документації: інструкція з експлуатації, паспорт, формуляр, посібник з експлуатації, схеми. При необхідності ми зробимо фотографії приладу, стенду або пристрою, що цікавить вас.

Ви можете залишити відгуки про придбаний у нас прилад, вимірювач, пристрій, індикатор або виріб. Ваш відгук за Вашою згодою буде опубліковано на сайті без зазначення контактної інформації.

Опис на прилади взято з технічної документації або технічної літератури. Більшість фото виробів зроблено безпосередньо нашими фахівцями перед відвантаженням товару. В описі пристрою надано основні технічні характеристики приладів: номінал, діапазон вимірювання, клас точності, шкала, напруга живлення, габарити (розмір), вага. Якщо на сайті Ви побачили невідповідність назви приладу (модель) технічним характеристикам, фото або прикріпленим документам – повідомте про це нам – Ви отримаєте корисний подарунок разом із приладом, що купується.

При потребі уточнити загальну вагу та габарити або розмір окремої частини вимірювача Ви можете у нашому сервісному центрі. При потребі наші інженери допоможуть підібрати повний аналог або найбільш підходящу заміну на прилад, що цікавить вас. Всі аналоги та заміна будуть протестовані в одній із наших лабораторій на повну відповідність Вашим вимогам.

Наше підприємство здійснює ремонт та сервісне обслуговування вимірювальної техніки більш ніж 75 різних заводів виробників колишнього СРСР та СНД. Також ми здійснюємо такі метрологічні процедури: калібрування, тарування, градуювання, випробування засобів вимірювальної техніки.

Здійснюється постачання приладів до таких країн: Азербайджан (Баку), Вірменія (Єреван), Киргизстан (Бішкек), Молдова (Кишинев), Таджикистан (Душанбе), Туркменістан (Ашхабад), Узбекистан (Ташкент), Литва (Вільнюс). ), Естонія (Таллін), Грузія (Тбілісі).

ТОВ «Західприлад» - це величезний вибір вимірювального обладнання за найкращим співвідношенням ціна та якість. Щоб Ви могли купити недорого, ми проводимо моніторинг цін конкурентів і завжди готові запропонувати нижчу ціну. Ми продаємо тільки якісні товари за найкращими цінами. На нашому сайті Ви можете купити дешево як останні новинки, так і перевірені часом прилади від кращих виробників.

На сайті постійно діє акція «Куплю за найкращою ціною» - якщо на іншому інтернет-ресурсі у товару, представленого на нашому сайті, менша ціна, то ми продамо Вам його ще дешевше! Покупцям також надається додаткова знижка за відкликаний відгук або фотографії застосування наших товарів.

У прайс-листі вказано не всю номенклатуру пропонованої продукції. Ціни на товари, які не увійшли до прайс-листу, можете дізнатися, зв'язавшись з менеджерами. Також у наших менеджерів Ви можете отримати детальну інформацію про те, як дешево та вигідно купити вимірювальні прилади оптом та в роздріб. Телефон та електронна пошта для консультацій з питань придбання, доставки або отримання знижки наведено над описом товару. У нас найкваліфікованіші співробітники, якісне обладнання та вигідна ціна.

ТОВ «Західприлад» – офіційний дилер заводів виробників вимірювального обладнання. Наша мета - продаж товарів високої якості з найкращими ціновими пропозиціями та сервісом для наших клієнтів. Наша компанія може не тільки продати необхідний Вам прилад, але й запропонувати додаткові послуги з його перевірки, ремонту та монтажу. Щоб у Вас залишилися приємні враження після покупки на нашому сайті, ми передбачили спеціальні гарантовані подарунки до найпопулярніших товарів.

Завод "МЕТА" - це виробник найбільш надійних приладів для проведення техогляду. Гальмівний стенд СТМ виготовляється саме на цьому заводі.

