Исто́чник , или генера́тор , опо́рного напряже́ния (ИОН) — базовый электронный узел, поддерживающий на своём выходе высокостабильное постоянное электрическое напряжение заданной величины.

ИОН применяются для задания величины выходного напряжения стабилизированных источников электропитания , шкал цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, режимов работы аналоговых и цифровых интегральных схем и систем, и как эталоны напряжения в составе измерительных приборов. Точности измерения, преобразования и стабильность этих устройств определяются точностными параметрами используемых в них ИОН.

Самые точные источники напряжения — криогенные лабораторные эталоны на эффекте Джозефсона . На рынке серийных прецизионных ИОН с 1976 года до конца 1990-х годов господствовали устройства на стабилитронах со скрытой структурой , лучшие образцы которых приближались по совокупности точностных параметров к нормальному элементу Вестона . В 2000-х годах на сравнимый уровень по точности и стабильности вышли ИОН- супербандгапы на биполярных транзисторах , ИОН типа XFET на дифференциальных парах полевых транзисторах и ИОН типа FGA на транзисторах с плавающим затвором . В устройствах с относительно невысокими требованиями к точности и стабильности опорного напряжения применяются дешёвые интегральные ИОН типа бандгап и обычные стабилитроны в дискретном или интегральном исполнении.

Исторический очерк

До изобретения интегральных схем

В эпоху вакуумных ламп конструкторам радиоаппаратуры были доступны два типа источников опорных напряжений: газоразрядные стабилитроны и химические источники напряжения (аккумуляторы и одноразовые гальванические элементы) . Наилучшую начальную точность напряжения имели ртутно - цинковые элементы Кларка на 1,434 В и ртутно- кадмиевые нормальные элементы Вестона на 1,019 В . Массивные и одновременно хрупкие, не допускавшие толчков и вибраций, заполненные ядовитыми веществами элементы Вестона использовались исключительно в лабораторных условиях, а в серийной радиоаппаратуре использовались менее точные, но дешёвые и относительно безопасные герметичные гальванические элементы и батареи . Ртутно-цинковые элементы на напряжение 1,35 В, нашедшие применение в годы Второй мировой войны , были способны отдавать ток в несколько мА в течение более тысячи часов, но уступали в точности и стабильности лабораторным эталонам напряжения . Для задания напряжений от 80 В до 1 кВ использовались заполненные инертными газами стабилитроны тлеющего разряда , для напряжений от 400 В до 30 кВ — заполненные водородом стабилитроны коронного разряда . Устройства на газовых стабилитронах не требовали регулярного обслуживания, но их отклонение от номинального напряжения достигало ±5 % .

В 1953 году Кларенс Зенер изобрёл полупроводниковый стабилитрон , или «диод Зенера» — полупроводниковый диод , работающий в режиме обратимого обратного пробоя , и поддерживающий на своих выводах постоянное напряжение в широком диапазоне токов и температур . Точностные и шумовые показатели «обычных» стабилитронов, без конструктивных и технологических улучшений были и остаются посредственными . Исследования 1960-х годов показали, что наилучшие показатели свойственны стабилитронам, напряжение обратного пробоя которых примерно равно 6 В . Ещё точнее оказалась пара из стабилитрона на 5,6 В и включённого последовательно с ним в прямом направлении кремниевого диода или нескольких диодов . Температурный коэффициент напряжения (ТКН) таких приборов достиг ниже уровня в 10 ppm /°C, вполне удовлетворявшего конструкторов тех лет . Однако напряжение стабилизации термокомпенсированных стабилитронах невозможно снизить ниже ~7 В, а ток — ниже нескольких мА, что затрудняло их применение в низковольтных и микромощных устройствах, а высокая цена, обусловленная длительной заводской , препятствовала использованию в массовой аппаратуре .

В 1962 году двадцатидвухлетний студент Кембриджа Брайан Джозефсон предсказал возможность создания прецизионного эталона напряжения на сверхпроводящих контактах . В 1968 году начались практические исследования переходов Джозефсона , в 1971—1972 годах национальные метрологические службы Австралии , Великобритании , Канады , США и ФРГ провели встречные поверки этих устройств, в июле 1972 года метрологическая служба США сделала эталон на переходах Джозефсона национальным стандартом, а в январе 1990 года он стал мировым стандартом . Джозефсоновский эталон с приведённой относительной погрешностью 5⋅10 ⁻⁹ — наиболее стабильный и точный источник напряжения, но он требует охлаждения жидким гелием и потому применим только в лабораторных условиях .

Классические интегральные ИОН

В 1966 году National Semiconductor выпустила на рынок разработанную Бобом Видларом LM100 — первый интегральный стабилизатор напряжения. Опорное напряжение LM100 задавал планарный стабилитрон, сформированный непосредственно в кристалле микросхемы. В начале 1970 года Видлар запустил в производство первый трёхвыводной интегральный стабилизатор LM109. В этой микросхеме был впервые использован изобретённый Видларом трёхтранзисторный бандгап — источник напряжения, примерно равного потенциалу запрещённой зоны полупроводника, на основе которого изготовлены транзисторы. Годом позже National Semiconductor выпустила разработанный Видларом и LM113 — двухвыводную микросхему-бандгап на напряжение в 1,220 В с ТКН, не превышающим 100 ppm/°C . В 1974 году изобрёл другую, двухтранзисторную топологию бандгапа, которая обеспечивала существенно лучшую точность ИОН и потому завоевала рынок. Видлар продолжил разработки и в 1976—1977 году предложил семейство новых топологий, на базе которых был построен первый суббандгап — прецизионный ИОН на напряжение, существенно меньшее, чем ширина запрещённой зоны (200 мВ — LM10, 1977 год).

