zrodla2.qxd

cjê R

. W rezystancji R

mo¿e siê wydzielaæ

znaczna moc, co oznacza du¿¹ wartoæ pr¹du

. Analiza obwodu za pomoc¹ równañ Kirchhof-

fa pozwala wyznaczyæ napiêcie U

na rezystan-

cji R

= U

REF

_ [I

+ (I

+ I

) r

]

Zak³adaj¹c wartoci wszystkich rezystancji

r równe po 10 m

Ω

, I

= 10 mA i I

= 1 A, otrzy-

mujemy U

= 2,4898 V zamiast idealnej warto-

ci 2,5. B³¹d wynosi 10,2 mV czyli 0,408%.

W systemie 12-bitowym jest to prawie 17 LSB.

Dodatkowo ten b³¹d zmienia siê przy zmia-

nach pr¹du I

zwi¹zanych np. z prac¹ uk³adu lub

roz³adowywaniem baterii zasilaj¹cej. Ponadto

w tym uk³adzie napiêcie wejciowe (zasilaj¹ce)

ród³o wzorcowe jest mniejsze od napiêcia za-

silania (o spadek napiêcia na rezystancjach r1

i r3) i równie¿ zmienia siê wraz ze zmianami

pr¹du I

. Przyjêto tutaj wartoæ rezystancji po-

³¹czeñ 10 m

Ω

, ale ta wartoæ mo¿e wzrosn¹æ

je¿eli ród³o wzorcowe jest w podstawce, lub je-

¿eli ca³y system sk³ada siê z kilku p³ytek druko-

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 1/2001

Wp³yw przewodów

po³¹czeniowych

Wykonuj¹c na podstawie schematu elektrycz-

nego rzeczywisty uk³ad, ³atwo wpaæ w pewn¹

pu³apkê. Otó¿ na schemacie wszystkie linie

po³¹czeniowe oznaczaj¹ idealne zwarcie _ jest

bez znaczenia, jak¹ maj¹ d³ugoæ i którêdy

przebiegaj¹. W praktyce ka¿dy przewód ce-

chuje siê pewn¹ rezystancj¹, a tak¿e indukcyj-

noci¹ i pojemnoci¹. Dlatego te¿ tak wa¿ne jest

stosowanie ogólnych zasad, które mo¿na by na-

zwaæ dobr¹ praktyk¹ konstrukcyjn¹. Zasady te

uwzglêdniaj¹ spadki napiêæ na przewodach

po³¹czeniowych (prawo Ohma dzia³a zawsze _

nie tylko dla rezystorów), zak³ócenia i sprzê¿e-

nia zwi¹zane z impedancj¹ wspólnych odcinków

masy (w³aciwe rozmieszczenie elementów

i prowadzenie masy), sprzê¿enia indukcyjne

i pojemnociowe miêdzy ró¿nymi elementami

(przewód po³¹czeniowy te¿ jest elementem!) czy

wreszcie zak³ócenia zwi¹zane z zasilaniem

(w³aciwe odsprzêganie napiêæ zasilaj¹cych

i prowadzenie linii zasilaj¹cych).

Generalnie ród³a napiêæ wzorcowych s¹ we-

wnêtrznie buforowane; wiêkszoæ uk³adów mo-

¿e byæ obci¹¿ona pr¹dem 5

10 mA. W nie-

których aplikacjach wymagana jest jeszcze

wiêksza wartoæ pr¹du wyjciowego. W typo-

wym obwodzie drukowanym cie¿ka o d³ugo-

ci 10 cm i szerokoci 0,25 mm (gruboæ lami-

natu 0,038 mm) ma w temperaturze pokojowej

rezystancjê ok. 0,18

Ω

. Pr¹d o natê¿eniu 10 mA

przep³ywaj¹c przez tê rezystancjê wywo³a spa-

dek napiêcia 1,8 mV, co mo¿e byæ wartoci¹

znacz¹c¹. W celu zmniejszenia tego efektu

ród³a wzorcowe o najwy¿szej dok³adnoci s¹

przystosowane do wykonania tzw. po³¹czenia Ke-

lvina. Na rys. 8 przedstawiono dwa schematy. Na

pierwszym (rys. 8a) mamy trójkoñcówkowe

ród³o napiêcia wzorcowego U

REF

= 2,5 V zasto-

sowane w prostym systemie (np. 12-bitowym )

bez po³¹czenia Kelvina. Dla u³atwienia identy-

fikacji rezystancje szkodliwe (przewodów i ród³a

zasilaj¹cego) narysowano wê¿ykiem i ozna-

czono ma³ymi literami. Ca³y uk³ad sk³ada siê

z dwóch obwodów: ród³a wzorcowego obci¹-

¿onego rezystancj¹ R

(np. wejcie odniesienia

przetwornika analogowo-cyfrowego) i ca³ej re-

szty systemu symbolizowanej przez rezystan-

RÓD£A NAPIÊCIA

ODNIESIENIA

(3)

PODZESPO£Y

wanych po³¹czonych np. z³¹czami krawêdzio-

wymi. Szczególnie z³¹cza mog¹ powodowaæ

k³opoty poniewa¿ rezystancja zestyków zmie-

nia siê po ka¿dorazowym roz³¹czeniu i ponow-

nym po³¹czeniu.

Sposobem na zminimalizowanie opisanych efek-

tów jest po³¹czenie Kelvina przedstawione na

schemacie na rys.8b. Po³¹czenie to ma dwie

zalety. Po pierwsze, nastêpuje rozdzielenie ob-

wodów zasilania ród³a wzorcowego i pozosta-

³ej czêci systemu tu¿ przy samym ródle. Dziê-

ki temu wahania napiêcia zasilaj¹cego wzorzec

s¹ zminimalizowane. Po drugie, nast¹pi³o rozdzie-

lenie obwodów zasilania rezystancji obci¹¿enia

wzorca R

(wyprowadzenia FORCE) i sygna³u

sprzê¿enia zwrotnego wzmacniacza wyjciowe-

go wzorca (wyprowadzenia SENSE). Poniewa¿

rezystancje dzielnika napiêcia R

i R

s¹ bardzo

du¿e w stosunku do rezystancji cie¿ek, wiêc

spadek napiêcia na rezystancjach doprowadzeñ

r6 i r7 mo¿na pomin¹æ (ze wzglêdu na du¿¹ re-

zystancjê R

pr¹d p³yn¹cy przez r6 i r7 jest

ród³o

wzorcowe

Wzmacniacz

wyjciowy

Rys. 9. ród³o ujemnego napiêcia wzorcowego z uk³adem REF102 (firmy Burr-Brown)

a _ uk³ad najprostszy, b _ uk³ad ulepszony

ród³o

wzorcowe

Wzmacniacz

wyjciowy

+
_

Rys. 8. Eliminacja b³êdów za pomoc¹ po³¹czenia Kelvina a _ po³¹czenie tradycyjne, b _ po³¹czenie Kelvina

OPA27

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 1/2001

bardzo ma³y). Zgodnie zatem z zasad¹ dzia³ania

ujemnego sprzê¿enia zwrotnego stabilizowane

jest napiêcie U

, a nie U

REF

jak w poprzednim

przypadku. Tym samym b³¹d pochodz¹cy od

spadków napiêæ na rezystancjach r5 i r8 jest

znacznie zredukowany. Dok³adne obliczenia

wskazuj¹, ¿e nawet je¿eli obci¹¿enie R

zosta-

nie pod³¹czone tak jak na rys.8a, to powstaj¹cy

w wyniku tego b³¹d te¿ bêdzie znacznie zredu-

kowany. W efekcie po³¹czenie Kelvina czêsto eli-

minuje koniecznoæ trymowania zmontowanych

p³ytek.

Podsumowuj¹c: po³¹czenie Kelvina polega na

rozdzieleniu dróg sygna³ów. W szczególnoci

s¹ wydzielone dwa wyjcia "pr¹dowe" FORCE+

i FORCE_ s³u¿¹ce do zasilania obci¹¿enia oraz

dwa wejcia "napiêciowe" SENSE+ i SENSE_

s³u¿¹ce do pomiaru napiêcia na obci¹¿eniu.

Po³¹czenie Kelvina umo¿liwia nie tylko zredu-

kowanie b³êdów od paso¿ytniczych spadków

napiêæ, lecz umo¿liwia zastosowanie dodatko-

wego tranzystora zwiêkszaj¹cego obci¹¿alnoæ

pr¹dow¹ ród³a wzorcowego. Oczywicie, gdy

tranzystor T jest w³¹czony w uk³adzie, to nale-

¿y rozewrzeæ po³¹czenie r8.

Wzorce napiêcia ujemnego

Wiêkszoæ wzorców trójkoñcówkowych jest wy-

konywana jako wzorce napiêcia dodatniego.

Aby mo¿na je by³o u¿yæ jako wzorce napiêæ

ujemnych, musi byæ spe³niony pewien waru-

nek: pod wzglêdem pr¹du ich wyjcie musi byæ

symetryczne, tzn. taki sam pr¹d mo¿e zarówno

wp³ywaæ, jak i wyp³ywaæ. Zdarzaj¹ siê bowiem

wzorce niesymetryczne, w których np. pr¹d wy-

p³ywaj¹cy z wyjcia mo¿e byæ wiêkszy, a nawet

znacznie wiêkszy ni¿ wp³ywaj¹cy. Uk³ad taki

mo¿na zidentyfikowaæ przez uwa¿ne czytanie

specyfikacji w karcie katalogowej.

Najprostszy przyk³ad wzorca napiêcia ujemne-

go jest przedstawiony na rys. 9a. Uk³ad wy-

maga tylko jednego rezystora dodatkowego, ma

jednak kilka wad. Przez rezystor R

p³ynie su-

ma pr¹dów obci¹¿enia, co narzuca ogranicze-

nie na minimaln¹ wartoæ (bezwzglêdn¹) napiê-

cia _U

. Zmiany obci¹¿enia wywo³uj¹ zmiany

napiêcia zasilania wzorca, a to wp³ywa na na-

piêcie wyjciowe (wzorzec jest zwykle bardziej

czu³y na zmiany napiêcia zasilania ni¿ pr¹du ob-

ci¹¿enia). I wreszcie impedancja wyjciowa jest

wiêksza, co mo¿e powodowaæ problemy z usta-

laniem napiêcia wyjciowego przy szybkich

zmianach obci¹¿enia. Podanych tu wad nie

ma uk³ad przedstawiony na rys. 9b. Jak zwykle

rozs¹dne zastosowanie wzmacniacza operacyj-

nego w uk³adzie z ujemnym sprzê¿eniem zwrot-

nym poprawia sytuacjê. Warunkiem jest u¿ycie

wzmacniacza operacyjnego o dobrych para-

metrach sta³opr¹dowych tak, aby nie pogar-

sza³ parametrów ród³a wzorcowego. Zasada

dzia³ania uk³adu jest nastêpuj¹ca: ujemne sprzê-

¿enie zwrotne wymusza na wyprowadzeniu

GND wzorca napiêcie _10V. Tym samym wy-

prowadzenie OUT znajduje siê na potencjale

masy. Dziêki temu pr¹d wyp³ywaj¹cy z tego

wyprowadzenia (pr¹d wyjciowy ród³a

REF102) jest pomijalnie ma³y, gdy¿ potencja³

wejcia odwracaj¹cego wzmacniacza opera-

cyjnego te¿ jest na potencjale masy. Eliminowa-

ne jest w ten sposób samonagrzewanie wzor-

ca i b³êdy zwi¹zane ze zmian¹ obci¹¿enia. Do-

datkow¹ zalet¹ uk³adu jest filtracja szumów po-

niewa¿ wzmacniacz operacyjny z elementami

R i C tworzy filtr dolnoprzepustowy.

W przypadku stabilizatorów dwukoñcówkowych

problem polaryzacji napiêcia wzorcowego nie ist-

nieje; równie dobrze pracuj¹ z napiêciem dodat-

nim, jak i ujemnym.

Obci¹¿enie pojemnociowe __

t³umienie szumów

Jak wspomniano, uk³ady wzorców trójkoñców-

kowych maj¹ czêsto wbudowany stopieñ wyj-

ciowy w postaci wzmacniacza. Dlatego pod³¹-

czenie do wyjcia wzorca du¿ej pojemnoci

(kilka µ

F lub wiêcej) w celu redukcji szumów

mo¿e spowodowaæ powstanie oscylacji. Je¿e-

li jest to konieczne, zaleca siê kondensatory

o pojemnociach 1

10 nF. Niektóre wzorce na-

piêcia (np. AD888) maj¹ wyprowadzone specjal-

ne koñcówki do pod³¹czenia kondensatora fil-

truj¹cego szumy). W przypadku wzorca przysto-

sowanego do po³¹czenia w uk³adzie Kelvina,

tzn. gdy s¹ dostêpne koñcówki FORCE i SEN-

SE istniej¹ wiêksze mo¿liwoci filtracji szumów.

Producent zwykle podaje dodatkowe informa-

cje na ten temat w karcie katalogowej.

Wzorce dwukoñcówkowe

i trójkoñcówkowe w uk³adach

z zasilaniem bateryjnym

W zastosowaniach wymagaj¹cych ma³ego po-

boru mocy zachowanie wzorców dwukoñcówko-

wych i trójkoñcówkowych mo¿e byæ istotnie ró¿-

ne. Na rys.10 przedstawiono przyk³adowe uk³a-

dy wytwarzaj¹ce napiêcie wzorcowe 2,5 V. Za-

k³adamy pr¹d obci¹¿enia równy 100

A, zasi-

lane bateryjnie. Dopuszcza siê roz³adowanie ba-

terii do napiêcia 3 V. W przypadku wzorca trój-

koñcówkowego (rys. 10a) pr¹d pobierany z ba-

terii jest sta³y w ca³ym zakresie napiêæ pracy ba-

terii i wynosi 100

A + 10

A = 110

A, przy

czym 10

A to sta³y pr¹d pracy pobierany przez

wzorzec MAX872. W przypadku wzorca dwu-

koñcówkowego (rys. 10b) sytuacja jest inna.

Wartoæ rezystora R musi byæ tak dobrana, aby

zapewniæ minimalny pr¹d pracy wzorca przy

minimalnym napiêciu baterii. Dla uk³adu LM385-

2.5 minimalny pr¹d pracy wynosi 20

A. A za-

tem, przez rezystor R _ przy roz³adowanej ba-

terii _ p³ynie pr¹d 100

A + 20

A = 120

A. Dla

napiêcia baterii 3 V spadek napiêcia na rezysto-

rze wynosi 3 V _ 2,5 V = 0,5 V, a zatem ma-

ksymalna wartoæ rezystora R jest równa

(0,5 V)/(120

A) = 4166

Ω

. Najbli¿sza wartoæ

z szeregu rezystorów 1% wynosi 4,12 k

Ω

. Dla

tej wartoci rezystora R pr¹d pobierany ze wie-

¿ej baterii (6,3 V) wynosi (6,3 V _ 2,5 V)/

(4,12 k

Ω

) = 922

A ! A wiêc w czasie ¿ycia ba-

terii pr¹d z niej pobierany zmienia siê prawie

8-krotnie. Nietrudno oceniæ, w którym z dwóch

uk³adów przedstawionych na rys. 9 czas ¿ycia

baterii jest d³u¿szy (pomijaj¹c nawet ró¿nicê

pr¹dów spoczynkowych).

Podsumowanie

Niezale¿nie od tego, jak dobre jest ród³o napiê-

cia wzorcowego, niew³aciwa konstrukcja mo-

¿e w rezultacie prowadziæ do kiepskich parame-

trów ca³ego uk³adu. Dlatego nale¿y szczególn¹

uwagê zwracaæ na poprawne prowadzenie

cie¿ek p³ytki drukowanej, unikanie wspólnych

odcinków masy (zw³aszcza uk³adów precyzyj-

nych i du¿ej mocy), rozdzielanie cie¿ek zasi-

lania i masy uk³adów analogowych i cyfrowych.

Nale¿y unikaæ prowadzenia cie¿ek, na których

wystêpuj¹ zak³ócenia obok cie¿ek sygna³ów

precyzyjnych. Ze wzglêdu na up³ywy trzeba

separowaæ cie¿ki i punkty o wysokich poten-

cja³ach od wejæ wysokoomowych (dotyczy to

równie¿ wejæ uk³adu scalonego, oznaczonych

jako nie pod³¹czone _ mog¹ byæ nie wykorzy-

stywane w normalnej pracy, lecz mieæ po³¹-

czenie z wewnêtrzn¹ struktur¹ scalon¹, np.

w celach testowych). W tym samym celu nale-

¿y dbaæ o czystoæ powierzchni p³ytki drukowa-

nej. W szczególnych przypadkach mo¿e byæ ko-

nieczne stosowanie uk³adów redukuj¹cych szu-

my i zak³ócenia. W celu sprawdzenia czy wystê-

puj¹ oscylacje paso¿ytnicze dobrze jest skon-

trolowaæ uk³ad za pomoc¹ oscyloskopu (a nie

woltomierza, który mo¿e tego nie wykazaæ).

Doprowadzanie napiêcia wzorcowego do wej-

æ przetworników analogowo-cyfrowych i cy-

frowo-analogowych powoduje czasami powsta-

wanie zak³óceñ wynikaj¹cych z prze³¹czania

czêci cyfrowych tych uk³adów. W takich przy-

padkach nale¿y stosowaæ odpowiednie buforo-

wanie róde³ wzorcowych.

Trudno jest podaæ gotow¹ receptê do zastosowa-

nia w ka¿dym przypadku. Najlepszym doradc¹

jest zdobyte samodzielnie praktyczne dowiad-

czenie poparte w³aciwie rozumian¹ teori¹.

Mieczys³aw Krêciejewski

L I T E R A T U R A

[1] Bryant J.: Ask Application Engineer, Analog Devices

[2] Selecting Voltage References, Maxim Integrated Pro-

ducts 2000

[3] Stit M.: Make a Precision -10 V Reference, Burr Brown

Rys. 10. Zasilanie bateryjne wzorca

a _ trójkoñcówkowego (MAX872 firmy Maxim), b _ dwukoñcówkowego