Якщо Ви можете зробити ремонт пристрою самостійно, наші інженери можуть надати Вам повний комплект необхідної технічної документації: електрична схема, ТО, РЕ, ФО, ПС. Також ми маємо велику базу технічних та метрологічних документів: технічні умови (ТУ), технічне завдання (ТЗ), ГОСТ, галузевий стандарт (ОСТ), методика повірки, методика атестації, повірочна схема для більш ніж 3500 типів вимірювальної техніки від виробника даного обладнання. З сайту Ви можете завантажити весь необхідний софт (програма, драйвер), необхідний для роботи придбаного пристрою.

Також у нас є бібліотека нормативно-правових документів, пов'язаних із нашою сферою діяльності: закон, кодекс, постанова, указ, тимчасове становище.

На вимогу замовника на кожен вимірювальний прилад надається перевірка чи метрологічна атестація. Наші співробітники можуть представляти Ваші інтереси в таких метрологічних організаціях як Ростест (Росстандарт), Держстандарт, Держспоживстандарт, ЦЛІТ, ОГМетр.

Іноді клієнти можуть вводити назву нашої компанії неправильно - наприклад, західприлад, західприлад, західприлад, західприлад, західприлад, західприбор, західприлад, західприлад, західприбор, західприлад, західприлад. Правильно – західприлад.

ТОВ «Західприлад» є постачальником амперметрів, вольтметрів, ватметрів, частотомірів, фазометрів, шунтів та інших приладів таких заводів-виробників вимірювального обладнання, як: ПЗ «Електроточприлад» (М2044, М2051), м. Омськ; ВАТ «Приладобудівний завод Вібратор» (М1611, Ц1611), м. Санкт-Петербург; ВАТ «Краснодарський ЗІП» (Е365, Е377, Е378), ТОВ «ЗІП-Партнер» (Ц301, Ц302, Ц300) та ТОВ «ЗІП «Юрімов» (М381, Ц33), м. Краснодар; ВАТ «ВЗЕП» («Вітебський завод електровимірювальних приладів») (Е8030, Е8021), м. Вітебськ; ВАТ «Електроприлад» (М42300, М42301, М42303, М42304, М42305, М42306), м. Чобоксари; ВАТ "Електровимірювач" (Ц4342, Ц4352, Ц4353) м. Житомир; ПАТ "Уманський завод "Мегомметр" (Ф4102, Ф4103, Ф4104, М4100), м. Умань.

Для нормальної роботи АЦП МК необхідне джерело опорної напруги (ІОН). Якщо використовувати внутрішній ІОН, то можуть виникнути проблеми з його низькою температурною стабільністю та великим технологічним розкидом номінальної напруги. Для точних вимірювань (у тому числі з нестандартними опорними напругами) практикують підключення зовнішнього ІОН до виводу KREF МК. Складатися він може з дискретних елементів (Мал. 4.7, а ... і) або з інтегральних мікросхем (Мал. 4.8, а ... до).

Мал. 4.7. Схеми підключення зовнішніх ІОН на дискретних елементах (початок):

а) МК(1) використовує своїх вимірювань внутрішній ИОН. Його вихідна напруга KRRF є зовнішнім ІОН по відношенню до МК(2). Гідність – синхронізація вимірів;

б) VD1 - це прецизійний стабілітрон "Shunt Voltage Reference" (фірма Analog Devices) з точністю підтримки вихідної напруги ±0.1%. Фільтр R2, C1 знижує ВЧ-перешкоди. При переході на підвищене живлення +5 необхідно замінити резистор R1 (2.94 кОм). Для зниження споживаного струму можна збільшити опір резистора R1 до 34.8...41.2 кОм;

в) VD1 - це широкодіапазонний стабілітрон "Adjustable Voltage Reference" фірми National Semiconductor. Резистор RI задає струм через VDI не більше 0.01...20 мА. Якщо замість LM385-2.5 поставити LM4040-4.1 та збільшити резистор до 10 кОм, то KREF стане рівним +4.096;

