Jste zde

Úvod do světa napěťové reference – 2. díl

Jan Robenek, 27. Srpen 2009 - 7:21
perex.png

Napěťové reference neodmyslitelným způsobem definují přesnost a dlouhodobou stabilitu mnoha elektronických zařízení. Pro tyto účely rozlišujeme dva základní typy referenčních obvodů.

V první části našeho malého úvodu do velkého světa napěťové reference byly definovány základní vlastnosti a parametry napěťové reference, zejména pak

  • 1) Výchozí, někdy také počáteční přesnost (Initial Accuracy)
  • 2) Teplotní drift (Temperature drift)
  • 3) Dlouhodobá stabilita (Long Term Stability)
  • 4) Teplotní hystereze (Thermal Hysteresis)

Pro mladé a začínající byl výklad dále doplněn několika příklady, které blíže vysvětlily běžně užívané jednotky ppm nebo drift / √(kHr). Dnes se zaměříme na konkrétní typy napěťových referencí a jejich základní srovnání.

 

Typy referenčních obvodů

Rozlišujeme dva základní typy napěťové reference:

  • 1) Paralelní (bočníková) reference (Shunt Reference)
  • 2) Sériová reference (Series Reference)

Ilustrační tabulka ukazuje vybrané paralelní a také sériové referenční obvody Linear Technology.

Napěťové reference Linear Technology, dělené dle způsobu svého provedení.

1) Paralelní reference

Tento druh referenčních obvodů bývá schématicky snadno rozpoznatelný svými dvěma vývody. Shunt reference se obvykle navrhují pro práci v rámci specifických, přesně vymezených proudových rozsahů. Ačkoli bude většina těchto obvodů s pestrými napěťovými výstupy řešena jako bandgap reference (vysvětlení přineseme později), můžeme je přesto s určitým nadhledem považovat za jakousi zenerovu diodu a také tak s nimi jednoduše zacházet. Pochopitelně se ale nenecháme zmást, když z nejrůznějších důvodů narazíme na zapouzdření s větším počtem vývodů, např. osm.

Typické zapojení paralelní (shunt) reference (bližší popis LT1389 následuje níže).

Většina běžných obvodů má podobně jako stabilizační dioda jeden ze svých vývodů spojený se zemí, zatímco druhý vede na rezistor. Zbývající vývod rezistoru se pak připojuje k napájení. Tímto způsobem se ve své podstatě stává paralelní zdroj referenčního napětí obvodem se třemi přístupovými body. Výstup je pochopitelně vyveden z místa spojení reference a rezistoru. Velikost odporu musí být pečlivě vybrána tak aby minimální i maximální proudy, které potečou referenčním obvodem, byly uvnitř specifického rozsahu a to pro každé přípustné napájecí napětí i zatěžovací proudy. Na druhou stranu se ale s tímto druhem obvodů pracuje docela jednoduše – jen nesmí příliš kolísat velikost napájecího napětí a proud tekoucí zátěží.

 

Pokud však tyto podmínky nedokážeme zajistit a lze očekávat zásadnější výkyvy napětí napájecího zdroje, proudu zátěže nebo obou činitelů dohromady, musíme použitý rezistor vhodným způsobem přizpůsobit tak aby došlo k proudovému posílení celého zapojení. Nelze se ale divit, že přitom trvale promrháme více energie než při jmenovitém zatížení. Pokud někoho v této souvislosti napadnou hřejivé nízkofrekvenční zesilovače, provozované ve třídě A, může to považovat za dostatečně vhodný příměr.

 

Mezi výhody paralelních referencí jednoznačně patří jednoduchý návrh, malá pouzdra a poměrně slušná stabilita v širokém rozsahu změn. Obvody mohou vhodně pracovat také jako zdroje záporného referenčního napětí. Užitečnou vlastností zůstává i připojený vnější rezistor, který na svém těle dokáže zadržet většinu potenciálu a jednoduše tak umožňuje výživu z velmi vysokého zdroje napájení. V úvahu přichází i opačná možnost s velmi malým napájením, kdy výstup může být jen něco málo milivoltů (mV) pod úrovní napájecího napětí. V žádném případě však nelze odbýt výběr vhodné velikosti předřadného odporu i případnou analýzu ztrát, pokud budeme požadovat napájení vyšší než je obvyklé nebo si jen přejeme provozovat celý referenční obvod jako dostatečně nezatížený, tj. stabilnější za cenu většího proudového odběru z napájecího zdroje.

