Konstrukcje i parametry źródeł napięcia odniesienia

Źródła napięcia referencyjnego, typu burried Zener lub bandgap (rys. 1), występują zwykle w jednej z dwóch konfiguracji: typu shunt (bocznikowej) lub szeregowej. Te pierwsze to komponenty dwuzaciskowe, łączone równoległe z obciążeniem. Jeden pin takiego układu połączony jest z masą, natomiast drugi z zewnętrznym rezystorem, który jest również połączony z zasilaniem. Wspólny zacisk diody i rezystora jest natomiast wyjściem źródła napięcia referencyjnego (rys. 2).

Źródła bocznikowe vs. szeregowe

Rys. 1. Przykład realizacji źródła napięcia referencyjnego typu bandgap (układ LT1004 firmy Linear Technology)

Wartość rezystancji zewnętrznego opornika powinna być tak dobrana, żeby minimalne oraz maksymalne natężenie prądów płynących przez źródło napięcia odniesienia mieściło się w określonym przedziale w całym zakresie zmienności napięć zasilania i natężenia prądu obciążenia. Przyjmując, że obie te wielkości zmieniają się nieznacznie, łatwo jest dobrać ten rezystor. Jeżeli jednak te dwie, albo którakolwiek z nich, może się zmienić znacząco, rezystor powinien to skompensować. Z tym zwykle wiążą się większe straty mocy niż w normalnych warunkach.

Źródła napięcia odniesienia typu shunt mają liczne zalety. Najważniejsze z nich to prosta konstrukcja, małe wymiary, dobra stabilność w szerokim zakresie zmian obciążenia i możliwość pracy przy wysokich napięciach zasilania (większość odkłada się na zewnętrznym oporniku). Dodatkowo, łatwo można w tej topologii zbudować źródło napięcia ujemnego.

Szeregowe źródła napięcia odniesienia to z kolei układy trzyzaciskowe (rys. 3). Ich główną zaletą jest pobór stałego prądu w szerokim zakresie napięć zasilania i tylko wtedy, gdy dołączone jest obciążenie. Prąd spoczynkowy tych układów typowo wynosi od kilku do kilkuset µA, a dostępne są nawet takie, w których nie przekracza 1 µA.

Dryft temperaturowy

Rys. 2. Przykład realizacji źródła napięcia referencyjnego bocznikowego (typu shunt)

Jednym z parametrów, na podstawie którego często porównuje się między sobą źródła napięcia odniesienia, jest ich dryft temperaturowy. Zwykle bowiem jest to największe źródło błędów. Dryft, który wyrażany jest w ppm/°C, charakteryzuje zmianę napięcia referencyjnego pod wpływem zmiany temperatury. Przyczyną tej zależności są niedoskonałości oraz nieliniowości komponentów obwodów źródła napięcia odniesienia. Nie jest ona liniowa.

Przy wyznaczaniu dryftu temperaturowego producenci korzystają z rozmaitych metod. Zazwyczaj jest to stosunek różnicy między maksymalną a minimalną wartością napięcia referencyjnego, zmierzonymi w danym zakresie temperatury, do szerokości tego ostatniego (rys. 4a). Przedziały, dla których często wyznacza się dryft temperaturowy źródeł napięcia odniesienia, to na przykład: 0°C...+70°C (zakres komercyjny), -40°C... +85°C (przedział przemysłowy) oraz -55°C... +125°C (zakres militarny).

Wartości, największa oraz najmniejsza, napięcia referencyjnego mogą jednak nie wystąpić akurat przy skrajnych temperaturach danego zakresu. W rezultacie w pewnych jego przedziałach dryft może być większy niż średnia policzona dla całego zakresu temperatur.

W drugiej metodzie parametr ten jest wyznaczany na podstawie wartości napięcia referencyjnego zmierzonych przy maksymalnej i minimalnej temperaturze danego przedziału (rys. 4b). Wadą tego podejścia jest to, że obliczona wartość nie odzwierciedla nieliniowości charakterystyki dryftu.

Histereza temperaturowa

Rys. 3. Szeregowe źródła napięcia odniesienia to układy trójzaciskowe

Histereza temperaturowa to zmiana napięcia referencyjnego, wyrażana w ppm, która następuje na skutek poddania komponentu cyklowi termicznemu (tzn. np. przez podwyższenie temperatury od pokojowej do minimalnej i następnie maksymalnej, a potem z powrotem do pokojowej, tj. z +25°C do -40°C, +85°C i znów +25°C). Nie zależy ona ani od dryftu temperaturowego, ani czasowego.