В начале 1970-х годов промышленность ещё не нуждалась в высокостабильных, прецизионных ИОН. Спрос на них возник в середине десятилетия, c началом выпуска первых интегральных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей . Ни стабилитроны, ни бандгапы первого поколения не удовлетворяли требованиям конструкторов ЦАП и АЦП по температурному дрейфу. Существенно более точный прибор, стабилитрон со скрытой структурой (ССС), был впервые выпущен в дискретном исполнении в 1974 году, а в 1976 году National Semiconductor выпустила разработанную Добкиным LM199 — первый интегральный ССС на 6,95 В (советский аналог — 2С483 ). Благодаря встроенному термостату и усилителю тока новая микросхема имела гарантированный максимальный ТКН в 1 ppm/°C и типичный ТКН в 0,3 ppm/°C при уровне шума в звуковом диапазоне частот не более 7 мкВ . С выходом LM199 схемотехника ИОН разделилось на две группы: дорогие интегральные ИОН на ССС для наиболее ответственных задач (измерительные АЦП, эталоны напряжения), и дешёвые, но менее точные бандгапы для всех остальных (стабилизаторы напряжения, мониторы электропитания). Разработанная Бобом Добкиным LTZ1000, выпущенная в 1987 году Linear Technology (с 2016 года — Analog Devices ), имеет собственный ТКН в 0.05 ppm/°C и по сей день остаётся одним из наиболее точных серийных интегральных ИОН, и широко используется в лабораторных эталонах. Для некоторых устройств, производимых на базе LTZ1000, компания Fluke декларирует временную нестабильность в 1 ppm/год и ТКН в 0.1 ppm/°C . Здесь следует учитывать, что номинальное значение выходного напряжения LTZ1000 определено лишь приблизительно, и только замер на более точном, первичном, оборудовании с указанием результатов измерений в паспорте конкретного экземпляра, делает его эталонным прибором, обладающим требуемыми метрологическими характеристиками. См., например, табл. 8 в статье . Этим данный ИОН отличается от менее точных, но тем не менее являющихся первичными в условиях их применения, ИОН серий LTC6655 и др., где в технической документации приводится получаемое напряжение и его неопределённость.

Новейшие разработки

В течение 1980-х и 1990-х годов совершенствование схемотехники, технологии, внедрение лазерной подстройки позволило сузить качественный разрыв между двумя типами устройств . В начале 2000-x годов на рынок вышли «супербандгапы» — новое поколение бандгапов с превосходной начальной точностью и низким уровнем шума . К 2005 году «супербандгапы» сравнялись по отдельным показателям точности с ССС, но не смогли превзойти их по совокупности показателей .

В 1997 году Analog Devices выпустила на рынок ИОН принципиально нового типа под торговой маркой . Схемы таких приборов напоминают бандгап Брокау, в которых биполярные транзисторы замещены полевыми транзисторами . Однако при схожей топологии XFET использует совершенно иной принцип работы — косвенное измерение диэлектрической проницаемости кремния в канале полевого транзистора . Этот показатель, как и напряжение на p-n-переходе, убывает с ростом температуры, но более предсказуем, а его ТКН — более стабилен, чем ТКН p-n-перехода в реальной схеме. Analog Devices начало разработку новых приборов, чтобы обойти фундаментальные ограничения, свойственные и бандгапам, и стабилитронам со скрытой структурой, и проект в целом удался. ТКН XFET второго и третьего поколения (3 ppm/°C) по-прежнему существенно хуже, чем ТКН лучших стабилитронных ИОН, но он имеет лучшую, почти линейную, форму зависимости напряжения от температуры, при меньших шумах, меньшем временном дрейфе и при этом XFET намного дешевле .

В 2003 году компания Xicor (с 2004 года подразделение Intersil ) выпустила другой принципиально новый тип ИОН, получивший имя . Принцип действия этих приборов, как и принцип действия микросхем энергонезависимой памяти , основан на длительном хранении заряда на изолированном затворе полевого транзистора . FGA буквально «запоминает» аналоговое напряжение, «записанное» в глубине КМОП -структуры . Гарантированный срок «памяти» FGA первого поколения равнялся десяти годам, а точностные параметры были сравнимы с лучшими бандгапами, при меньшем токе питания (менее 0,8 мкА на ячейку памяти с буферным усилителем) .

Таким образом, в начале XXI века на рынке конкурировало четыре различных типа прецизионных интегральных ИОН: стабилитрон со скрытой структурой, супербандгап, XFET, FGA. К 2005 году психологически важный рубеж — ТКН в 1 ppm/°C — превзошли несколько ИС на ССС, несколько супербандгапов и пятивольтовый вариант FGA первого поколения (в 2012 году не выпускается ). Только в США прецизионные ИОН собственной разработки серийно выпускают , Analog Devices , Fairchild Semiconductor , Intersil , , , Microchip Technology , , National Semiconductor , , Philips , , Texas Instruments (поглотившая компанию Burr-Brown ) и (производитель микросхем, разработанных не существующей более ) .

Основные показатели

Основная функция ИОН — генерация заведомо известного напряжения — определяет его главные характеристики: « точность » и « стабильность » . Эти понятия, а также понятия « ошибки », « дрейфa » и « шума », определяются в разных отраслях по-разному: метрологи , конструкторы измерительных приборов и конструкторы обычных, не прецизионных, электронных устройств выдвигают к ИОН сходные, но не совпадающие требования . Государственных стандартов , определяющих показатели именно источников опорного напряжения, в РФ не существует. К двухвыводным интегральным ИОН (аналогам стабилитронов) могут применяться нормы, разработанные для дискретных стабилитронов, к трёхвыводным ИОН — нормы для линейных стабилизаторов напряжения. Наборы показателей стабилизаторов напряжения в ГОСТ 19480-89 «Микросхемы интегральные. Термины, определения и буквенные обозначения электрических параметров» и в ГОСТ Р 52907-2008 «Источники питания. Термины и определения» различаются, в частности, в определениях пересекающихся, но не идентичных показателей дрейфа выходного напряжения (ГОСТ 19480-89) и нестабильности при длительном включении (ГОСТ Р 52907-2008) .

