Искусство схемотехники. Том 3 [Изд.4-е] - Пауль Хоровиц

Рис. 14.27. Буфферные источники эталонного напряжения.

14.09. Микромощные источники эталонного напряжения и датчики температуры

Большинство источников эталонного напряжения на стабилитронах и на запрещенной зоне являются относительно мощными и не пригодны для использования в микромощных схемах. Как следует из табл. 6.7, большинство трехполюсных источников эталонного напряжения функционируют при токе порядка миллиампера и большинство двухвыводных источников эталонного напряжения на стабилитроне также ориентированы на аналогичные рабочие токи.

К счастью, имеются некоторые источники эталонного напряжения, предназначенные специально для микромощных прикладных задач. Серия LM385 состоит из программируемого двухполюсного источника эталонного напряжения на запрещенной зоне (LM385, 1,24-5,30 В) и двух источников фиксированного эталонного напряжения (LM385-1,2, 1,235 В и LM385-2,5, 2,5 W). Эти модели с фиксированным напряжением предназначены для функционирования при токах до 10 мкА с динамическими полными сопротивлениями в 1 Ом при токах соответственно 40 и 100 мкА. Минимальный ток программируемой версии лежит в пределах от 10 до 40 мкА в зависимости от напряжения. Все версии предлагаются с температурными коэффициентами до 3·10-5 °С. Стабилизаторы ICL7663/4 (разд. 14.07) можно использовать в качестве трехполюсных эталонных источников с типовым значением тока покоя 4 мкА и динамическим выходным полным сопротивлением около 2 Ом. Схема ICL8069 представляет собой двухполюсный эталонный источник на запрещенной зоне, который функционирует при токе до 50 мкА (где динамическое полное сопротивление составляет 1 Ом) с температурным коэффициентом, доходящим до 5·10-5 °С. Схема AD589 имеет аналогичные характеристики, но с улучшенным температурным коэффициентом (до 10-5 °С). Схема LT1004 фирмы Linear Technology подобна схеме LM 385-1,2, в то время как LT1034 представляет собой сдвоенный двухполюсный эталонный источник (1,2 В и 7,0 В) с минимальными рабочими токами 20 мкА и температурным коэффициентом 2·10-5 °С для источника с напряжением 1,2 В; эталонный источник с напряжением 7 В мог бы работать при токе 100 мкА (мин.), что скромнее, чем у эталонных источников на запрещенной зоне.

Трехполюсный источник эталонного напряжения при повышенных токах обеспечивает лучший температурный коэффициент и выпускается с напряжениями 5, 6,2 и 10 В (точность 0,05 %). Он потребляет ток 300 мкА, имеет низкое значение выходного полного сопротивления в диапазоне частот, и характеризуется температурными коэффициентами, достигающими 10-5 °С. Даже еще лучше схема REF-43 — трехполюсный эталонный источник положительного напряжения 2,5 В, имеющий точность установки 0,05 % и температурный коэффициент 3·10-6 °С (макс). Он имеет низкое значение Zвых (0,1 Ом), прекрасный коэффициент стабилизации (2·10-6/Uвх макс), выходной ток до 10 мА и ток покоя 250 мкА макс. В табл. 14.5 дан перечень имеющихся в настоящее время микромощных источников эталонного напряжения.

Наконец, существуют микромощные интегральные схемы, которые производят преобразование температуры в ток или напряжение. ИС AD590 и АБ592 — это двухполюсные источники тока, которые запускаются напряжениями от 4 до 30 В и вырабатывают ток в 1 мкА/°К (т. е. 298,2 мкА при 0 °C). Схема LM334 работает аналогичным образом, но у ней имеется вход программирования для установки коэффициента преобразования; ее рабочий диапазон от 1 мкА до 10 мА. Схемы LM34 (фирмы Fahrenheit) и LM35 (фирма Centigrade) представляют собой трехполюсные датчики температуры с выходом по напряжению (следовательно, 0 В при 0 °F или 0 °C и соответственно 10 мB/°F или °С) и током покоя 100 мкА.

Схема LМ335 — это двухполюсная интегральная схема на стабилитроне с напряжением точки пробоя 10 мВ/°К (т. е. 2,982 В при температуре 0 °C), функционирующая при токах до 400 мкА. Для получения дополнительной информации по данному вопросу обратитесь к разд. 15.1.