 

V Linear Technology pro takové a jim podobné účely vyvinuli celou řadu obvodů, např.:

  • LT1004
  • LT1009
  • LT1389
  • LT1634
  • LM399
  • LTZ1000

Krátce se zmíníme o vlastnostech následujících dvou představitelů:

  • LT1389 (Nanopower Precision Shunt Voltage Reference)
  • LTZ1000 (Ultra Precision Reference)

 

LT1389 – Nanopower Precision Shunt Voltage Reference

Typické zapojení referenčního obvodu LT1389 již zachytil výše uvedený ilustrační obrázek. Precizní, nízkopříkonová struktura se v závislosti na zvoleném výstupním napětí a použité třídě přesnosti může vyznačovat

  • výchozí napěťovou přesností 0.05 %, tj. např. od 1.24937 V až do 1.25063 V
  • malým odběrem o velikosti 600 nA
  • teplotním driftem (někdy také koeficientem) 4 ppm/°C (max. 10 ppm/°C)
  • dynamickou impedancí v závěrném směru 0.25 Ω

 

Údaje platí pro nejpřesnější verzi s výstupním napětím 1.25 V a je potřeba počítat s tím, že se pro jiné výstupy mohou dosažené výsledky lišit a to i výrazně! (Rozhodně nelze bez podrobnějšího seznámení okamžitě vykřikovat nadšením nad přehledovými vlastnostmi na první straně, které mohou být často formulovány poněkud zavádějícím způsobem bez vymezení konkrétního typu, testovacích podmínek (obvykle jen při pokojové teplotě) a maximálních tolerancí – ale to platí obecně u kterékoli dokumentace libovolného výrobce, o případných chybách a vzájemných nesrovnalostech ani nemluvě.)

Závěrná charakteristika s jasně patrnou stabilizační schopností již od 400 nA, teplotní drift a závislost závěrného napětí na protékajícím proudu – všechny charakteristiky platí pro výstupní napětí 1.25 V.

Výstupní napětí se volí z následující nabídky: 1.25 V, 2.5 V, 4.096 V nebo 5 V. Obvod je dostupný v pouzdru SO-8. Při kusovém odběru vychází nejpřesnější varianta na $6.20.

Příklad výroby referenčního napětí s nastavitelným výstupem od 1.5 V až do 10 V. Jako aktivní prvek byl použit operační zesilovač LT1495.

Zapojení vykazující nízkošumové referenční napětí 2.5 V (vlevo) a způsob výroby napěťové a také proudové reference s přívlastkem micropower při napájení ze dvou alkalických baterií.

 

Datasheet paralelní reference LT1389 je k dispozici zde. 

 

LTZ1000 – Ultra Precision Reference

Tato ultra stabilní reference najde své uplatnění v přesných, mnohdy také kalibračních přístrojích.

Vnitřní struktura a přiřazení jednotlivých vývodů

Mezi základní vlastnosti obvodu s typickým výstupním napětím 7.2 V patří

  • počáteční přesnost 4 %, ale (!)
  • teplotní drift jen (!) 0.05 ppm/°C
  • šum 1.2 μVp-p
  • dlouhodobá stabilita 2 μV/√kHr
  • velmi malá hystereze
  • teplotní rozsah –55 °C až +125 °C
  • pouzdro TO-99

Typické zapojení a dlouhodobá stabilita po dobu jednoho měsíce

Obvod umožňuje jemné nastavení teplotního koeficientu (viz pravá část obrázku níže), při kterém bude reference pulsním způsobem zahřívána a následně ochlazována. K tomuto účelu bylo integrováno topné tělísko s vývody dostupnými na pinech 1 a 2. Nastavením velikosti odporu R1 dosáhneme minimálních napěťových změn v důsledku jednotlivých vynucených teplotních cyklů. Záporný teplotní koeficient –2 mV/°C pro napětí Vbe se pak vzájemně vyrovnává s kladným teplotním (zenerovým) koeficientem +2 mV/°C.

