Опорное напряжение

Источник опорного напряжения — это электронное устройство, которое в идеале создает фиксированное (постоянное) напряжение независимо от нагрузки на устройство, изменений напряжения питания, изменений температуры и течения времени. Опорные напряжения используются в источниках питания , аналого-цифровых преобразователях , цифро-аналоговых преобразователях и других системах измерения и управления. Источники опорного напряжения сильно различаются по характеристикам; регулятор для компьютерного источника питания может поддерживать свое значение только в пределах нескольких процентов от номинального значения, тогда как лабораторные стандарты напряжения имеют точность и стабильность, измеряемые в частях на миллион .

В метрологии

Самыми ранними эталонами или стандартами напряжения были ячейки для жидких химических веществ, такие как ячейка Кларка и ячейка Вестона , которые до сих пор используются в некоторых лабораторных и калибровочных приложениях.

лабораторного класса, стабилитронах Вторичные полупроводниковые эталоны напряжения на используемые в метрологии, могут быть сконструированы с дрейфом около 1 части на миллион в год.

Значение « обычного » вольта теперь поддерживается сверхпроводящими интегральными схемами, использующими эффект Джозефсона для получения напряжения с точностью до 1 части на миллиард или выше, стандарта напряжения Джозефсона . Статья под названием «Возможные новые эффекты в сверхпроводящем туннелировании» была опубликована Брайаном Дэвидом Джозефсоном в 1962 году и принесла Джозефсону Нобелевскую премию по физике в 1973 году.

Раньше ртутные батареи широко использовались в качестве удобных источников напряжения, особенно в портативных приборах, таких как фотографические люксметры ; Ртутные батареи имели очень стабильное напряжение разряда на протяжении всего срока службы.

Твердотельные устройства

Любой полупроводниковый диод имеет экспоненциальную вольт-амперную характеристику , которую можно рассматривать как имеющую « переломное » напряжение, иногда используемое в качестве неточного эталонного напряжения. В таблицах данных может быть указано прямое падение напряжения при указанном токе включения. Это напряжение составляет около 0,3 В для германиевых диодов, от 0,6 до 0,7 В для кремниевых диодов и от 1,6 В (красный) до 4 В (фиолетовый) для диодов видимого света . Эти устройства имеют сильную температурную зависимость, что может сделать их полезными для измерения температуры или для компенсации смещения в аналоговых схемах.

Стабилитроны также часто используются для обеспечения опорного напряжения умеренной стабильности и точности, что полезно для многих электронных устройств. Лавинный диод отображает аналогичное стабильное напряжение в диапазоне силы тока. Наиболее стабильные диоды этого типа изготавливаются путем температурной компенсации стабилитрона путем включения его последовательно с прямым диодом; такие диоды изготавливаются как двухполюсные устройства, например серия 1N821, имеющая общее падение напряжения 6,2 В при токе 7,5 мА, но также иногда включаются в интегральные схемы.

Наиболее распространенной схемой опорного напряжения, используемой в интегральных схемах, является опорное напряжение запрещенной зоны . Опорный сигнал на основе запрещенной зоны (обычно называемый просто запрещенной зоной) использует аналоговые схемы для добавления кратной разности напряжений между двумя биполярными переходами, смещенными при разных плотностях тока, к напряжению, развиваемому на диоде. Напряжение на диоде имеет отрицательный температурный коэффициент (т.е. оно уменьшается с ростом температуры), а разность напряжений на переходе имеет положительный температурный коэффициент. При добавлении пропорции, необходимой для взаимного равенства этих коэффициентов, результирующее постоянное значение представляет собой напряжение, равное напряжению запрещенной зоны полупроводника. У кремния это напряжение составляет примерно 1,25 В. Источники опорного напряжения Бурид-Зинера могут обеспечивать еще более низкие уровни шума, но требуют более высоких рабочих напряжений, которые недоступны во многих устройствах с батарейным питанием.

Газонаполненные устройства

Газонаполненные трубки и неоновые лампы также использовались в качестве источников опорного напряжения, в первую очередь в оборудовании на основе ламп, поскольку напряжение, необходимое для поддержания газового разряда, сравнительно постоянно. Например, популярный RCA 991. « Трубка регулятора напряжения NE-16 » представляет собой неоновую лампу , которая загорается при напряжении 87 вольт и затем удерживает на пути разряда 48–67 вольт.

См. также

• Опорное напряжение запрещенной зоны
• LM317 , регулируемый стабилизатор напряжения.
• Резиновый диод — схема на биполярном переходном транзисторе, служащая источником опорного напряжения.

Внешние ссылки

• AN719 Общие сведения о топологиях и спецификациях опорного напряжения — Maxim Integrated Products, Inc. (6 марта 2013 г.)
• Проектирование опорных схем с запрещенной зоной: испытания и невзгоды — Роберт Пиз, National Semiconductor
• LT Journal, март 2009 г.: Как выбрать источник опорного напряжения Брендан Уилан, Linear Technology Corporation
• Внутреннее устройство кристалла TL431 и его реверс-инжиниринг