Техническая документация на интегральные ИОН, большинство которых разработаны компаниями США, составлена по нормам, сложившимся именно в американской промышленности. Наиболее полный набор характеристик ИОН отражает запросы конструкторов прецизионных АЦП, а наиболее важными для них показателями являются, в порядке убывания значимости: начальный разброс опорного напряжения (начальное отклонение опорного напряжения от номинального значения), температурный коэффициент опорного напряжения и его длительный дрейф («нестабильность при длительном включении» в терминах ГОСТ Р 52907-2008 ) . Чем менее жёсткие требования предъявляются к точности ИОН, тем у́же набор нормируемых показателей. Для недорогих стабилизаторов напряжения может нормироваться единственный точностной показатель — начальный разброс или допустимый диапазон изменений выходного напряжения (верхняя и нижняя граница). Именно последний вариант (диапазон значений) взят за основу составителями ГОСТ 19480-89 .

Начальный разброс

Начальный разброс выходного напряжения определяется как предельное отклонение постоянного напряжения на выходе ИОН от номинального при первом включении ИС. Начальный разброс обычно измеряется при нормальной температуре (+25 °C) и номинальных, заданных производителем, входном напряжении и выходном токе. Для стабилитронов начальный разброс может достигать 5 % от номинального, для интегральных ИОН он лежит в диапазоне от ±1 % (наихудшая точность) до ±0,01 %, или ±100 ppm . Начальный разброс, если иное не оговорено в документации, не включает допустимый .

Температурный коэффициент напряжения

ТКН в узком смысле — дифференциальный показатель, равный отношению относительного изменения выходного напряжения к вызвавшему его малому изменению температуры внешней среды, при прочих равных условиях . В документации на интегральные ИОН этот параметр обычно определяется иначе, «методом прямоугольника»: ТКН равен отношению разницы между максимальным и минимальным выходным напряжением, гарантируемыми производителем для всех рабочих температур при номинальном входном напряжении и выходном токе, к ширине рабочего диапазона температур:

${\displaystyle \alpha V={\frac {V_{max}-V_{min}}{T_{max}-T_{min}}}}$

Определённый таким образом интегральным показатель пригоден только для оценки предельного сдвига напряжения на краях рабочего температур, а использовать его на меньших интервалах температуры не рекомендуется . Дело в том, что близкая к линейной форма зависимости свойственна только прецизионным приборам типов XFET и FGA, а также простым бандгапам, существенно отклоняющимся от расчётной «центровки» и не прошедшим операцию тонкой подстройки. При правильной «центровке» или при индивидуальной её подстройке простым бандгапам и стабилитронным ИОН свойственна параболическая характеристика, бандгапам и стабилитронным ИОН с цепями коррекции нелинейности — S-образная (парабола со срезанным горбом) . Дифференциальный ТКН такой криволинейной характеристики может существенно отличаться от интегрального показателя .

ТКН дешёвых серийных интегральных ИОН всех типов ограничен величиной в 10 ppm/°C . Снижение ТКН бандгапов и стабилитронных ИОН до уровня менее 5 ppm/°C требует существенного удорожания технологии, а практический предел гарантированного ТКН серийных изделий равен 1 ppm/°C . Ме́ньшие значения ТКН возможны только в отдельными сериях сверхпрецизионных ИОН на стабилитронах со скрытым слоем (Thaler VRE3050J — 0,6 ppm/°C в диапазоне −40…+85 °C ).

Дальнейшее снижение ТКН возможно только путём термостабилизации ИОН, сужающей диапазон изменения температуры кристалла до нескольких градусов или долей градуса. Первый интегральный ИОН со встроенным спиралевидным подогревателем кристалла и терморегулятором, LM199, уже в 1976 году достиг уровня ТКН в 1 ppm/°C при типовом значении 0,3 ppm/°C . Выпускаемый с 1987 года серийный стабилитрон со скрытым слоем и встроенным подогревателем LTZ1000 имеет максимальный гарантированный ТКН в 0,05 ppm/°C . В LM199 температура кристалла стабилизирована на уровне +86 °C , однако, по данным компании Fluke , такие высокие температуры не оптимальны: снижение рабочей температуры до +50 °C уменьшает длительный дрейф стабилитрона в два раза. Fluke декларирует, что её лабораторные эталоны на базе LTZ1000 имеют гарантированную нестабильность не более 1 ppm в год .

Помимо собственной нестабильности ИОН в ошибку опорного напряжения также вносят вклад паразитные термопары , образованные соединением разнородных металлов электрических выводов прибора ИОН и проводниками монтажа. При разности температур разных выводов ЭДС паразитных температур складываются с собственным напряжением ИОН или вычитаются из него. Так, в местах пайки выводов микросхемы к печатной плате могут образовываться термопары, вносящие дополнительную ошибку, величина которой зависит от разности температур паек. Нестабильность, порождаемая этими нескомпенсированными термопарами, наиболее существенна для ИОН в металлических корпусах с коваровыми выводами. В паспортных спецификациях на ТКН ИОН она обычно не указывается .

Дрейф и шум

Российские ГОСТы не устанавливают точной границы между дрейфом («наибольшим значением изменения напряжения на выходе интегральной микросхемы в течение заданного интервала времени при отсутствии других дестабилизирующих факторов»' ) и шумом («напряжением на выходе интегральной микросхемы в заданной полосе частот при входном напряжении, равном нулю» ) интегрального ИОН. В документации на ИС граница между дрейфом и шумом проводится по частоте 0,1 Гц .

Длительный дрейф

При длительной эксплуатации ИОН наблюдаются два разных рода дрейфа: краткосрочный дрейф — случайные отклонения выходного напряжения со спектром частот, лежащим ниже 0,1 Гц, и длительный дрейф, обычно имеющий вид систематического нарастания или уменьшения опорного напряжения на временных интервалах в сотни и тысячи часов . Относительная скорость длительного дрейфа, определённая в ГОСТ Р 52907-2008 как «частная нестабильность при длительной работе» — третья по важности составляющая нестабильности ИОН .