Vyrovnávání (průměrování) referenčního napětí s cílem dosáhnout menšího šumu a lepší stability (souměrné schéma vlevo). Vpravo je zase naznačena možnost doladění teplotního koeficientu pomocí velikosti odporu R1, řízeného vytápění a následného ochlazování čipu vestavěným topným prvkem.

Při kusovém odběru vychází referenční obvod na $54.50, resp. $42.85. Datasheet LTZ1000 je k dispozici zde. 

Příklad celkového zapojení s obvodem LTZ1000 (+7 V)

 

2) Sériová reference

Sériové reference jsou součástky, mající ve schématech tři nebo také více vývodů. S určitým nadhledem si je můžeme představit jako lineární LDO stabilizátory (low dropout, příklad na hw.cz najdete např. zde), protože vykazují celou řadu obdobně výhodných vlastností. Za zmínku stojí zejména relativně neměnná spotřeba proudu z napájecího zdroje v rámci širokého rozsahu vstupních napětí. Do zátěže navíc obvodem proteče proud pouze v případě, kdy si jej sama vyžádá. Těmito vlastnostmi se stávají sériové reference vhodnou volbou pro obvody s velkými změnami napájecího napětí nebo také zatěžovacího proudu (v případě dříve popisovaných paralelních referencí se za tyto požadavky platilo vyšší výkonovou ztrátou, třeba na předřadném rezistoru, který zde v této funkci již nebudeme potřebovat). 

Sériová napěťová reference – podobnost s lineárními stabilizátory není čistě náhodná (bližší popis LT1461 následuje níže).

Linear Technology v této věci nabízí např. následující sériové produkty:

  • LT1460
  • LT1790
  • LT1461
  • LT1021
  • LT1236
  • LT1027
  • LTC6652
  • LT6660

Obvody LT1021 nebo LT1019 mohou navíc pracovat buď jako paralelní nebo také sériové zdroje referenčního napětí. Jako ilustrační příklad byl vybrán sériový zástupce v podobě LT1461.

 

LT1461 – Micropower Precision Low Dropout Series Voltage Reference Family

Referenční zdroj dosahuje těchto přehledových vlastností (v závislosti na konkrétním typu a provedení mohou být výsledky odlišné):

  • Vysoká počáteční přesnost, max. 0.04 % (trimováno)
  • Malý drift, max. 3 ppm/°C
  • Teplotní koeficient (drift) zaručován do +125 °C
  • Vlastní proudový odběr (bez zátěže) max. 50 μA
  • Vysoká proudová zatížitelnost 100 mA typ. (pozor na výkonové ztráty, které svým ohřevem zhoršují vlastnosti obvodu)
  • Malý napěťový úbytek typ. 130 mV, max. 300 mV (Iout = 1 mA)
  • Výkonový shutdown a teplotní limitace
  • Rozsah provozních teplot –40 °C až +125 °C
  • Výstupní napětí 2.5 V, 3 V, 3.3 V, 4.096 V nebo 5 V

Typické vlastnosti 2.5 V reference LT1461: Závislost výstupního napětí na teplotě (vlevo), zatěžovacím proudu a také vlastní proudový odběr jako funkce velikosti napájecího napětí (s přihlédnutím k potřebnému napěťovému úbytku na referenci bude prakticky lineární a téměř neměnný).

Grafické znázornění dlouhodobého driftu s využitím tří vzorků sériové reference

Cena při kusovém odběru závisí na konkrétním typu a jeho přesnosti. Proto se pohybuje v rozmezí od $1.95 až do $9.20. Datasheet pro LT1461 je k dispozici zde. 

 

Závěr:

Druhý díl malé série, věnované velkému světu napěťových referencí, definoval základní rozdíly mezi paralelními a také sériovými zdroji přesného napětí spolu s konkrétními příklady a vlastnostmi některých vyráběných modelů. Příště se již konečně podíváme pod povrch samotného pouzdra až na holý čip a jeho polovodičovou strukturu. Každá z možných variant má totiž své výhody i nevýhody, tak proč toho nevyužít?

Použitá literatura:

Download a odkazy:

 

Hodnocení článku: