Referenciaáramkörök

A referenciaáramkörök feladata állandó feszültség vagy ritkábban állandó áram biztosítása, ami a működési körülményektől - tápfeszültség, terhelés, hőmérséklet, idő - független. A gyakorlatban ez csak bizonyos pontossággal teljesülhet, a tűrési határoknak ismertnek kell lenniük.

Referenciaforrást használnak szenzorok gerjesztéséhez, adatkonverterek referenciafeszültségeként, feszültségszabályzókhoz, áramkörök belső feszültségszintjeinek előállításához, szinteltolásokhoz is. Sokféle igényhez választható megfelelő tulajdonságú referenciaáramkör, széles választékban állnak rendelkezésre.

Egyszerű referenciaáramkörök

Kis pontossági igények esetén referenciafeszültséget előállíthatnak olyan alkatrészek, melyeken átfolyó áramtól kevéssé függ a rajtuk eső feszültség. Ilyen a nyitó irányban előfeszített dióda vagy a Zener dióda a letörési tartományban üzemeltetve. Kapcsolódó alkalmazásokra több példa is hozható.

A dióda nyitófeszültsége többféle lehet és -2mV/ºC együtthatóval mutat hőmérsékletfüggést, ami figyelembe véve a közelítőleg 600mV nyitófeszültséget 0,33%/ºC értéknek felel meg. Mivel az alkatrészek hőmérséklete sok esetben változhat több 10ºC értékkel, ez igen jelentős hibát okozhat.

Az általános célú Zener-diódák letörési feszültségének pontossága néhány % körüli, amihez hozzáadódik a hőmérsékletfüggés és áramfüggés is. Hőmérsékletkompenzált Zener-diódák (pl. 1N821) letörési feszültsége 6.8V-hoz közeli tartományban van.

Bandgap referenciák

A diódák mellett a bipoláris tranzisztorok bázis-emitter diódájának a nyitófeszültsége is hőmérsékletfüggő -2mV/ºC mértékben. Két különböző bázisáram alkalmazásával a hozzájuk tartozó nyitófeszültségek különbsége arányos az abszolút hőmérséklettel, hőmérsékletszenzorok is alkalmazzák ezt a megoldást. Ez a két változás ellentétes előjelű, így megfelelő kombinálással hőmérséklettől független feszültség nyerhető.

Ilyen megoldást mutat az alábbi áramkör:

A bázisáramokat elhanyagolhatóan kicsinek véve Q1 és Q2 kollektorárama I1 és I2, így felhasználva a kollektoráram és bázis-emitter feszültség összefüggését a bázis-emitterfeszültségeik különbsége:

Ez egyben az R3 ellenálláson eső feszültség is. Mivel az R2 és R3 ellenállásokon a bázisáramok elhanyagolása esetén azonos áram folyik át, így az R2 ellenálláson eső feszültség

A kimeneti feszültséget úgy kapjuk, hogy ehhez hozzáadjuk Q3 bázis-emitter feszültségét:

Mivel V_BE3 és ΔV_BE hőmérsékletfüggése jó közelítéssel lineáris és ellenkező előjelű, R₂ és R₃ megválasztásával V_out hőmérsékletfüggése minimalizálható. A tranzisztorjellemzők elméleti leírásából következően a V_out kimeneti feszültség hőmérsékletfüggése akkor a legkisebb, ha értéke 1.205V, ami a szilicium tiltott sávszélessége Volt egységekben kifejezve (silicon bandgap voltage). Innen származik a bandgap feszültségreferencia elnevezés. Hátrány a meghajtó áramtól és terheléstől való függés, a szükséges skálázás más feszültségek létrehozásához.

Lényegesen előnyösebb megoldást ad az úgynevezett "Brokaw-cell", melyet inegrált áramkörökben elterjedten alkalmaznak:

A két tranzisztor kollektorárama azonos (ezt a műveleti erősítő biztosítja), a bázis-emitter feszültségeik viszont különböznek, mert Q1 emitterfelülete 8-szorosa Q2-ének, ami nyolcadakkora áramsűrűséget jelent. Az bázis-emitter feszültségeik különbsége ezért:

Ez egyúttal az R1 ellenálláson eső feszültség, és mivel ez megegyezik I0⋅R1-el, ezért R2-n a feszültség a kétszeres áram miatt

A tranzisztorok bázisain levő feszültséget úgy kapjuk, hogy ehhez hozzáadjuk Q2 bázis-emitter feszültségét:

Most is akkor kapjuk a minimális hőmérsékletfüggést, ha ez a feszültség 1.205V. A műveleti erősítő kimeneti feszültsége ekkor:

Az R3 és R4 ellenállások megválasztásával sokféle kimeneti referenciafeszültség álíltható elő.

A VPTAT feszültség arányos az abszolút hőmérséklettel (proportional to absolute temperature, PTAT), néhány referenciaáramkörnél kivezetik, így hőmérséklet mérése is lehetséges.

Referenciatípusok

Alapvetően kétféle referenciatípus érhető el. A sönt referenciák a Zener diódákhoz hasonló viselkedést mutatnak: két kivezetéssel rendelkeznek, a rajtuk átfolyó áramtól lényegében független feszültség esik rajtuk. A soros referenciák a feszültségszabályzókhoz hasonlóan a bemeneti feszültségtől gyakorlatilag független kimeneti feszültséget állítanak elő.

	Sönt referenciák	Soros referenciák
Rajzjel
Kapcsolás
Tulajdonságok, alkalmazás	két kivezetéses adott tartományba eső áramnak kell rajta átfolyni tápfeszültségről soros ellenállással biztosítható az áram, így gyakorlatilag bármilyen tápfeszültségérték esetén használható terhelésekor figyelembe kell venni a dinamikus ellenállását és a rajta átfolyó áram megfelelő értéken tartását, a terhelő áram is a soros előtétellenálláson folyik át. földfüggetlen, így szinteltolása, negatív feszültség előállítására is használható több példány sorosan kapcsolható a fogyasztása kevésbé lehet alacsony létezik három kivezetéses változat is, amivel állítható a referenciafeszültség (pl. TL431)	három kivezetéses a bemeneti feszültségnek adott tartományban kell lennie létezik alacsony feszültségesésű változat igen alacsony fogyasztás is elérhető szélesebb tartományban változhat a kimeneti áram földfüggő alkalmazás további kivezetésekkel biztosíthat alvó módot, zajcsökkentést, hőmérséklettel arányos kimeneti feszültséget

Jellemzők

Paraméter	Leírás
Kimeneti feszültség Output voltage	A kimeneti feszültség névleges értéke
Pontosság Accuracy	A kimeneti feszültség pontossága mV vagy % egységekben tipikus és garantált minimum és maximum értékeket is megad az adatlap
Feléledési idő Startup time	A tápfeszültség bekapcsolása után bizonyos idő szükséges a specifikációknak megfelelő érték beállásához Alvó módból feléledéshez más idő tartozhat
Hőmérsékleti tényező Temperature coefficient	A kimeneti feszültség valamennyire függ a hőmérséklettől, ennek mértékét adja meg az adatlap Tipikusan ppm/ºC egységben adják meg
Terhelésfüggés Load regulation	Adott kimeneti terhelés (áram) hatására változik a kimeneti feszültség, Feszültségváltozás/kimeneti áram Többféle megadása lehetséges, például ppm/mA, µV/mA Impulzusszerű terheléshez is megadhat az adatlap információt
Szabályozóképesség Line regulation	A kimeneti feszültség függése a bemeneti feszültségtől Feszültségváltozás/bemeneti feszültség Többféle megadása lehetséges, például ppm/V, µV/V
Bemeneti feszültségtartomány és feszültségesés Supply voltage range and dropout voltage	Soros referenciák esetén a bemeneti feszültségnek a megengedett tartománya az adatlapi specifikációk teljesüléséhez A feszültségesés a bemeneti és kimeneti feszültség különbségének megengedett legkisebb értéke, mely a kimeneti áramtól is függ
Nyugalmi áramfelvétel Quiescent current	Az az áram, melyet az áramkör terheletlen esetben is felvesz, a bemeneti és kimeneti áramok különbsége
Kimeneti terhelhetőség Output current limit	A kimeneti terhelhetőség a megengedett legnagyobb kimeneti árammal adható meg Célszerű alacsony értéken tartani, így az áramkör hőmérséklete sem emelkedik meg jobban, kevésbé számít a hőmérsékletfüggés
Zaj Noise	A kimeneten zajfeszültség jelenik meg Az adatlap megadhat nV/√Hz egységgel spektrumot és/vagy 0.1Hz-10Hz tartományba eső csúcstól-csúcsig terjedő értéket µV egységekben
Időbeli stabilitás Long term stability	Adott üzemidő eltelte utáni változás ppm/1000 hour egységben szokás megadni Az első 1000 órában szignifikáns a változás, utána tipikusan négyzetgyökösen változik, azaz N⋅1000 óra elteltével √N-szeres lesz a ppm-ben kifejezett érték

Áramreferenciák

Állandó, pontos értékű áramot adó áramreferenciák is léteznek, bár sokkal kisebb választékban. Néhány típust a hivatkozott segédanyagok írnak le. Feszültségreferenciákkal is felépíthetők áramgenerátorok, ami lényegesen nagyobb rugalmasságot ad.