Источник опорного напряжения


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.

В эпоху вакуумных ламп конструкторам радиоаппаратуры были доступны два типа источников опорных напряжений: газоразрядные стабилитроны и химические источники напряжения (аккумуляторы и одноразовые гальванические элементы)[1]. Наилучшую начальную точность напряжения имели ртутно-цинковые элементы Кларка на 1,434 В и ртутно-кадмиевые нормальные элементы Вестона на 1,019 В[2]. 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[3]. 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[4]. 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 %[5].