Новое семейство прецизионных источников опорного напряжения (ИОН) REF50xx. Электронные компоненты для разработки и производства. Харьков, Украина Прецизионный источник опорного напряжения схема

Интегральные прецизионные источники напряжения обеспечивают установленное выходное напряжение с погрешностью не более 0,1 мВ при высокой временной и температурной стабильности. Такие источники опорного напряжения (ИОН) необходимы для прецизионной измерительной аппаратуры, а также для аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. Основные типы микросхем источников опорного напряжения представлены в табл. 2.10.

Нестабильность эталонного напряжения, обусловленную воздействием окружающей температуры, можно значительно уменьшить, используя термостатирование. Например, монолитная ИМС типа LM199 содержит схему терморегулирования, которая поддерживает температуру кристаллаLM199 постоянной с точностью ±2°С и обеспечивает ТКН< 1,0-10- 6 1/°С.

Другой принцип стабилизации, основанный на использований-генераторов стабильных токов, применяется при более низких входных напряжениях. На основе этого принципа действия выпускается серия монолитных источников опорного напряжения AD580,AD581U,AD581I. Например ИМС типаAD581Uобеспечивает выходное напряжение 10 В с погрешностью ±5 мВ при температурном коэффициенте меньше 5-10~ 6 1/°С.

Таблица 2.8. Стабилизаторы напряжения с регулируемымвыходным напряжением

Тип прибора	U ВЫХ. НОМ , в	Тип корпуса
SFC2100}







		ТО-66, DIPТО-5







м А79МС









SGI 17 }



	- 1,2 - - 37

Продолжение табл. 2.8

Тип прибора	Uвых. ном, В	U вхmax ,	Iнmax , МА	Тип корпуса

Таблица 2.9. Стабилизаторы напряжения с двухполярным выходным напряжением

Тип прибора	U ВЫХ. НОМ, В	U вхmax ,В	Iн max, MA	Тип корпуса
МС1468 МС1568










RM4195 RC4194 ЦА78ТОО SG1501	±15 ±(0,С5 - 32) ± (5 - 18)			ТО-66, ТО-99 ТО-66
SG3501 SG4501 J
RM4194 SE/NE5551	±(0,05 - 42) ±5 ±6			ТО-66 ТО-99, DIPТО-99,DIP

Таблица 2.10. Прецизионные источники опорного напряжения

Тип прибора	Температурный коэффициент напряжения,	Выходное напряжение, В	Выходной ток, мА	Входное напряжение, В	Напряжение шумов, мкВ	Тип корпуса




МС1403 МС1503 j

2.5.3. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫМИ (КЛЮЧЕВЫМИ) СТАБИЛИЗАТОРАМИ НАПРЯЖЕНИЯ

Управляющие интегральные микросхемы для ключевых стабилизаторов представляют собой достаточно сложные схемы с высокой степенью интеграции функций и большим числом компонентов (они могут выполнять до 10 - 13 функций и заменять 200 - 300 дискретных компонентов). Одной из первых монолитных управляющих микросхем для ключевого стабилизатора была ИМС типа TL497A. В этой ЯМС используется принцип стабилизации напряжения путем изменения частоты повторения импульсов с фиксированной длительностью. Все интегральные схемы* выпущенные позднее, используют принцип широтно-пмпульсной модуляции для стабилизации напряжения.

Таблица 2.11. Схемы управления ключевыми стабилизаторами

Тип прибора

Выходное напряжение, В

Входное напряжение, В

Выходной ток, мА

Наличие двухтактного выхода

Опорное напряжение, В

Температурный коэффициент напряжения, 10 -б /°С

Дополнительные функции

Частота переключения, кГц

Тип корпуса

Мягкий запуск

Управление (включение, выключение)

Ограничение тока

минимальная

максимальная

МС3421 МС3521

цА540РС (DС)

