Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя

Рис. 4. Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя

Часть выходного напряжения Uout, снимаемая с потенциометра R2, сравнивается с опорным напряжением Uz на стабилитроне D1. Разность напряжений усиливается операционным усилителем U1 и подаётся на базу регулирующего транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя^[1]. Для устойчивой работы схемы петлевой сдвиг фазы должен быть близок к 180°+n*360°. Так как часть выходного напряжения U_out подаётся на инвертирующий вход операционного усилителя U1, то операционный усилитель U1 сдвигает фазу на 180°, регулирующий транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, который фазу не сдвигает. Петлевой сдвиг фазы равен 180°, условие устойчивости по фазе соблюдается.

Опорное напряжение Uz практически не зависит от величины тока, протекающего через стабилитрон, и равно напряжению стабилизации стабилитрона. Для повышения его стабильности при изменениях Uin, вместо резистора R_V применяется источник тока.

В данном стабилизаторе, операционный усилитель фактически включён по схеме неинвертирующего усилителя (с эмиттерным повторителем, для увеличения выходного тока). Соотношение резисторов в цепи обратной связи задают его коэффициент усиления, который определяет, во сколько раз выходное напряжение будет выше входного (то есть опорного, поданного на неинвертирующий вход ОУ). Поскольку коэффициент усиления неинвертирующего усилителя всегда больше единицы, величина опорного напряжения Uz (напряжение стабилизации стабилитрона) должна быть выбрана меньше, чем U_out.

Нестабильность выходного напряжения такого стабилизатора практически полностью определяется нестабильностью опорного напряжения, за счёт большого коэффициента петлевого усиления современных ОУ (G_openloop = 10⁵ ÷ 10⁶).

Для исключения влияния нестабильности входного напряжения на режим работы самого ОУ, он может запитываться стабилизированным напряжением (от дополнительных параметрических стабилизаторов на стабилитроне).

Источники опорного напряжения

В любой схеме стабилизатора компенсационного типа требуется опорное напряжение, с которым сравнивается величина выходного напряжения. Стабильность выходного напряжения стабилизатора не может быть выше стабильности его источника опорного напряжения. Источники опорного напряжения (ИОН) широко применяются также в качестве эталонной меры в аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователях, а также в разного рода пороговых устройствах.

Основное назначение ИОН — создавать образцовое напряжение, которое могло бы быть использовано электронными устройствами преобразования информации в качестве меры, эталона.

ИОН на стабилитронах

Простейший метод получения опорного напряжения состоит в том, что нестабилизированное входное напряжение прикладывают через токоограничивающий резистор к стабилитрону, который играет роль так называемого параметрического стабилизатора, чей основной параметр — напряжение пробоя обратносмещенного/ья-перехода (Рис. 5а.).

Полупроводниковый стабилитрон, представляющий собой разновидность диода обладает характерной вольтамперной характеристикой (Рис. 6).__

Рис. 5.Схемы ИОН на стабилитронах: а — параметрический ИОН, б — ИОН компенсационного типа

Рис. 6.Вольтамперная характеристика стабилитрона

При определенном обратном напряжении происходит пробой/?-п-перехода, причем вследствие конструктивных и технологических особенностей этот пробой не приводит к выходу прибора из строя. Участок вольтамперной характеристики, соответствующий режиму пробоя, расположен почти вертикально, так что при изменении тока через стабилитрон напряжение на нем меняется мало.

Качество стабилизации оценивается коэффициентом

Кст = V_IN / V_REF>

который называется коэффициентом стабилизации. Для схемы на Рис.5а коэффициен стабилизации

КСТ = 1 + R / r _cт ~ R / r _ст

и составляет обычно от 10 до 100. Здесь гст — дифференциальное (динамическое) сопротивление стабилитрона. Оно приблизительно обратно пропорционально току, протекающему через стабилитрон, поэтому при заданном входном напряжении увеличением сопротивления резистора R невозможно добиться повышения коэффициента стабилизации. Важным фактором для выбора стабилитрона является величина шумовой составляющей напряжения стабилизации, которая сильно возрастает при малых величинах тока. Недостатком схемы на Рис. 5а является относительно высокое выходное сопротивление (десятки Ом), которое также возрастает при уменьшении тока через стабилитрон. Другим недостатком является большой разброс напряжений стабилизации, который даже для прецизионных стабилитронов достигает 5% от номинального значения.

Существенного повышения коэффициента стабилизации можно достичь, если токоограничивающий резистор заменить источником стабильного тока, например на полевом транзисторе (Рис. 7).

В этом случае может превысить 1000.

Рис. 7. Источник опорного напряжения с полевым транзистором

Можно заметно улучшить характеристики источника опорного напряжения, если использовать в его составе операционный усилитель (Рис.56), т. е. выполнить ИОН по схеме стабилизатора напряжения компенсационного типа, Коэффициент стабилизации в такой схеме определяется главным образом коэффициентом подавления нестабильности питания А^пп в используемом ОУ и может достигать величины порядка 10000. Выходное сопротивление этой схемы составляет десятые доли Ом. Поскольку напряжения на входах ОУ практически равны, выходное напряжение ИОН

V_OUT = V_REF (1 + R₂ /R₁)

ТКН = V_CT/ ( V_CT T).