СТАБИЛИТРОНЫ И СТАБИСТОРЫ, ИСТОЧНИКИ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ИЭП

 

В любой схеме стабилизатора требуется наличие опорного напряжения (ОН), с которым сравнивается величина выходного напряжения. Cтабильность выходного напряжения не может быть выше стабильности опорного напряжения.

Кроме стабилизаторов многие функционально законченные устройства современной электроники требуют для своей работы стабильных источников опорного напряжения (ИОН). Это схемы, содержащие ЦАП и АЦП, измерительная аппаратура и многие другие устройства. Несмотря на то, что практически все подобные функциональные узлы изготавливаются в интегральном исполнении, не препятствующем помещению внутрь микросхемы источника стабильного напряжения, в ряде случаев предпочтение отдается применению отдельных (внешних) источников ОН, обладающих значительно лучшими параметрами.

Наиболее часто используются три вида ИОН:

• источники на основе стабилитронов;
• источники на основе стабисторов;
• ИОН или бандгап, ИОН с использованием напряжения ширины запрещенной зоны.

           Каждый из них может использоваться либо как самостоятельный функциональный узел, либо в составе интегральной микросхемы (ИМС) - источника опорного напряжения. Прецизионные источники опорного напряжения бывают двух видов: температурно-стабилизированные (термостатированные) источники ОН и источники ОН без подогрева.

Температурно–стабилизированные источники опорного напряжения представляют собой ИМС отличающиеся наличием дополнительного нагревательного элемента, управляющегося по сигналам термодатчика. Идея очень проста: кристалл нагревается в процессе работы до повышенной температуры, величина которой поддерживается на одном и том же заданном уровне. Стабильность достигает 10^-6/°С и даже лучше. Такие источники применяются уже длительное время. Они входят в состав, например, сверхстабильных генераторов. К недостаткам метода относятся, прежде всего, большая потребляемая мощность и запаздывание в выходе на режим (порядка нескольких секунд). Например, LM199 имеет температурный коэффициент 2·10^-7/°С (0,00002%/°С). Мощность, потребляемая нагревателем кристалла ≈ 0,25Вт и время установления режима 3 – 5 с.

Термостатированные ИМС не имеют особых преимуществ перед обычными источниками ОН кроме температурного коэффициента. Такие параметры, как шум или долговременный дрейф, у них явно отстают от температурной стабильности. Существуют ИМС, обеспечивающие аналогичную температурную стабильность без подогрева кристалла. Кроме этого они меньше шумят и более стабильны во временном плане. Так ИМС REF10KM фирмы Burr Brown имеет температурный коэффициент 10-6/°С. А LT21000 фирмы Linear Technology показывает результат на уровне 0,05 – 0,10/°С. При этом, в соответствии со справочными данными, у нее на порядок лучшие параметры шума и дрейфа по сравнению с термостатированными микросхемами.

Источники опорного напряжения на стабилитронах компактны, дешевы, достаточно широко распространены. Стабилитроны выпускаются на целый ряд значений напряжений – от 2 – 2,5 В до 200 В с допустимой мощностью рассеивания от долей ватта до 50 Вт и допуском на напряжение стабилизации от 1 до 20%. ВАХ стабилитрона представлена на рис. 1.

При построении стабилитронных источников ОН необходимо иметь в виду:

• стабилитроны имеют конечный набор значений напряжения стабилизации и большой допуск на это напряжение (разумеется, кроме дорогих прецизионных приборов);
• стабилитроны создают значительный шум;
• напряжение стабилизации зависит от величины обратного тока стабилитрона (тока стабилизации) и температуры.

 Стабилитрон (диод Зенера) – это полупроводниковый диод, функционирующий при обратном смещении в режиме пробоя. Пробой p-n-перехода, при котором работают стабилитроны, может быть лавинным или туннельным. Они являются электрическими и носят обратимый характер. То есть при отключении обратного смещения физико-химические свойства полупроводников восстанавливаются, и диод продолжает исполнять свои функции. График вольт-амперной характеристики стабилитрона приведен на рисунке 1. Однако в случае стабилитронов условия возникновения пробоя создаются и поддерживаются искусственно. Лавинный и туннельный пробой квантовые эффекты, наблюдаемые в кристаллической структуре полупроводника при возбуждении. При разной природе и механизмах данных процессов их последствия одинаковы – электроны приобретают энергию, достаточную для прохождения через p-n-переход. Возникает пробой, и через диод начинает протекать обратный ток. Именно в этом режиме и работает стабилитрон. Стабилитроны, функционирующие при лавинном пробое, при напряжении свыше 7 Вольт. В элементах, рассчитанных на напряжение стабилизации 3-7 Вольт, используется туннельный пробой. Для стабилизации более низких разностей потенциалов применяются стабисторы, в которых для стабилизации напряжений ниже 3В используют прямое смещение. В сильно легированном p-n-переходе дырки и электроны рекомбинируют таким образом, что при значительном прямом токе наблюдается эффект стабилизации выходного напряжения на уровне 2,5-3 Вольт.

Основные параметры стабилитронов:

• Напряжение стабилизации;
• Ток стабилизации;
• Разброс напряжения стабилизации;
• Температурный коэффициент напряжения стабилизации;
• Временная нестабильность напряжения стабилизации;
• Дифференциальное сопротивление;
• Минимальный ток стабилизации;
• Максимальный ток стабилизации;
• Рассеиваемая мощность;
• Максимально-допустимая температура корпуса;
• Максимально-допустимая температура перехода.

 Из рис. 2 видно, что стабилитроны со значениями Uст, находящимся в окрестности значения 6 В, обладают значительно меньшим дифференциальным сопротивлением, по сравнению с приборами на другие значения напряжения стабилизации.

Следует также отметить, что температурный коэффициент напряжения стабилизации стабилитронов зависит как от напряжения стабилизации, так и от величины обратного тока (рис. 3). Как видно из рис. 4, изменяя значения обратного тока стабилитрона можно в определенных пределах «подстроить температурный коэффициент» и строить источники ОН практически нечувствительные к температуре (конечно применяя дополнительные диоды или стабилитроны, включенные в прямом смещении, рис. 5). Значение напряжения стабилизации  у различных типов стабилитронов находится в пределах от десятых долей вольта до нескольких сотен вольт при токах стабилизации от долей миллиампера до единиц ампера.

 

 

Рис. 1. Изменение ВАХ стабилитрона при изменении температуры перехода

 

Одной из основных характеристик стабилитрона является его температурный коэффициент напряжения (ТКН) , %/^оС. На рис. 1. показано смещение ВАХ стабилитрона при изменении температуры. При прямом токе (первый квадрант ВАХ) повышение температуры p-n-перехода от , до . приводит к смещению ВАХ и снижению падения напряжения от  до . В этом случае абсолютный температурный коэффициент напряжения, мВ/°С, отрицателен:

 

.

 

Относительный ТКН, %/°С, равен

 

.

 

       При обратном токе имеем

  

Характерная зависимость относительного ТКН от напряжения стабилизации приведена на рис. 2. Для стабилитронов со значением  =2,4...5,6 В ТКН имеет отрицательное значение, а для значений   > 6 В ТКН имеет положительное значение. При значении  коло 6 В ТКН имеет переменный знак. Положительные значения ТКН при напряжении свыше 6 В объясняются особенностями пробоя p-n-перехода при ударной ионизации. С повышением температуры подвижность неосновных носителей в области р-п-перехода уменьшается, в связи с чем, для поддержания ударной ионизации требуется повышение напряженности электрического поля.

 

Рис. 2. Зависимость относительного ТКН от напряжения стабилизации

 

Другой важной характеристикой стабилитрона является дифференциальное сопротивление, Ом, которое можно определить из выражения

Для различных типов стабилитронов характер изменения дифференциального сопротивления от тока различен. На рис. 3 приведены зависимости дифференциального сопротивления от тока для некоторых типов стабилитронов при Т= -60 °С.