Приборы типа SG3524 могут применяться как в двухтактных, так и в несимметричных схемах, в стабилизаторах напряжения любой полярности, в преобразователях напряжения постоянного тока с трансформаторной связью. Интегральная микросхема содержит ИОН, генератор, широтно-импульсный модулятор, триггер - генератор управляющих импульсов, два ключевых каскада, схемы ограничения тока и запирания стабилизатора напряжения. Микросхема может работать с частотой переключения 100 кГц и обеспечивает нестабильность по току в среднем 0,2 %. Для построения источников питания двухтактного, мостового и последовательного типа с широтно-импульсной модуляцией выпускается управляющая схема типа МС3420. На кристалле этой ИМС имеется ИОН, компаратор напряжения, двухтактный генератор на 100 кГц, широтно-импульсный модулятор и схема защиты. Прибор типаSL442 предназначен для ключевых стабилизаторов напряжения параллельного и последовательного типов. На кристалле ИМС типаTDA1060 кроме источника опорного напряжения с температурной компенсацией размещены генератор пилообразного напряжения, широтно-импульсный модулятор, схема включения и выключения напряжения питания, схема размагничивания сердечника, схема регулировки коэффициента заполнения импульсов, вход для внешней синхронизации, схема ограничения тока и защиты от перегрузок. В табл. 2.11 представлены электрические параметры микросхем управления ключевыми стабилизаторами напряжения.

Всем привет!

Сегодняшний обзор будет посвящен высокоточному источнику опорного напряжения AD584 - 4-канальному модулю, выдающему напряжение 2,5В, 7.5В, 5В и 10В. Основное предназначение этого устройства - проверка мультиметров на точность. Как не трудно догадаться, при ее помощи проверяется точность вольтметров, другие режимы работы мультиметров с ней никак не связаны.

Так уж вышло, что у меня в домашнем хозяйстве основной, часто использующийся, мультиметр - HYLEC MS8232. В принципе, он меня всем устраивает и полностью подходит под все домашние нужды. Единственное, максимальный ток, который он может измерять в режиме амперметра - 200 мА, что очень мало. Потому для измерение более высоких токов, есть у меня еще и A830L, который стоит раза в два дешевле. Но какой из них более точный? Для того, чтобы дать ответ на этот вопрос как раз и пригодится данная плата. Кроме того, при ее помощи любой сможет проверить свой мультиметр на точность отображаемых данных, во всяком случае, в режиме вольтметра.

Итак, продавец на eBay был выбран совершенно случайно. На момент покупки плата стоила $5.05, сейчас она немного подорожала и стоит $5.42. Думаю, можно найти и более бюджетные варианты, хотя итак не дорого. После переписки с продавцом была достигнута договоренность о том, что посылка будет отправлена с треком (пришлось доплатить еще 2$). Если кому-нибудь интересно узнать как посылка путешествовала из Китая в Беларусь, то узнать всю информацию можно .

Поставляется плата в запаянном со всех сторон пакете.

В живую, наш «контрольный прибор» мало чем отличается от того, что можно увидеть на страничке продавца и в живую выглядит следующим образом:

Здесь мы видим два разъема для подключения питания: один для батареек, а второй для обычного блока питания. Есть красный переключатель ON/OFF, назначение которого итак понятно. Слева от выключателя расположены четыре регулятора выходного напряжения. Каждый из них подписан, так что что-то сделать не так трудно. Переключение напряжения осуществляется посредством перестановки перемычек:) А-ля, привет из 90-х.

Зато вспомнил времена, когда для подключения винчестера в том или ином режиме приходилось осуществлять очень похожие манипуляции:) Есть модели и с более продвинутым вариантом переключения напряжения, но поскольку пользоваться платой каждый день я не планирую, то и такой вариант для меня сгодится. В самом низу платы расположены контактные площадки для подключения мультиметров. Их по 2 шт., то есть 2 плюсовые и 2 минусовые. Помимо того, что они подписаны, так еще и цветом обозначены - спутать ну очень трудно, хотя даже если это и случится, то ничего страшного не произойдет. Внутренние контакты удобно использовать для щупов, а наружные для крокодилов или подключения проводов.

