Прецизионный источник опорного напряжения описание. Внешние источники опорного напряжения. Начальная точность, температурный дрейф и уровень шума
Потребовалось мне тут запилить ИОН, для поверки и калибровки китайских мультиметров. Причесав интернет, решил остановиться на AD780 . И вот почему:
1. Програмируемый выход 2.5v±1 mV или 3.0v±1 mV max
2.Низки дрейф от температуры 3 ppm/°C max
3. Возможность уменьшения шума (что и было реализованно в схеме)
4. Напряжение питания +5v..+36v
И вроде все хорошо, но не устраивало выходное напряжение, потому что для поверки нужно мерить на середине шкалы, а у меня предел только 2v. Маловато. Поэтому в схему был добавлен длитель напряжение 1:2, собранный из 3-х параллельных 1% резисторов в каждом плече, для уменьшения этого % до 0.33%. Итого, в зависимости от состояния перемычек, получаем 4-е напряжения: 1.25v, 1.5v, 2.5v, 3.0v.
Схему набросал
И быстренько развел Орле
Тут же вытравил и собрал.
Едиственный косяк, подрукой оказались лишь 100кОм 1% резисторы, что дает нам 33кОм выходного сопротивления. Дешевые мультиметры с входным сопротивленим в 1мОм вносят нехилые искажения. Для этих целей рекомендую уменшить сопротивление делителя до 15кОм х 3 шт в каждом плече, главное при этом не преусердстовать т.к. максимальный выходной ток у AD780 всего 50мА. Дорогие мультиметр с выходным сопротивление в 10мОм такой проблемы не имеют.
Известные отечественные интегральные источники опорных напряжений (ИОН) заметно уступают зарубежным, которые отличаются большим разнообразием, включая высокоточные малогабаритные, а также мощные как одной полярности выходных напряжений, так и двух полярностей. Широко распространены трехвыводные стабилизаторы, имеющие только вход, выход и вывод на общую шину. Существуют преобразователи батарейного питания в стабилизированное напряжение (в том числе и более высокое, чем входное), экономичные преобразователи - в повышенное и пониженное напряжение, преобразователи положительного напряжения - в отри нательное, и т. д. .
Для управления СУЛИ наибольший интерес представляют прецизионные ИОН. Широко доступны для потребителя источники опорного напряжения,
гарантирующие долговременную нестабильность не более 2 * 10 -5 за 10 3 ч
и температурный дрейф не более 3-КГ 6 / К (/Ш780?А Г) либо соответственно
5 10 -5 за 10 3 чи 1...2,5 10" 6 /АТ (ЯЕЛ02) .
Прецизионные ИОН следует применять для формирования напряжений, которые определяют режим работы схемы (опорное напряжение для АЦП, задание рабочей точки, регулировка напряжения и т. п.). Применение для этих целей напряжений питания блока некорректно. Поясним эту мысль. В последнее время широко распространены магистрально-модульные системы, в которых устройство состоит из стандартного корпуса с отдельными модулями. Этот корпус снабжен источником питания и шинами для передачи сигналов и питающих напряжений на модули и обратно. Разбиение системы на модули осуществляется из соображений функциональной законченности (что позволяет их унифицировать) и минимизации количества передаваемых сигналов между ними. Например, могут быть выделены в отдельные модули источники различных сигналов, ЦАП, АЦП, синхронные детекторы, регуляторы и т. д. Такое разбиение позволяет быстро создавать новые системы из набора стандартных модулей, а также модифицировать созданные системы, перерабатывая лишь ее отдельные части. Как правило, для питания модулей используют лишь низкие напряжения (от 6 до 24 В обеих полярностей), что обеспечивает безопасность работы с такими сис темами и простоту их отладки для модификации и испытания вновь созданных систем без дополнительных специальных мер: работать с печатной платой, на которую подведено нс более ±24 В, совсем нс то же самое, что настраивать устройство, питающееся непосредственно из сети ~220 В. Источники питания при этом едины для всей системы, расположены они непосредственно в корпусе (как в системе КАМАК) или в отдельных вставляемых модулях (как в системе МиШ-ВЦЗ). Эти напряжения стабилизируются. Поэтому велик соблазн для разработчиков системы использовать эти напряжения без дополнительной стабилизации. Для питания цифровых микросхем (кроме ЭСЛ) и некоторых аналоговых микросхем, таких как операционные усилители, ключи, УВХ, генераторы, таймеры и т. п., стабильность этих напряжений может оказаться достаточной. Однако некоторые узлы требуют особо высокой стабильности (точности) формирования их выходных параметров. Прежде всего это относится к опорным напряжениям для АЦП, ЦАП, компараторов, питания измерительных мостов, стабильных генераторов, стабильных таймеров, микросхем серии ЭСЛ и т. д. Рассмотрим, например, систему, содержащую два модуля, как показано на рис. 4.41.
Даже если блок питания системы формирует питающее напряжение с высокой точностью, проводники, доставляющие это напряжение в модули, обладают ненулевым сопротивлением. В этом случае включение в блок дополнительного узла или изменение потребляемой мощности любого другого узла в блоке может вызвать изменение напряжения питания и повлиять на работу данного узла. Перестановка узла в другой идентичный блок также в этом случае потребует новой настройки узла или даже всей системы. Источник опорного напряжения (ИОН) непосредственно на плате по месту потребности стабильного напряжения устраняет эту проблему.
