Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Wyszukiwarki naszych partnerów

Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME
Europejski lider sprzedaży techniki i elektroniki.
Proszę, dodaj wyjątek elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Pojedynek stabilizatorów napięcia referencyjnego - część 1

ghost666 17 Wrz 2014 12:41 3771 2
  • Opracowanie systemu charakteryzującego się niskim dryftem napięcia jest niełatwym zadaniem, szczególnie z bipolarnym sygnałem wejściowym. Aplikacje takie jak dwukierunkowy pomiar prądu, wymagają stosowania dobrze dobranych do siebie napięć odniesienia o niskim dryfcie napięcia wyjściowego. Układ taki zaprezentowano na poniższym schemacie.

    Pierwsze napięcie - VREF - definiuje zakres napięć wejściowych przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) w układzie. Napięcie polaryzujące - VBIAS - jest konieczne aby podnieść bipolarne napięcie wejściowe do poziomu w którym będzie ono tylko dodatnie. Pożądanym jest dodatkowo aby VBIAS równe było połowie napięcia VREF, co skutkuje tym, że dla dodatniego i ujemnego napięcia dysponujemy takim samym zakresem pomiarowym ADC. Omówmy najpierw trzy topologie w jakie zrealizować można generację tych dwóch napięć odniesienia.

    Pojedynek stabilizatorów napięcia referencyjnego - część 1
    System pomiaru prądu charakteryzujący się niskim dryftem, zasilany pojedynczym napięciem niesymetrycznym.


    Wykorzystanie dwóch, niezależnych stabilizatorów napięć, jak pokazano poniżej, jest najprostszym wyjściem z sytuacji.

    Pojedynek stabilizatorów napięcia referencyjnego - część 1
    Rozwiązanie 1. Użycie dwóch niezależnych źródeł napięcia.


    W aplikacji pokazanej na pierwszym obrazku VREF wynosi 3,0 V a VBIAS 1,5 V. W poniższej tabeli zebrano szereg stabilizatorów napięcia odniesienia, charakteryzujących się niskim dryftem napięcia wyjściowego. Oceniając na podstawie precyzji, dryftu i oczywiście kosztów, układ REF5030A wydaje się być dobrą opcją, jako stabilizator napięcia VREF (3,0 V). Niestety stabilizatory napięcia 1,5 V nie są komercyjnie dostępne, co wymusza zastosowanie stabilizatora na inne napięcie, na przykład 1,25 V (tutaj dobrym wyborem może być np. LM4140V), jednakże takie rozwiązanie pozostawia ujemny i dodatni fragment zakresu niezbalansowanymi.

    Pojedynek stabilizatorów napięcia referencyjnego - część 1






    Drugim, wydawać by się mogło prostszym, rozwiązaniem jest wykorzystanie pojedynczego stabilizatora napięcia 3,0 V i dzielnika napięcia. Układ taki zaprezentowano na schemacie poniżej.

    Pojedynek stabilizatorów napięcia referencyjnego - część 1
    Rozwiązanie 2. Źródło napięcia odniesienia i dzielnik napięcia.


    Pamiętać trzeba jednakże iż w takim systemie dryft napięcia VBIAS będzie większy. Poniższe równanie pokazuje w jaki sposób dryft napięcia polaryzującego wejście układu zależny jest od dryftu samego napięcia odniesienia VREF (δREF), dryftu i błędu dzielnika oporowego (δRDIV) i dryftu bufora napięcia odniesienia (δBUF).

    Pojedynek stabilizatorów napięcia referencyjnego - część 1


    Aby uzyskać system charakteryzujący się niskim dryftem napięcia dobrać musimy oporniki do dzielnika o niskiej tolerancji - na przykład 0,1% i dryfcie termicznym na poziomie 5 ppm/°C. Zakładając pełen zakres napięć wzmacniacza buforującego wynosi 1,5 V, jego offset nie jest znaczny. Jeśli staramy się stworzyć układ cechujący się błędem offsetu napięcia wejściowego nie większym niż 0,1% i dryftem na poziomie 1 ppm/°C, wzmacniacz buforujący powinien charakteryzować się offsetem poniżej 1,5 mV i dryftem termicznym na poziomie - maksymalnie - 1,5 µV/°C. Poniższa tabelka pokazuje jakie układy wybrać można do tego rozwiązania. Jeśli chcemy poznać więcej detali, sugeruję zajrzeć do - tego dokumentu, opisującego jak projektować precyzyjne układy do pomiaru prądu.

