Меню

Выходное сопротивление источника опорного напряжения

Источники опорного напряжения от компании Analog Devices

Компания Analog Devices производит около 600 модификаций источников опорного напряжения (ИОН), и рассмотреть их все, конечно же, невозможно. Поэтому в первую очередь рассмотрим недорогие ИОН ADR 01, ADR02, ADR03, и ADR06 с номинальными выходными напряжениями 10,0 В, 5,0 В, 2,5 В и 3,0 В соответственно, а завершим наш краткий обзор сведениями об AD780. Как и все другие ИОН, источники ADR 01, ADR02, ADR03 и ADR06 формируют опорные напряжения с помощью запрещенной энергетической зоны внутренних базовых p-n-переходов (band gap) транзисторов с разной площадью эмиттеров. ИОН серии ADR изготавливаются в компактных 8-выводных корпусах SOIC , а также в 5-выводных корпусах SC70 и TSOT. Малые габариты ИОН и широкий диапазон рабочих температур (–40…+125 °С) позволят им найти применение во многих приложениях, в том числе там, где на первый план выходит компактность печатной платы.

Начальная погрешность и температурный коэффициент зависят от исполнения ИОН, которое бывает трех типов: A, B и С. В зависимости от типа и исполнения микросхемы начальная погрешность варьируется в пределах 0,05–0,2%, а типовое значение температурного коэффициента находится в диапазоне 1–10 ppm/°С. Однако кроме типового значения существуют и максимальные значения, величина которых зависит уже от типа корпуса микросхемы. Например, в исполнении А типовое значение температурного коэффициента составляет 3 ppm/°С, но максимально возможная величина может достигать 10 ppm/°С для ИОН в корпусе SOIC и 25 ppm/°С для ИОН в корпусах SC70 и TSOT.

Это обстоятельство надо обязательно учитывать особенно в тех случаях, когда ИОН используется во всем рабочем диапазоне температур –40…+125 °С. Иначе вас может ожидать весьма неприятный сюрприз, и вместо температурной погрешности 3 ppm/°С × 165 °С = 495 ppm вы получите погрешность 25 ppm/°С × 165 °С = 4125 ppm. Напомним формулу для вычисления температурного коэффициента TCV:

где V(T2), V(T1) и V(+25 °С) — выходное напряжение при температуре Т2, Т1 и +25 °С соответственно.

В таблице указаны некоторые типовые параметры рассматриваемых ИОН. Заметьте, что нестабильность выходного напряжения зависит от температуры. Графики зависимостей можно найти в документации производителя.

Наименование микросхемы Диапазон входных напряжений, В Нестабильность выходного напряжения, ppm/В Нестабильность выходного напряжения по нагрузке ppm/мА Спектральная плотность шума, нВ√Гц Размах шума (от пика до пика), мкВ Ослабление пульсаций на частоте 10 кГц, дБ
ADR 01 12–36 7 40 510 20 –75
ADR02 7–36 7 40 230 10 –75
ADR03 4,5–36 7 25 230 6 –75
ADR06 5–36 7 40 510 10 –75

Особенно нужно отметить довольно высокий уровень ослабления пульсаций напряжения и широкий диапазон входных напряжений, причем максимальная величина напряжений может достигать 36 В. Последнее обстоятельство упрощает схему и снижает стоимость решений. Например, если требуется получить опорное напряжение 2,5 или 3,0 В, а на плате напряжение питания только 15 В, вам не придется создавать еще одну шину питания 5 В специально для ИОН, на его вход можно безбоязненно подавать напряжение 15 В.

В распределенной системе питания с нестабилизированной шиной 12 В, напряжение на которой может варьироваться в пределах 9–18 В, напряжение на входе ИОН не превысит максимально допустимую величину.

Конечно, при большом падении напряжения на ИОН возрастает мощность рассеяния, но для контроля температуры микросхемы предусмотрен специальный вывод TEMP, напряжение на котором пропорционально температуре микросхемы. Контроль напряжения на этом выводе позволит избежать перегрева сверх максимального значения +125 °С или другого заданного разработчиком предела.