Помимо самой платы в пакете изначально была небольшая бумажка с контрольными значениями. К сожалению, ни на один кадр она не попала:(Ничего особо интересного в ней нет - уточненные данные по значениям напряжения, не более. Выглядела она примерно так (фото взято из интернета):

В основе всей этой конструкции расположен восьмиконтактный модуль прецизионного напряжения AD584LH.

Плата с односторонним расположением элементов, так что на другой ее стороне ничего интересного нет.

Размеры платы 56х56 миллиметров. Пожалуй, это последнее, что можно рассказать о ее внешнем виде и устройстве. Так что можно переходить к проверке ее работоспособности, но, думаю, сперва будет не лишним ознакомить вас с ее особенностями и характеристиками:

1. Использование батареи 15 В в качестве источника питания позволит получить наиболее точные данные;
2. Плата имеет четыре программируемых клеммы, каждая из которых соответствует выходному напряжению. Переключение осуществляется путем замыкания соответствующей клеммной колодки. Поскольку AD584 является восьмиконтактным, то замыкание каждого контакта влияет на выходное напряжение, чтобы уменьшить сопротивление замыкания, два параллельно соединяются два вывода;
3. Температурный коэффициент: 5 ppm / ° C (максимум, от 0 ° C до 70 ° C, AD584L) 15 ppm / ° C (максимум, от -55 ° C до + 125 ° C, AD584T);
4. Потребляемая мощность: Статический ток: 1 мА (макс.), Низкий ток покоя идеально подходит для батарей;
5. Рабочее напряжение: от 4,5 В до 30 В, обратите внимание, что рабочее напряжение должно быть выше запрограммированного выходного напряжения;
6. Температурный диапазон: AD584J / K / L от 0 ° C до + 70 ° C, AD584S / T, от -55 ° C до + 125 ° C. 7. Внешнее электропитание - напряжение должно быть больше 11В;
8. Два вида интерфейс выходного сигнала опорного напряжения отлично подходят как для проверки мультиметров, так и для калибровки других приборов;
9. Каждая плата на заводе проверяется с помощью 6-разрядного мультиметра.
Как-то так. Ну что же, начнем. В проверке будут участвовать сама плата, выпрямитель в качестве источника питания, а так же два мультиметра (HYLEC MS8232 и A830L) в качестве испытуемых.

Подключаем питание к контактам батарейной площадки, переключаем «рубильник» в положение ON и видим что на плате загорается красный диод, информирующий нас о том, что ей можно пользоваться.

Питание на контактных площадках батарейного отека - 12,96В, чего более чем достаточно для проверки платы во всех режимах.

Поскольку по молчанию на плате выставлено напряжение в 10 В, то именно с него и начнем. Сперва HYLEC MS8232:

Подключаем A830L:

Разбежка в показаниях мультиметров 0,04В - не так уж и много. Но обобщим полученные данные немного позже.

Переключаем перемычки на 7,5В. HYLEC MS8232:

A830L:

Следующие на очереди 5В. HYLEC MS8232:

A830L:

И последний режим проверки - 2,5В. HYLEC MS8232:

A830L:

Итак, видно, что чем выше напряжение, там больше разнятся данные, снятые с мультиметров: на 2,5В - 0,01В, на 5В - 0,02В, на 7,5В - 0,02В и на 10В - 0,04В. Причем данные HYLEC MS8232 стабильны и отлично подпадают под данные, имеющиеся на комплектной бумажке. А вот у A830L не все так хорошо - чем выше напряжение, там дальше он уходит от правдивых показаниях. И если на 10В разница не такая уж и большая, то на 200-220В она будет заметна довольно ощутимо.

Подводя итог всему, что тут было написано, могу сказать, что наш источник опорного напряжения AD584 неплохо справился с поставленными перед ними задачами. Теперь я знаю какой мультиметр врёт, а так же знаю примерную прогрессию отклонений. Помимо проверки мультиметров, AD584 может сгодится и для проверки USB (и не только) тестеров, если обзавестись подходящим кабелем и подключить его к выходным площадкам. Главное не забывать, что входное напряжение должно быть выше выходного. Так что данная плата может быть полезна в домашнем хозяйстве тем, кто хочет быть уверенным в точности имеющихся у него приборов, способных отображать уровень напряжения в сети.

На этом, пожалуй, все. Спасибо за внимание и потраченное время.

В статье рассматривается новое семейство прецизионных источников опорного напряжения (ИОН) из производственной линии Burr-BrownREF50xx . Эти ИОН выполнены по архитектуре бэндгап, но по характеристикам начального разброса, температурного дрейфа и шума способны конкурировать с другими лидирующими по уровню прецизионности архитектурами.

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 напряженияLM109. Позже, в 1971 году, Видлар совместно с еще одним легендарным разработчиком Робертом Добкиным разрабатывают первый монолитный ИОНLM113. 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 наименованиемAD580. 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.

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

	Семейство REF50xx						Сравнение с лучшими конкурирующими решениями (V OUT = 2,5 В)
	REF5020	REF5025	REF5030	REF5040	REF5045	REF5050	ISL21009	ADR291	MAX6325
Архитектура	Бэндгап, последовательный тип						FGA	XFET	Стабили- трон со скрытым пробоем
Выходное напряжение V OUT , В	2,048	2,5	3	4,096	4,5	5	2,5	2,5	2,5
Начальный разброс (25°С), %	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,08	0,04
Макс. ТК, ppm/°C	3	3	3	3	3	3	3	3	1
Макс. ток нагрузки I OUT , мА	10	10	10	10	10	10	7	5	15
Собственный потребляемый ток I Q , не более, мкА	1000	1000	1000	1000	1000	1000	180	12	3000
Входное напряжение V IN , В	2,7...18	2,7...18	3,2...18	4,296...18	4,7...18	5,2...18	3,5...16,5	2,8...15	8...36
Размах напряжения шума eN (0,1...10 Гц), мкВ	6	7,5	9	12	13,5	15	4,5	8	1,5
Корпус	8-SOIC							8-SOIC, 8-TSSOP	8-DIP/SOIC
Рабочий температурный диапазон, °C	-40 ...125								-40...85

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 . 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 ОУOPA333, OPA335 илиOPA376.

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.

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 . Здесь входной сигнал буферизуется прецизионным ОУOPA365, включенным по схеме неинвертирующего усилителя-повторителя. Далее сигнал фильтруется RC-цепью и поступает на вход 16-битного АЦПADS8326. Измерительный диапазон задается ИОНREF5040 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 усилителяINA159, 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.

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.

Новости Электроники 14, 2008

В статье рассматривается новое семейство прецизионных источников опорного напряжения (ИОН) из производственной линии Burr-Brown REF50xx. Эти ИОН выполнены по архитектуре бэндгап, но по характеристикам начального разброса, температурного дрейфа и шума способны конкурировать с другими лидирующими по уровню прецизионности архитектурами.

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.

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

	Семейство REF50xx						Сравнение с лучшими конкурирующими решениями (V OUT = 2,5 В)
	REF5020	REF5025	REF5030	REF5040	REF5045	REF5050	ISL21009	ADR291	MAX6325
Архитектура	Бэндгап, последовательный тип						FGA	XFET	Стабили- трон со скрытым пробоем
Выходное напряжение V OUT , В	2,048	2,5	3	4,096	4,5	5	2,5	2,5	2,5
Начальный разброс (25°С), %	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,08	0,04
Макс. ТК, ppm/°C	3	3	3	3	3	3	3	3	1
Макс. ток нагрузки I OUT , мА	10	10	10	10	10	10	7	5	15
Собственный потребляемый ток I Q , не более, мкА	1000	1000	1000	1000	1000	1000	180	12	3000
Входное напряжение V IN , В	2,7...18	2,7...18	3,2...18	4,296...18	4,7...18	5,2...18	3,5...16,5	2,8...15	8...36
Размах напряжения шума eN (0,1...10 Гц), мкВ	6	7,5	9	12	13,5	15	4,5	8	1,5
Корпус	8-SOIC							8-SOIC, 8-TSSOP	8-DIP/SOIC
Рабочий температурный диапазон, °C	-40 ...125								-40...85