г) регульований ІОН з плавним юстуванням напруги багатооборотним резистором R3

д) VD1 — це три вивідний стабілітрон «Programmable Shunt Regulator» (серія «431»). Двополюсне включення VD1 визначає опорну напругу +2.5 (або +1.25 В в серії «1431»);

е) опорна напруга +4.9 поступає з вихідної лінії МК. Таке включення корисне при тестах (НИЗЬКИЙ/ВИСОКИЙ рівень) та для зручності розведення друкованої плати;

Мал. 4.7. Схеми підключення зовнішніх ІОН на дискретних елементах (закінчення):

ж) регульований ІОН на основі трививідного стабілітрона VD1 серії «431». Опорна напруга визначається за формулою KREF [B] = 2.5-(1 + Я, [Ком] / Я2 [Ком]);

з) напруга KREF близька до напруги живлення. З особливостей - двоступінчаста фільтрація перешкод за допомогою елементів L1, C1 та RI, С2, СЗ;

і) на вхід VREF подається опорна напруга, яка трохи більша за напругу живлення Усс МК. Це забезпечує широкий динамічний діапазон вимірювань, але треба стежити, щоб різниця між КЕРі Усс не перевищувала 0.2 В. Якщо поставити стабілітрон VDI LM4040DIZ-5.0, то опорна напруга зменшиться до +5.0, а точність установки покращиться з 5 до 1 %.

Мал. 4.8. Схеми підключення зовнішніх ІОН на мікросхемах (початок):

а) використання низьковольтного стабілізатора напруги DA1 як ІОН;

б) точність установки опорної напруги становить 2.4% (5.00 ± 120 мВ). Заміна стабілізатора DAI - 78L05. Конденсатори C1 та С2 необхідно розташовувати біля висновків DA/;

в) точність установки опорної напруги DA 1 становить 0.05% (5.00 ± 2.5 мВ), температурна стабільність 5 ррт/°С (25 мкВ на один градус);

г) двоступеневий стабілізатор (VDI, DAI). Точність установки опорної напруги DAI (фірма Intersil) становить 0.01% (5.00 ± 0.5 мВ), температурна стабільність 5 ррш/°С;

Мал. 4.8. Схеми підключення до МК зовнішніх ІОН на мікросхемах (закінчення):

д) плавно регульований ІОН у межах 0...+3 В. Заміна стабілізатора DA1 аналогічним, ніс іншою вихідною напругою (+2.5...+5 В), задає верхню межу регулювання;

е) підвищена стабільність ІОН завдяки генератору струму на мікросхемі DA1. Струм через трививідний стабілітрон VDI (1...8 мА) визначається за формулою /[мА] = 1.25 /[кОм];

ж) програмно регульований ІОН 0...+5 на мікросхемі DA1 фірми Microchip. Функціонально це дискретний 6-бітний змінний резистор з крайніми висновками "А", "В" та середнім висновком "W". Опір від 2.1 до 50 ком. Буферним повторювачем служить ОУ DA2;

з) оперативна зміна двох напруг. Високоточний ІОН на мікросхемі DA1 (фірма Analog Devices) видає напругу +2.5 або +3 залежно від положення перемички SL Фільтр LI, CI знижує перешкоди по живленню;

і) висновок KREF МК з'єднується з лінією живлення, яка і є зовнішнім ІОН. Напруга живлення регулюється резистором R3. Значення +5.12 Вибрано не випадково. Це зроблено для того, щоб при 10-бітному АЦП МК ціна одного поділу становила рівно 5 мВ;

к) регульований ІОН з підвищеною здатністю навантаження на основі повторювача DA1. Вихідна напруга +2.5 може використовуватися для середньої точки інших ОУ.

Новини Електроніки 14, 2008

У статті розглядається нове сімейство прецизійних джерел опорної напруги (ІОН) із виробничої лінії Burr-Brown REF50xx. Ці ІОН виконані за архітектурою бендгап, але за характеристиками початкового розкиду, температурного дрейфу і шуму здатні конкурувати з іншими архітектурами, що лідирують за рівнем прецизійності.

Джерела опорної напруги є важливою складовою будь-якого цифрового обладнання з функцією введення/виведення аналогових сигналів. Параметри цього приладу впливають на рівень робочих характеристик кінцевої продукції. Можливостей вбудованого в мікроконтролери ІОН, при роботі у всьому робочому діапазоні температур, вистачить у кращому разі на забезпечення 8-бітної роздільної здатності. Наприклад, щоб забезпечити точність роботи 1/2 м.з.р. інтегрованого в багато мікроконтролерів 10-бітного АЦП необхідно, щоб діапазон зміни вихідної напруги ІОН не перевищував 1,22 мВ (для ІОН на напругу 2,5 В). У разі вбудованого ІОН, який не передбачає можливості підстроювання вихідної напруги, у цей рівень має вкластися зміна вихідної напруги, спричинена впливом як температурного дрейфу, так і початкового розкиду. Таким чином, при обґрунтованому підході до вибору ІОН для застосування з 10-бітною і більш роздільною здатністю перетворення, швидше за все, виникне потреба в застосуванні зовнішнього ІОН. До додаткових переваг такого вибору також належать:

• можливість вибору ІОН з відповідним до умов застосування вихідною напругою, меншим рівнем шуму, функцією аналогового підстроювання вихідної напруги, іншими допоміжними функціями тощо;
• можливість роботи як спільно з АЦП/ЦАП, а й із зовнішньої аналогової схемою сполучення;
• більш висока здатність навантаження;
• можливість кращої ізоляції від впливу споживаного цифровими ІВ струму.

Перший інтегральний ІОН був розроблений у 1969 році легендарним винахідником та віртуозом транзисторних схем Робертом Відларом (тоді співробітником National Semiconductor) під час роботи над першим однокристальним 20-ватним лінійним стабілізатором напруги LM109. Пізніше, в 1971 році, Відлар разом із ще одним легендарним розробником Робертом Добкіним розробляють перший монолітний ІОН LM113. Цей ІОН отримав назву «бендгап» (або ІОН на різниці база-емітерних напруг). Він був двовивідним приладом і включався до схеми типу стабілітрона. Навіть зараз багато розробників вважають за краще називати ІОН цього типу програмованими стабілітронами і позначати їх на схемі як стабілітрони, хоча правильніше їх називати «ІОН паралельного (або шунтового) типу», що вказує на підключення паралельно навантаженню. Деякі ІОН цього типу, наприклад, TL431 компанії Texas Instruments, випускаються вже багато років і, як і раніше, зберігають свою популярність. Більш досконалий, з погляду прецизійності, послідовний тип бендгап ІОН був запропонований Полом Брокау наприкінці 1970-х і випускався компанією Analog Devices під назвою AD580. Він відрізнявся 3-вивідним підключенням (за типом стабілізатора напруги), дозволяв за допомогою резистивного дільника напруги встановлювати необхідну вихідну напругу (з використанням технології лазерного підганяння параметрів, що розвивається в той час) і допускав можливість протікання вихідного струму в обох напрямках. Саме цей тип ІОН, зважаючи на оптимальне співвідношення «ціна - якість» і порівняльну доступність у широкій кількості виконань, згодом став найбільш поширеним і випускається в даний час безліччю виробників.

Одним із лідерів у галузі розробки та виробництва бендгап ІОН є компанія Texas Instruments (TI). Одна з її недавніх розробок, серія REF50хх стала справжнім проривом для ІОН типу бендгап, т.к. тепер за сукупністю робочих характеристик і ступеня прецизійності їх можна поставити на одну сходинку з лідируючими на даний момент архітектурами XFET компанії Analog Devices і FGA компанії Intersil (остання архітектура була розроблена в 2003 році компанією Xicor, через рік увійшла до складу Intersil; її принцип дії ідентичний ЕСППЗУ, але зберігання даних над двійковій формі, а аналогової). Переконатися в цьому допоможе таблиця 1, де представлені характеристики представників сімейства REF50xx та кращих ІОН з вихідною напругою 2,5 В, виконаних за технологіями FGA, XFET та стабілітрона із прихованим пробоєм.