С течением времени скорость длительного дрейфа падает, а выходное напряжение стабилизируется. Производители обычно нормируют максимальную величину дрейфа, допустимую в первые 1000 часов эксплуатации, и выражаемую в ppm на тысячу часов (ppm/1000ч, ppm/kHr). Наименьшие показатели дрейфа, от 5 до 10 ppm на 1000 часов, свойственны ИОН на стабилитронах со скрытой структурой и ИОН на транзисторах с плавающим затвором. Скорость и направление дрейфа по истечении этого периода обычно не нормируются. В документации Linear Technology декларируется, что скорость дрейфа убывает экспоненциально, при этом значение дрейфа за вторую тысячу часов примерно втрое меньше, чем за первую тысячу, и так далее . В документации Intersil нормируется абсолютная величина дрейфа за весь срок эксплуатации микросхемы, а дрейф за первую тысячу часов приводится справочно .

Измерение дрейфа — нетривиальная задача, требующая особо стабильных измерительных приборов и длительного термостатирования измерительного стенда. вспоминал, что в первый год выпуска LM199 «…мы использовали превосходный [на то время] шестиразрядный цифровой мультиметр … и оказалось, что все испытанные микросхемы дрейфовали синхронно. Контрольные ИОН других типов [гальванические элементы, бандгапы, стабилитроны] также дрейфовали синхронно [c образцами LM199]. Виноват в этом был ИОН внутри цифрового мультиметра.»

Не существует единого мнения о том, можно ли стабилизировать дрейф путём ускоренной . Линден Харрисон указывает, что опытные конструкторы тренируют микросхемы при 125 °C в течение одной недели перед пайкой на плату, в расчёте на то, что « отжиг » снимает накопленные в кристалле механические напряжения . Боб Пиз рекомендовал проводить «приработку и термоциклирование», чтобы не только выйти на плато дрейфа, но и чтобы отбраковать нестабильные образцы . Инженер Linear Technology Джон Райт утверждает, что уравнение Аррениуса к тренировке микросхем неприменимо, а ускоренная «стабилизация дрейфа» невозможна. По мнению Райта, тренировка имеет смысл только на уровне готовой печатной платы .

Шум

Шумы прецизионных ИОН обычно нормируются в двух частотных диапазонах: 0,1—10 Гц и 10—1000 Гц . активными или пассивными RC-фильтрами применима только в верхнем диапазоне. На частотах ниже 10 Гц расчётные ёмкости конденсаторов фильтра, а вместе с ними и ожидаемые токи утечки через эти конденсаторы возрастают настолько, что «вклад» токов утечки в нестабильность ИОН превосходит любые выгоды от фильтрации.

Напряжение шума обычно указывается как полный размах напряжения шума от пика до пика . Среднеквадратическое напряжения шумов примерно в 6 раз меньше этой величины:

${\displaystyle V_{RMS}={\frac {1}{6}}V_{pk-pk}}$

Размах напряжения шумов «сверхпрецизионных» ИОН, измеренный в полосе 0,1—10 Гц, составляет от 1,5 до 5 мкВ (справочно, тот же показатель интегрального линейного стабилизатора обычно составляет 0,01 % от выходного напряжения, или 500 мкВ на 5 В выходного напряжения ). В качественных измерительных АЦП размах шумов от пика до пика не должен превышать 10 % от величины младшего значащего разряда , поэтому малошумящий ИОН на напряжение 5 с уровнем шума в 1,5 мкВ (0,3 ppm пик-пик, например, LTC6655 ) удовлетворяет требованиям не более чем 18-разрядных преобразователей .

Тепловой гистерезис

Кремниевый кристалл, кристаллодержатель, корпус микросхемы и материал печатной платы имеют неодинаковые коэффициенты теплового расширения . Неравномерное расширение при нагреве порождает в кристалле механические напряжения , которые сохраняются и после охлаждения до нормальной температуры . Как следствие, возникает тепловой гистерезис : напряжение ИОН в конце цикла нагрев-охлаждение не совпадает с напряжением в начале цикла .

Нормирование этого явления — относительно недавняя практика . В документации на микросхемы тепловой гистерезис ( англ. thermal hysteresis ) определяется как предельная ожидаемая разница между выходными напряжениями в начале и в конце испытательного термического цикла. Типичные значения составляют около ±25 ppm, или ±0,0025 % выходного напряжения . Начальные и конечные напряжения всегда измеряются при нормальной температуре (+25 °C), а длительность и размах температур испытательного цикла могут существенно различаться. В редких случаях производители нормируют гистерезис для циклов различной интенсивности (LT1461 — для циклов 0…70 °C, −40…85 °C и −40…125 °C) и публикуют гистограммы его распределения по амплитуде и знаку .

Особые случаи теплового гистерезиса наблюдаются при монтаже кристалла на кристалодержатель и при пайке микросхемы на печатную плату. Микросхемы в металлических корпусах с гибкими выводами мало подвержены этим явлениям, а в микросхемах с жёсткими выводами сдвиг опорного напряжения при корпусировании может достигать 0,5 % . Сдвиг напряжения при пайке обычно не нормируется: гистерезис измеряется на микросхемах, установленных в монтажные панели испытательного стенда. В документации Analog Devices указывается, что нормируемый начальный разброс напряжения не включает сдвиг при пайке . В документации приводятся гистограммы распределения этого сдвига по амплитуде (LT1461 — разброс от −300 до +100 ppm, в среднем −110 ppm) и оценивается скорость его «усадки» при нормальной эксплуатации .

