Традиционным элементом стабилизаторов напряжения является стабилитрон, но ему присущи многие недостатки, не позволяющие использовать его в качестве точного источника опорного напряжения даже для 8-разрядного аналого-цифрового преобразователя.
Для тех направлений схемотохники, где требуется высокая точность результатов, были разработаны гораздо более удобные компоненты — интегральные источники опорного напряжения.
На рис. 2.15 приведена классическая вольт-амперная характеристика стабилитрона (диода Зенера). Напомним, что при прямом смещении стабилитрон ведет себя как обычный диод, а при большом обратном смещении проявляется эффект Зенера.
Рис. 2.15. Вольт-амперная характеристика стабилитрона
Эффект Зенера, или Зенеровский пробой (разновидность лавинного), — это явление, в результате которого диод становится проводящим при смещении р-n перехода в обратном направлении. Пороговое значение напряжения смещения Vz, при котором данный эффект становится возможным, называется напряжением Зенера или напряжением стабилизации.
Анализ вольт-амперной характеристики стабилитрона показывает, что, с одной стороны, ее излом в точке Vz не очень резкий, а с другой стороны, правая ветвь характеристики не является вертикальной. Если к этому добавить, что напряжение Vz существенно зависит от температуры и имеет заметную шумовую составляющую, станет очевидно, что стабилитрон нельзя отнести к прецизионным компонентам.
Таким образом, стабилитрон прекрасно подходит для любых задач, связанных со стабилизацией или регулированием напряжения питания, но его нельзя использовать как эталон в измерительных приборах или в АЦП. Естественно, существуют различные способы улучшения характеристик стабилитрона. К примеру, при увеличении обратного (рабочего) тока рабочая точка удаляется от излома характеристики; это повышает точность напряжения Vz, но незначительно.
Для большинства маломощных стабилитронов рабочий ток составляет в среднем от нескольких единиц до нескольких десятков миллиампер, что существенно превышает ток потребления АЦП.
На практике широко применяется схема стабилитрона с термокомпенсацией, в которой последовательно со стабилитроном включен кремниевый диод в прямом направлении. Их температурные коэффициенты близки по величине, но противоположны по знаку; в результате флюктуации тока обоих диодов, вызванные изменениями температуры, компенсируются, однако и этого по-прежнему недостаточно…
Некоторые 2-хвыводные интегральные схемы могут легко заменить стабилитроны, при этом они обеспечивают существенно лучшие характеристики. Одна из самых старых моделей — это интегральный стабилитрон ТАА 550, который выпускался в корпусе типа ТО 18 с двумя выводами и широко использовался для стабилизации напряжения систем управления варикапами в телевизорах (от 31 до 35 В при токе до 5 мА). Для получения столь высокого напряжения стабилизации в нем было применено несколько одинаковых последовательно включенных каскадов.
Компонент LM 113 имеет практически идентичную конструкцию, но его номинальное напряжение составляет лишь 1,22 В с точностью 1 %, 2 % или 5 % в зависимости от исполнения, определяемого буквой, стоящей после названия. Эта величина напряжения основана на физических свойствах кремния (знаменитая «ширина запрещенной зоны») и легко повторяема в серийном производстве.
Рекомендуемый рабочий ток для этого интегрального стабилитрона составляет от 0,5 мА до 20 мА.
Компоненты подобного типа выпускают многие изготовители — в частности, можно назвать модели ICL 8069 фирмы Intersil, AD 589 фирмы Analog Devices и др. Интегральные источники опорного напряжения (ИОН) серий LM 185, LM 285 и LM 385 основаны на том же физическом принципе, существуют также версии с напряжением 2,5 В с точностью 1 % и 2 %. Некоторые источники выполняются в корпусах с тремя выводами, при этом дополнительный третий вывод позволяет, при необходимости, регулировать параметры стабилизаторов с помощью внешнего делителя на резисторах.
Указанные источники опорного напряжения обладают следующими основными характеристиками:
Рабочий ток… 20 мкА — 20 мА
Динамическое сопротивление (на частоте 20 Гц, при токе 100 мкА)… 1 Ом
ЭДС шума (при токе 100 мкА, в полосе 10 Гц — 10 кГц)… 120 мкВ
Долговременная нестабильность (при токе 100 мкА и температуре 25 ±0,1 °C)… 20 ppm за 1000 час
Температурный коэффициент (при токе 100 мкА)… 150 ррт/°С
Чуть более дорогие, но и более стабильные устройства типа LT 1009 компании Linear Technology и REF 25 Z компании GEC Plessey также формируют опорное напряжение 2,5 В, но с точностью, соответственно, 0,2 % и 1 %.
Отметим также некоторые компоненты, родственные ИОН, но имеющие вполне определенный температурный коэффициент. Это, например, LM 135, LM 235 и LM 335, выходное напряжение которых меняется точно на 10 мВ при изменении температуры окружающей среды на один градус. В данной книге эти компоненты будут упоминаться при описании виртуальных приборов для измерения температуры.