Таблиця 1. Основні характеристики ІОН сімейства REF50xx та кращих конкуруючих рішень

Знайомство із сімейством REF50xx

Як випливає з таблиці 1, сімейство REF50xx складається з шести ІОН, що відрізняються рівнем вихідної напруги. Крім того, кожен із цих ІОН доступний у двох виконаннях: підвищеній точності (характеристики представлені в таблиці 1) та стандартному. Точнісні характеристики стандартного виконання приблизно вдвічі гірші, ніж у виконання підвищеної точності.

Всі види та виконання ІОН доступні у 8-вивідних корпусах двох типів: SO та MSOP. Розташування висновків представлено малюнку 1а.

Мал. 1. Розташування висновків та спрощена структурна схема ІОН REF50xx

Тут, на малюнку 1б, показана спрощена структурна схема ІОН REF50xx.

Основою ІОН REF50xx є елемент бендгап на напругу 1,2 В. Ця напруга буферизується і масштабується до необхідного вихідного рівня за допомогою неивертирующего підсилювального каскаду, виконаного на основі прецизійного операційного підсилювача (ОУ). Передбачена можливість впливу коефіцієнт передачі цього підсилювального каскаду через висновок TRIM. Підключення потенціометра до цього висновку дозволяє коригувати вихідну напругу в межах ±15 мВ. Ще однією додатковою можливістю REF50xx є можливість контролю температури кристала через виведення TEMP. Напруга на цьому висновку залежить від температури (вираз цієї залежності показано на малюнку 1б). Важливо звернути увагу, що функція контролю температури більше підходить контролю змін температури, ніж її абсолютного значення, т.к. похибка виміру досить велика і становить приблизно ±15°С. Тим не менш, ця функція цілком застосовна в схемах температурної компенсації аналогових каскадів. Вихід TEMP є високоомним, тому при роботі з порівняно низькоомними навантаженнями буде потрібна його буферизація за допомогою ОУ, що має малий температурний дрейф. Виробник рекомендує використовувати для цього ОУ OPA333, OPA335 або OPA376.

Огляд робочих характеристик

Початковий розкид

Величина початкового розкиду демонструє, наскільки може відхилитися вихідна напруга ІОН щодо номінального значення відразу після подачі живлення та при кімнатній температурі (25°С). Як уже згадувалося, ІОН REF50xx випускаються у двох виконаннях з початковим розкидом 0,05% (50 ppm) та 0,1% (100 ppm). Таким чином, початковий розкид навіть стандартних виконань відповідає вимогам систем з роздільною здатністю не менше 12 біт та похибкою перетворення 1 м.з.р. (Для діапазону перетворення 2,5 В цих умов еквівалентна роздільна здатність 610 мкВ, а у ІОН 2,5 ±0,01% вихідна напруга відхиляється на величину не більше 250 мВ). Якщо ж використовувати можливість підстроювання вихідної напруги, то, без урахування інших обмежень (температурний дрейф, шум), роздільна здатність може бути розширена до 16 біт.

Температурний дрейф (температурний коефіцієнт, ТК)

Ця характеристика показує, наскільки зміниться вихідна напруга за змін температури. ІОН REF50xx характеризуються дуже малим ТК, який становить 3 ppm/°C у виконань підвищеної точності та 8 ppm/°C у стандартних виконань. Значення ТК 8 ppm/°C для ІОН напругою 2,5 означає, що при роботі в температурному діапазоні шириною 100°С (наприклад, -25...75°С) вихідна напруга ІОН буде змінюватися на величину 2,0 мВ. З цього випливає, що ТК розглянутих ІОН цілком достатньо для забезпечення 10-бітної роздільної здатності в широкому діапазоні температур з похибкою перетворення 1/2 м.з.р., а досягти більш високої роздільної здатності можна тільки у вужчому діапазоні температур. Для 16-бітної системи із похибкою перетворення 1/2 м.з.р. допускається відносна зміна напруги лише на 7,6 ppm (0,00076%). Таким чином, ІОН REF50xx зможуть досягти такої точності лише в повністю статичних температурних умовах (відхилення не більше 1...2°С). У 14-бітній системі за інших рівних умов REF50xx вже зможуть забезпечити необхідну точність при коливаннях температури до 10°С, 12-бітної - 40°С, 10-бітної - 160°С.

Вихідна напруга будь-якого ІОН має шумову складову. Шум, особливо низькочастотний, може утруднити вимірювання напруги з високою роздільною здатністю та/або з високою швидкодією. Типові значення розмаху напруги шуму в діапазоні частот 0,1...10 Гц наведено в таблиці 1 (поширюються і стандартні виконання). Дані значення цілком адекватні вимогам систем із роздільною здатністю до 14 біт включно та похибкою перетворення 1/2 м.з.р.

Нестабільність по входу та навантаженню

Дані характеристики дозволяють оцінити, наскільки зміниться вихідна напруга при коливаннях вхідної напруги та струму навантаження. Нестабільність входу у всіх ІОН REF50xx становить не більше 1 ppm/В, а по навантаженню - 50 ppm/мА (у всьому робочому діапазоні температур). Нестабільність навантаження можна також трактувати як вихідний опір ІОН, тобто. 50 ppm/мА означає, що вихідний опір ІОН на напругу 2,5 дорівнює 2,5 × 50 =125 мОм.

Максимальний вихідний струм

Незважаючи на те, що ІОН REF50xx допускають протікання на виході як витікаючого, так і струму, що витікає величиною до 10 мА, бажано не використовувати ІОН на межі його можливостей. При роботі зі струмами, близькими до граничних, не виключено самонагрівання кристала ІОН і виникнення вздовж мікросхеми теплових градієнтів, що негативно впливають на точність та стабільність системи. Також важливо помітити, що ІОН REF50xx оснащений захистом виходу від короткого замикання з лініями живлення (струм к.з. обмежується на рівні 25 мА), що робить їх більш надійними приладами.

Діапазон напруги живлення

ІОН REF50xx розраховані на роботу в досить широкому діапазоні напруги живлення: від 2,7 В найнижчих приладів до 18 В. Однак ці характеристики не слід трактувати як можливість роботи від нестабілізованої напруги, т.к. щоб домогтися прецизійних характеристик, ІОН краще живити з виходу лінійного стабілізатора напруги, який прийме на себе вирішення багатьох проблем, пов'язаних з фільтрацією шуму, придушенням перехідних процесів на вході живлення та ін. напруги. Його величина залежить від струму навантаження і температури, і за найгірших умов (10 мА, 125°С) становить трохи більше 700 мВ. Якщо, виходячи з озвучених вище рекомендацій, забезпечити роботу зі струмом, удвічі меншим щодо максимального (тобто 5 мА), то величина мінімального перепаду напруги лежатиме в межах 0,3...0,4 В діапазоні температур 25. ..125°С, відповідно.

Споживаний струм

ІОН REF50xx характеризуються досить великим споживаним струмом, якщо порівнювати з конкуруючими технологіями FGA і XFET, що видно з таблиці 1. Таке високе споживання властиве іншій прецизійній архітектурі: ІОН на стабілітроні з прихованим пробоєм. Таким чином, застосування REF50xx обмежене у додатках з батарейним живленням, де потрібна безперервна робота ІОН. Проте й у додатках із періодичною роботою ІОН існує ще одне обмеження – час встановлення після подачі харчування. У REF50xx воно досить велике: при роботі з конденсатором навантаження 1 мкФ типове значення часу встановлення дорівнює 200 мкс. Таким чином, ці ІОН більше підходять для роботи у складі стаціонарної прецизійної апаратури, для якої нижча собівартість продукції є більш важливою, ніж характеристики енергоспоживання.