Сравнительная таблица

Основные показатели, нормируемые для современных прецизионных ИОН, их типичные значения для различных топологий и характеристики избранных представителей каждой топологии приведены в сравнительной таблице . Для того, чтобы и абсолютные, и относительные показатели различных микросхем были сопоставимы, выбраны только микросхемы на выходное напряжение +5 В. Все перечисленные приборам на стабилитронах и биполярных транзисторах отличаются большими (единицы мА) потребляемыми токами. Уменьшение тока возможно, но оно неизбежно сопровождается ростом шумов. Сочетание малых (десятки мкА) токов и малых (до 10 мкВ) уровней шумов возможно только в , но и внутри этой топологии действует обратная зависимость уровня шума от тока. По умолчанию все точностные параметры могут принимать и отрицательные, и положительные значения, знак ± в технической документации опускается.

Показатель	Единица измерения	Основные топологии прецизионных интегральных ИОН
		На стабилитронах со скрытой структурой		Супербандгапы		На дифференциальной паре ПТ (XFET)		На ПТ с плавающим затвором (FGA)
		Типичные значения	VRE3050	Типичные значения	LTC6655	Типичные значения	Analog Devices ADR425B	Типичные значения	Intersil ISL21009
Начальный разброс	%	0,02 %	0,01 %	0,04 %	0,025 %	0,04 %	0,04 %	0,01 %	0,01 %
Температурный коэффициент без термостатирования кристалла	ppm/°C	<2	0,6 макс. 0,3 тип.	<3	2 макс. 1 тип.	<3	3 макс. 1 тип.	3	3
Форма температурной характеристики		S-образная				Близка к линейной
Длительный дрейф	ppm/1000ч	20	6	40	60	40	50	10	около 10
Тепловой гистерезис	ppm/цикл	-	1	-	30 60	-	40	-	50
Напряжение шумов в полосе 0,1−10 Гц	мкВ пик—пик	3	3	10	0,1	-	3,4	-	4,5
Напряжение шумов в полосе 10−1000 Гц	мкВ ср.кв.	3	5	10	0,67	-	Не нормировано	-	2,2
Ток холостого хода (минимальный потребляемый ток)	мА	2,4 макс.	4	0,75	7	-	0,6	-	0,18 макс. 0,095 тип.
Возможность тонкой подстройки на плате		да	±5 мВ	возможно	нет	да	±0.5 % V REF	да	±2.5 % V REF
Рабочий температурный диапазон	°C	0…+70	-40…+85	-40…+85	−40…+125	−40…+125		−40…+85	−40…+125
Примечания к таблице ↑ Harrison, L. . — Newnes, 2005. — P. . — 569 p. — ISBN 9780750677523 . (неопр.) . Thaler Corporation (2000-07-01). Дата обращения: 1 ноября 2012. 26 ноября 2012 года. . Данные серии VRE3050J. В 2012 году производится компанией Apex Microtechnology, выделившейся из состава и унаследовавшей линейку ИОН Thaler (неопр.) . (2009). Дата обращения: 1 ноября 2012. 1 апреля 2010 года. (неопр.) . Analog Devices (2001-2011). Дата обращения: 1 ноября 2012. 8 января 2013 года. . Данные серии ADR425B (неопр.) . Intersil (2009-09-16). Дата обращения: 1 ноября 2011. 8 января 2013 года. . Данные серии ISL21009BFB850Z. Нормируется дрейф за весь срок службы — 50 ppm за 10 лет. Оценка дрейфа за первые 1000 часов дана «приблизительно» При любых изменениях температуры в пределах рабочего диапазона При изменении температуры от −0 до +70 °C При изменении температуры от −40 до +125 °C Испытательный цикл +25 °C → +125 °C → −25 °C → +25 °C Понятие тока холостого хода применимо к последовательным (трёхвыводным) устройствам, понятие минимального тока — ко всем, в том числе параллельным (двухвыводным) Подтверждена работоспособность при низких температурах до −195 °C, см. Patterson, R.; Hammoud, A. // NASA Electronic Parts and Packaging. — 2005. — № December 2005 . 8 марта 2016 года.

Простые ИОН

ИОН на стабилитронах

Бандгапы

Принцип действия бандгапов — источников напряжения, определяемого шириной запрещённой зоны полупроводника — основан на фундаментальной зависимости напряжения на прямо смещённом p-n-переходе от тока и температуры. При фиксированном токе это напряжение линейно убывает с ростом температуры с ТКН, примерно равным −2 мВ/°C. Если сложить это напряжение с напряжением на другом схемном элементе, напряжение на котором пропорционально абсолютной температуре, то при правильном масштабировании двух слагаемых их температурные коэффициенты компенсируют друг друга, а сумма двух напряжений, в первом приближении, будет равна ширине запрещённой зоны использованного полупроводника при Т=0 K и не будет зависеть от температуры.

«Другим элементом» обычно выступает пара биполярных транзисторов в диодном включении, работающих с разными плотностями токов. Разница между напряжениями на эмиттерных переходов этих транзисторов зависит только от температуры и соотношения плотностей токов. Её абсолютная величина в реальных схемах не превышает 100 мВ, поэтому для точной компенсации двух ТКН её необходимо усилить в 5…15 раз. В наиболее распространённой схеме бандгапа, предложенной в середине 1970-х годов, эта же пара транзисторов служит источником и напряжения, пропорционального абсолютной температуре (PTAT-напряжение), и напряжения, убывающего с ростом температуры (CTAT-напряжение), а масштабирование и суммирование слагаемых выполняется простым делителем на двух резисторах . Неизбежный разброс технологических параметров обуславливает посредственные точностные показатели таких схем: начальный разброс обычно составляет ±3 % выходного напряжения, а в наиболее совершенных схемах ±1,6 % . В так называемых суббандгапах , генерирующих опорное напряжение в сотни мВ, разброс ещё выше — до ±3,6 % . При точной «центровке» компонентов температурная характеристика опорного напряжения имеет характерную параболическую форму с максимумом в центре рабочего диапазона температур. На краях рабочего диапазона напряжение спадает примерно на 0,2 % от максимума. При отклонениях от идеальной центровки горб температурной характеристики может смещаться за пределы рабочего диапазона температур, а наблюдаемая температурная характеристика приближается к линейной. Температурный коэффициент напряжения может быть снижен с помощью цепей компенсации нелинейности, разброс напряжений — индивидуальной подгонкой микросхем, а свойственный бандгапам высокий уровень шума снизить практически невозможно.