Рис. 4.41.
Отечественные источники опорных напряжений представлены серией КР142 и некоторыми другими сериями, содержащими источники на фиксированные положительные напряжения: КР142ЕН5А(Б, В, Г), КР142ЕН8А(Б, В, Г), КР142ЕН9А(Б, В, Г), источники отрицательного напряжения КР142ЕН10, регулируемые однополярные источники КР142ЕН12, регулируемые двухполярные источники КР142ЕН6, и т. д. . Основные параметры отечественных ИОН представлены в табл. 4.10 и 4.11.
Таблица 4.10
Характеристики интегральных стабилизаторов
|
Тип стаби- лизатора |
№х- - ^вых} шт |
Лют |
|||||
Окончание табл. 4.10
|
Тип стабилизатора |
№х- - ?4ых} піт |
Лют |
|||||
|
2Х(14,5... 15,5) |
|||||||
|
2Х(14,5... 15,5) |
Таблица 4.11
Характеристики популярных интегральных стабилизаторов
|
Тип сгабили- затора |
{^вх- - ^вых} П11П |
Лют |
|||||
Таблица 4.12
Параметры микросхемы Л/)780
Окончание табл. 4.12
Прецизионный источник опорного напряжения Л?)780 позволяет задавать опорное напряжение с высокой точностью и измерять температуру. Эта микросхема может применяться для создания прецизионных источников тока полупроводникового лазера и в системах термостабилизации лазеров всех типов. Ее электрические параметры даны в табл. 4.12.
Наука начинается там, где начинают измерять. И как мы знаем, точность, это характеристика качества измерений, отражающая степень близости результатов измерений к истинному значению измеряемой величины. Иными словами, берясь за новый, или наоборот, видавший виды мультиметр или стрелочный вольтметр нас как минимум должен беспокоить вопрос, насколько точны его показания?
Это действительно важно, поскольку проводя измерения и наладку аппаратуры китайскими приборами мы должны быть уверены, что все сделали правильно. Поэтому проверить, насколько точно откалиброван измерительный прибор, задача первостепенной важности! Как же это сделать? Точные фирменные, и поверенные приборы стоят очень дорого, равно как и лабораторные эталоны напряжений для калибровки, да и в ВНИИФТРИ знакомые есть далеко не у всех. Однако выход есть. Можно взять достаточно точный источник опорного напряжения на ИМС измерить в нормальных условиях отдаваемое им напряжение на поверенном приборе (откалибровать) и приложить эту информацию к источнику напряжения для того, чтобы использовать в процессе проверки оборудования. Естественно, точность такого источника напряжения будет определяться множеством факторов, но главным образом температурой окружающей среды и точностью прибора которым проводились калибровочные измерения. Показания такого источника напряжения со временем дрейфуют крайне незначительно. Таким образом, наш источник опорного напряжение становится своего рода носителем информации о более дорогом и точном измерительном приборе. Задача сделать такой источник опорного напряжения, казалось бы, достаточно сложная, но Китай, как всегда, спешит на помощь. Мне удалось найти автономный источник опорного напряжения на микросхеме AD584 (Analog Devices) с программируемым выходом и 4 выходными напряжениями, которые прекрасно подойдут для проверки показаний и калибровки любого мультиметра. Точности такого источника для радиолюбительских целей более чем достаточно. Как говориться, точно в яблочко может, и не попадешь, но ногу себе точно не отстрелишь.
Немного о AD584
AD584 представляет собой прецизионный источник опорного напряжения с возможностью программируемого выбора из четырех разных выходных напряжений: 10.0 В, 7.5 В, 5.0 В и 2.5 В. Кроме того, возможно получение другого выходного напряжения, лежащего выше, ниже или между этими четырьмя стандартными значениями, с помощью внешнего сопротивления. Входное напряжение микросхемы может изменяться от 4.5 В до 30 В. Для точной подгонки напряжений и температурного коэффициента используется лазерная технология Laser Wafer Trimming (LWT).
В дополнение к программируемым выходным напряжениям AD584 имеет уникальный вывод стробирования, который позволяет включать и выключать прибор. Когда AD584 используется в качестве источника опорного напряжения в схеме питания, питание может быть выключено с помощью одного маломощного сигнала. В состоянии «выключено» ток потребления микросхемы уменьшается приблизительно до 100 мкА. В состоянии «включено» общий ток потребления, включая выходной буферный усилитель, составляет обычно 750 мкА.
Микросхема во всех отношениях замечательная и заслуживает пристального внимания. Почти все подобные источники опорного напряжения, используемые для калибровки и производимые в поднебесной сделаны как раз на AD584. Например, вот пара разных вариантов исполнения. Раз и два .
Подробнее об источнике опорного напряжения
Свой источник опорного напряжения для калибровки имеющихся у меня мультиметров я заказывал на AliExpress вот у этого продавца.
Поставляется источник без какой-либо упаковки и выглядит вот так.
В корпусе из оргстекла заключена плата с источником напряжения, «сервисом» и встроенном аккумулятором. Такую штучку можно взять с собой на рынок и проверять мультиметры при покупке, отбраковывая, что называется, не отходя от кассы.
На нижней крышке находится наклейка с измеренными напряжениями конкретно этого источника.
