Источники опорного напряжения
При проектировании измерительных преобразователей заданного класса точности часто необходимо бывает использовать источники опорного напряжения (ИОН), формирующие стабильное напряжение нужной величины.
От точности выходного напряжения ИОН, как правило, наиболее сильно зависит суммарная погрешность измерительного преобразователя, работающего с параметрическим датчиком.
Еще одним распространенным применением ИОН является формирование опорного напряжения, необходимого для работы АЦП и ЦАП.
Основой построения большинства ИОН являются прецизионный стабилитрон и операционный усилитель.
Рис. 6.13. Источник опорного напряжения на основе параметрического
стабилизатора
Рис. 6.14. Источник опорного напряжения на основе параметрического
стабилизатора с выходным каскадом повышенной мощности
В схеме ИОН на основе параметрического стабилизатора, показанной на рис. 6.13, напряжение стабилизации Uст задается цепью R3 –VD1, а выходное напряжение определяется по формуле:
.
В случае, когда ток, потребляемый нагрузкой, больше 
ОУ, на выходе устанавливается транзистор VT1 (см. рис. 6.14). В этом случае 
.
Порядок расчета схемы:
1. Выбираем стабилитрон VD1.
2. Рассчитываем 
:
.
3. Задаемся 
по условию ограничения 
.
4. Рассчитываем 
:
.
5. Выбираем ОУ c 
и высоким КОСС.
В схемах, показанных на рис. 6.13 и 6.14, Uвых всегда больше 
.
В случае, когда требуется обеспечить 
стабилитрона, можно использовать схемы, показанные на рис. 6.15 и 6.16.
Рис. 6.15. Источник опорного напряжения с
Рис. 6.16. Источник опорного напряжения с , с выходным каскадом повышенной мощности
.
Питание ОУ2 отрицательным напряжением 
необходимо, если 
, т.к. диапазон 
ограничен разностью 
Порядок расчета схемы:
1. Выбираем стабилитрон VD1.
2. Рассчитываем : 
.
3. Задаемся 
по условию ограничения 
ОУ1.
4. Рассчитываем :
.
5. Выбираем ОУ1 и ОУ2 c высоким КОСС 
; 
.
В схеме рис. 6.15 
; в схеме на рис. 6.16 
.
Для увеличения стабильности 
используют схемы ИОН, показанные на рис. 6.17 и 6.18:
Рис. 6.17. Источник опорного напряжения с повышенной стабильностью Uвых
Рис. 6.18. Источник опорного напряжения с повышенной стабильностью Uвых,
с выходным каскадом повышенной мощности
Для нахождения расчетных соотношений данных схем, составим систему уравнений:
В линейном режиме работы ОУ 
, поэтому
;
;
.
В данной схеме – это усиленное с помощью ОУ напряжение разбаланса моста. ОУ удерживает мост в равновесном состоянии. Ток стабилитрона VD1 не зависит от нестабильного питающего напряжения:
.
Порядок расчета схемы:
1. Выбираем стабилитрон VD1
2. Задаемся по условию ограничения ОУ.
2. Рассчитываем :
.
4. Рассчитываем :
.
5. Выбираем ОУ c высоким КОСС и 
.
Кроме того, необходимо соблюсти условия:
В схеме на рис. 6.17:
В схеме на рис. 6.18:
В данной схеме 
всегда больше .
Основными источниками погрешностей в схемах ИОН являются:
1) падение напряжения на внутреннем (дифференциальном) сопротивлении стабилитрона 
;
2) температурный дрейф напряжения стабилизации стабилитрона;
3) температурный дрейф параметров ОУ: 
и 
.
1. Рассмотрим схему простейшего параметрического стабилизатора, который входит в состав любого ИОН.
Рис. 6.19. Простейший параметрический стабилизатор
Рис. 6.20. ВАХ параметрического стабилизатора
Ток через стабилитрон задается при помощи резистора 
:
.
При изменениях входного напряжения на величину 
, ток через стабилитрон изменится на величину:
;
; 
. (6.3)
С другой стороны, 
, (6.4)
где – дифференциальное сопротивление стабилитрона.
Подставляем (6.4) в (6.3):
;
; 
;
.
Из этого выражения видно, что для снижения влияния на 
нужно выбирать отношение 
.
Эффект снижения для параметрического стабилизатора можно получить, используя двухкаскадную схему (рис. 6.21).
Рис. 6.21. Двухкаскадная схема параметрического стабилизатора
В этой схеме входным напряжением для параметрического стабилизатора на элементах VD2, 
является уже стабилизированное первым каскадом напряжение 
. В результате отношение 
снижается.
Эффективным приемом увеличения при заданном токе 
является использование источника тока, имеющего большое внутреннее сопротивление (схемы рис. 6.22, 6.23).
Рис. 6.22. Источник опорного напряжения с источником тока стабилизации
В схеме рис. 6.22 
.
Рис. 6.23. Источник опорного напряжения с повышенной стабильностью Uвых,
с источником тока стабилизации
В схеме рис. 6.23 
.
2. Погрешность ИОН из-за температурного дрейфа . Стабилитроны общего назначения имеют температурный коэффициент напряжения стабилизации 
, а также значительную временную нестабильность напряжения стабилизации 
. Прецизионные стабилитроны имеют 
в диапазоне температур 
и малую временную нестабильность .
Примеры прецизионных стабилитронов:
КС108В: 
; 
; 
; 
.
КС166В: 
; ; 
; 
.
КС191Ф: 
; 
; ; 
.
1N940: 
; 
.
1N946: 
; .
У ряда прецизионных стабилитронов обеспечивается переход 
через ноль в диапазоне 
.
Вставка стабилитрона в MicroCAP:
Component–Analog Primitives–Passive Components–Zener,или черезComponent Palettel (Diode).
Если марка стабилитрона, который предполагается применить, неизвестна, то стабилитрон от диода можно отличить по принадлежности к библиотеке MZENER.LBR:
1N3016A..1N3051A
1N3821..1N3830
1N4099..1N4135 и т. д.
В модели MicroCAP
;
.
В описанной модели есть также два температурных коэффициента напряжения стабилизации – линейный (TBV1) и квадратичный (TBV2):
;
;
.
Параметры моделей стабилитронов в версиях MicroCAP5 и MicroCAP7 часто отличаются. При моделировании необходимо пользоваться справочной литературой. В библиотеках MicroCAP для моделей стабилитронов не внесены значения TBV1 и TBV2, для моделирования прецизионных схем их нужно задавать вручную.
3. Для уменьшения погрешности от температурного дрейфа ОУ, целесообразно по возможности уменьшать сопротивления резисторов, подключенных к входам ОУ. В частности, для схемы, показанной на рис. 6.22, погрешность от температурного дрейфа ОУ минимизируется при выборе 
.
Дата добавления: 2015-11-26; просмотров: 3721;