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REFERENCIAS DE TENSIÓN
Índice
Universidad
Alcalá
Departamento
Electrónica
1.- Introducción.
Hola
2.- Parámetros Característicos.
3.- Referencias basadas en zener.
4.- Referencias Shunt.
5.- Referencias Gap.
6.- Generadores de masa virtual.
7.- Ejemplo de cálculo de los parámetros característicos de una referencia de tensión.
8.- Referencias de corriente.
Instrumentación Electrónica
Enero-2005
Página 1.1
REFERENCIAS DE TENSIÓN
1.- Introducción
Universidad
Alcalá
! Propósito
! Aplicaciones
Departamento
Electrónica
Proporcionar un voltaje que sirva de patrón o estándar a otros circuitos.
• Circuitos de instrumentación y medida con transductores.
• Conversores A/D y D/A.
• Conversores V/F y F/V.
• Generadores de masa virtual.
! Característica Principal
Enero-2005
Exactitud y estabilidad con el tiempo y la temperatura.
Instrumentación Electrónica
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REFERENCIAS DE TENSIÓN
1.- Introducción
Universidad
Alcalá
Departamento
Electrónica
! Objetivos de este capítulo:
1.
Estudio de los parámetros característicos de una referencia de tensión.
2.
Análisis de circuitos discretos típicos y cálculo de sus parámetros característicos.
3.
Ejemplo de aplicación de una referencia de tensión: Generadores de masa virtual.
4.
Diseño de referencias de corriente a partir de referencias de tensión.
5.
Dar a conocer circuitos integrados de referencia de tensión y corriente.
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Página 1.3
REFERENCIAS DE TENSIÓN
2.- Parámetros Característicos
Universidad
Alcalá
Departamento
Electrónica
Determinan la capacidad de un circuito como referencia de tensión:
! Regulación de línea (RL):
Capacidad del circuito para mantener la tensión de salida prescrita frente a
variaciones de la tensión de entrada (alimentación).
RL (Vo ) "
! Vo
(V / V ) ;
! Vi
RL (Vo ) "
! Vo / Vo
100 (% / V )
! Vi
! Regulación de carga (RC):
Capacidad del circuito para mantener la tensión de salida prescrita frente a
variaciones de la corriente absorbida por la carga.
RC (Vo ) "
Enero-2005
!Vo
( mV / mA) ;
!I L
RC (Vo ) "
!Vo / Vo
100 (% / mA)
IL
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REFERENCIAS DE TENSIÓN
2.- Parámetros Característicos
Universidad
Alcalá
Departamento
Electrónica
! Coeficiente de temperatura (CT):
Capacidad del circuito para mantener la tensión de salida prescrita frente a
variaciones de temperatura.
CT(Vo ) "
!Vo
!V /V
(mV /o C) ; CT(Vo ) " o o 106 ( ppm/o C)
!T
!T
! Estabilidad a largo plazo o deriva Temporal (Dt):
Capacidad del circuito para mantener la tensión de salida prescrita con el tiempo.
!Vo
!Vo / Vo
106 ( ppm / Kh)
(mV / Kh) ; Dt(Vo ) "
1000Horas
1000Horas
Dt(Vo ) "
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Página 1.5
REFERENCIAS DE TENSIÓN
3.- Referencias de tensión basadas en zener
Universidad
Alcalá
Circuito con diodo zener
Método más simple para obtener una referencia de tensión
IL
RS
IL
RS
Departamento
Electrónica
rz
Vi
Vz
CARGA
VO " Vi
Vz " Tensión zener
Vzk
V
IZ
Vzk " Tensión del codo zener
rz " Resistencia dinámica
Vz " Vzk # rz I z
!V z
rz "
!I z
VO
Vzk
I
Vz
CARGA
Vi
rz
RS
R S rz
# V zk
$ IL
R S # rz
R S # rz
R S # rz
1.- Regulación Línea " RL "
!VO
rz
"
!Vi RS # rz
2.- Regulación Carga " RC "
!VO $ rz RS
"
!I L RS # rz
Mejora RL " %%RS " Disminuye Iz aumentando rz y empeora RL y RC
Solución " utilizar zeners con rz lo más pequeña posible
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REFERENCIAS DE TENSIÓN
3.1.- Mejora parámetros de regulación
Universidad
Alcalá
Departamento
Electrónica
Disminuir la sensibilidad a las variaciones de Vi e IL reduciendo sus aportaciones a la tensión de salida
Regulación de Carga
R2 = 24 K
R1 = 39 K
Vi
-
RC "
VO=10 V
IL
+
!VO
$Z O
" $Z S "
1 # A&
!I L
Siendo:
CARGA
Vz=6,2 V
ZO " Impedancia de salida del A.O.