 

 

Рис. 3. Зависимости дифференциального сопротивления от тока для различных типов стабилитронов: 1 – 2C1133A; 2 – 2C147A; 3 – 2C156A; 4 – 2C168A

 

Задание тока стабилизации. Установление и поддержание значения тока стабилизации на постоянном уровне значительно улучшает параметры источника ОН. Так, например, для стабилитрона общего назначения 1N821A (Uст = 6,2 В ± 5%, rст = 15 Ом при Iст = 7,5 мА) изменение тока на 1мА изменяет Uст примерно в три раза сильнее, чем изменение температуры от – 40 до +1000С. Поэтому для обратного смешения стабилитронов прецизионных ИОН используют источники стабильного тока. Зависимость дифференциального сопротивления стабилитронов от напряжения стабилизации представлена на рис. 4 не линейна и зависимость температурного коэффициента напряжения стабилизации стабилитронов от напряжения стабилизации и тока стабилизации, один из примеров представлен на рис.5.

 

Рис.4. Зависимость дифференциального сопротивления стабилитронов от напряжения стабилизации.

 

Рис.5. Зависимость температурного коэффициента напряжения стабилизации стабилитронов от напряжения стабилизации и тока стабилизации

 

Напряжение стабилизации стабисторов лежит в диапазоне от 0,72 до 2,16 В в зависимости от материала: кремний или селен (рис.6). Современная тенденция развития ИЭП такова, что они строятся в основном с применением интегральных микросхем, а доля дискретных активных элементов в них постоянно уменьшается. Еще в 1967 была разработана микросхема линейного интегрального стабилизатора μА723, представляющая собой настоящий блок питания. Микросхема μ723 содержит температурно-компенсированный источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель, последовательно включенный проходной транзистор и схему защиты, обеспечивающую ограничение выходного тока. Современные стабилизаторы имеют лучшие электрические параметры, имеют широкий спектр функциональных возможностей, но построены на тех же принципах, что и μА723. Например, выходное напряжение недорогой отечественной микросхемы КР142ЕН12А может изменяться в пределах от +1, 25 до +36 В с током нагрузки до 1,5 А

 

 

а                                    б

Рис. 6. ВАХ: а – стабилитрона, б - стабистора

 

Стабилитронные ИМС в основном двух выводные устройства, применяемые, так же как и обычные стабилитроны. Они в схемотехническом плане сложные устройства, содержащие кроме собственно стабилитрона целый ряд активных и пассивных компонентов, служащих для улучшения электрических параметров и характеристик (наиболее существенная из которых - постоянство напряжения стабилизации при заданном токе см. рис. 7). Температурная стабильность таких ИМС очень высокая. Так для ИМС 1009ЕН1 температурный коэффициент напряжения стабилизации составляет приметно 0,006% / ⁰С.

 

Рис.7. Стабилизация тока обратного смещения стабилитрона в источнике опорного напряжения.

 

Рис.8. Регулирование опорного напряжения в схеме с трехвыводным интегральным ИОН.

 

Наряду с двухвыводными стабилизаторами ИМС выпускаются трехвыводные микросхемы. Благодаря третьему дополнительному выводу, появляется возможность изменения напряжения стабилизации. Так, например, регулируемый прецизионный отечественный стабилитрон 142ЕН19 имеет напряжение стабилизации, изменяемое в интервале от 2,5 до 36 В. Регулировка напряжения осуществляется с помощью внешнего резистивного делителя (рис.8), который образуют резисторы R2 и R3.

Стандартов, определяющих показатели ИОН, в РФ нет. К двухвыводным интегральным ИОН (аналогам стабилитронов) могут применяться нормы, разработанные для дискретных стабилитронов, к трёхвыводным ИОН — нормы для линейных стабилизаторов напряжения. Стабилизаторы напряжения в ГОСТ 19480-89 «микросхемы интегральные. Термины, определения и буквенные обозначения электрических параметров» и в ГОСТ Р 52907-2008 «источники питания. Термины и определения» различаются, в частности, в определениях пересекающихся, но не идентичных показателей дрейфа выходного напряжения (ГОСТ 19480-89) и нестабильности при длительном включении (ГОСТ Р 52907-2008). Важные показатели в порядке убывания:

• Начальный разброс опорного напряжения (начальное отклонение опорного напряжения от номинального значения);
• Температурный коэффициент опорного напряжения и его длительный дрейф («нестабильность при длительном включении»;
• Для недорогих стабилизаторов напряжения может нормироваться единственный показатель - начальный разброс или допустимый диапазон изменений выходного напряжения (верхняя и нижняя граница).