Измерения проводятся на дорогущем и навороченном прецизионном мультиметре Agilent 34401A (сейчас такой стоит около 1600$), что дает основание этим показаниям более-менее верить. Измерения проводятся при температуре 21 градус Цельсия.
Разберем корпус и внимательно изучим плату и компоненты на ней.
Аккумулятор. Приклеен к нижней крышке. Напряжение аккумулятора 3,7В.
Монтажная плата снизу.
Непосредственно источник опорного напряжения AD584KH.
Буква К, говорит о том, что этот прибор может работать при температурах от 0 до +70 градусов по Цельсию, а также указывает на класс точности. Есть и более экзотические варианты AD584, например, с буквой S, способные работать от -55 до +125 градусов по Цельсию. Мой экземпляр видимо был выдран из какой-то старой техники, о чем говорят боевые шрамы на его корпусе. Значит, скорее всего, это не подделка.
Как видно на фото, закреплен источник на плате особой конструкции. Скорее всего это сделано, для термостатирования, дабы нагрев платы не сильно влиял на характеристики самого источника.
Здесь же на плате находится миниатюрный импульсный повышающий преобразователь напряжения.
Ясное дело, если питать наш источник от слабенького аккумулятора, для формирования напряжения в 5 В и выше, требуется напряжение не ниже 13 В. Преобразователь построен на микросхеме AP34063. В моем экземпляре кривые руки китайцев при сборке повредили индкутивность, но на работу преобразователя и источника это не влияет.
Выходные напряжения источника выбираются последовательно кнопкой и выбранное значение обозначается соответствующим светодиодом. Очень удобно. Включается и выключается прибор длительным нажатием на эту же кнопку.
Сзади расположилось гнездо для подключения зарядного устройства и внешнего питания.
Практика использования
В моей скромной лаборатории постоянно используются три мультиметра, это два переносных, заслуженный и проверенный временем Mastech MS8269 и UNI-T UT61E, а также один стационарный Vichy VC8145.
Кто-то спрашивал, чем я пользуюсь при работе в ремонте и модернизации радиостанций? Вот этим вот и пользуюсь. Проверка всех трех мультиметров показала, что с ними все в полном порядке и подстройка им если и нужна, то весьма незначительная.
Mastech + UNU-T (hold). В рамочке напряжение источника.
Vichy. В рамочке напряжение источника.
Минусы
Что не понравилось, так это то, что отверстия для щупов сквозные! И кроме мусора внутрь корпуса прибора могут попасть любые металлические предметы. А уж о том, что самим щупом можно невзначай закоротить схему внутри источника я уже и не говорю.
Update 29.12.15
Сегодня удалось получить доступ к поверенному (правда поверка уже просрочена на пару месяцев) к высокоточному мультиметру Agilent 34461A. Это следующая более современная модель выпущенная после Agilent 34401A.
Собственно сертификат о калибровке (конверт вскрыть не дали, но не думаю, что там лажа).
И результаты измерений.
Как видим, отличие только в 4 знаке после запятой, да и разрыв в заявленном и фактически измеренном очень мал. Это значит, что написанному на нашей волшебной коробочке можно верить!
Итог
В целом, для калибровки радиолюбительской аппаратуры такой источник можно смело рекомендовать к использованию. Он компактный, откалиброван по точным приборам, может автономно работать от встроенной АКБ, это значит, что его можно использовать и в полевых условиях. В общем, как говориться, маст хэв для любителей точных измерений!
Устройствам аналогового вывода также требуется опорный потенциал. От точности и, особенно, температурной и временной стабильности ИОНа зависит точность всего прибора. В ряде случаев требуются малые габариты и низкое энергопотребление.
В таблице 1 приведены основные параметры и особенности микросхем. В основе обычно (но не всегда) лежит так называемая bandgap-схемотехника, а выходное напряжение укладывается в ряд стандартных значений (В):
| 1,250 | 2,500 | 4,500 |
| 1,600 | 3,000 | 5,000 |
| 1,800 | 3,300 | 10,000 |
| 2,048 | 4,096 |
Таблица 1. Основные параметры и особенности микросхем
| Микро- схема |
Выходное напряжение, В | Макс. напр. питания, В | Макс. темп. дрейф, ppm/°C | Макс. начальная ошибка, %, 25 °C | Макс. ток потреб- ления, мкА |
Особенности |
|---|---|---|---|---|---|---|
| MAX6037 | Adj; 1,25; 2,048; 2,5; 3;3,3; 4,096 | 5,5 | 25 | 0,2 | 275 | Корпус SOT23, режим Shutdown, регулируемый выход |
| MAX6125, MAX6141, MAX6145, MAX6150, MAX6160 |
Adj; 2,5; 4,096; 4,5; 5 | 12,6 | 50, 100 | 1 | 110 | Низкая цена, корпус SOT23, регулируемый выход |
| MAX6001-MAX6005 | 1,25; 2,5; 3; 4,096; 5 | 12,6 | 100 | 1 | 45 | Низкая цена, низкое энергопотребление, корпус SOT23 |
| MAX6012, MAX6021, MAX6025, MAX6030, MAX6041, MAX6045, MAX6050 |
1,247; 2,048; 2,5; 3; 4,096; 4,5; 5 | 12,6 | 15 | 0,2 | 35 | Прецизионный, низкое энергопотребление, корпус SOT23 |
| MAX6018 | 1,263; 1,6; 1,8; 2,048 | 5,5 | 50 | 0,2 | 5 | Сверхнизкое энергопотребление, корпус SOT23, работа от 1,8 В |
| MAX6023 | 12,6 | 30 | 0,2 | 35 | Низкое энергопотребление, сверхминиатюрный корпус UCSP | |
| MAX6061-MAX6068 | 1,248; 1,8; 2,048; 2,5; 3; 4,096; 4,5; 5 | 12,6 | 20 | 0,2 | 125 | Корпус SOT23, вых. ток до 5 мА |
| MAX6100-MAX6107 | 12,6 | 75 | 0,4 | 125 | Низкая цена, корпус SOT23, вых. ток до 5 мА | |
| MAX6161-MAX6168 | 1,25; 1,8; 2,048; 2,5; 3; 4,096; 4,5; 5 | 12,6 | 5 | 2 мВ | 150 | Прецизионный, вых. ток до 5 мА |
| MAX6190-MAX6195, MAX6198 | 1,25; 2,048; 2,5; 3; 4,096; 4,5; 5 | 12,6 | 5 | 2 мВ | 35 | Прецизионный, низкое энергопотребление, альтернатива REF191/2/3/4/5/8 |
| MAX6034 | 2,048; 2,5; 3; 3,3; 4,096 | 5,5 | 30 | 0,2 | 125 | Низкое энергопотребление, сверхминиатюрный корпус SC70 |
| MAX6126 | 2,048; 2,5; 3; 4,096; 5 | 12,6 | 3 | 0,02 | 550 | Сверхпрецизионный, сверхмалошумящий, корпус mMAX |
| MAX6129 | 2,048; 2,5; 3; 3,3; 4,096; 5 | 12,6 | 40 | 0,4 | 5,25 | Сверхнизкое энергопотребление, корпус SOT23 |
| MAX6033 | 2,5; 3; 4,096; 5 | 12,6 | 7 | 0,04 | 75 | Сверхпрецизионный, корпус SOT23 |
| MAX6035 | 2,5; 3; 5 | 33 | 25 | 0,2 | 95 | Высокое напряжение питания, корпус SOT23 |
| MAX6043 | 2,5; 3,3; 4,096; 5; 10 | 40 | 15 | 0,05 | 490 | Прецизионный, малошумящий, высокое напряжение питания, корпус SOT23 |
| MAX6133 | 2,5; 3; 4,096; 5 | 12,6 | 3 | 0,04 | 65 | Сверхпрецизионный, низкое энергопотребление, корпус mMAX |
| MAX6143 | 2,5; 3,3; 4,096; 5; 10 | 40 | 3 | 0,05 | 550 | Сверхпрецизионный, малошумящий, высокое напряжение питания, датчик температуры, режим Shutdown |
| MAX6173-MAX6177 | 2,5; 3,3; 4,096; 5; 10 | 40 | 3 | 0,05 | 550 | Сверхпрецизионный, малошумящий, высокое напряжение питания, датчик температуры |
| MAX6220 | 2,5; 4,096; 5 | 40 | 20 | 0,1 | 3,3 мА | Прецизионный, сверхмалошумящий, высокое напряжение питания |
| MAX6225, MAX6241, MAX6250 | 2,5; 4,096; 5 | 36 | 2 | 0,02 | 3,0 мА | |
| MAX6325, MAX6341, MAX6350 | 2,5; 4,096; 5 | 36 | 1 | 1 мВ | 3,0 мА | Сверхпрецизионный, сверхмалошумящий, высокое напряжение питания |
MAX6037_ADJ и MAX6160 имеют регулируемый выход. Выходное напряжение может быть установлено в пределах от 1,184 В до 5,0 В и от 1,23 В до 12,4 В соответственно с помощью внешнего делителя.
Максимальное входное напряжение, как правило, составляет 5,5 В либо 12,6 В. Ряд микросхем работоспособен при входном напряжении до 40 В.
НАЧАЛЬНАЯ ТОЧНОСТЬ, ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДРЕЙФ И УРОВЕНЬ ШУМА
Эти параметры являются основными и чаще всего взаимосвязаны. Наилучшую начальную точность (макс. ошибка 0,02%) и наименьший уровень шумов (типовое значение амплитуды от пика до пика 1,3 мкВ для выходного напряжения 2,048 В и диапазона частот от 0,1 Гц до 10 Гц) имеет микросхема MAX6126. При этом температурный дрейф не превышает 3 ppm/°C. Вариант исполнения в корпусе mMAX является самым миниатюрным ИОНом в мире с такими высокими точностными параметрами.
Настоящим чемпионом по температурной стабильности является серия микросхем MAX6325/MAX6341/MAX6350 с максимальным температурным дрейфом 1 ppm/°C. Эти изделия также обладают очень низким уровнем шумов (типовое значение амплитуды от пика до пика 1,5 мкВ для MAX6325 и диапазона частот от 0,1 Гц до 10 Гц) и высокой начальной точностью (макс. ошибка ±1 мВ).
РАЗМЕР КОРПУСА, ПОТРЕБЛЯЕМАЯ МОЩНОСТЬ
Зачастую перед инженерами-схемотехниками встает задача разработать устройство с очень низким энергопотреблением. Как правило, это приборы с батарейным питанием. Размер корпуса в таких устройствах тоже может иметь существенное значение. Большое количество микросхем источников опорного напряжения фирмы MAXIM поставляется в малогабаритных корпусах SOT23, SC70, mMAX. MAX6023 поставляется в корпусе UCSP размером 1 х 1,5 мм.
Стоит обратить внимание на ИОН MAX6129. При максимальном потреблении 5,25 мкА (для выходного напряжения 2,048 В) выходной ток данной микросхемы может достигать 4 мА, а температурный дрейф не превышает 40 ppm/°C. Максимальная начальная ошибка составляет 0,4%. Микросхема поставляется в миниатюрном корпусе SOT-23 и может работать без входного и выходного конденсаторов с емкостью нагрузки до 10 мкФ.
Исключение внешних конденсаторов позволяет дополнительно сэкономить место на печатной плате. Следует отметить, что большин-ство источников опорного напряжения компании Maxim могут работать без внешних конденсаторов.
ВКЛЮЧЕНИЕ И ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
В большинстве случаев источник опорного напряжения — это трехвыводная микросхема с двумя выводами питания и выводом для подключения нагрузки.
Рис. 1.
Рис. 2.
В качестве примера использования источника опорного напряжения приведена схема на рисунке 2. Это устройство для оцифровки аналогового входного сигнала (токовой петли (0…20) мА или (4…20) мА). В качестве ИОНа использована уникальная микросхема MAX6033, которая сочетает в себе, с одной стороны, высокую точность, стабильность и низкий уровень шумов, а с другой — низкое потребление и малые габариты.
Представленная на рисунке схема имеет следующие основные параметры:
- Максимальная ошибка — менее 0,2%
- Температурный дрейф — менее 8 ppm/°C (тип.)
- Максимальный ток потребления — 335 мкА (при скорости 100 тыс. выборок в секунду)
- Напряжение питания — от +2,7 В до +12,6 В
- Малые габариты — SOT23 (MAX6033), TDFN (MAX1393), 5,8 х 2,2 мм (R1)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Дополнительную информацию и более подробные технические характеристики, а также информацию о так называемых двухвыводных (shunt ) устройствах можно найти на сайте www.maxim-ic.com/References .
По вопросам получения технической информации, заказа образцов и поставки обращайтесь в компанию КОМПЭЛ. Е-mail: .
Новые программируемые многоканальные 16-/14-битные АЦП
Компания Maxim Integrated Products представила семейство 16-/14-битных АЦП MAX1300-MAX1303 и MAX1032-MAX1035. Эти новые устройства впервые в отрасли имеют входной диапазон ±12 В. Интегрированное программное обеспечение позволяет пользователю дистанционно конфигурировать каждый вход микросхемы под определенный диапазон напряжений. Каждый входной канал может быть запрограммирован для использования семи различных входных диапазонов в случае несимметричных входов и трех различных входных диапазонов в случае дифференциальных входов. Представлены следующие программируемые диапазоны аналоговых входных напряжений: ±24 В, ±12 В, ±6 В, ±3 В, от 0 до +12 В, от -12 В до 0, от 0 до +6 В и от -6 В до 0.
Это семейство АЦП предлагает до восьми несимметричных или четырех дифференциальных входов, каждый из которых выдерживает повышение входного напряжения до ±16,5 В. По сравнению с традиционными изделиями, эта возможность дает клиенту больше гибкости при выборе АЦП для проектирования и позволяет использовать одну разработку с различными платформами.
Новые АЦП позволяют получать точные значения измерений датчиков температуры и давления, мостов сопротивления, ПЛК, контуров в диапазоне от 4 до 20 мА при нормальных условиях эксплуатации, а также в условиях повышения напряжения. При этом устройства используют диапазон аналогового входного напряжения ±12 В.
Другие характеристики АЦП соответствуют и даже превосходят ожидания разработчиков.
Высокий КПД по переменному току (коэффициент гармонических искажений -79 дБ) и точность по постоянному току (±2 наим. зн. бита интегральной линейности) делают устройства идеальными для систем управления в промышленности, приборостроения и систем сбора данных.
В статье рассматривается новое семейство прецизионных источников опорного напряжения (ИОН) из производственной линии Burr-BrownREF50xx . Эти ИОН выполнены по архитектуре бэндгап, но по характеристикам начального разброса, температурного дрейфа и шума способны конкурировать с другими лидирующими по уровню прецизионности архитектурами.
Источники опорного напряжения являются важной составной частью любого цифрового оборудования с функцией ввода/вывода аналоговых сигналов. Параметры этого прибора напрямую влияют на уровень рабочих характеристик конечной продукции. Возможностей встроенного в микроконтроллеры ИОН, при работе во всем рабочем диапазоне температур, хватит в лучшем случае на обеспечение 8-битной разрешающей способности. Например, чтобы обеспечить точность работы в 1/2 м.з.р. интегрируемого во многие микроконтроллеры 10-битного АЦП необходимо, чтобы диапазон изменения выходного напряжения ИОН не превышал 1,22 мВ (для ИОН на напряжение 2,5 В). В случае встроенного ИОН, который не предусматривает возможности подстройки выходного напряжения, в этот уровень должно уложиться изменение выходного напряжения, вызванное влиянием как температурного дрейфа, так и начального разброса. Таким образом, при обоснованном подходе к выбору ИОН для применений с 10-битной и более разрешающей способностью преобразования, скорее всего, возникнет потребность в применении внешнего ИОН. К дополнительным преимуществам такого выбора также относятся:
Возможность выбора ИОН с подходящим к заданным условиям применения выходным напряжением, меньшим уровнем шума, функцией аналоговой подстройки выходного напряжения, другими вспомогательными функциями и пр.;
Возможность работы не только совместно с АЦП/ЦАП, но и с внешней аналоговой схемой сопряжения;
Более высокая нагрузочная способность;
Возможность лучшей изоляции от влияния потребляемого цифровыми ИС тока.
Первый интегральный ИОН был разработан в 1969 году легендарным изобретателем и виртуозом транзисторных схем Робертом Видларом (в то время сотрудником National Semiconductor) в ходе работы над первым однокристальным 20-ваттным линейным стабилизатором напряженияLM109. Позже, в 1971 году, Видлар совместно с еще одним легендарным разработчиком Робертом Добкиным разрабатывают первый монолитный ИОНLM113. Этот ИОН получил название «бэндгап» (или ИОН на разности база-эмиттерных напряжений). Он был двухвыводным прибором и включался в схему по типу стабилитрона. Даже сейчас многие разработчики предпочитают называть ИОН этого типа программируемыми стабилитронами и обозначать их на схеме как стабилитроны, хотя правильнее их называть «ИОН параллельного (или шунтового) типа», что указывает на подключение параллельно нагрузке. Некоторые ИОН этого типа, например, TL431 компании Texas Instruments, выпускаются уже много лет и по-прежнему сохраняют свою популярность. Более совершенный, с точки зрения прецизионности, последовательный тип бэндгап ИОН был предложен Полом Брокау в конце 1970-х и выпускался компанией Analog Devices под наименованиемAD580. Он отличался 3-выводным подключением (по типу стабилизатора напряжения), позволял с помощью резистивного делителя напряжения устанавливать требуемое выходное напряжение (с использованием развивающейся в то время технологии лазерной подгонки параметров) и допускал возможность протекания выходного тока в обоих направлениях. Именно этот тип ИОН, ввиду оптимального соотношения «цена - качество» и сравнительной доступности в широком числе исполнений, со временем стал наиболее распространенным и выпускается в настоящее время множеством производителей.
Одним из лидеров в области разработки и производства бэндгап ИОН является компания Texas Instruments (TI). Одна из ее недавних разработок, серия REF50хх, стала настоящим прорывом для ИОН типа бэндгап, т.к. теперь по совокупности рабочих характеристик и степени прецизионности их можно поставить на одну ступеньку с лидирующими на данный момент архитектурами XFET компании Analog Devices и FGA компании Intersil (последняя архитектура была разработана в 2003 году компанией Xicor, год спустя вошедшей в состав Intersil; ее принцип действия идентичен ЭСППЗУ, но для хранения данных не в двоичной форме, а в аналоговой). Убедиться в этом поможет таблица 1, где представлены характеристики представителей семейства REF50xx и лучших ИОН с выходным напряжением 2,5 В, выполненных по технологиям FGA, XFET и стабилитрона со скрытым пробоем.
Таблица 1.Основные характеристики ИОН семейства REF50xx и лучших конкурирующих решений
| Семейство REF50xx |
Сравнение с лучшими конкурирующими решениями (V OUT = 2,5 В) |
|||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| REF5020 | REF5025 | REF5030 | REF5040 | REF5045 | REF5050 | ISL21009 | ADR291 | MAX6325 | ||
| Архитектура | Бэндгап, последовательный тип | FGA | XFET |
Стабили- трон со скрытым пробоем |
||||||
| Выходное напряжение V OUT , В | 2,048 | 2,5 | 3 | 4,096 | 4,5 | 5 | 2,5 | 2,5 | 2,5 | |
| Начальный разброс (25°С), % | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,08 | 0,04 | |
| Макс. ТК, ppm/°C | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 1 | |
| Макс. ток нагрузки I OUT , мА | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 7 | 5 | 15 | |
| Собственный потребляемый ток I Q , не более, мкА | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 180 | 12 | 3000 | |
| Входное напряжение V IN , В | 2,7...18 | 2,7...18 | 3,2...18 | 4,296...18 | 4,7...18 | 5,2...18 | 3,5...16,5 | 2,8...15 | 8...36 | |
| Размах напряжения шума eN (0,1...10 Гц), мкВ | 6 | 7,5 | 9 | 12 | 13,5 | 15 | 4,5 | 8 | 1,5 | |
| Корпус | 8-SOIC | 8-SOIC, 8-TSSOP | 8-DIP/SOIC | |||||||
| Рабочий температурный диапазон, °C | -40 ...125 | -40...85 | ||||||||
Знакомство с семейством REF50xx
Как следует из таблицы 1, семейство REF50xx состоит из шести ИОН, различающихся уровнем выходного напряжения. Кроме того, каждый из этих ИОН доступен в двух исполнениях: повышенной точности (характеристики представлены в таблице 1) и стандартном. Точностные характеристики стандартного исполнения примерно в два раза хуже, чем у исполнения повышенной точности.
Все виды и исполнения ИОН доступны в 8-выводных корпусах двух типов: SO и MSOP. Расположение выводов представлено на рисунке 1а.
Рис. 1.Расположение выводов и упрощенная структурная схема ИОН REF50xx
Здесь же, на рисунке 1б, показана упрощенная структурная схема ИОН REF50xx.
Основой ИОН REF50xx является элемент бэндгап на напряжение 1,2 В. Это напряжение затем буферизуется и масштабируется до требуемого выходного уровня с помощью неивертирующего усилительного каскада, выполненного на основе прецизионного операционного усилителя (ОУ). Предусмотрена возможность влияния на коэффициент передачи этого усилительного каскада через вывод TRIM. Подключение потенциометра к этому выводу позволяет корректировать выходное напряжение в пределах ±15 мВ. Еще одной дополнительной возможностью REF50xx является возможность контроля температуры кристалла через вывод TEMP. Напряжение на этом выводе зависит от температуры (выражение этой зависимости показано на рисунке 1б). Важно обратить внимание на то, что функция контроля температуры больше подходит для контроля изменений температуры, чем ее абсолютного значения, т.к. погрешность измерения достаточно велика и составляет приблизительно ±15°С . Тем не менее, данная функция вполне применима в схемах температурной компенсации аналоговых каскадов. Выход TEMP является высокоомным, поэтому при работе со сравнительно низкоомными нагрузками потребуется его буферизация с помощью ОУ, обладающего малым температурным дрейфом. Производитель рекомендует использовать для этих целей ОУOPA333, OPA335 илиOPA376.
Обзор рабочих характеристик
Начальный разброс
Величина начального разброса демонстрирует, насколько может отклониться выходное напряжение ИОН относительно номинального значения сразу после подачи питания и при комнатной температуре (25°С). Как уже упоминалось, ИОН REF50xx выпускаются в двух исполнениях с начальным разбросом 0,05% (50 ppm) и 0,1% (100 ppm). Таким образом, начальный разброс даже стандартных исполнений отвечает требованиям систем с разрешающей способностью не меньше 12 бит и погрешностью преобразования 1 м.з.р. (для диапазона преобразования 2,5 В этим условиям эквивалентна разрешающая способность 610 мкВ, а у ИОН 2,5 В ±0,01% выходное напряжение отклоняется на величину не более 250 мВ). Если же задействовать возможность подстройки выходного напряжения, то, без учета прочих ограничений (температурный дрейф, шум), разрешающая способность может быть расширена до 16 бит.
Температурный дрейф (температурный коэффициент, ТК)
Данная характеристика показывает, насколько изменится выходное напряжение при изменениях температуры. ИОН REF50xx характеризуются очень малым ТК, который составляет 3 ppm/°C у исполнений повышенной точности и 8 ppm/°C у стандартных исполнений. Значение ТК 8 ppm/°C для ИОН напряжением 2,5 В означает, что при работе в температурном диапазоне шириной 100°С (например, -25...75°С) выходное напряжение ИОН будет изменяться на величину 2,0 мВ. Из этого следует, что ТК рассматриваемых ИОН вполне достаточно для обеспечения 10-битной разрешающей способности в широком диапазоне температур с погрешностью преобразования 1/2 м.з.р., а добиться более высокого разрешения можно только в более узком диапазоне температур. Для 16-битной системы с погрешностью преобразования 1/2 м.з.р. допускается относительное изменение напряжения всего лишь на 7,6 ppm (0,00076%). Таким образом, ИОН REF50xx смогут добиться такой точности лишь в полностью статических температурных условиях (отклонение не более 1...2°С). В 14-битной системе при прочих равных условиях REF50xx уже смогут обеспечить требуемую точность при колебаниях температуры до 10°С, в 12-битной - 40°С, в 10-битной - 160°С.
Выходное напряжение любого ИОН имеет шумовую составляющую. Шум, особенно низкочастотный, может затруднить измерение напряжения с высокой разрешающей способностью и/или с высоким быстродействием. Типичные значения размаха напряжения шума в диапазоне частот 0,1...10 Гц приведены в таблице 1 (распространяются и на стандартные исполнения). Данные значения вполне адекватны требованиям систем с разрешающей способностью до 14 бит включительно и погрешностью преобразования 1/2 м.з.р.
Нестабильность по входу и нагрузке
Данные характеристики позволяют оценить, насколько изменится выходное напряжение при колебаниях входного напряжения и тока нагрузки. Нестабильность по входу у всех ИОН REF50xx составляет не более 1 ppm/В, а по нагрузке - 50 ppm/мА (во всем рабочем диапазоне температур). Нестабильность по нагрузке можно также трактовать как выходное сопротивление ИОН, т.е. 50 ppm/мА означает, что выходное сопротивление ИОН на напряжение 2,5 В равно 2,5 × 50 =125 мОм.
Максимальный выходной ток
Несмотря на то, что ИОН REF50xx допускают протекание на выходе как втекающего, так и вытекающего тока величиной до 10 мА, желательно не использовать ИОН на пределе его возможностей. При работе с токами, близкими к предельным, не исключены самонагрев кристалла ИОН и возникновение вдоль микросхемы тепловых градиентов, негативно влияющих на точность и стабильность системы. Также важно заметить, что ИОН REF50xx оснащены защитой выхода от короткого замыкания с линиями питания (ток к.з. ограничивается на уровне 25 мА), что делает их более надежными приборами.