R3 = 3,3 K
VO " (1 #
R2
)Vz
R1
A " Ganancia en lazo abierto del A.O.
&"
Referencia Autorregulada
R1
R1 # R2
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REFERENCIAS DE TENSIÓN
Universidad
Alcalá
3.1.- Mejora parámetros de regulación (cont.)
Departamento
Electrónica
Regulación de Línea
Datos:
Referencia interna del AO " Vri "
1.- Efecto debido a CMR :
!VO " G!Vio " (1 #
Vcc# # Vcc$ Vi
"
2
2
; CMR "
!Vio
V
!Vio
; Vcm " Ve $ Vri " Vz $ 2i ; PSR " !V
cc
!Vcm
!Vi ' !Vri ' !Vcm ' !Vio ' !VO
!V
!V
R
R CMR
R2
) CMR !Vcm " (1 # 2 ) CMR i ( RL " O " (1 # 2 )
2
2
!Vi
R1
R1
R1
2.- Efecto debido al PSR:
!Vi ' !Vio ' !VO
!VO " G!Vio " (1 #
!V
R2
R
) PSR !Vi ( RL " O " (1 # 2 ) PSR
R1
!Vi
R1
Regulación de línea total ! RL " (1 # R2 )( PSR # CMR )
R1
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2
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REFERENCIAS DE TENSIÓN
Universidad
Alcalá
3.1.- Mejora parámetros de regulación (cont.)
Departamento
Electrónica
Coeficiente de temperatura
Suponiendo el resto de parámetros ideales, la estabilidad de la tensión de salida nunca puede
ser superior a la de la tensión zener:
VO " (1 #
R2
)V z ( CT (VO ) " CT (Vz )
R1
Alternativas:
1.- Diodos zener compensados en temperatura.
2.- Referencias estabilizadas en temperatura.
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REFERENCIAS DE TENSIÓN
Universidad
Alcalá
3.1.- Mejora parámetros de regulación (cont.)
Departamento
Electrónica
1.- Diodos zener compensados en temperatura.
- Se coloca un diodo en serie con el zener.
- Este diodo tiene el mismo coeficiente de temperatura
que el zener pero de signo opuesto.
CT < 0
Iz
CT > 0
Como el coeficiente de temperatura depende de Iz , actuando sobre esta se puede obtener un
coeficiente de temperatura muy pequeño.
# Suelen proporcionar tensiones de referencia elevadas, lo que exige tensiones de
alimentación relativamente altas, lo que es un inconveniente en algunas aplicaciones.
Ejemplos: Serie MZ600 de Motorola, REF101 de Burr-Brown
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REFERENCIAS DE TENSIÓN
3.1.- Mejora parámetros de regulación (cont.)
Universidad
Alcalá
Departamento
Electrónica
2.- Referencias estabilizadas.
En general, permiten obtener coeficientes de temperatura más bajos que con diodos autocompenados.
Vcc (9 a 40 V.)
Técnica:
-Mantener el zener y el circuito asociado a una temperatura
constante, por encima de la máxima temperatura ambiente prevista.
RS
- Aprovechando la dependencia de la temperatura de la unión B-E,
se utiliza un transistor para medir la temperatura del sustrato
integrado que a su vez, y en función de esta, actúa sobre otro
transistor que actúa como calefactor.
Vref
# Debido a la energía necesaria para calentar el sustrato, el consumo del circuito es
bastante elevado (300 mW a 25oC), disminuyendo al aumentar la temperatura ambiente.
Ejemplo: LM399 de National.
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REFERENCIAS DE TENSIÓN
4.- Referencias Shunt.
Universidad
Alcalá
Departamento
Electrónica
Ofrecen la posibilidad de obtener una tensión de referencia que se puede ajustar en un amplio
rango de valores utilizando únicamente algunas resistencias exteriores.
Símbolo
(Terminal Referencia)
En el tercer terminal proporciona una tensión estable, consumiendo
por este una corriente reducida del orden de )A.
Circuito típico de aplicación
RS
VO ( ideal ) " (1 #
VO ( real )
I
IK
R1
Vref
Vcc
Iref
R2
R2
)Vref
R1
Término de error pues Iref es muy
inestable con la temperatura
R
" (1 # 2 )Vref # R1 I ref
R1
- Iref << IR1 para que VO no dependa de Iref
VO
Condiciones de diseño
- 1 mA < IK < 100 mA
- z d " z ka (1 #
R1
)
R2
Ejemplo: TL431 de Texas Instruments.
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REFERENCIAS DE TENSIÓN
5.- Referencias GAP.
Universidad
Alcalá
R5
R4
Departamento
Electrónica
- Útiles cuando no se dispone de tensiones de
alimentación elevadas.
+Vcc
-
- Menos ruidosas que las zener.
+
- Se basan en compensar el coeficiente de
R6
R2
R1
temperatura negativo de la tensión B-E con el
VT
positivo del voltaje térmico VT
Q3
Q2
VBE3
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KT .
)
q
VREF
VT
CT>0
VBE3
CT<0
R3
Q1
(VT "
CT , 0
Vref " VBE3 # KVT
CT (VBE 3 ) * 0
CT(KVT ) + 0
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REFERENCIAS DE TENSIÓN
Universidad
Alcalá
5.- Referencias GAP.
Departamento
Electrónica
Vcc
- Su utilización es idéntica a la de un
zener tradicional
R
Vref
# Mantener el valor de VT independiente de la temperatura para poder así anular el
coeficiente de temperatura en todo el rango.
$ Se pueden utilizar como sensor de temperatura ya que la tensión en R2 es directamente
proporcional a la temperatura en oK.
Ejemplos: LM 385 de National, REF02 de PMI.
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REFERENCIAS DE TENSIÓN
6.- Generadores de masa virtual.
Universidad
Alcalá
Departamento
Electrónica
- Son una aplicación de las referencias de tensión.
- Objetivo: Referenciar la señal de entrada a un valor comprendido entre la alimentación.
V
R2
R1
Vi
-
+
+
+Vcc
+Vcc
Vref ( AO ) "
#
cc
V #V
2
$
ss
Vref(AO)
-Vss
-Vss
%
R2
R1
+Vcc
Vi
-
+
+
Referencia
Tensión
Ejemplos: TLE2425, TLE2426 de
Texas.
Masa de
alimentación
+Vcc
VO
-Vss
-Vss
+Vcc
TLE2426
Masa de señal.
(Masa Virtual)
VO "
Vcc $ Vss
2
-Vss
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REFERENCIAS DE TENSIÓN
7.- Referencias de Corriente.
Universidad
Alcalá
Departamento
Electrónica
- Referencia de corriente" Referencia de tensión + Conversor V/I
- Parámetros: Los mismos que para las referencias de tensión pero evaluados para la corriente
que proporcionan a su salida.
Regulación Línea " RL ( I ref ) "
Regulación Carga " RC ( I ref ) "
! I ref
! Vi
( A / V ) ; RL ( I ref ) "
Dt ( I ref ) "
! Vi
100 (% / V )
! I ref
! I ref / I ref
( A / - ) ; RC ( I ref ) "
100 (% / mA )
!RL
RL
Coeficiente de Temperatura " CT ( I ref ) "
Deriva Temporal "
! I ref / I ref
!I ref
!T
!I ref
1000 Horas
(mA / o C ) ; CT ( I ref ) "
( mA / Kh ) ; Dt ( I ref ) "
!I ref / I ref
!T
106 ( ppm / o C )
!I ref / I ref
1000 Horas
10 6 ( ppm / Kh )
Existen pocas referencias de corriente integradas: - Se le requieren menos prestaciones que a las
referencias de tensión.
Ejemplo: LM 334 de National
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- Tienen menor aplicación que las de tensión.
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REFERENCIAS DE TENSIÓN
7.- Referencias de Corriente (cont.).
Universidad
Alcalá
Departamento
Electrónica
Posibles circuitos
VCC
Vref
ALIMENTACIÓN
R1
Referencia
Tensión
COMÚN
+Vcc
-
Iref
Vref
+Vcc
+
-Vss
R
-
Iref
+
R
Carga
I ref "
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Vref
Carga
R
Instrumentación Electrónica
I ref "
Vref
R
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