Смекни!
smekni.com

Генераторы стабильного тока и напряжения (стр. 3 из 3)

Рис. 5. Зависимость ТКН Стабилитронов от напряжения стабилизации и рабочего тока

Исследованиями фирмы Motorola, Inc. установлено, что в окрестности точки

= 6 В стабилитроны имеют значительно меньшее, чем при других напряжениях, дифференциальное сопротивление и почти нулевой коэффициент
, который зависит от рабочего тока (рис. 5). Это связано с используемыми в стабилитронах двумя механизмами пробоя: зенеровским (туннельным) при низком и лавинном при высоком напряжении. С учетом отмеченных закономерностей применяют так называемые компенсированные опорные элементы в виде последовательного соединения стабилитрона с напряжением
5,6 В и прямосмещенного диода. Выбирая величину
и рабочий ток, можно компенсировать отрицательный температурный коэффициент диода, равный –2,1 мВ/град. Такой подход использован в производимых фирмой Motorola, Inc. дешевых опорных элементах с напряжением
= 6,2 В, имеющих коэффициент
от 10–4 % /град (1N821) до 5×10–6 % /град (1N829). Указанные значения справедливы при токе
= 7,5 мА. При этом в случае стабилитрона 1N829 приращение тока на 1 мА изменяет напряжение
в три раза сильнее, чем изменение температуры от –55 до +100 оС.
в Рис. 6. Реализация ГСН на ИС
а б

Имея компенсированный опорный элемент VD с фиксированным напряжением

= 6,2 В, можно построить с помощью буферного операционного усилителя DA1 ГСН на любое требуемое напряжение
(рис. 6, а). Опорный элемент, представляющий последовательное соединение стабилитрона и диода, включается в любой полярности. Необходимый рабочий ток его
= 7,5мА задается сопротивлением
, величина которого, например, при
= 10 В составляет 510 Ом (при этом
= 3,83 кОм и
= 6,19 кОм ). По рассматриваемой схеме строятся так называемые стабилитронные ИС, обеспечивающие
= 30×10–6 % /град. Они, как и их дискретные аналоги, обладают существенным недостатком: имеют высокий уровень шума, который сильнее в стабилитронах с лавинным пробоем (
> 6 В). Для уменьшения шума используют стабилитронную структуру с так называемым захороненным, или подповерхностным, слоем.

В последнее время в ГСН в качестве опорных элементов все шире применяют так называемые стабилитроны с напряжением запрещенной зоны, которые было бы точнее назвать

-стабилитронами (рис. 6, б). В них элементы VT1, VT2 и
образуют ТЗ с коэффициентом передачи
< 1. Очевидно,

,

,

=
,

,

,

где

,
,
– напряжения база – эмиттер Т VT1…VT3;

,
– входной и выходной токи ТЗ;

– падение напряжения на резисторе
.

Из этого следует, что напряжение

, в отличие от
, имеет положительный температурный коэффициент. Поэтому, подбирая (в зависимости от тока) величину
, можно обеспечить нулевой коэффициент
, что, как оказывается, выполняется при
1,22 В (напряжение запрещенной зоны кремния при температуре абсолютного нуля). Ток
ТЗ задают при помощи сопротивления
или от ГСТ. Подключая рассматриваемый опорный элемент в предыдущую схему вместо стабилитрона VD, можно получить ГСН на любое требуемое напряжение.

В весьма распространенной схеме ГСН на основе

-стабилитрона (рис. 6, в) элементы VT1, VT2 и
образуют ТЗ с коэффициентом передачи
= 0,1. По аналогии со схемой рис. 6, б ток
. Поэтому
и
= 1,22 В. Ток
создает на сопротивлении
напряжение
с положительным температурным коэффициентом, которое можно использовать в качестве выходного сигнала температурного датчика. Цепь отрицательной ОС (усилитель DA1, делитель
, Т VT1 и VT2) дополнительно компенсирует возможные изменения
. Существуют также другие варианты построения
-стабилитро-нов, но все они основаны на ТЗ с кратным отношением токов и сложении напряжений
и вырабатываемого ТЗ.

Дальнейшие улучшение параметра

достигают температурной стабилизацией всего ГСН (термостатированием). Как известно, обычному термостатированию присущи громоздкость, сравнительно большая потребляемая мощность, медленные разогрев и выход на режим (10 и более минут). Поэтому в последнее время температуру стабилизируют на уровне кристалла (чипа) ИС, включая в состав последней нагревательную схему с температурным датчиком. Подход впервые опробован в 60-х годах фирмой Fairchild (США), выпустившей стабилизированную дифференциальную пару mА726 и предварительный усилитель постоянного тока mА727. Позже появились “термостатированные” ГСН, например, серии National LM399, которые имеют
= 2×10–5 % /град. Такие ГСН производятся в стандартных транзисторных корпусах типа ТО-46, имеют нагреватели с мощностью потребления 0,25 Вт и временем выхода на режим не более 3 с. Они построены на стабилитронах с захороненным слоем. Отметим также, что на основе последних путем качественного схемотехнического решения фирмой Linear Technology (США) созданы ГСН без подогрева, имеющие
= 0,05×10–6 % /град и на порядок лучшие характеристики по долговременной стабильности и шуму.

ЛИТЕРАТУРА

1. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 2003. – 608 с.

2. Математическое моделирование и макромоделирование биполярных элементов электронных схем / Е.А. Чахмахсазян, Г.П. Мозговой, В.Д.Силин. – М.: Радио и связь, 1999. – 144 с.

3. Ногин В.Н. Аналоговые электронные устройства: Учебное пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 2002. – 304 с.