    Pojedynek stabilizatorów napięcia referencyjnego - część 1


    Spójrzmy zatem na dwa powyższe rozwiązania:

    * Rozwiązanie 1 jest bardzo proste w aplikacji, jednakże ogranicza nas do ustalonych przez producentów wartości napięcia, przez co napięcie VBIAS niekoniecznie musi być równe VREF/2.
    * Rozwiązanie 2 wykorzystuje tylko jeden stabilizator napięcia, dlatego też dryft napięcia polaryzującego będzie podążał za dryftem napięcia referencyjnego dla przetwornika ADC. Jako że korzystając z dzielnika oporowego osiągnąć możemy dowolne napięcia, jest to bardzo dobre rozwiązani w sytuacji w której napięcie VBIAS ma być inne niż połowa napięcia VREF. Z drugiej strony pamiętać należy iż system taki potrzebuje więcej elementów dyskretnych do działania.

    Poniższy schemat pokazuje trzecie rozwiązanie. Wykorzystuje ono stabilizator napięcia o dwóch wyjściach (REF2030), co pozwala na stabilizację obu napięć - VREF oraz VBIAS - na jednym układzie. Dwa niezależne napięcia generowane są z dwóch źródeł pracujących na zasadzie przerwy energetycznej. Wewnętrzny opornik w układzie dobrany jest tak, aby VBIAS = VREF/2. Poniżej uproszczonego schematu układu znajduje się tabela z podstawowymi parametrami układu REF2030.

    Pojedynek stabilizatorów napięcia referencyjnego - część 1
    Rozwiązanie 3. Stabilizator napięcia odniesienia z dwoma wyjściami (parametry układu REF2030 poniżej)
    Pojedynek stabilizatorów napięcia referencyjnego - część 1


    Omówiliśmy zatem trzy różne topologie generowania dwóch napięć odniesienia dla naszego systemu. Spójrzmy teraz bliżej jak różnią się ich parametry.

    Całkowity błąd

    Poniższe równanie pokazuje jak skonwertować wartość całkowitego błędu napięcia wyjściowego z procentów (%) na części na milion (ppm).

    Pojedynek stabilizatorów napięcia referencyjnego - część 1


    Całkowity błąd wyjściowy każdego z napięć zależny jest od wstępnej dokładności stabilizatora oraz dryftu w całym zakresie temperatur pracy układu. Opisuje to poniższe równanie:

    Pojedynek stabilizatorów napięcia referencyjnego - część 1


    W pierwszym rozwiązaniu, jako że dla układu LM4140B nie podano żadnej konkretnej wartości dryftu napięcia, wykorzystamy maksymalną wartość dryftu w zakresie 70°C. W drugim rozwiązaniu, napięcie polaryzujące (VBIAS) generowane jest z wyjścia REF5030 poprzez układ złożony z oporników i bufora. Dlatego też jego wstępna dokładność i dryft wyznaczyć można jako pierwiastek sumy kwadratów tych trzech źródeł błędu, jak napisano powyżej. Jako że REF2030 i REF5030A wykorzystują tą samą metodę do wyznaczania dryftu w obu przypadkach wykorzystamy ten sam zakres temperatur do obliczeń, równy 165°C, czyli tyle ile wynosi cały zakres pracy tych układów.

    Tabela poniżej pokazuje iż błąd całkowity napięcia VREF w rozwiązaniu pierwszym i drugim jest taki sam, to błąd napięcia VBIAS różni się znacznie pomiędzy nimi. Warto pamiętać iż błąd napięcia polaryzacji w rozwiązaniu drugim zawiera w sobie błąd napięcia odniesienia przetwornika analogowo-cyfrowego. Przy tych parametrach i niskim dryftem termicznym na obu wyjściach, rozwiązanie trzecie oferuje najniższy błąd całkowity spośród trzech przedstawionych powyżej rozwiązań.

    Pojedynek stabilizatorów napięcia referencyjnego - część 1


    Śledzenie dryftu i dopasowanie

    Kolejnym istotnym parametrem systemu z dwoma napięciami odniesienia jest śledzenie dryftu, które opisuje jak względem siebie zmieniają się napięcia względem siebie w funkcji temperatury. Poniższe równanie pokazuje jak wyznaczyć tą wartość, a wykres poniżej pokazuje jak zmieniają się napięcia na wyjściach układu REF2030 w funkcji temperatury.

    Pojedynek stabilizatorów napięcia referencyjnego - część 1
    Pojedynek stabilizatorów napięcia referencyjnego - część 1


    Jako że w rozwiązaniu pierwszym stosujemy dwa osobne, dyskretne źródła napięcia odniesienia, teoretycznie nie jest możliwe aby śledziły one nawzajem swój dryft termiczny, co oznacza iż jeśli chodzi o śledzenie to parametr ten jest pierwiastkiem sumy kwadratów wartości dryftu obu tych układów i równa się 11 ppm/°C. Jako że układ LM4140B specyfikowany jest jedynie do pracy w temperaturze od 0°C do 70° tylko w tym zakresie możemy specyfikować parametr śledzenia dryftu.

    W drugim rozwiązaniu, jako że błąd napięcia VREF obecny jest w błędzie maksymalnym obu napięć to śledzenie dryftu δTracking pomiędzy napięciami VREF a VBIAS zależne jest jedynie od dryftu termicznego oporników (δRES) oraz bufora napięcia (δBUF). Opisuje to poniższe równanie:

    Pojedynek stabilizatorów napięcia referencyjnego - część 1


    Znając wstępną dokładność źródła możemy także wyznaczyć ich dopasowanie w temperaturze standardowej (25°C) korzystając z pierwiastka sumy kwadratów odpowiednich wartości, jak pokazano w poniższym równaniu:

    Pojedynek stabilizatorów napięcia referencyjnego - część 1


    Poniższa tabela pokazuje porównanie wszystkich rozwiązań w kwestii dopasowania i śledzenia dryftu. Pamiętać należy iż w przypadku drugiego rozwiązania, parametry te zależą bardzo mocno od precyzji elementów dyskretnych w systemie. Jakkolwiek śledzenie dryftu jest nieco lepsze w rozwiązaniu numer 2, dopasowanie wyjść jest znacznie gorsze niż w przypadku rozwiązania trzeciego - o około 900 ppm gorsze. Oznacza to iż różnica 2 ppm/°C śledzenia dryftu tych dwóch rozwiązań zniweluje błąd dopasowania po zmianie temperatury o 450°C(!).

    Pojedynek stabilizatorów napięcia referencyjnego - część 1


    Z zaprezentowanych obliczeń jasno wynika iż rozwiązanie trzecie zapewnia najlepsze parametry elektryczne. Jednak pamiętać musimy iż inżynierowie elektronicy, projektując systemu pomiarowe zwracają uwagę nie tylko na parametry elektryczne. W kolejnej części artykułu przyjrzymy się innym kwestiom różniącym te rozwiązania, szczególnie miejscu zajmowanemu na płytce drukowanej i całkowitemu kosztowi każdego z nich.

    Źródło:

    http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archi...part-1-a-voltage-reference-duel-of-duals.aspx
    http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archi...part-2-a-voltage-reference-duel-of-duals.aspx


    Fajne!
  • #2 19 Wrz 2014 23:35
    paluszasty
    Poziom 23  

    Może moje rozumienie jest złe ale jeśli zamiast zastosowania 2 oporników zastosujemy jeden potencjometr to powinniśmy wyeliminować dryft związany z opornikami. W końcu położenie potencjometru jest stałe a R1 i R2 zmienią się proporcjonalnie o tyle samo nawet przy dużym dryfcie termicznym całego potencjometru, w związku z tym stosunek R2/(R1+R2) pozostanie stały i niezależny od temperatury. Chyba ze założymy duży gradient termiczny na potencjometrze albo niestała charakterystykę termiczną potencjometru wzdłuż ścieżki przewodzącej.

  • #3 08 Paź 2014 09:09
    PiotrPitucha
    Poziom 32  

    Witam
    Źle rozumujesz, potencjometr zawsze będzie miał gorsze parametry od dwu identycznych rezystorów, na dodatek zawsze zostaje ryzyko że drgania zaczną wpływać na ustawiony stopień podziału, o ile 0,1% tolerancji w rezystorach nie jest niczym nieosiągalnym, to ustawienie potencjometru nawet wieloobrotowego z dokładnością 1/1000 zakresu jest mało realne.
    Rezystory można zabezpieczyć przed wilgocią, natomiast dmuchnięcie na potencjometr będzie skutkowało zmianą jego parametrów.
    Pozdrawiam

 Szukaj w ofercie
Zamknij 
Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME