Zaloguj się
Wszystkie
23 marca 2026
23
Definicja, jak to często bywa w życiu, jest bardzo prosta: źródło napięcia odniesienia ma generować dokładne napięcie wyjściowe dla układu analogowego (lub analogowo-cyfrowego). Wszyscy wiedzą, że powinno być w miarę możliwości niezależne od wahań napięcia zasilania, prądu obciążenia czy też zmian temperatury. Taka niewzruszona ostoja analogowej precyzji jest oczywiście nieistniejącym ideałem, do którego rzeczywiste układy tylko próbują się zbliżyć. Dlatego dobór źródła napięcia odniesienia (zwykle określanego skrótem VREF lub VR) nie polega po prostu na znalezieniu elementu o najlepszej dokładności, lecz na dopasowaniu architektury i parametrów do konkretnego zastosowania. Inne cechy będą istotne w 12-bitowym czujniku bateryjnym, inne w precyzyjnym kalibratorze mającym zastosowanie w laboratoryjnych multimetrach o rozdzielczości 6,5 cyfry, a jeszcze inne w wielokanałowym urządzeniu przemysłowym pracującym w szerokim zakresie temperatur. Za wyśrubowanymi parametrami technicznymi podąża jeszcze jedna liczba: cena. Jeżeli zbierzemy wszystkie wymogi stawiane scalonemu źródłu napięcia odniesienia, bardzo szybko może wyjść na jaw przykry dysonans: dokładnie i stabilnie to najczęściej bardzo drogo, stabilnie i energooszczędnie często nie oznacza dokładnie, a kompaktowo i wydajnie zwykle nie będzie oznaczało precyzyjnie. Dokładnie tak, jak w kultowym monologu Piotra Bałtroczyka, w którym pewien jegomość, zapytany: „Gdzie o tej porze można zjeść szybko, smacznie i tanio?” odpowiedział: „Młodzieńcze, pytasz o trzy różne lokale!”.
Struktury i technologie
Już na poziomie architektury układowej źródła odniesienia dzielą się na dwa podstawowe typy funkcjonalne: szeregowe (series) i równoległe, określane zwykle mianem shunt. Pod względem aplikacyjnym źródła szeregowe przypominają precyzyjne stabilizatory liniowe o bardzo małej wydajności prądowej. Podobnie jak stabilizatory wymagają one bowiem zasilania o napięciu przewyższającym napięcie wyjściowe (nominalne) i oddają prąd do obciążenia przez element regulacyjny (tranzystor bipolarny lub MOSFET), szeregowo włączony do układu. Zaletą takiego rozwiązania jest zwykle większa sprawność, czyli mniejsze straty mocy, a także łatwiejsza współpraca ze zmiennym obciążeniem, w porównaniu do stabilizatorów równoległych.
Układy te w większości przypadków (poza wyspecjalizowanymi modelami, które zwykle są też dość kosztowne) nie wymagają zbyt dużej liczby elementów zewnętrznych: najczęściej wystarczy para kondensatorów odsprzęgających, po jednym na wejściu oraz na wyjściu układu. Minimalna jest także liczba używanych wyprowadzeń: w wielu przypadkach wyprowadzone są tylko trzy piny (wejście, masa i wyjście), a dodatkowe linie mogą służyć np. do wyłączania układu w celu redukcji poboru prądu. Bardziej zaawansowane modele mogą mieć dodatkowo wejście sense, którego celem jest bardzo precyzyjny pomiar rzeczywistego napięcia wyjściowego (podobnie, jak w przypadku lepszych zasilaczy laboratoryjnych). Czasem można spotkać się z jeszcze innymi liniami: przykładowo w przypadku układu LTC6655LN dostępny jest pin NR (ang. Noise Reduction), do którego należy podłączyć kondensator filtrujący napięcie pochodzące z wbudowanego wzorca napięcia i podawane – poprzez szeregowy rezystor – na wejście nieodwracające wzmacniacza błędu.
Źródła typu shunt działają w sposób zbliżony do precyzyjnej diody Zenera: utrzymują stałe napięcie, odprowadzając nadmiar prądu z rezystora ograniczającego (RS) do masy układu (rysunek 7). Są bardzo elastyczne pod względem topologii, mogą bowiem pracować w różnych konfiguracjach układowych. Za ich pomocą można z łatwością budować referencje dodatnie, ujemne i „pływające”, ale trzeba pamiętać, że całkowity prąd zasilający musi zawsze pokrywać zarówno minimalny prąd pracy samego źródła, jak i maksymalny prąd pobierany przez obciążenie. Elastyczność aplikacyjna wynika z prostego faktu: najprostszy przykład użycia źródła typu shunt – np. nieśmiertelnego TL431 – sprowadza ów układ do postaci dwójnika, który nie ma zdefiniowanej ani masy, ani źródła zasilania (w odróżnieniu od szeregowych źródeł napięcia odniesienia, które – podobnie jak stabilizatory – mają ściśle określoną topologię układową).