Диапазон напряжения питания
ИОН REF50xx рассчитаны на работу в достаточно широком диапазоне напряжения питания: от 2,7 В у самых низковольтных приборов до 18 В. Однако эти характеристики не следует трактовать как возможность работы от нестабилизированного напряжения, т.к. чтобы добиться прецизионных характеристик, ИОН лучше питать с выхода линейного стабилизатора напряжения, который примет на себя решение многих проблем, связанных с фильтрацией шума, подавлением переходных процессов на входе питания и др. Нижняя граница диапазона напряжения питания определяется еще одной характеристикой - минимально-допустимым перепадом напряжения. Его величина зависит от тока нагрузки и температуры, и при наихудших условиях (10 мА, 125°С) составляет чуть более 700 мВ. Если, исходя из озвученных выше рекомендаций, обеспечить работу с током, вдвое меньшим относительно максимального (т.е. 5 мА), то величина минимального перепада напряжения будет лежать в пределах 0,3...0,4 В в диапазоне температур 25...125°С, соответственно.
Потребляемый ток
ИОН REF50xx характеризуются достаточно большим потребляемым током, если сравнивать с конкурирующими технологиями FGA и XFET, что видно из таблицы 1. Столь высокое потребление свойственно другой прецизионной архитектуре: ИОН на стабилитроне со скрытым пробоем. Таким образом, применение REF50xx ограничено в приложениях с батарейным питанием, где требуется непрерывная работа ИОН. Однако и в приложениях с периодической работой ИОН существует еще одно ограничение - время установления после подачи питания. У REF50xx оно достаточно большое: при работе с нагрузочным конденсатором 1 мкФ типичное значение времени установления равно 200 мкс. Таким образом, эти ИОН больше подходят для работы в составе стационарной прецизионной аппаратуры, для которой более низкая себестоимость продукции более важна, чем характеристики энергопотребления.
Типичные применения и схемы включения
Как уже упоминалось, ввиду достаточно большого энергопотребления, но и сравнительно небольшой стоимости, ИОН семейства REF50xx идеальны для работы в составе высокоточного стационарного оборудования с разрешающей способностью преобразования до 16 бит, в т.ч.:
Системы сбора данных;
Автоматизированное испытательное оборудование;
Устройства промышленной автоматики;
Медицинское оборудование;
Прецизионные контрольно-измерительные приборы.
Базовая схема включения, которая не предусматривает использование функций контроля температуры и подстройки выходного напряжения, показана на рисунке 2а. В этой конфигурации ИОН дополняется снаружи всего лишь двумя компонентами: блокировочный конденсатор на входе емкостью 1...10 мкФ и нагрузочный конденсатор на выходе емкостью 1...50 мкФ. Нагрузочный конденсатор должен относиться к типу «low ESR», т.е. обладать малым эквивалентным последовательным сопротивлением. При необходимости подстройки выходного напряжения, эту схему необходимо дополнить схемой на рисунке 2б. Важно понимать, что использование недорогого резистора типа «сermet» в качестве подстроечного может привести к ухудшению ТК ИОН, т.к. ТКС этого резистора превышает 100 ppm. Более предпочтительно использовать прецизионные проволочные или металло-фольговые типы подстроечных резисторов с 5%-ым допуском на сопротивление и ТКС менее 50 ppm.
Рис. 2.Схемы
включения REF50x: базовая (а), с подстройкой выходного напряжения (б)
и в составе 16-битной системы сбора данных: с однополярным (в) и
двуполярным (г) входом
На рисунке 2 в можно увидеть пример построения входного каскада одноканальной 16-битной системы сбора данных с входным диапазоном 0...4 В . Здесь входной сигнал буферизуется прецизионным ОУOPA365, включенным по схеме неинвертирующего усилителя-повторителя. Далее сигнал фильтруется RC-цепью и поступает на вход 16-битного АЦПADS8326. Измерительный диапазон задается ИОНREF5040 на напряжение 4,0 В. Благодаря поддержке ОУ полного размаха напряжения на входе и выходе (тип rail-to-rail) и малому минимальному перепаду напряжения ИОН, схема способна работать от 5-вольтового источника питания.
Еще один пример, но уже для преобразования двуполярного сигнала в диапазоне ±10 В, показан на рисунке 2г. Схема отличается применением во входном каскаде инструментального усилителяINA159, который выполняет преобразование двуполярного диапазона ±10 В в однополярный 0...4 В. В качестве АЦП используется 16-битный АЦП с однополярным входом и частотой преобразования до 1 МГцADS8330.
Несмотря на то, что ИОН семейства REF50хх выполнены по архитектуре бэндгап, они обладают столь высокой прецизионностью, что их можно поставить в один ряд с такими лидирующими архитектурами, как стабилитрон со скрытым пробоем, XFET и FGA.
В семейство входят шесть ИОН на различные выходные напряжения в диапазоне от 2,048 до 5 В. Кроме того, каждый из этих ИОН доступен в двух исполнениях: стандартном и повышенной точности. Все ИОН поддерживают возможность подстройки выходного напряжения и контроля температуры.
Существенными недостатками ИОН являются их высокое энергопотребление (1 мА) и большое время установления после подачи питания (200 мкс), что ограничивает возможность их применения в критичных к уровню энергопотребления системах. Производитель указывает на возможность применения ИОН в системах с разрешающей способностью до 16 бит включительно.