При всех своих недостатках простые бандгапы массово применяются в микросхемах линейных стабилизаторов и мониторов напряжения (семейства 78XX , TL431 ) и операционных усилителей . В низковольтных схемах бандгапы незаменимы: в отличие от стабилитронов, «обычные» бандгапы работоспособны при напряжениях питания от +2 В, а суббандгапы — при напряжениях от +1,0 В.

ИОН микросхем памяти на комплементарных МДП-транзисторах

Современная микросхема памяти содержит целый набор встроенных источников и стабилизаторов (регуляторов) опорного напряжения. Большинство микросхем памяти работают при пониженном напряжении питания, задаваемом встроенным ИОН и стабилизируемым мощным стабилизатором. Понижение питающих напряжений нужно, прежде всего, для того, чтобы избежать пробоя транзисторов, изготовленных по субмикронным технологиям. Вторая сфера применения ИОН — задание порогового напряжения для дифференциальных усилителей считывания, применяемых в ИС памяти ёмкостью свыше 1 МБит .

В простых ИОН, построенных по КМОП-технологии без применения биполярных термочувствительных элементов, выходное напряжение устанавливается пропорциональным пороговому напряжению p-канального транзистора V _TP . В микросхемах памяти этот параметр равен примерно −0,4 В без учёта действия подложки. Действительное, с учётом напряжения исток-подложка, V _TP может быть в два раза больше . Транзистор Т1 работает при малом токе канала, поэтому его напряжение затвор-исток примерно равно пороговому, и это же напряжение падает на резисторе R1 и затворе T5. Т5 зеркально повторяет ток, протекающий через Т1, поэтому выходное напряжение, снимаемое с R2, равно

${\displaystyle V_{REF}=\left|V_{TP}\right|{\frac {R_{2}}{R_{1}}}}$

Первые образцы подобных устройств, разработанные в начале 1990-х годов, имели нестабильность по напряжению питания около 1 % (10 мВ/В) и ТКН в 0,15 мВ/°C .

Прецизионные ИОН

ИОН на стабилитронах со скрытой структурой

Ток пробоя обычного планарного стабилитрона сосредоточен в приповерхностном слое кремния — в слое с максимальной концентрацией дефектов кристаллической решётки и посторонних примесей. Именно эти примеси и дефекты и обуславливают нестабильность и шум стабилитрона. Улучшить его показатели можно, если «загнать» ток пробоя вглубь кристалла, в скрытую структуру p-n-перехода с меньшим, чем в приповерхностном слое, напряжением пробоя . В классической эпитаксиальной технологии, по которой был выполнен LM199, на месте будущего стабилитрона формируется глубокий островок p ⁺ -типа проводимости, а затем проводится обычные диффузии базового (p ^- ) и эмиттерного (n ⁺ ) слоёв . Эмиттер созданной диодной структуры становится катодом стабилитрона, база — анодом. В приповерхностном слое этот переход имеет профиль проводимости n ⁺ -p ^- , а на дне базовой области — n ⁺ -p ⁺ . Высоколегированный n ⁺ -p ⁺ переход имеет меньшее, чем в приповерхностном n ⁺ -p ^- -слое, напряжение пробоя, поэтому весь обратный ток стабилитрона именно на дне базовой области .

Классические ИОН на стабилитронах со скрытым слоем (LM199, LTZ1000) имеют характерную концентрическую топологию. В центре кристалла расположен стабилитрон, непосредственно к нему примыкают транзисторы — датчики температуры, а вокруг них «уложена» спираль подогревателя, также выполненная по планарной технологии. Такие ИС имеют рекордно низкие показатели ТКН (LM199 — 0,3 ppm/°C, LTZ1000 — 0,05 ppm/°C ), шума (LTZ1000 — 1,2 мкВ пик-пик ) и длительного дрейфа (LTZ1000 — 2 мкВ/1000ч ) при высоких, в несколько процентах, значениях начального разброса напряжения (LTZ1000 — от 6,9 до 7,45 В) и высокой нестабильности по току (LM199 — 0,5 мВ/мА , LTZ1000 — 20 мВ/мА ). Заявленные показатели достигаются только при тщательном термостатировании и экранировании схемы и жёсткой стабилизации тока стабилитрона.

ИОН на дифференциальных парах полевых транзисторов (XFET)

В 1997 Analog Devices выпустила первое поколение интегральных ИОН под торговой маркой XFET ( англ. Extra Implant FET — « полевой транзистор с дополнительной имплантацией затвора») . Принципиальная схема ядра этого ИОН напоминает схему бандгапа Брокау с операционным усилителем, но принцип действия XFET совершенно иной . CTAT-элемент XFET образован двумя на p-канальных транзисторах с p-n-переходом . Один из двух транзисторов — обычный, а в канал второго транзистора имплантирован второй, дополнительный, затвор . Активные источники тока и операционный усилитель, управляющий напряжениями на затворах транзисторов, задают равные токи и равные напряжения сток-исток обоих транзисторов . Равенство токов и напряжений возможно только тогда, когда напряжения затвор-исток двух транзисторов V _СИ1 и V _СИ2 различаются на величину ΔV ₁₂ , составляющую около 0,5 В . Температурный коэффициент ΔV ₁₂ , около −120 ppm/°C, определяется диэлектрической проницаемостью кремния в дополнительном канале второго транзистора и практически не зависит от температуры . Стабильное напряжение V _REF формируется сложением CTAT-напряжения ΔV _СИ с падением PTAT-тока на образцовом резисторе R1, а точная подстройка ТКН осуществляется лазерной подгонкой R1:

${\displaystyle V_{REF}=k~\left({\Delta V_{12}-R_{1}~I_{PTAT}}\right)}$ .