Хотя для использования ИОН серии ADR не требуются внешние компоненты, будет не лишним установить на вход и выход микросхемы ИОН керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ, как показано на рис. 1. Конденсатор на выходе увеличит стабильность и послужит фильтром выходных шумов, а на входе сократит время протекания переходных процессов и уменьшит пульсации питания. Если пульсации питания велики, то параллельно конденсатору 0,1 мкФ можно подключить электролитический или танталовый конденсатор 1–10 мкФ.

Вывод TRIM в микросхемах позволяет изменить их выходное напряжение. Простейший вариант подстройки выходного напряжения показан на рис. 2. Резистор R1 величиной 470 кОм позволит увеличить плавность настройки, потенциометр POT надо выбрать многооборотным, иначе не удастся произвести точную подстройку.

Напряжение на выводе TEMP изменяется пропорционально изменению температуры, однако надо учесть, что производитель не указывает точность измерения, поэтому следует использовать такое напряжение скорее как справочное значение, а не для точных измерений. При температуре +25 °С напряжение на этом выводе составляет примерно 552 мВ и при увеличении температуры на 20 °С повышается на 39,2 мВ. Таким образом, чувствительность достигает 1,96 мВ/°С. Следует иметь в виду, что вывод TEMP подключен к опорному напряжению band gap, а потому нагрузка на данном выводе должна быть минимальной. Лучше всего подсоединять этот вывод к схеме через буфер с большим входным сопротивлением.

В выходном каскаде ИОН серии ADR применяется схема Дарлингтона на биполярных n-p-n-транзисторах и ток собственного потребления практически не зависит от тока нагрузки. Соответственно, на основе ИОН можно создавать прецизионные источники тока. Довольно простая схема такого источника изображена на рис. 3. Потенциометр ABW величиной 100 кОм введен в схему для регулирования тока.

Нагрузкой источника является резистор RL. Величина тока нагрузки IL = VREF/RSET. При использовании ИОН в различных схемах, в том числе с операционными усилителями, следует помнить, что выход рассмотренных ИОН рассчитан на вытекающий ток и даже небольшой втекающий ток может привести к увеличению погрешности выходного напряжения. При выборе резисторов не забудьте обратить внимание на их ТКС, он должен быть минимальным.

Однако не всегда можно удовлетвориться параметрами рассмотренных выше ИОН. А потому компания Analog Devices предлагает ИОН с лучшими параметрами — в частности, AD780. Его выходное напряжение составляет 2,5 или 3,0 В и программируется коммутацией внешних выводов. В отличие от рассмотренных выше ИОН серии ADR ИОН AD780 содержит встроенный буфер, поэтому максимальные втекающие и вытекающие токи равны и составляют 10 мА, что упрощает схемотехнику узлов с использованием AD780.

Лазерная подгонка при производстве позволяет уменьшить начальную погрешность до 1 мВ или 0,04% полной шкалы в случае напряжения 2,5 В, а максимальный температурный дрейф, в зависимости от исполнения, составляет 3 или 7 ppm/°С, что также существенно лучше, чем у ИОН серии ADR. Это иллюстрируется рис. 4, на котором показана зависимость погрешности напряжения ИОН AD780 от температуры. Как видно из рисунка, почти во всем рабочем диапазоне температур погрешность не превышает 1 мВ.
Ну и конечно, нельзя не сказать о долговременной стабильности опорного напряжения. У ИОН серии ADR она составляет ±20 ppm/1000 ч, а серии ADR — 50 ppm/1000 ч.

Описанные ИОН могут найти применение в очень многих функциональных узлах аналоговых схем. Вот некоторые из них: опорное напряжение для АЦП, ЦАП и аналоговых компараторов, источники прецизионного тока для питания датчиков, мониторинг напряжения аккумуляторных батарей и другие.

