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 напряжения LM109. Позже, в 1971 году, Видлар совместно с еще одним легендарным разработчиком Робертом Добкиным разрабатывают первый монолитный ИОН LM113. 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 наименованием AD580. 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.

Смотри также: Источники опорного напряжения

Таблица 1. Основные характеристики ИОН семейства REF50xx и лучших конкурирующих решений

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 [1, стр. 10]. 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 ОУ OPA333, OPA335 или OPA376.

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.

Шум

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 [1, стр. 11]. Здесь входной сигнал буферизуется прецизионным ОУ OPA365, включенным по схеме неинвертирующего усилителя-повторителя. Далее сигнал фильтруется RC-цепью и поступает на вход 16-битного АЦП ADS8326. Измерительный диапазон задается ИОН REF5040 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 усилителя INA159,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.

Выводы

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.