Типові застосування та схеми включення

Як уже згадувалося, через досить велике енергоспоживання, але й порівняно невелику вартість, ІОН сімейства REF50xx ідеальні для роботи у складі високоточного стаціонарного обладнання з роздільною здатністю перетворення до 16 біт, в т.ч.

• системи збирання даних;
• автоматизоване випробувальне обладнання;
• пристрої промислової автоматики;
• медичне обладнання;
• прецизійні контрольно-вимірювальні прилади

Базова схема включення, яка не передбачає використання функцій контролю температури та підстроювання вихідної напруги, показано на малюнку 2а. У цій конфігурації ІОН доповнюється зовні лише двома компонентами: блокувальний конденсатор на вході ємністю 1...10 мкФ і навантажувальний конденсатор на виході ємністю 1...50 мкФ. Навантажувальний конденсатор повинен належати до типу "low ESR", тобто. мати малий еквівалентний послідовний опір. При необхідності підстроювання вихідної напруги, цю схему необхідно доповнити схемою малюнку 2б. Важливо розуміти, що використання недорогого резистора типу «сermet» як підстроювальне може призвести до погіршення ТК ІОН, т.к. ТКС цього резистора перевищує 100 ppm. Більш переважно використовувати прецизійні дротяні або метало-фольгові типи підстроювальних резисторів з 5% допуском на опір і ТКС менше 50 ppm.

Мал. 2. Схеми включення REF50x: базова (а), з підстроюванням вихідної напруги (б) та у складі 16-бітної системи збору даних: з однополярним (в) та двополярним (г) входом

На малюнку 2 можна побачити приклад побудови вхідного каскаду одноканальної 16-бітної системи збору даних з вхідним діапазоном 0...4 В . Тут вхідний сигнал буферизується прецизійним ОУ OPA365, включеним за схемою підсилювача-повторювача, що не інвертує. Далі сигнал фільтрується RC-ланцюгом і надходить на вхід 16-бітного АЦП ADS8326. Вимірювальний діапазон задається ІОН REF5040 на напругу 4,0 В. Завдяки підтримці ОУ повного розмаху напруги на вході та виході (тип rail-to-rail) та малому мінімальному перепаду напруги ІОН схема здатна працювати від 5-вольтового джерела живлення.

Ще один приклад, але вже для перетворення двополярного сигналу в діапазоні ±10, показаний на малюнку 2г. Схема відрізняється застосуванням у вхідному каскаді інструментального підсилювача INA159, який виконує перетворення двополярного діапазону ±10 В однополярний 0...4 В. Як АЦП використовується 16-бітний АЦП з однополярним входом і частотою перетворення до 1 МГц ADS8330.
Висновки

Незважаючи на те, що ІОН сімейства REF50хх виконані по архітектурі бендгап, вони мають таку високу прецизійність, що їх можна поставити в один ряд з такими архітектурами, що лідирують, як стабілітрон зі прихованим пробоєм, XFET і FGA.

У сімейство входять шість ІОН на різні вихідні напруги в діапазоні від 2,048 до 5 В. Крім того, кожен з цих ІОН доступний у двох виконаннях: стандартному та підвищеній точності. Всі ІОН підтримують можливість підстроювання вихідної напруги та контролю температури.

Суттєвими недоліками ІОН є їхнє високе енергоспоживання (1 мА) та великий час встановлення після подачі живлення (200 мкс), що обмежує можливість їх застосування у критичних до рівня енергоспоживання системах. Виробник вказує на можливість застосування ІОН у системах з роздільною здатністю до 16 біт включно.

Література

1. REF5020, REF5025, REF5030, REF5040, REF5045, REF5050 - Low-Noise, Very Low Drift, Precision Voltage Reference//Data Sheet, Texas Instruments, lit. num. SBOS410, 2007. - 18p.