Знакомство с семейством REF50xx

Рис. 1. Расположение выводов и упрощенная структурная схема ИОН REF50xx

Здесь же, на рисунке 1б, показана упрощенная структурная схема ИОН REF50xx.

Обзор рабочих характеристик

Начальный разброс

Температурный дрейф (температурный коэффициент, ТК)

Нестабильность по входу и нагрузке

Максимальный выходной ток

Диапазон напряжения питания

Потребляемый ток

Типичные применения и схемы включения

системы сбора данных;
автоматизированное испытательное оборудование;
устройства промышленной автоматики;
медицинское оборудование;
прецизионные контрольно-измерительные приборы.

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 . 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 МГц ADS8330.
Выводы

Литература

1. REF5020, REF5025, REF5030, REF5040, REF5045, REF5050 - Low-Noise, Very Low Drift, Precision Voltage Reference//Data Sheet, Texas Instruments, lit. num. SBOS410, 2007.- 18p.

Устройствам аналогового вывода также требуется опорный потенциал. От точности и, особенно, температурной и временной стабильности ИОНа зависит точность всего прибора. В ряде случаев требуются малые габариты и низкое энергопотребление.

В таблице 1 приведены основные параметры и особенности микросхем. В основе обычно (но не всегда) лежит так называемая bandgap-схемотехника, а выходное напряжение укладывается в ряд стандартных значений (В):

