Выбор источника опорного напряжения: основные критерии

Чтобы создать высокоточное электронное устройство, нужен надежный источник точного опорного напряжения. От него зависят метрологические характеристики приборов. Давайте разберемся, как правильно выбрать источник опорного напряжения для вашего проекта.

Основные типы источников опорного напряжения

Источники опорного напряжения прошли долгий путь развития. В эпоху вакуумных ламп инженеры использовали газоразрядные стабилитроны и химические источники тока вроде ртутно-цинковых элементов. Их точность и стабильность были невысоки.

Прорыв произошел с изобретением полупроводниковых стабилитронов, или диодов Зенера. Они позволили создавать компактные и долговечные источники опорного напряжения для радиоаппаратуры.

В 1966 году появились первые интегральные стабилизаторы напряжения с опорным напряжением на основе планарного кремниевого стабилитрона. А в 1970 году был изобретен трехтранзисторный бандгап - прародитель современных интегральных источников опорного напряжения.

Прорыв в точности и стабильности произошел в 1976 году с появлением стабилитронов со скрытой структурой. Эти приборы приближались по характеристикам к лабораторным эталонам напряжения.

Сегодня на рынке представлены четыре основных типа интегральных источников опорного напряжения:

Стабилитроны со скрытой структурой
Супербандгапы
XFET
FGA

Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки. Давайте разберемся с основными характеристиками этих приборов.

Основные характеристики и показатели ИОН

При выборе источника опорного напряжения важно ориентироваться на такие показатели, как точность, стабильность, уровень шумов и дрейфа. Рассмотрим их подробнее.

Начальный разброс выходного напряжения

Этот параметр показывает отклонение реального выходного напряжения источника от заявленного производителем значения. Чем меньше разброс, тем выше точность источника опорного напряжения.

Температурный коэффициент и термостабилизация

Температурный коэффициент (ТКН) отражает зависимость выходного напряжения от температуры. Лучшие источники имеют ТКН порядка 1 ppm/°C. Для улучшения этого показателя применяют термостабилизацию кристалла ИОН.

Долговременный дрейф и стабилизация

Со временем выходное напряжение ИОН может дрейфовать. Лучшие приборы имеют дрейф в пределах 5-10 ppm/1000 часов. Дрейф можно минимизировать предварительной стабилизацией микросхемы.

Уровень шумов

Шумы ИОН мешают работе точных устройств. Лучшие источники имеют низкий уровень шумов в диапазоне 1-5 мкВ. Но чем ниже шумы, тем выше потребляемый ток.

Тепловой гистерезис

Этот эффект вызван механическими напряжениями в кристалле. Он приводит к разнице выходных напряжений в начале и конце термоцикла. Лучшие ИОН имеют гистерезис не более 25 ppm.

Помимо перечисленных параметров, при выборе ИОН стоит обращать внимание на коэффициент отклонения выходного напряжения при изменении входного напряжения и нагрузки.

Критерии выбора источника опорного напряжения

При выборе конкретного типа ИОН для проекта стоит учитывать следующие критерии:

Цена и точность

Это основное соотношение при выборе источника опорного напряжения. Чем выше требуемая точность, тем дороже обойдется ИОН. Например, для простых устройств подойдут недорогие бандгапы, а для эталонов напряжения потребуются дорогие стабилитроны со скрытой структурой.

Требования различных устройств

Для прецизионных АЦП важна минимальная суммарная погрешность ИОН. В измерительных приборах критичны низкий ТКН и дрейф. В микромощных устройствах важны низкий ток потребления и шумы.

Условия эксплуатации

При выборе ИОН нужно учитывать температурный диапазон и наличие вибраций. Для жестких условий подойдут приборы в металлокерамических корпусах.

Кроме того, стоит обращать внимание на выходное напряжение, габариты, тип корпуса и наличие встроенных схем защиты у ИОН.

Практические рекомендации по применению ИОН

После выбора подходящего источника опорного напряжения нужно правильно его подключить и обеспечить оптимальные условия работы. Рассмотрим основные рекомендации.

Выбор корпуса и распайка выводов

Лучше выбирать ИОН в металлокерамических корпусах. При монтаже следует аккуратно распаивать выводы, чтобы минимизировать механические напряжения.

Защита от помех

ИОН нужно экранировать от электромагнитных помех. Полезно установить фильтры для подавления помех по питанию.

Теплоотвод

Важно правильно отводить тепло от корпуса ИОН, чтобы не допускать перегрева. Можно установить радиатор или маленький вентилятор.

Резервирование ИОН

Для повышения надежности системы следует применять резервирование источников опорного напряжения. Оптимальный вариант - три ИОН с голосованием "два из трех".

Примеры применения высокоточных ИОН

Рассмотрим конкретные примеры использования высокоточных источников опорного напряжения в различных областях.

Эталонные источники напряжения

Для создания первичных эталонов напряжения применяют сверхточные ИОН на основе стабилитронов со скрытой структурой, такие как LTZ1000. Они позволяют получать эталонную разность потенциалов с точностью до 0.1 ppm.

Измерительные приборы

В точных измерительных приборах используют ИОН с минимальным температурным коэффициентом и долговременным дрейфом. Это позволяет повысить точность измерений и уменьшить погрешности.

Аналого-цифровые преобразователи

Для высокоточных АЦП важно минимизировать суммарную погрешность преобразования. Поэтому здесь применяют сверхстабильные ИОН с низким разбросом выходного напряжения, например менее 10 ppm.

Радиотехнические устройства

В радиоприемниках и передатчиках стабильное опорное напряжение нужно для синтеза точных частот. Здесь используют ИОН с низкими шумами, чтобы не ухудшать шумовые характеристики.

Цифро-аналоговые преобразователи

Для повышения линейности и точности ЦАП применяют высокостабильные ИОН с низким температурным коэффициентом. Это позволяет уменьшить нелинейные искажения выходного сигнала.

Военная техника

Для военной техники нужны надежные ИОН, устойчивые к вибрациям и перегрузкам. Здесь используют микросхемы в герметичных корпусах, прошедшие специальные испытания.

Отечественные и зарубежные производители ИОН

На рынке представлено множество моделей ИОН от разных брендов. Давайте рассмотрим основных игроков.

Российские производители

В России выпускают ИОН такие компании, как "Миландр", "ПКК Миландр", "Ангстрем", "Пульсар" и другие. Их микросхемы ориентированы в первую очередь на внутренний рынок.

Зарубежные бренды

Среди зарубежных производителей лидируют Analog Devices (серия LT1460), Linear Technology (серия LTC6655), Maxim Integrated (серия MAX6025) и Texas Instruments (серия REF50xx). Их микросхемы сочетают высокое качество и умеренную цену.

Выбор оригинальных ИС

При выборе ИОН лучше отдавать предпочтение оригинальным микросхемам известных брендов. Это гарантирует заявленные производителем характеристики и надежность.