XFET превосходят лучшие прецизионные бандгапы и ИОН на ССС по всех показателях, кроме двух главных: начального допуска и ТКН . Типичный ТКН опорного напряжения XFET серий «А» составляет не более 3 ppm/°C, начальный допуск V _REF — не более 0,05 % (500 ppm), предусмотрена возможность подстройки V _REF внешними прецизионными резисторами . Низкий и постоянный ТКН СТАТ-элемента XFET (в 20-30 раз ниже, чем ТКН p-n-перехода в бандгапе) позволяет обойтись без схем коррекции нелинейности температурной характеристики . Ток потребления ИС XFET не превышает 1 мкА, а уровень шума, благодаря использованию полевых транзисторов, существенно ниже, чем у бандгапов и ИОН на ССС. Типичный размах низкочастотного (0,1-10 Гц) шума составляет 4 мВ от пика до пика . ИС XFET рассчитаны на эксплуатацию в автомобильном диапазоне температур (-40…+125 ppm/°C), мало подвержены температурному гистерезису и при этом дёшевы . По мнению Линдена Харрисона, XFET — наилучший выбор для систем с напряжением питания от 4.1 до 18 В, кроме самых требовательных к точности опорного напряжения .

ИОН на транзисторах с плавающими затворами (FGA)

В 1967 году Ши Минь (чья фамилия на русском языке была по ошибке протранскрибирована как «Зи») и Кан Дэвон предложили концепцию полевого транзистора с плавающим затвором — элементарной ячейки энергонезависимой памяти . В 1971 году Intel запатентовал изобретённую технологию практического производства таких ячеек для памяти EPROM , в 1978 и 1980 годах были изобретены основанные на том же принципе EEPROM и флеш-память . В 1979 году компания Xicor запатентовала первые варианты структур на транзисторах с плавающим затвором, предназначенных для хранения не двоичного кода, а аналоговых сигналов. Выгода от такого подхода казалась очевидной: для хранение одной аналоговой выборки, например, звукового сигнала, достаточно одной ячейки памяти, для хранения оцифрованного звука нужно 8, 10, 12 и более ячеек . В 1990-е годы «звуковую» линию разработок продолжили компании Impinj и Nuvoton, а Хicor сосредоточилась на создании прецизионных ИОН на «аналоговой памяти» . Разработчики Xicor отказались от привлекательной идеи сделать аналоговую память миниатюрной, сравнимой по размерам с логическими ячейками: опыт конкурентов из Impinj показал бесперспективность такого подхода . Взамен, разработанные на Xicor ИОН используют протяжённые плавающие затворы: чем больше площадь затвора, тем проще контролировать заряд, записываемый в затвор и определяющий выходное напряжение ИОН . Первые серийные ИС такого типа были выпущены в 2003 году под торговой маркой FGA ( англ. Floating Gate Analog , «аналоговая ИС на плавающих затворах»), а год спустя развитие технологии FGA продолжила компания Intersil, поглотившая Xicor .

Серийно выпускаемые в 2012 году ИОН типа FGA программируются на опорные напряжения от 1 до 5 В . Начальный допуск опорного напряжения FGA в 0,01 % (100 ppm) — минимальный среди всех интегральных ИОН. ТКН лучших образцов, представленный в 2012 году, не превосходит 3 ppm/°C , а производившаяся ранее 5-вольтовая ИС X60008 имела ТКН не более 1 ppm/°C . FGA, как и XFET, выгодно отличаются от бандгапов и стабилитронных ССС монотонным, почти линейным видом температурной характеристики . Ток питания на холостом ходу не превосходит 1 мкА. Нормальный ток утечки заряда с изолированного затвора составляет несколько электронов в секунду, что определяет гарантийный срок эксплуатации FGA в десять лет . По мнению Линдена Харрисона, XFET — наилучший выбор для аналого-цифровых систем с напряжением питания от 5.1 до 9 В и разрешением до 24 бит .

ИС FGA рассчитаны на эксплуатацию в расширенном коммерческом (-40…+85 °C) и автомобильном (-40…+125 °C) диапазонах температур. По данным НАСА , ИС FGA сохраняют паспортные показатели при низких температурах до −195 °C . Однако FGA в большей степени, чем другие ИОН, подвержены действию ионизирующих излучений . При рентгеновском облучении , характерном для производственных дефектоскопов и систем безопасности аэропортов , напряжение ИОН падает со скоростью около 12 ppm/ мбэр (обследования багажа в аэропортах США достигает дозы в 2 бэр ). FGA следует защищать от излучений металлическими экранами: два слоя медной фольги, применяемой в типичных печатных платах, снижают воздействие радиации в 8 раз . Ещё эффективнее защита цинковой фольгой толщиной от 0,25 мм .

Особенности проектирования и эксплуатации схем на ИОН

Точная подстройка

Если проектируемое устройство требует абсолютной точности установки напряжения, недостижимой в серийных интегральных ИОН, то в проект закладывается возможность его точной подстройки . Микросхемы, допускающие такую подстройку, имеют дополнительный управляющий вход и рассчитаны на эксплуатацию в связке с прецизионным потенциометром , замыкающим петлю обратной связи по напряжению . Чтобы нестабильность потенциометра не ухудшила показатели ИОН, имеет смысл применять либо металло-фольговые прецизионные потенциометры с температурный коэффициентом сопротивления (ТКС) около ±10 ppm/°C, либо проволочные с ТКС около ±50 ppm/°C . Цифровые потенциометры в таких схемах непригодны из-за высокого ТКС (от 500 ppm/°C) и большого шага ступенчатой регулировки (порядка 20 мВ) . Рекомендуется производить подстройку как минимум дважды: до и после электротермотренировки собранной печатной платы .