Główną przyczyną tego zjawiska są naprężenia w strukturze układu w czasie jej naprzemiennego schładzania i podgrzewania. Zależą one zatem m.in. od: materiału obudowy, materiałów użytych do jej połączenia ze strukturą komponentu i sposobu organizacji tej ostatniej. Zwykle, im większa jest obudowa układu, tym histereza temperaturowa jest mniejsza. Zakres temperatur, dla których wyznacza się histerezę temperaturową oraz liczba cykli różnią się w zależności od producenta. Utrudnia to porównywanie tego parametru dla kilku układów.

Histereza temperaturowa to parametr, który jest często pomijany, chociaż niesłusznie, gdyż wnosi istotny wkład w całkowity błąd i niweluje skuteczność wcześniej przeprowadzonej kalibracji. Warto o nim pamiętać, nawet jeżeli źródło napięcia referencyjnego będzie pracowało w ustabilizowanych warunkach temperaturowych. Na jego dokładność może bowiem znacząco wpłynąć nawet sam proces montażu tego układu na PCB, zwłaszcza podgrzewanie podczas lutowania.

Sprawdź też te parametry

Rys. 4. Dryft temperaturowy można wyznaczyć na kilka sposobów

Dokładność określa, w jakim stopniu (procentowo) napięcie referencyjne może się w danych warunkach różnić od znamionowego. Wartość tego parametru mieści się z reguły w przedziale od 0,01% do 1%.

Stabilność długoterminowa charakteryzuje z kolei typową zmianę napięcia odniesienia po upływie określonego czasu, na przykład kilku tysięcy godzin, ciągłej pracy w danych warunkach. Zwykle jest wyrażana w ppm / tysiąc godzin. Parametr ten w praktyce wyznacza się dla reprezentacyjnej grupy komponentów (od kilkunastu do kilkudziesięciu sztuk) w temperaturze pokojowej. Stabilność długoterminowa opisuje zmiany starzeniowe układu. Zachodzą one znacznie szybciej w wyższej temperaturze.

Kolejny ważny parametr to współczynnik zmiany napięcia referencyjnego w wyniku zmiany prądu obciążenia (load regulation), który jest wyrażany w ppm/mA. Wyznacza się go, dzieląc względną zmianę napięcia odniesienia, tj. różnicę tej wielkości przy minimalnym i maksymalnym natężeniu prądu obciążenia, przez zakres zmienności tego ostatniego. Współczynnik ten zależy zarówno od konstrukcji źródła napięcia odniesienia, jak i pasożytniczej rezystancji dzielącej go od obciążenia. Na to ostatnie można wpłynąć, umieszczając ten układ na PCB możliwie najbliżej odbiornika. Szeregowe źródła napięcia referencyjnego opisuje się też, podając współczynnik zmiany napięcia odniesienia w funkcji napięcia wejściowego (line regulation).

Warto również w karcie katalogowej źródła napięcia odniesienia sprawdzić informacje o szumach generowanych przez ten układ. Są one bowiem przyczyną błędów dynamicznych, które pogarszają stosunek sygnału do szumu, na przykład w przetwornikach A/C i C/A. To z kolei negatywnie wpływa na parametr ENOB (efektywną liczbę bitów) tych układów.

Szumy

W specyfikacji źródła zwykle informacje o nisko- oraz wysokoczęstoliwościowych szumach są przedstawiane oddzielnie. Te drugie podawane są jako wartość skuteczna napięcia w paśmie od 10 Hz do 10 kHz. Są one mniej dokuczliwe, ponieważ łatwo je odfiltrować, używając kondensatora o odpowiednio dużej pojemności.

Szumy niskoczęstotliwościowe są z kolei opisywane przez wartość peak to peak napięcia (lub w ppm) w paśmie od 0,1 Hz do 10 Hz. Ich filtrowanie jest trudne, przez co wnoszą one większy wkład w całkowity błąd napięcia odniesienia. Analizując kartę katalogową, warto zwrócić uwagę, na to, jakiego rzędu filtru używał producent do wyznaczania tych szumów. Im wyższy, tym większa jest dokładność tego pomiaru.

Źródłem szumów o częstotliwościach w przedziale od 0,1 Hz do 10 Hz w wypadku źródeł napięcia referencyjnego typu bandgap jest przede wszystkim szum różowy (1/f) jego komponentów wewnętrznych. Im większą wartość ma napięcie odniesienia, tym wprost proporcjonalnie większy będzie ten szum. Aby go zmniejszyć, trzeba zastosować elementy o większych rozmiarach i zwiększyć prąd spoczynkowy. W źródłach napięcia odniesienia, w których amplitudę szumów niskoczęstotliwościowych udaje się ograniczyć do poniżej kilku µV, natężenie tych prądów sięga setek µA, a nawet mA.

Monika Jaworowska