1,250	2,500	4,500
1,600	3,000	5,000
1,800	3,300	10,000
2,048	4,096

Таблица 1. Основные параметры и особенности микросхем

Микро- схема	Выходное напряжение, В	Макс. напр. питания, В	Макс. темп. дрейф, ppm/°C	Макс. начальная ошибка, %, 25 °C	Макс. ток потреб- ления, мкА	Особенности
MAX6037	Adj; 1,25; 2,048; 2,5; 3;3,3; 4,096	5,5	25	0,2	275	Корпус SOT23, режим Shutdown, регулируемый выход
MAX6125, MAX6141, MAX6145, MAX6150, MAX6160	Adj; 2,5; 4,096; 4,5; 5	12,6	50, 100	1	110	Низкая цена, корпус SOT23, регулируемый выход
MAX6001-MAX6005	1,25; 2,5; 3; 4,096; 5	12,6	100	1	45	Низкая цена, низкое энергопотребление, корпус SOT23
MAX6012, MAX6021, MAX6025, MAX6030, MAX6041, MAX6045, MAX6050	1,247; 2,048; 2,5; 3; 4,096; 4,5; 5	12,6	15	0,2	35	Прецизионный, низкое энергопотребление, корпус SOT23
MAX6018	1,263; 1,6; 1,8; 2,048	5,5	50	0,2	5	Сверхнизкое энергопотребление, корпус SOT23, работа от 1,8 В
MAX6023		12,6	30	0,2	35	Низкое энергопотребление, сверхминиатюрный корпус UCSP
MAX6061-MAX6068	1,248; 1,8; 2,048; 2,5; 3; 4,096; 4,5; 5	12,6	20	0,2	125	Корпус SOT23, вых. ток до 5 мА
MAX6100-MAX6107		12,6	75	0,4	125	Низкая цена, корпус SOT23, вых. ток до 5 мА
MAX6161-MAX6168	1,25; 1,8; 2,048; 2,5; 3; 4,096; 4,5; 5	12,6	5	2 мВ	150	Прецизионный, вых. ток до 5 мА
MAX6190-MAX6195, MAX6198	1,25; 2,048; 2,5; 3; 4,096; 4,5; 5	12,6	5	2 мВ	35	Прецизионный, низкое энергопотребление, альтернатива REF191/2/3/4/5/8
MAX6034	2,048; 2,5; 3; 3,3; 4,096	5,5	30	0,2	125	Низкое энергопотребление, сверхминиатюрный корпус SC70
MAX6126	2,048; 2,5; 3; 4,096; 5	12,6	3	0,02	550	Сверхпрецизионный, сверхмалошумящий, корпус mMAX
MAX6129	2,048; 2,5; 3; 3,3; 4,096; 5	12,6	40	0,4	5,25	Сверхнизкое энергопотребление, корпус SOT23
MAX6033	2,5; 3; 4,096; 5	12,6	7	0,04	75	Сверхпрецизионный, корпус SOT23
MAX6035	2,5; 3; 5	33	25	0,2	95	Высокое напряжение питания, корпус SOT23
MAX6043	2,5; 3,3; 4,096; 5; 10	40	15	0,05	490	Прецизионный, малошумящий, высокое напряжение питания, корпус SOT23
MAX6133	2,5; 3; 4,096; 5	12,6	3	0,04	65	Сверхпрецизионный, низкое энергопотребление, корпус mMAX
MAX6143	2,5; 3,3; 4,096; 5; 10	40	3	0,05	550	Сверхпрецизионный, малошумящий, высокое напряжение питания, датчик температуры, режим Shutdown
MAX6173-MAX6177	2,5; 3,3; 4,096; 5; 10	40	3	0,05	550	Сверхпрецизионный, малошумящий, высокое напряжение питания, датчик температуры
MAX6220	2,5; 4,096; 5	40	20	0,1	3,3 мА	Прецизионный, сверхмалошумящий, высокое напряжение питания
MAX6225, MAX6241, MAX6250	2,5; 4,096; 5	36	2	0,02	3,0 мА
MAX6325, MAX6341, MAX6350	2,5; 4,096; 5	36	1	1 мВ	3,0 мА	Сверхпрецизионный, сверхмалошумящий, высокое напряжение питания

MAX6037_ADJ и MAX6160 имеют регулируемый выход. Выходное напряжение может быть установлено в пределах от 1,184 В до 5,0 В и от 1,23 В до 12,4 В соответственно с помощью внешнего делителя.

Максимальное входное напряжение, как правило, составляет 5,5 В либо 12,6 В. Ряд микросхем работоспособен при входном напряжении до 40 В.

НАЧАЛЬНАЯ ТОЧНОСТЬ, ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДРЕЙФ И УРОВЕНЬ ШУМА

Эти параметры являются основными и чаще всего взаимосвязаны. Наилучшую начальную точность (макс. ошибка 0,02%) и наименьший уровень шумов (типовое значение амплитуды от пика до пика 1,3 мкВ для выходного напряжения 2,048 В и диапазона частот от 0,1 Гц до 10 Гц) имеет микросхема MAX6126. При этом температурный дрейф не превышает 3 ppm/°C. Вариант исполнения в корпусе mMAX является самым миниатюрным ИОНом в мире с такими высокими точностными параметрами.

Настоящим чемпионом по температурной стабильности является серия микросхем MAX6325/MAX6341/MAX6350 с максимальным температурным дрейфом 1 ppm/°C. Эти изделия также обладают очень низким уровнем шумов (типовое значение амплитуды от пика до пика 1,5 мкВ для MAX6325 и диапазона частот от 0,1 Гц до 10 Гц) и высокой начальной точностью (макс. ошибка ±1 мВ).

РАЗМЕР КОРПУСА, ПОТРЕБЛЯЕМАЯ МОЩНОСТЬ

Зачастую перед инженерами-схемотехниками встает задача разработать устройство с очень низким энергопотреблением. Как правило, это приборы с батарейным питанием. Размер корпуса в таких устройствах тоже может иметь существенное значение. Большое количество микросхем источников опорного напряжения фирмы MAXIM поставляется в малогабаритных корпусах SOT23, SC70, mMAX. MAX6023 поставляется в корпусе UCSP размером 1 х 1,5 мм.

