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 электротермотренировкой, 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 — 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 Бобом Добкиным LM113 — двухвыводную микросхему-бандгап на напряжение в 1,220 В с ТКН, не превышающим 100 ppm/°C. В 1974 году Пол Брокау 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 скв. 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 XFET. 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 FGA. 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 Advanced Linear Devices, Analog Devices, Fairchild Semiconductor, Intersil, Linear Technology, Maxim Integrated Products, Microchip Technology, Microsemi, National Semiconductor, ON Semiconductor, Philips, Semtech, Texas Instruments (поглотившая компанию Burr-Brown) и Apex Microtechnology (производитель микросхем, разработанных не существующей более Thaler Corporation).
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 требованияОсобые «отраслевые» требования конструкторов импульсных блоков питания рассматриваются, например, в . 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).