Таким образом ИОН серии ADR01, ADR02, ADR03, ADR06 и AD780 компании Analog Devices схожи по характеристикам, но AD780 имеет программируемое выходное напряжение и встроенный буфер, что позволяет упростить конечную схему. В линейке компании Analog Devices огромное количество различных ИОН. В данной статье показано, что выбор ИОН может и должен осуществляться в зависимости от требований конкретного проекта, и на примере продукции Analog Devices продемонстрировано широкие возможности такого выбора.

Источник



Входное и выходное сопротивление

Входное и выходное сопротивление является очень важным в электронике.

Предисловие

Ладно, начнем издалека… Как вы знаете, все электронные устройства состоят из блоков. Их еще часто называют каскады, модули, узлы и тд. В нашей статье будем использовать понятие “блок”. Например, источник питания, собранный по этой схеме:

состоит из двух блоков. Я их пометил в красном и зеленом прямоугольниках.

В красном блоке мы получаем постоянное напряжение, а в зеленом блоке мы его стабилизируем. То есть блочная схема будет такой:

Блочная схема – это условное деление. В этом примере мы могли бы даже взять трансформатор, как отдельный блок, который понижает переменное напряжение одного номинала к другому. Как нам удобнее, так и делим на блоки нашу электронную безделушку. Метод “от простого к сложному” полностью работает в нашем мире. На низшем уровне находятся радиоэлементы, на высшем – готовое устройство, например, телевизор.

Ладно, что-то отвлеклись. Как вы поняли, любое устройство состоит из блоков, которые выполняют определенную функцию.

– Ага! Так что же получается? Я могу просто тупо взять готовые блоки и изобрести любое электронное устройство, которое мне придет в голову?

Да! Именно на это нацелена сейчас современная электроника 😉 Микроконтроллеры и конструкторы, типа Arduino, добавляют еще больше гибкости в творческие начинания молодых изобретателей.

На словах все выходит прекрасно, но всегда есть подводные камни, которые следует изучить, чтобы начать проектировать электронные устройства. Некоторые из этих камушков называются входным и выходным сопротивлением.

Думаю, все помнят, что такое сопротивление и что такое резистор. Резистор хоть и обладает сопротивлением, но это активное сопротивление. Катушка индуктивности и конденсатор будут уже обладать, так называемым, реактивным сопротивлением. Но что такое входное и выходное сопротивление? Это уже что-то новенькое. Если прислушаться к этим фразам, то входное сопротивление – это сопротивление какого-то входа, а выходное – сопротивление какого-либо выхода. Ну да, все почти так и есть. И где же нам найти в схеме эти входные и выходные сопротивления? А вот “прячутся” они в самих блоках радиоэлектронных устройств.

Входное сопротивление

Итак, имеем какой-либо блок. Как принято во всем мире, слева – это вход блока, справа – выход.

Как и полагается, этот блок используется в каком-нибудь радиоэлектронном устройстве и выполняет какую-либо функцию. Значит, на его вход будет подаваться какое-то входное напряжение Uвх от другого блока или от источника питания, а на его выходе появится напряжение Uвых (или не появится, если блок является конечным).

Но раз уж мы подаем напряжение на вход (входное напряжение Uвх), следовательно, у нас этот блок будет кушать какую-то силу тока Iвх.

Теперь самое интересное… От чего зависит Iвх ? Вообще, от чего зависит сила тока в цепи? Вспоминаем закон Ома для участка цепи :

Значит, сила тока у нас зависит от напряжения и от сопротивления. Предположим, что напряжение у нас не меняется, следовательно, сила тока в цепи будет зависеть от… СОПРОТИВЛЕНИЯ. Но где нам его найти? А прячется оно в самом каскаде и называется входным сопротивлением.

То есть, разобрав такой блок, внутри него мы можем найти этот резистор? Конечно же нет). Он является своего рода сопротивлением радиоэлементов, соединенных по схеме этого блока. Скажем так, совокупное сопротивление.

