Редакционно-издательским советом РТУ
Лукашкин В.Г. Исследование нестабильности микросхемы прецизионного
источника опорного напряжения. – М.: РТУ, 2018
Учебно-методические указания содержат основные теоретические сведения и принципы построения современных прецизионных источников постоянного опорного напряжения. Рассмотрены основные технические характеристики данных источников и проведены исследования по определению нестабильности выходных параметров источников по напряжению и по току.
Рассмотрено и одобрено на заседании
кафедры «Метрологии и стандартизации».
Пр. № 3, 14. 01.2019.
Зав. кафедрой. МИС
д. ф-м. н., проф: Булатов М.Ф.
© Лукашкин В.Г., 2019
© РТУ, 201
Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 4 (30. 03. 20)
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАБИЛЬНОСТИ МИКРОСХЕМЫ
ПРЕЦИЗИОННОГО ИСТОЧНИКА ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1. Изучить разновидности и основные технические характеристики современных высокоточных источников постоянного опорного напряжения
для стабилизированного питания широкого ряда радиоэлектронных средств различного назначения.
1.2.Закрепить основные теоретические сведения по расчёту и определению нестабильности выходных параметров источников опорного напряжения (ИОН).
1.3. Изучить структурные схемы и принцип действия интегральных ИОН на основе операционного усилителя и устройства автоматического регулирования напряжения по отклонению.
1.4. Освоить практические методы определения параметров нестабильности ИОН при изменении входного напряжения стабилизатора и сопротивления нагрузки.
1.5. Полученные результаты проведённых измерений занести в таблицы и представить в виде графиков
2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
2.1.Познакомится с методами стабилизации постоянного напряжения и зарисовать структурные схемы стабилизаторов.
2.2. Определить и выписать в отчёт основные теоретические соотношения по вычислению параметров нестабильности высокоточных источников постоянного электрического напряжения (тока).
2.2. Познакомиться со структурной схемой и принципом работы ИОН в интегральном исполнении с выделением основных узлов микросхемы. Зарисовать схему и обобщённые графики изменения выходного напряжения ИОН в зависимости от изменения входного напряжения и тока нагрузки.
2.3. Нарисовать обобщённую структурную схему установки для определения параметров нестабильности с подключением измерительных приборов по напряжению (току) и вспомогательных элементов.
2.4. Провести подготовку установки к измерениям, проверить правильность подключения измерительных приборов (амперметра и вольтметра), источника питания и вспомогательных элементов.
2.5. Провести многократное измерение выходного напряжения ИОН (до 5-го знака точности) с выходным стабилизированным напряжением 5В при изменении входного напряжения в диапазоне от 0 до 15 В. Результаты измерений занести в таблицу №1.
2.6. Провести многократное измерение выходного тока ИОН (до 5-го знака точности) в диапазоне от 10 до 100 мА при изменении сопротивления нагрузки RH. Результаты измерений занести в таблицу №2.
2.7. Провести обработку результатов высокоточных измерений для определения коэффициента нестабильности ИОН.
3. ПРИНЦИПЫПОСТРОЕНИЯ СТАБИЛИЗАТОРОВ ПОСТОЯННОГО
НАПРЯЖЕНИЯ
3.1. Основные теоретические соотношения
Создание прецизионных стабилизаторов и источников постоянного опорного напряжения (ИОН) необходимо для повышения качества работы современных радиоэлектронных средств. Обобщённая структурная схема стабилизации постоянного напряжения приведена на рис. 1.
Рис 1. К принципу стабилизации постоянного напряжения
Как правило, в процессе стабилизации входное напряжение UВХ должно быть как минимум на 2…3 вольта выше, чем требуемое стабилизируемое напряжение UВЫХ. Это обусловлено потерями в цепях преобразования постоянного напряжения. Для устройств стабилизации напряжения (далее стабилизаторов) можно выделить следующие основные параметры.
1) Нестабильность по выходному напряжению U ВЫХ при заданном изменении входного напряжения, определяемое по формуле:
К U = 
[% / B], (1.1)
где ∆ U ВЫХ и ∆ U ВХ соответственно изменения выходного и входного напряжений.
2) Коэффициент стабилизации определяется из соотношения:
К СТ = (∆ U ВХ / U ВХ) / (∆ U ВЫХ/ U ВЫХ) = 
. (1.2)
Чем больше коэффициент стабилизации, тем меньше изменяется выходное напряжение при изменении входного
3) Нестабильность по току при заданном изменении нагрузки:
К I = 
[% / A], (1.3)
где I ВЫХ – номинальный ток нагрузки.
