Введение
Референтное напряжение — это электронное устройство, которое в идеале выдает фиксированное (постоянное) напряжение независимо от нагрузки, колебаний напряжения питания, изменений температуры и времени. Референтные напряжения используются в источниках питания, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях, а также в других системах измерений и управления. Референтные напряжения значительно различаются по своим характеристикам: регулятор компьютерного блока питания может поддерживать свое значение с точностью лишь до нескольких процентов от номинального, в то время как лабораторные эталоны напряжения обладают точностью и стабильностью, измеряемыми в частях на миллион.
В метрологии
Самыми ранними источниками опорного напряжения или стандартами были химические гальванические элементы, такие как элемент Кларка и элемент Уэстона, которые до сих пор используются в некоторых лабораторных и калибровочных целях. Лабораторные твердотельные стандарты напряжения второго порядка, используемые в метрологии, могут быть изготовлены с дрейфом около одной части на миллион в год. Значение "условного" вольта теперь поддерживается сверхпроводящими интегральными схемами, использующими эффект Джозефсона для получения напряжения с точностью до одной части на миллиард и выше – стандарт напряжения Джозефсона. Статья под названием «Возможные новые эффекты в сверхпроводящем туннелировании» была опубликована Брайаном Дэвидом Джозефсоном в 1962 году и принесла Джозефсону Нобелевскую премию по физике в 1973 году. Ранее ртутные батареи широко использовались в качестве удобных источников опорного напряжения, особенно в портативных приборах, таких как экспонометры; ртутные батареи обладали очень стабильным напряжением разряда на протяжении всего срока службы.
Устройства твердого состояния
Любой полупроводниковый диод имеет экспоненциальную вольт-амперную характеристику, которую можно рассматривать как имеющую "колено" – напряжение, иногда используемое в качестве неточного эталона напряжения. В документации может быть указано прямое падение напряжения при заданном токе "включен". Это напряжение составляет около 0,3 В для германиевых диодов, около 0,6–0,7 В для кремниевых диодов и от 1,6 В (красный) до 4 В (фиолетовый) для светодиодов видимого спектра. Эти устройства сильно зависят от температуры, что может быть полезно для измерения температуры или для компенсации смещения в аналоговых схемах. Диоды Зенера также часто используются для обеспечения эталонного напряжения умеренной стабильности и точности, полезного для многих электронных устройств. Лавинные диоды демонстрируют аналогичное стабильное напряжение в определенном диапазоне токов. Наиболее стабильные диоды этого типа создаются путем температурной компенсации диода Зенера, путем включения его последовательно с прямым диодом; такие диоды изготавливаются как двухвыводные устройства, например, серия 1N821 с общим падением напряжения 6,2 В при токе 7,5 мА, но также иногда включаются в интегральные схемы. Наиболее распространенной схемой эталонного напряжения, используемой в интегральных схемах, является эталон напряжения на основе запрещенной зоны. Эталон на основе запрещенной зоны (обычно называемый просто "запрещенной зоной") использует аналоговые схемы для добавления кратного разности напряжений между двумя биполярными переходами, смещенными при разных плотностях тока, к напряжению, развиваемому на диоде. Напряжение на диоде имеет отрицательный температурный коэффициент (то есть уменьшается с увеличением температуры), а разность напряжений на переходах – положительный температурный коэффициент. При сложении в пропорции, необходимой для компенсации этих коэффициентов, результирующее постоянное значение представляет собой напряжение, равное ширине запрещенной зоны полупроводника. Для кремния это примерно 1,25 В. Эталоны на диодах Зенера с глубоким переходом могут обеспечить еще более низкий уровень шума, но требуют более высоких рабочих напряжений, которые недоступны во многих устройствах, работающих от батарей.
Газонаполненные устройства
Газонаполненные трубки и неоновые лампы также использовались в качестве источников опорного напряжения, преимущественно в ламповой аппаратуре, поскольку напряжение, необходимое для поддержания газового разряда, относительно стабильно. Например, популярная RCA 991 "Трубка стабилизации напряжения" является неоновой лампой NE-16, которая воспламеняется при 87 вольтах и затем поддерживает напряжение 48–67 вольт на участке разряда.