Как измерить входное сопротивление

Как мы знаем, на каждый блок подается какой-либо сигнал от предыдущего блока или это может быть даже питание от сети или батареи. Что нам остается сделать?

1)Замерить напряжение Uвх, подаваемое на этот блок

2)Замерить силу тока Iвх, которую потребляет наш блок

3) По закону Ома найти входное сопротивление Rвх.

Если у вас входное сопротивление получается очень большое, чтобы замерить его как можно точнее, используют вот такую схему.

Мы с вами знаем, что если входное сопротивление у нас большое, то входная сила тока в цепи у нас будет очень маленькая (из закона Ома).

Падение напряжения на резисторе R обозначим, как UR

Входное и выходное сопротивление

Входное и выходное сопротивление

Из всего этого получаем…

Входное и выходное сопротивление

Когда мы проводим эти измерения, имейте ввиду, что напряжение на выходе генератора не должно меняться!

Итак, давайте посчитаем, какой же резистор нам необходимо подобрать, чтобы как можно точнее замерять это входное сопротивление. Допустим, что у нас входное сопротивление Rвх=1 МегаОм, а резистор взяли R=1 КилоОм. Пусть генератор выдает постоянное напряжение U=10 Вольт. В результате, у нас получается цепь с двумя сопротивлениями. Правило делителя напряжения гласит: сумма падений напряжений на всех сопротивлениях в цепи равняется ЭДС генератора.

В результате получается цепь:

Высчитываем силу тока в цепи в Амперах

Входное и выходное сопротивление

Получается, что падение напряжения на сопротивлении R в Вольтах будет:

Входное и выходное сопротивление

Грубо говоря 0,01 Вольт. Вряд ли вы сможете точно замерить такое маленькое напряжение на своем китайском мультиметре.

Какой отсюда вывод? Для более точного измерения высокого входного сопротивления надо брать добавочное сопротивление также очень большого номинала. В этом случае работает правило шунта: на бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение, и наоборот, на меньшем сопротивлении падает меньшее напряжение.

Измерение входного сопротивления на практике

Ну все, запарка прошла ;-). Давайте теперь на практике попробуем замерить входное сопротивление какого-либо устройства. Мой взгляд сразу упал на Транзистор-метр. Итак, выставляем на блоке питания рабочее напряжение этого транзистор-метра, то есть 9 Вольт, и во включенном состоянии замеряем потребляемую силу тока. Как замерить силу тока в цепи, читаем в этой статье. По схеме все это будет выглядеть вот так:

А на деле вот так:

Итак, у нас получилось 22,5 миллиАмпер.

Теперь, зная значение потребляемого тока, можно найти по этой формуле входное сопротивление:

Входное и выходное сопротивление

Выходное сопротивление

Яркий пример выходного сопротивления – это закон Ома для полной цепи, в котором есть так называемое “внутреннее сопротивление”. Кому лень читать про этот закон, вкратце рассмотрим его здесь.

Что мы имели? У нас был автомобильный аккумулятор, с помощью которого мы поджигали галогенную лампочку. Перед тем, как цеплять лампочку, мы замеряли напряжение на клеммах аккумулятора:

И как только подсоединяли лампочку, у нас напряжение на аккумуляторе становилось меньше.

Входное и выходное сопротивление

Разница напряжения, то есть 0,3 Вольта (12,09-11,79) у нас падало на так называемом внутреннем сопротивлении r 😉 Оно же и есть ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. Его также называют еще сопротивлением источника или эквивалентным сопротивлением.

У всех аккумуляторов есть это внутреннее сопротивление r, и “цепляется” оно последовательно с источником ЭДС (Е).

Но только ли аккумуляторы и различные батарейки обладают выходным сопротивлением? Не только. Выходным сопротивлением обладают все источники питания. Это может быть блок питания, генератор частоты, либо вообще какой-нибудь усилитель.