4) Выходное сопротивление стабилизатора:
R ВЫХ = 
[Ом] (1.4)
5) Коэффициент сглаживания пульсаций (отношение переменной составляющей входного напряжения к переменной составляющей выходного напряжения)
К СГ = 20 lg 
[дБ] (1.5)
6) Относительный температурный коэффициент нестабильности
напряжения:
αU = 
, (1.6)
где U ВЫХ 0 – значение U ВЫХ при нормальной температуре; U ВЫХ 2 и U ВЫХ 1 при температурах соответственно t 2 и t 1 (для большинства микросхем предельные значения температурного интервала лежат в пределах t 2 = 125 °С, t 1 = – 60 °С).
7) Коэффициент полезного действия стабилизатора определяется по формуле:
ηСТ = Р Н / Р ВХ, (1.7)
где Р Н – мощность отдаваемая в нагрузку; Р ВХ – мощность потребляемая от входного источника напряжения.
3.2. Методы стабилизации постоянного напряжения
В зависимости от поставленной задачи методы и соответственно схемы стабилизации постоянного напряжения могут быть различны. Так, для поверки и калибровки источников постоянного напряжения в России разработаны транспортабельные первичные и вторичные эталоны вольта на основе квантового эффекта Джозефсона на напряжения 1В и 10 В с суммарным СКО не хуже 1. 10 – 9 . При этом для передачи размера единицы напряжения используют нормальные элементы или твёрдотельные матрицы на основе диодов Зеннера с нестабильностью выходного напряжения за год не хуже 6 . 10 – 6 . В тоже время при массовом производстве радиоэлектронных средств необходимы надёжные и дешевые стабилизаторы напряжения широкого применения и опорные источники напряжения (ИОН), выполненные на интегральных микросхемах (ИМС). В этом случае используют методы параметрической и компенсационной стабилизации постоянного напряжения.
Метод параметрической стабилизации постоянного напряжения является наиболее простым методом и используется при сравнительно невысоких требованиях к стабильности источников постоянного напряжения. В основе схем с параметрической стабилизацией прецизионные стабилитроны на полупроводниковых диодах, работающих в режиме обратного пробоя на узком участке вольтамперной характеристики (ВАХ). Схема включения стабилитрона и график работы показаны на рис. 2. Очевидно, что вследствие нелинейности ВАХ стабилитрона, изменение ∆ U ВХ = U ВХ max – U ВХ min будет соответствовать
а) б)
Рис.2. Метод параметрической стабилизации:
а – схема подключения стабилизатора;
б – график процесса стабилизации на
основе ВАХ стабилитрона
изменению выходного напряжения ∆ U ВЫХ . При этом ∆ U ВХ >> ∆ U ВЫХ.
Простота и надёжность параметрической стабилизации обусловили её широкое применение в цепях радиоэлектронной аппаратуры. Одним из недостатков данного метода является малый уровень тока стабилизации не превышающем 10…15 мА.
Метод компенсационной стабилизации основан на использовании замкнутой системы автоматического регулирования по отклонению выходного напряжения или тока. Схемы компенсационной стабилизации могут обеспечить высокое качество стабилизации и широко используются отечественными и зарубежными разработчиками при проектировании, как автономных стабилизаторов напряжения, так и в качестве прецизионных источников опорного напряжения. По структурному построению такие стабилизаторы разделяют на схемы регулирования последовательного или параллельного типа, а также непрерывного или импульсного управления и выполняются по интегральным технологиям с использованием операционных усилителей.
Принцип работы компенсационных стабилизаторов последовательного непрерывного регулирования пояснён на рис. 3.
а) б)
Рис. 3. Компенсационный стабилизатор напряжения:
а – структурная схема; б – схема с операционным
усилителем
В представленных схемах, напряжение на выходе стабилизатора постоянно сравнивается с эталонным напряжением, которое может быть сформировано с помощью параметрического стабилитрона (рис. 3 а). При этом устройство сравнения анализирует знак отклонения и вырабатывает управляющий сигнал для регулирующего элемента (РЭ), изменяющего режим его работы, таким образом, чтобы напряжение на выходе стабилизатора оставалось постоянным. В качестве устройства сравнения используют операционный усилитель (рис. 3 б), а в качестве регулирующего элемента биполярный или полевой транзистор (VT).
Из отечественных разработок компенсационных стабилизаторов напряжения можно выделить интегральные микросхемы серии К142ЕН. В эту серию вошли ИМС, как с фиксированным выходным напряжением, так и с регулируемым выходным напряжением, а также двухполярным входным и выходным напряжениями.
В настоящее время также разработан ряд макетных образцов источников опорного напряжения серии ИС 901 с диапазоном выходных напряжений от 2,5 до 10 В. Так, для микросхемы опорного напряжения ИС901БВ-9 с выходным напряжением 9 В получены следующие параметры:
• выходное напряжение не менее 8,805 В и не более 9,165 В;
• нестабильность по напряжению не менее – 0,005 %/В и не более
+ 0,005 %/В;
• нестабильность по току не менее – 0,05 %/А и не более + 0,05 %/А;
• нестабильность по температуре не менее – 0,005 %/°С и не более
+0,005 %/°С.