Технические приемы проектирования микромощных линейных схем. Таким образом, мы уже рассмотрели источники питания, технические приемы выключения источника питания, стабилизаторы и эталонные источники, предназначенные для проектирования микромощных приборов. Сейчас, следуя дальше по темам, мы в оставшейся части книги рассмотрим вопросы проектирования линейных и цифровых схем. Начнем же с примера линейной схемы на дискретных элементах (микромощный усилитель звуковых частот с высоким коэффициентом усиления), затем перейдем к техническим приемам разработки на микромощных ОУ. Затем последуют разделы, посвященные проектированию цифровых и микропроцессорных схем, и наконец, некоторые соображения по компоновке маломощных приборов.

14.10. Проблемы проектирования микромощных линейных схем

В основном проектирование маломощных линейных схем означает работу с малыми токами коллектора (стока) и соответственно с большими значениями коллекторных (стоковых) резисторов. Это приводит к тому, что доминирующим становится влияние емкостей, которое проявляется как в виде эффекта Миллера, так и в виде нормального спада частотной характеристики RС-цепи. Вы часто прибегаете к техническим приемам, которые обычно характерны только при конструировании радиочастотных устройств, например применение каскодных (разд. 2.19) эмиттерных повторителей и последовательно-параллельной пары (разд. 13.07). Транзисторы диапазона радиочастот (с частотой fT порядка 1 ГГц или выше) могут быть хорошим выбором даже и на низких частотах вследствие их крайне малой емкости обратной связи Сос; например, транзистор MRF931 имеет Сос = 0,35 пФ при Uкэ = 1 В и предназначен для использования в диапазоне до 1 В и 0,1 мА (fT = 3 ГГц при I = 1 мА и Uкэ = 1 В). Несмотря на такие параметры, как эти, он еще дает выигрыш при работе, когда это возможно, на низких рабочих частотах, например на частотах синхронизации микропроцессорных или других цифровых КМОП-систем.

Другие нежелательные эффекты при работе в режиме с малым потреблением мощности связаны с увеличением уровня шумовой перекрестной помехи (из-за относительно высокого полного сопротивления источников сигнала), уменьшением нагрузочной способности (малые значения рабочих токов, высокие полные сопротивления) и относительно высоким шумовым напряжением транзистора еш (тепловой шум в относительно высоком сопротивлении rэ; см. разд. 7.13). Эта последняя проблема также присуща микромощным источникам эталонного напряжения; будьте готовы проконтролировать их шумовые параметры. Даже при использовании эмиттерных повторителей выходные полные сопротивления могут быть чрезмерно большими (rэ = 25 кОм при Iк = 1 мкА).

Как правило, желательно обеспечить функционирование при низких значениях напряжения, поскольку при этом соответственно уменьшаются значения коллекторных резисторов при том же рабочем токе. Кроме того, при том же коллекторном токе мощность снижается пропорционально напряжению источника питания.

14.11. Пример проектирования линейной схемы на дискретных элементах

Давайте представим себе, что необходим малошумящий усилитель звуковых частот с огромным коэффициентом усиления (по крайней мере 80 дБ) и малым током потребления в статическом режиме, предназначенный для работы в некотором удаленном устройстве с питанием от батареи.

Поскольку уровни сигнала могут меняться в очень широком диапазоне, было бы прекрасно ввести какой-нибудь блок, обеспечивающий переключение коэффициента передачи в диапазоне, скажем, 60 дБ. Для обеспечения долговечности щелочной батареи с напряжением 9 В (500 мА·ч) мы должны отбирать от нее общий ток не более 20 мкА (что соответствует 3 годам ее эксплуатации), и, поскольку другие схемы, вероятно, записываются от той же батареи, мы выделим из общего бюджета ток 10 мкА для питания самого усилителя.

Первая вещь, о которой следует упомянуть, — это то, что микромощный ОУ не сможет обеспечить требуемые рабочие характеристики. Образцовый «нановаттный» ОУ СА3440, функционирующий при токе 10 мкА, имеет коэффициент передачи на постоянном токе 80 дБ (мин.) и произведение усиление — полоса пропускания 300 кГц, т. е. на частоте 20 кГц его коэффициент усиления составляет только 15 (24 дБ). Мы обсудим вопросы проектирования на микромощном ОУ и основные ограничения в следующем разделе. А сейчас все, что мы должны знать, — это то, что аспекты разработки на ОУ (связь по постоянному току, точность, компенсация единичного усиления) достаточно отличаются от того, что потребуется в данном примере, который можно сделать лучше при использовании дискретных элементов.