Стоит обратить внимание на ИОН MAX6129. При максимальном потреблении 5,25 мкА (для выходного напряжения 2,048 В) выходной ток данной микросхемы может достигать 4 мА, а температурный дрейф не превышает 40 ppm/°C. Максимальная начальная ошибка составляет 0,4%. Микросхема поставляется в миниатюрном корпусе SOT-23 и может работать без входного и выходного конденсаторов с емкостью нагрузки до 10 мкФ.

Исключение внешних конденсаторов позволяет дополнительно сэкономить место на печатной плате. Следует отметить, что большин-ство источников опорного напряжения компании Maxim могут работать без внешних конденсаторов.

ВКЛЮЧЕНИЕ И ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

В большинстве случаев источник опорного напряжения — это трехвыводная микросхема с двумя выводами питания и выводом для подключения нагрузки.

Рис. 1.

Рис. 2.

В качестве примера использования источника опорного напряжения приведена схема на рисунке 2. Это устройство для оцифровки аналогового входного сигнала (токовой петли (0…20) мА или (4…20) мА). В качестве ИОНа использована уникальная микросхема MAX6033, которая сочетает в себе, с одной стороны, высокую точность, стабильность и низкий уровень шумов, а с другой — низкое потребление и малые габариты.

Представленная на рисунке схема имеет следующие основные параметры:

Максимальная ошибка — менее 0,2%
Температурный дрейф — менее 8 ppm/°C (тип.)
Максимальный ток потребления — 335 мкА (при скорости 100 тыс. выборок в секунду)
Напряжение питания — от +2,7 В до +12,6 В
Малые габариты — SOT23 (MAX6033), TDFN (MAX1393), 5,8 х 2,2 мм (R1)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дополнительную информацию и более подробные технические характеристики, а также информацию о так называемых двухвыводных (shunt ) устройствах можно найти на сайте www.maxim-ic.com/References .

По вопросам получения технической информации, заказа образцов и поставки обращайтесь в компанию КОМПЭЛ. Е-mail: .

Новые программируемые многоканальные 16-/14-битные АЦП

Компания Maxim Integrated Products представила семейство 16-/14-битных АЦП MAX1300-MAX1303 и MAX1032-MAX1035. Эти новые устройства впервые в отрасли имеют входной диапазон ±12 В. Интегрированное программное обеспечение позволяет пользователю дистанционно конфигурировать каждый вход микросхемы под определенный диапазон напряжений. Каждый входной канал может быть запрограммирован для использования семи различных входных диапазонов в случае несимметричных входов и трех различных входных диапазонов в случае дифференциальных входов. Представлены следующие программируемые диапазоны аналоговых входных напряжений: ±24 В, ±12 В, ±6 В, ±3 В, от 0 до +12 В, от -12 В до 0, от 0 до +6 В и от -6 В до 0.

Это семейство АЦП предлагает до восьми несимметричных или четырех дифференциальных входов, каждый из которых выдерживает повышение входного напряжения до ±16,5 В. По сравнению с традиционными изделиями, эта возможность дает клиенту больше гибкости при выборе АЦП для проектирования и позволяет использовать одну разработку с различными платформами.

Новые АЦП позволяют получать точные значения измерений датчиков температуры и давления, мостов сопротивления, ПЛК, контуров в диапазоне от 4 до 20 мА при нормальных условиях эксплуатации, а также в условиях повышения напряжения. При этом устройства используют диапазон аналогового входного напряжения ±12 В.

Другие характеристики АЦП соответствуют и даже превосходят ожидания разработчиков.

Высокий КПД по переменному току (коэффициент гармонических искажений -79 дБ) и точность по постоянному току (±2 наим. зн. бита интегральной линейности) делают устройства идеальными для систем управления в промышленности, приборостроения и систем сбора данных.

Тематические материалы: