Лекции 7-8 - Конспекты, страница 3

Стабилитронывыпускают на целый ряд значений напряжений – от 2-2,5 В до 200 В сдопустимой мощностью рассеивания от долей ватта до 50 Вт и допуском нанапряжение стабилизации от 1 до 20%.Несмотря на достаточно широкое распространение стабилитронныхИОН, задача построения таких источников с конкретными параметрами не такпроста, как это может показаться на первый взгляд. При построениистабилитронных ИОН необходимо иметь в виду следующее:-стабилитроныимеютконечныйнаборзначенийнапряжениястабилизации и большой допуск на это напряжение (разумеется, кроме дорогихпрецизионных приборов);- стабилитроны создают значительный шум;- напряжение стабилизации зависит от величины обратного токастабилитрона (тока стабилизации) и температуры.Однако последнее теряет актуальность для стабилитронов с напряжениемстабилизации ≈ 6 В.

Они мало чувствительны к изменениям тока и при этомимеют почти нулевой ТКН. Из рисунка 6.9 видно, что стабилитроны созначением Uст, находящимся в окрестности 6 В, обладают значительноме́ ньшим дифференциальным сопротивлением по сравнению с приборами надругие значения напряжения стабилизации.Следует также отметить, что ТКН стабилизации стабилитронов зависиткак от напряжения стабилизации, так и от величины обратного тока.

Как видноиз рисунка 6.10, изменяя значения обратного тока стабилитрона, можно вопределённых пределах "подстроить ТКН" и строить ИОН, практически не19Электропитание РЭАГлава 6чувствительные к температуре (конечно, применяя дополнительные диоды илистабилитроны, включенные в прямом смещении).Стабилитронные ИМС. Это в основном двухвыводные устройства,применяемые так же, как и обычные стабилитроны. На самом делестабилитронные ИМС – сложные в схемотехническом плане устройства,содержащие, кроме, собственно, стабилитрона, целый ряд активных ипассивных компонентов, служащих для улучшения электрических параметровихарактеристик(наиболеесущественная–постоянствонапряжениястабилизации при заданном токе).Рисунок 6.9 – Зависимость дифференциального сопротивлениястабилитронов от напряжения стабилизацииРисунок 6.10 – Зависимость ТКН стабилизации стабилитронов отнапряжения стабилизации и тока стабилизации20Электропитание РЭАГлава 6Температурная стабильность таких ИМС очень высокая.

Так, длянедорогой отечественной ИМС 1009ЕН1 ТКН стабилизации составляетпримерно 0,006% / °С.НарядусдвухвыводнымистабилизаторамиИМСвыпускаюттрёхвыводные. Благодаря третьему дополнительному выводу появляетсявозможностьизменениянапряжениястабилизации.Так,например,регулируемый прецизионный отечественный стабилитрон 142ЕН19 (аналогTL431) имеет напряжение стабилизации, изменяемое в интервале от 2,5 до36 В.Принцип работы TL431 легко понять по структурной схеме, приведённойна рисунке 6.11: если напряжение на входе источника ниже опорногонапряжения Uоп, то и на выходе операционного усилителя низкое напряжение.Соответственно, транзистор закрыт и ток от катода к аноду не протекает(точнее он не превышает 1 мА).

Если входное напряжение станет превышатьUоп, то операционный усилитель откроет транзистор и от катода к аноду начнётпротекать ток.Рисунок 6.11 – Структура ИМС TL431Регулировкунапряженияосуществляютрезистивного делителя (рисунок 6.12).21спомощьювнешнегоЭлектропитание РЭАГлава 6Рисунок 6.12 – Регулирование опорного напряжения в схеме с трёхвыводныминтегральным ИОНBandgap ИОН. В отечественной научно-технической литературе несуществует единого общепринятого термина, соответствующего английскомуbandgap voltage reference.

В 1970-е гг., когда интегральные ИОН продавалиськак замена традиционным стабилитронам, использовались словосочетания"стабилитрон с напряжением запрещённой зоны", "стабилитрон UБЭ". В1990-е гг. использовались словосочетания "стабилитрон UБЭ", "стабилитрон снапряжением запрещённой зоны", "источник опорного напряжения, равногоширине запрещённой зоны", "ИОН с использованием напряжения ширинызапрещённой зоны". В настоящее время разработчики используют терминыбандгап или bandgap ИОН.В основе схемы таких ИОН лежит идея генерирования напряжения сположительным ТКН, равным по абсолютной величине отрицательному ТКНэмиттерного перехода транзистора Uбэ.

При суммировании этого напряжения сUбэ получится напряжение с нулевым ТКН.Бандгап (от англ. bandgap – запрещённая зона) – стабильныйтранзисторный ИОН, величина которого определяется шириной запрещённойзоныиспользуемогополупроводника.Длялегированногомонокристаллического кремния, имеющего при Т = 0 К ширину запрещённойзоны Eg = 1,143 эВ, напряжение UREF на выходе бандгапа обычно составляет от1,18 до 1,25 В или кратно этой величине, а его предельное отклонение от нормыво всём диапазоне рабочих температур и токов составляет не более 3%.22Электропитание РЭАГлава 6Бандгапы изготовляют в виде двухвыводных "прецизионных диодов" ианалоговых ИМС, но основная область их применения – внутренние ИОН,встроенныевИМСпамяти,стабилизаторовнапряжения,мониторов(супервизоров) цепей электропитания цифровой техники, аналого-цифровых ицифро-аналоговых преобразователей.Основные топологии бандгапов были разработаны и внедрены в 1970-егг.

В современной промышленности в простых устройствах применяютбандгапы Видлара, в более требовательных – бандгапы Брокау. Наилучшуюточностьистабильностьобеспечиваютразработанныев1990-хгг."супербандгапы" со схемами коррекции нелинейности и начального отклонениянапряжения. Они уступают в точности ИОН на стабилитронах со скрытойструктурой, но при этом дешевле в производстве и способны работать приме́ ньших напряжениях и токах.Принцип действия бандгапа основан на арифметическом сложении двухнапряжений: напряжения на прямо смещённом p-n-переходе, которое призаданном токе линейно убывает с ростом температуры, и комплементарногоему напряжения на другом схемном элементе, которое прямо пропорциональноабсолютной температуре. Элементы, напряжение на которых линейно убываетсростомтемпературы,обозначаютаббревиатуройCTAT(отангл.complementary to absolute temperature), а элементы, напряжение на которыхпрямо пропорционально абсолютной температуре – PTAT (от англ.

proportionalto absolute temperature). В 1964 г. инженер "Fairchild Semiconductor" ДэвидХилбибер впервые предложил объединить такие элементы в ИОН –термостабильный аналог стабилитрона.Условие постоянства опорного напряжения UREF выполняется толькотогда, когда ТКН на обоих элементах схемы противоположны по знаку и равныпо абсолютному значению во всём диапазоне рабочих температур и токов.Существуют комбинации элементов с положительным и отрицательным ТКН,использующиеразличныефизические23механизмы:например,вЭлектропитание РЭАтермокомпенсированномГлава 6стабилитронеотрицательныйТКНдиодакомпенсирует положительный ТКН стабилитрона на 5,6 В, в котором механизмлавинного пробоя преобладает над зенеровским пробоем.

В ИОН типа XFETположительный ТКН цепи на биполярных транзисторах компенсируетотрицательный ТКН цепи на полевых транзисторах, который определяетсядиэлектрической проницаемостью кремния. И только в бандгапах обатермочувствительных элемента используют одно и то же фундаментальноеявление.В феврале 1970 г.

Б. Видлар сообщил профессиональному сообществу осоздании первого в истории трёхвыводного стабилизатора напряжения. В томже году новая схема пошла в серию под обозначением LM109, а статья с еёподробным описанием была опубликована в журнале IEEE в феврале 1971 г. ВLM109 был впервые применён разработанный в 1969 г. бандгап Видлара –первая простейшая реализация принципа, предложенного Хилбибером шестьюгодами раньше. В следующем году, уже после того, как Видлар ушёлиз "NationalSemiconductor",компаниявыпустиладвухвыводной"прецизионный диод" LM113 – аналог стабилитрона на бандгапе Видлара.Схема Видлара развилась из его же токового зеркала, впервыереализованного в 1965 г. в операционном усилителе μA709.

В базовойтрёхтранзисторной ячейке бандгапа Видлара, реализованной в LM109, ведущийтранзистор несимметричного зеркала T1 работает при токе эмиттера около1 мА, ведомый T2 – при токе примерно в 10 раз меньшем (рисунок 6.13). Всетри транзисторы идентичны, поэтому плотность тока через переход базаэмиттер T2 в 10 раз меньше плотности тока через T1, и на эмиттерномрезисторе R2 при нормальной температуре падает ΔU = 60 мВ. Наколлекторном резисторе R3, сопротивление которого в 10 раз больше R1,падает UPTAT ≈ 10ΔU. Арифметическое сложение UPTAT + UCTAT производитсяподключением перехода база-эмиттер транзистора T3 между коллектором T2 иобщим проводом.

При возрастании напряжения между двумя выводами схемы24Электропитание РЭАГлава 6ток через T3 нелинейно возрастает, то есть T3 также выполняет рольпростейшего усилителя ошибки. Петлевое усиление этого усилителя невелико,поэтому паразитных ёмкостей схемы достаточно, чтобы она была устойчива вовсех нормальных режимах.Полная совокупная погрешность бангапа Видлара не превышает 3% отUREF. Схема имеет трудно исправимый недостаток, свойственный всем простымтоковым зеркалам: погрешность PTAT-элемента, обусловленную ненулевымитоками баз T2 и T3.