Напряжение на выходе ИОН можно корректировать и с помощью внешних масштабирующих усилителей на прецизионных, малошумящих ОУ . В литературе описаны схемы коррекции как абсолютного напряжения на выходе ИОН, так и нейтрализации его ТКН .

Шунтирование входов и выходов по переменному току

Прецизионные ИОН обычно питаются уже стабилизированным и отфильтрованным напряжением. Тем не менее, и в таких условиях показатели большинства ИОН можно улучшить, зашунтировав их входы и выходы на землю конденсаторами .

Ёмкость входного конденсатора производители не оговаривают. По умолчанию, можно применять параллельное соединение электролитического конденсатора на 10 мкФ и дискового керамического конденсатора на 0,1 мкФ . Ёмкость выходного конденсатора непосредственно влияет на стабильность петли обратной связи, которой охвачен ИОН, и потому производители обычно её нормируют . Для одних микросхем выходная ёмкость не рекомендуется, для других — напротив, необходима выходная ёмкость величиной 1 до 10 мкФ . Превышение допустимой ёмкости может порождать самовозбуждение ИОН или увеличение уровня шума .

Фильтрация шума ИОН

Самый простой способ снижения шума опорного напряжения — его фильтрация по частоте, подавляющая высокочастотные составляющие шума. Существуют прецизионные ИОН, на кристалле которых уже сформированы резисторы RC-фильтра нижних частот — следует лишь подключить к особым выводам такой микросхемы внешний конденсатор . Во всех остальных ИОН следует использовать полноценный пассивный или активный фильтр нижних частот , подключенный к выходу опорного напряжения .

Производители расходятся во мнении о том, можно ли подключать фильтр непосредственно к выходу ИОН. Одни рекомендуют непосредственное подключение фильтров, другие запрещают это. По мнению второй группы экспертов, совокупные шумы, длительный дрейф и нестабильность RC-цепей фильтра и входного каскада усилителя на выходе фильтра способны ухудшить не только точностные показатели, но и шум «улучшенной» схемы. Для того, чтобы этого не произошло, следует включить между выходом ИОН и входом фильтра прецизионный, малошумящий буферный усилитель .

Дорогой, но эффективный способ снижения шума ИОН — запараллеливание множества ИОН на общую нагрузку через одинаковые выравнивающие резисторы. Абсолютный уровень шума такой батареи ИОН понижается обратно пропорционально корню квадратному из числа запараллеленных микросхем .

Защита от механических напряжений

Механические напряжения печатной платы, возникающие при её монтаже и при последующей эксплуатации устройства, неизбежно передаются на корпус микросхемы и далее на кристалл ИОН и влияют на его выходное напряжение. Микросхемы в металлических корпусах мало восприимчивы к механическим воздействиям, но все остальные ИОН — и в DIP-корпусах, и в корпусах для поверхностного монтажа, реагируют даже на слабое кручение или изгиб платы . Для того, чтобы механические напряжения платы не передавались кристаллу ИОН, микросхему следует устанавливать на «язычке», отделённым от остальной части платы сквозным пропилом. В литературе описаны инструментальные измерения платы с прецизионным ИОН LT1460: при каждом умеренном изгибе платы сдвиг напряжения составил около 60 ppm на обычной плате и лишь 10 ppm на плате с пропилом . Помогают, но не столь действенно, и обычные средства по уменьшению деформаций: использование гибких стоек, уменьшение размера платы, выбор более толстого текстолита, размещение ИОН ближе к короткому краю платы. На платах с «язычками» следует ориентировать микросхему длинной стороной вдоль язычка, на обычных платах — длинной стороной вдоль короткой стороны платы .

Примечания

Литература

• ГОСТ 19480-89. Микросхемы интегральные. Термины, определения и буквенные обозначения электрических параметров. — М. : ИПК Издательство стандартов, 2005.
• ГОСТ Р 52907-2008. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Термины и определения. — М. : Стандартинформ, 2008.
• Зи, С. М. Физика полупроводниковых приборов. — М. : Мир, 1984. — Т. 1. — 456 с. — 16 000 экз.
• Джонсон, Г., Грэхем, М. Конструирование высокоскоростных цифровых устройств: начальный курс чёрной магии. — М. : Вильямс, 2006. — 624 с. — ISBN 5845908078 .
• Микросхемы для линейных источников питания и их применение. — 2-е изд.. — М. : Додэка, 1998. — ISBN 5878350211 .
• Практическая электроника аналоговых устройств. — М. : ДМК-Пресс, 2001. — ISBN 5940740049 .
• Рабаи, Ж. М. и др. Цифровые интегральные схемы. Методика проектирования. — 2-е изд.. — М. : Вильямс, 2007. — 912 с. — ISBN 9785845911162 .
• Шитиков, А. // Электронные компоненты. — 2002. — № 3 . 9 марта 2016 года.
• . — Virtualbookworm Publishing, 2005. — 244 p. — ISBN 9781589397187 . от 10 марта 2018 на Wayback Machine
• Harrison, L. Current Sources & Voltage References. — Newnes, 2005. — 569 p. — (Electronics & Electrical). — ISBN 9780750677523 .
• Lojek, B. History of semiconductor engineering. — Springer, 2007. — 387 p. — ISBN 9783540342571 .
• Mitchell, L. // . — 1999. — № Application Note 82 .
• Nasraty, R. // Analog Dialogue. — 1998. — Т. 32 , № 1 .
• Intersil Corporation. // Intersil Application Notes. — 2010. — № AN-1533 . — P. 1—6.
• Intersil Corporation. // Intersil Application Notes. — 2005. — № AN-177.0 . — P. 1—33.
• Whelan, B. // Linear Technology Magazine. — 2009. — № March 2009 . — P. 14—19.
• Rako, P. // EDN Europe. — 2010. — № 01 December .