 В основе схемы такого источника лежит идея генерирования напряжения с температурным коэффициентом, положительным и равным по абсолютной величине отрицательному температурному коэффициенту напряжения эмиттерного перехода транзистора Uбэ. При суммировании этого напряжения с Uбэ получится напряжение с нулевым температурным коэффициентом. ТКН равен отношению разницы между максимальным и минимальным выходным напряжением, гарантируемыми производителем для всех рабочих температур при номинальном входном напряжении и выходном токе, к ширине рабочего диапазона температур.

 

Рис. 9.  Простейший ИОН, бандгап Видлара

 

Схема Видлара (рис. 9) развилась из его же токового зеркала, впервые реализованного в 1965 году в операционном усилителе μA709. В базовой трёхтранзисторной ячейке бандгапа Видлара, реализованной в LM109, ведущий транзистор несимметричного зеркала T1 работает при токе эмиттера около 1 мА, ведомый T2 — при токе примерно в 10 раз меньшем. Все три транзистора идентичны, поэтому плотность тока через переход база-эмиттер T2 в 10 раз меньше плотности тока через T1, и на эмиттерном резисторе R2 при нормальной температуре выделяется ΔV в 60 мВ. На коллекторном резисторе R3, сопротивление которого в 10 раз больше R1, выделяется искомое V_PTAT≈10 ΔV. Арифметическое сложение V_PTAT+V_CTAT производится подключением перехода база-эмиттер транзистора T3 между коллектором T2 и общим проводом. При возрастании напряжения между двумя выводами схемы ток через T3 нелинейно возрастает, то есть T3 работает усилителем ошибки. Усиление невелико, поэтому паразитных емкостей схемы достаточно, чтобы она была устойчива во всех режимах. В LM113 используется аналогичная трёхтранзисторная ячейка с χ=15, но ток через T3 стабилизирован отдельным токовым зеркалом, а к коллектору T3 подключен двухкаскадный усилитель с максимальным выходным током до 50 мА.

 

Рис. 10. Бандгап Брокау

 

В 1974 году Пол Брокау предложил другое схемное решение (бандгап Брокау рис.10), в котором базовые токи транзисторов практически не вносят дополнительной погрешности. Именно по схеме Брокау был построен первый прецизионный трёхвыводной источник опорного напряжения AD580, ставший одним из самых успешных ИОН в истории. К середине 1990-х годов схема Брокау, с различными модификациями, стала основной, вытеснив схему Видлара с рынка прецизионных устройств. Расчётное отклонение V_REF от нормы в диапазоне от 0 до 100 С не превышает 0,18 % V_REF. В действительности такие цифры не достижимы: без точной подгонки и полная совокупная погрешность бандгапа Брокау составляет до 2,5 % от V_REF.

Внешний источник образцового тока не требуется, так как в ячейку Брокау уже включен усилитель, поддерживающий на выходе образцовое напряжение. В первом, простейшем, варианте ячейки Брокау используется всего четыре транзистора: T1 и T2 — термочувствительная пара, двухэмиттерный T3 — симметричное токовое зеркало, T4 — усилитель выходного тока. В более распространённых схемах транзистор T4 заменён на операционный усилитель, что позволяет поддерживать на выходе произвольно установленные напряжения.

ТКН дешёвых серийных интегральных ИОН всех типов ограничен величиной в 10 ppm/°C. Снижение ТКН бандгапов и стабилитронных ИОН до уровня менее 5 ppm/°C требует существенного удорожания технологии, а практический предел гарантированного ТКН серийных изделий равен 1 ppm/°C. Меньшие значения ТКН возможны только в отдельных сериях сверхпрецизионных ИОН на стабилитронах со скрытым слоем (Thaler VRE3050J — 0,6 ppm/°C в диапазоне −40…+85 °C).

Дальнейшее снижение ТКН возможно только путём термостабилизации ИОН, сужающей диапазон изменения температуры кристалла до нескольких градусов или долей градуса.