Aby układy elektroniczne prawidłowo działały, muszą być prawidłowo zaprojektowane pod kątem ich aplikacji docelowej. Proces projektowania obejmuje m.in. dobieranie komponentów, od których parametrów charakterystycznych zależeć efekt końcowy. Wśród tych elementów możemy wyróżnić m.in. źródła napięcia referencyjnego, które są niezbędne szczególnie w przyrządach pomiarowych, wyposażonych w komparatory i przetworniki analogowo-cyfrowe. Przykładem źródła napięcia odniesienia, jest m.in. układ scalony LM385, który pokrótce omówimy w niniejszym artykule oraz przedstawimy także zasadę działania źródeł napięcia odniesienia od strony wewnętrznej.
LM385 – ogólna charakterystyka układu
Układ scalony LM385 jest precyzyjnym źródłem napięcia referencyjnego, który stanowi diodę z trzema wyprowadzeniami, pozwalając na precyzyjną regulację napięcia pasma zabronionego. Zakres napięcia referencyjnego dla LM385 wynosi od 1,24V do 5,30V, a zakres prądu roboczego wynosi od 10μA do 20mA. Źródło napięcia odniesienia LM385 charakteryzuje się bardzo niską impedancją dynamiczną i jest stabilne termicznie. Wbudowana funkcja samoczynnej kalibracji, zapewnia utrzymanie bardzo wąskiego uchybu napięcia. Oparcie struktury układu scalonego LM385 tylko na tranzystorach i rezystorach pozwoliło w rezultacie uzyskać niski poziom szumów i bardzo dobrą stabilność przy pracy długotrwałej. Wysoka precyzja procesu technologicznego produkcji sprawiła, że układ LM385 toleruje obciążenie o charakterze pojemnościowym i charakteryzuje się szerokim zakresem dynamiki działania, co pozwala na zastosowanie go w bardzo zróżnicowanych aplikacjach z zachowaniem doskonałej stabilności pod kątem regulacji napięcia. LM385 prawidłowo pracuje w zakresie temperatur otoczenia w przedziale od 0°C do 70°C.
Wpływ zmian temperatury na stabilność referencyjnego źródła napięcia
Zmiany temperatury są jednym z tych czynników, które mogą niekorzystnie wpływać na stabilność działania komponentów elektronicznych. Z tego względu, podczas projektowania układów elektronicznych, w tym komponentów półprzewodnikowych i innych podzespołów stosowanych w układach elektronicznych, należy ten czynnik szczególnie brać pod uwagę. LM385 jest źródłem napięcia referencyjnego, które działa niezależne od temperatury i może być wykorzystywane do generowania stałego napięcia w różnych temperaturach, w dozwolonym zakresie roboczym określonym przez producenta. LM385 jest przeznaczony również do pracy w układach zasilania niewrażliwego na zmiany napięcia dostarczanego z zewnątrz. W klasycznych źródłach napięcia odniesienia, pasmo zabronione napięcia jest równe ekstrapolowanemu pasmu zabronionemu dla krzemu, tj. ok. 1,2V.
Tranzystory bipolarne, które są wykorzystywane w źródłach napięcia referencyjnego mają tą własność, że ich zachowanie zależne jest od temperatury roboczej. Zwykle za pomocą tranzystorów bipolarnych możemy generować zarówno napięcie o zboczu dodatnim (PTAT), jak i napięcie o zboczu ujemnym (CTAT). Jeśli wyrównamy wartość obu nachyleń i dodamy napięcia PTAT i CTAT, aby zniwelować nachylenia, możemy otrzymać napięcie o zerowym nachyleniu (ZTAT) wraz z temperaturą. Jeśli połączymy idealne źródło prądowe z tranzystorem bipolarnym w ujęciu Ebersa-Molla (model diodowy), napięcia baza-emiter będzie spadało wraz ze wzrostem temperatury. Takie zjawisko jest nazywane komplementarością napięcia do temperatury względnej (CTAT) i możemy je opisać za pomocą zależności 1.1:
VBE = kB*T*q*ln(IC*IS) (1.1)
Gdzie:
VBE – napięcie baza-emiter [V]
kB – stała Boltzmanna, kB = 1,38*10-23 [J/K]
T – temperatura bezwzględna [*C]
q – ładunek elektryczny [C]
IC – prąd kolektora [A]
IS – wsteczny prąd stanu nasycenia [A]
Z zależności (1.1) na pierwszy rzut oka wynika, że napięcie baza-emiter spada wraz ze wzrostem temperatury, ale z uwagi na obecność wstecznego prądu nasycenia, który sprawia, że napięcie baza-emiter zależy w sposób logarytmiczny, nie jest to do końca prawda.
Napięcie PTAT i ZTAT
Rozważając różnicę napięć baza-emiter dwóch tranzystorów bipolarnych o różnych gęstościach prądu (tj. ten sam prąd, ale różne obszary emiterów), możemy zaobserwować, że różnica tych napięć zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury. Ten wzrost napięcia wraz ze wzrostem temperatury nazywany jest napięciem proporcjonalnym do temperatury bezwzględnej (PTAT). Dla źródeł napięcia odniesienia używa się także terminu ZTAT, który oznacza, że nachylenie (pochodna) napięcia w funkcji temperatury jest zerowe, tj. niezależnie od warunków termicznych, napięcie na wyjściu źródła referencyjnego jest stałe – oczywiście dotyczy to zakresu temperatur, do których źródło zostało zaprojektowane.
Źródła błędów . . . w źródłach napięcia odniesienia!
Rozrzut w procesie wytwarzania powoduje, że szerokość pasma zabronionego zmienia się nieznacznie wraz z temperaturą, co może nie być akceptowane w niektórych zastosowaniach. Jest tak, ponieważ prądy bazowe tranzystorów powodują dodatkowy spadek napięcia na rezystancji, gdy baza nie jest połączona z węzłami o bardzo niskiej impedancji, tj. masą czy też wyjściem wzmacniacza operacyjnego. Innym nie mniej istotnym problemem dotyczącym zagadnienia rozrzutu parametrów, jest skończona wartość impedancji wyjściowej tranzystora, która powoduje niedopasowanie prądów w lustrach prądowych, co również jest spowodowane niedopasowaniem tranzystorów. Takie czynniki w rezultacie prowadzą do pojawienia się napięcia niezrównoważenia, które ostatecznie wpływa na wartość napięcia przerwy zabronionej. Z tego względu, źródła napięcia referencyjnego są wyposażone w wewnętrzne podukłady korekcji błędów, które zapewniają stabilną i niezawodną pracę źródła również w mniej korzystnych warunkach. Jednym z klasycznych podejść jest wymuszanie takiego samego prądu kolektora w jednym i drugim tranzystorze w parze.