Примеры графиков выходной и нагрузочной характеристик данного ИОН, и габариты корпуса ИМС показаны на рис. 4.
а)
б) в)
Рис. 4. Основные характеристики микросхемы ИОН:
а – выходная характеристика; б – нагрузочная характеристика; в – габаритные
размеры корпуса ИМС
Далее в лабораторной работе будут исследованы параметры микросхемы ИОН с выходным напряжением 5 В.
3.3. Структурная схема и состав средств измерений
лабораторной установки
Структурная схема лабораторной установки для исследования и определения параметров микросхемы ИОН приведена на рис. 5. В основе лабораторной установки микросхема прецизионного источника опорного напряжения компенсационного типа серии ИС901БВ-5 с выходным стабилизированным напряжением +5В. Дополнительные элементы установки
Рис. 5. Структурная схема лабораторной установки
ёмкости СВХ, С ВЫХ , СК предназначены для сглаживания пульсаций и коррекции характеристик ИОН. Для регулировки тока нагрузки ИОН к выходной цепи последовательно подключёны переменный резистор RH и амперметр М4200 класса точности 0,1. В качестве амперметра можно использовать измеритель тока встроенный во входной источник питания.
Данная установка позволяет проводить исследование характеристик ИОН в соответствии с приведёнными соотношениями (1.1) – (1.7).
При контроле параметров ИМС по соотношениям (1.1 – 1.3) к микросхеме ИОН необходимо подключить внешние средства измерений и дополнительные элементы, показанные на рис.5.
1) Входной регулируемый источник постоянного напряжения Е 3633А, подсоединяемый через разъём QВХ, и имеющий следующие метрологические
характеристики:
• диапазон регулируемого постоянного напряжения от 0 до 20 В;
• потребляемый ток от 0 до 10 А;
• погрешность установки напряжения не хуже 0,05 %;
• погрешность установки тока 0,15 %.
2) Выходной прецизионный вольтметр серии 34420А, подключаемый через разъём QВЫХ, имеющий следующие метрологические характеристики:
• диапазон измерения постоянного напряжения от 1 мВ до 100 В;
• разрешение индикатора 7,5 разрядов;
• чувствительность 100 пВ;
• интерфейс RS-232.
3) Переменный резистор RН для регулировки тока нагрузки от 0 до 500 мА.
4) Амперметр М4200 с диапазоном измерения от 0 до 500 мА.
3.4. Порядок проведения работы
3.4.1. Ознакомится и занести в отчёт основные теоретические сведения
и структурные схемы по стабилизации постоянного напряжения.
3.4.2.Перед проведением работы предварительно необходимо подготовить и подключить к сети следующую вспомогательную аппаратуру:
• регулируемый источник постоянного напряжения Е 3633А;
• прецизионный вольтметр 34420 А.
3.4.3. Проверить работоспособность вспомогательных приборов и в соответствии с рис. 5 подключить их к микросхеме опорного напряжения
ИС 901БВ-5 с выходным стабилизированным напряжением 5 В.
3.4.4. Используя вспомогательные приборы, снять выходную характеристику собранной схемы стабилизации (рис. 4 а), изменяя входное напряжение в пределах, показанных в таблице 1, и фиксируя выходное напряжение при выходном токе стабилизации 40 мА
Таблица 1
| UВХ, В | |||||||||||||||
| UВЫХ, В |
По полученным данным построить график выходной характеристики.
3.4.5. Для построения нагрузочной характеристики необходимо установить на выходе ИМС стабилизированное напряжение 5 В и изменять ток нагрузки регулировочным сопротивлением RН в пределах заданных в таблице 2.
Таблица 2
| IН, мА | |||||||||||||||
| UВЫХ, В |
3.4.6. По полученным данным построить нагрузочную характеристику
3.4.7. Используя расчётные соотношения определить коэффициенты стабилизации микросхемы по току и напряжению.
3.5. Контрольные вопросы.
1. Пояснить принцип работы параметрического стабилизатора напряжения.
2. Пояснить принцип работы компенсационного стабилизатора напряже –
ния.
3. Дать определение коэффициента стабилизации.
4. Дать определение КПД стабилизатора.
5.Формула для определения нестабильности по выходному напряжению.
3.6. Литература:
1. ГОСТ 19799. Микросхемы интегральные аналоговые. Методы
измерения электрических параметров и определения характеристик
- М.: Из-во стандартов,1974.
2 ГОСТ 26949. Микросхемы интегральные аналоговые. Методы
измерения электрических непрерывных стабилизаторов напряжения
- М.: Из-во стандартов,1986.
3. Лукашкин В.Г., Булатов М.Ф. Эталоны и стандартные образцы в
измерительной технике. Электрорадиоизмерения. – М.: Издательство
«Техносфера», 2018.