Wadą źródeł równoległych jest jednak dość mała wydajność prądowa tego typu rozwiązań, a nade wszystko – znaczący pobór mocy w typowych warunkach pracy. Trzeba bowiem pamiętać, że im z większym obciążeniem ma sobie poradzić źródło, tym mniejsza powinna być wartość rezystora ograniczającego. Z drugiej strony, przy braku obciążenia niewielka rezystancja RS wymusi spore straty mocy – dość powiedzieć, że właśnie z takich aplikacji wzięła się potrzeba produkcji diod Zenera o mocach rzędu kilku watów i więcej.
Za funkcjonalnym podziałem na źródła szeregowe i równoległe kryje się drugi, ważniejszy z punktu widzenia parametrów użytkowych, podział na architektury – można tu wyróżnić: proste referencje diodowe, źródła typu bandgap i buried Zener oraz nowsze rozwiązania pokrewne, w tym układy typu XFET czy tzw. floating-gate analog. W praktyce to właśnie ten podział w dużej mierze decyduje o osiągach w zakresie dryfu, szumów własnych, prądu zasilania, napięcia pracy oraz – rzecz jasna – o cenie komponentu.
Najprostsze i historycznie najbardziej popularne są źródła diodowe, w tym diody Zenera. Klasyczna dioda krzemowa włączona w kierunku przewodzenia ma stosunkowo dobrze określoną zależność napięcia (VF) od prądu (IF), ale charakterystyka ta silnie zależy od temperatury złącza p-n, co jest powszechnie wykorzystywane w budowie prostych czujników temperatury. Każda dioda Zenera pracująca w kierunku zaporowym daje napięcie znacznie stabilniejsze (a więc bardziej użyteczne jako punkt odniesienia), jednak ma swój własny współczynnik temperaturowy, a ponadto bywa źródłem znacznych szumów. Już w starszych konstrukcjach stosowano kombinację dwóch zjawisk o przeciwnych współczynnikach temperaturowych, aby uzyskać częściową kompensację termiczną na zasadzie wzajemnego znoszenia się dryfów termicznych. Tak powstały skompensowane diody odniesienia, ale ich użyteczność ograniczały z kolei: dość wysokie napięcie zasilania wymagane do poprawnej pracy, konieczność ostrożnego doboru prądu polaryzacji i raczej przeciętna elastyczność aplikacyjna. Dzisiaj dyskretne „Zenery” stosuje się nadal tam, gdzie liczy się prostota i ekstremalnie niski koszt, lecz w systemach precyzyjnych prawie zawsze ustępują one nowocześniejszym rozwiązaniom scalonym.
Prawdziwym przełomem w elektronice analogowej było wprowadzenie źródeł typu bandgap. Ich idea wynika z faktu, że napięcie złącza baza-emiter tranzystora bipolarnego ma ujemny współczynnik temperaturowy (tak samo, jak zwykła dioda krzemowa), natomiast odpowiednio wygenerowane napięcie proporcjonalne do temperatury bezwzględnej (określane mianem PTAT – ang. Proportional To Absolute Temperature), ma współczynnik dodatni. Sumując oba składniki w odpowiedniej proporcji, można otrzymać napięcie wyjściowe o minimalnym dryfie temperaturowym, zbliżone do napięcia przerwy energetycznej krzemu (około 1,2 V). Z układowego punktu widzenia idea źródła typu bandgap jest bardzo atrakcyjna: z uwagi na prostotę konstrukcyjną dobrze nadaje się do integracji w większych układach analogowych, działa przy niskim napięciu, może pracować przy znikomym prądzie zasilania, a w dodatku umożliwia uniknięcie stosowania zaszumionych struktur Zenera. Z tego względu stanowi ono serce znakomitej większości współczesnych, scalonych źródeł napięcia odniesienia, zarówno szeregowych, jak i równoległych. Wzorce bandgap można znaleźć w niezliczonych układach scalonych – chociażby w mikrokontrolerach, przetwornikach ADC i DAC z wewnętrzną referencją, w precyzyjnych front-endach analogowych (AFE) i setkach innych układów, które wymagają stabilnego wzorca. Źródła typu bandgap dobrze wpasowują się bowiem we współczesne trendy widoczne w układach analogowych oraz mieszanych (mixed-signal): bez problemu generują napięcia nawet znacznie poniżej 5 V, pobierają niski prąd spoczynkowy i wykazują dryf temperaturowy rzędu 20 ppm/°C (lub mniejszy).
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
