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.