В теореме Тевенина (короче, умный мужик такой был) говорилось, что любую цепь, которая имеет две клеммы и содержит в себе туеву кучу различных источников ЭДС и резисторов разного номинала можно привести тупо к источнику ЭДС с каким-то значением напряжения (Eэквивалентное) и с каким-то внутренним сопротивлением (Rэквивалентное).

Eэкв – эквивалентный источник ЭДС

Rэкв – эквивалентное сопротивление

То есть получается, если какой-либо источник напряжения питает нагрузку, значит, в источнике напряжения есть ЭДС и эквивалентное сопротивление, оно же выходное сопротивление.

В режиме холостого хода (то есть, когда к выходным клеммам не подцеплена нагрузка) с помощью мультиметра мы можем замерить ЭДС (E). С замером ЭДС вроде бы понятно, но вот как замерить Rвых ?

В принципе, можно устроить короткое замыкание. То есть замкнуть выходные клеммы толстым медным проводом, по которому у нас будет течь ток короткого замыкания Iкз.

В результате у нас получается замкнутая цепь с одним резистором. Из закона Ома получаем, что

Входное и выходное сопротивление

Но есть небольшая загвоздка. Теоретически – формула верна. Но на практике я бы не рекомендовал использовать этот способ. В этом случае сила тока достигает бешеного значения, да вообще, вся схема ведет себя неадекватно.

Измерение выходного сопротивления на практике

Есть другой, более безопасный способ. Не буду повторяться, просто скопирую со статьи закон Ома для полной цепи, где мы находили внутреннее сопротивление аккумулятора. В той статье, мы к акуму цепляли галогенную лампочку, которая была нагрузкой R. В результате по цепи шел электрический ток. На лампочке и на внутреннем сопротивлении у нас падало напряжение, сумма которых равнялась ЭДС.

Итак, для начала замеряем напряжение на аккумуляторе без лампочки.

Так как у нас в этом случае цепь разомкнута (нет внешней нагрузки), следовательно сила тока в цепи I равняется нулю. Значит, и падение напряжение на внутреннем резисторе Ur тоже будет равняться нулю. В итоге, у нас остается только источник ЭДС, у которого мы и замеряем напряжение. В нашем случае E=12,09 Вольт.

Как только мы подсоединили нагрузку, то у нас сразу же упало напряжение на внутреннем резисторе и на нагрузке, в данном случае на лампочке:

Сейчас на нагрузке (на галогенке) у нас упало напряжение UR=11,79 Вольт, следовательно, на внутреннем резисторе падение напряжения составило Ur=E-UR=12,09-11,79=0,3 Вольта. Сила тока в цепи равняется I=4,35 Ампер. Как я уже сказал, ЭДС у нас равняется E=12,09 Вольт. Следовательно, из закона Ома для полной цепи высчитываем, чему у нас будет равняться внутреннее сопротивление r:

Заключение

Входное и выходное сопротивление каскадов (блоков) в электронике играют очень важную роль. В этом мы убедимся, когда начнем рассматривать статью по согласованию узлов радиоэлектронных схем. Все качественные вольтметры и осциллографы также стараются делать с очень высоким входным сопротивлением, чтобы оно меньше сказывалось на замеряемый сигнал и не гасило его амплитуду.

С выходным сопротивлением все намного интереснее. Когда мы подключаем низкоомную нагрузку, то чем больше внутреннее сопротивление, тем больше напряжение падает на внутреннем сопротивлении. То есть в нагрузку будет отдаваться меньшее напряжение, так как разница осядет на внутреннем резисторе. Поэтому, качественные источники питания, типа блока питания либо генератора частоты, пытаются делать как можно с меньшим выходным сопротивлением, чтобы напряжение на выходе “не проседало” при подключении низкоомной нагрузки. Даже если сильно просядет, то мы можем вручную подкорректировать с помощью регулировки выходного напряжения, которые есть в каждом нормальном источнике питания. В некоторых источниках это делается автоматически.

Источник

Читайте также:  Ишемическая болезнь сердца стенокардия напряжения 2 фк что это такое