Источник опорного напряжения — это электронное устройство, которое в идеале создает фиксированное (постоянное) напряжение независимо от нагрузки на устройство, изменений напряжения питания, изменений температуры и течения времени. Опорные напряжения используются в источниках питания , аналого-цифровых преобразователях , цифро-аналоговых преобразователях и других системах измерения и управления. Источники опорного напряжения сильно различаются по характеристикам; регулятор для компьютерного источника питания может поддерживать свое значение только в пределах нескольких процентов от номинального значения, тогда как лабораторные стандарты напряжения имеют точность и стабильность, измеряемые в частях на миллион .
Самыми ранними эталонами или стандартами напряжения были ячейки для жидких химических веществ, такие как ячейка Кларка и ячейка Вестона , которые до сих пор используются в некоторых лабораторных и калибровочных приложениях.
Вторичные твердотельные эталоны напряжения на стабилитронах лабораторного класса, используемые в метрологии, могут быть сконструированы с дрейфом около 1 части на миллион в год. [1]
Значение « обычного » вольта теперь поддерживается сверхпроводящими интегральными схемами, использующими эффект Джозефсона для получения напряжения с точностью до 1 части на миллиард или выше, стандарта 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.
Раньше ртутные батареи широко использовались в качестве удобных источников напряжения, особенно в портативных приборах, таких как фотографические люксметры ; Ртутные батареи имели очень стабильное разрядное напряжение на протяжении всего срока службы.
Любой полупроводниковый диод имеет экспоненциальную вольт-амперную характеристику , которую можно рассматривать как « переломное » напряжение, иногда используемое в качестве неточного эталонного напряжения. В таблицах данных может быть указано прямое падение напряжения при указанном токе включения. Это напряжение составляет около 0,3 В для германиевых диодов, от 0,6 до 0,7 В для кремниевых диодов и от 1,6 В (красный) до 4 В (фиолетовый) для диодов видимого света . Эти устройства имеют сильную температурную зависимость, что может сделать их полезными для измерения температуры или для компенсации смещения в аналоговых схемах.
Стабилитроны также часто используются для обеспечения опорного напряжения умеренной стабильности и точности, что полезно для многих электронных устройств. Лавинный диод отображает аналогичное стабильное напряжение в диапазоне силы тока. Наиболее стабильные диоды этого типа изготавливаются путем температурной компенсации стабилитрона путем включения его последовательно с прямым диодом; такие диоды изготавливаются как двухполюсные устройства, например серия 1N821, имеющая общее падение напряжения 6,2 В при токе 7,5 мА, но также иногда включаются в интегральные схемы.
Наиболее распространенной схемой опорного напряжения, используемой в интегральных схемах, является опорное напряжение запрещенной зоны . Опорный сигнал на основе запрещенной зоны (обычно называемый просто «запрещенной зоной») использует аналоговые схемы для добавления кратной разности напряжений между двумя биполярными переходами, смещенными при разных плотностях тока, к напряжению, развиваемому на диоде. Напряжение на диоде имеет отрицательный температурный коэффициент (т.е. оно уменьшается с ростом температуры), а разность напряжений на переходе имеет положительный температурный коэффициент. При добавлении пропорции, необходимой для того, чтобы эти коэффициенты сократились, результирующее постоянное значение представляет собой напряжение, равное напряжению запрещенной зоны полупроводника. У кремния оно составляет примерно 1,25 В. Источники опорного напряжения Бурид-Зинера могут обеспечивать еще более низкие уровни шума, но требуют более высоких рабочих напряжений, которые недоступны во многих устройствах с батарейным питанием.
Газонаполненные трубки и неоновые лампы также использовались в качестве источников опорного напряжения, в первую очередь в оборудовании на основе ламп, поскольку напряжение, необходимое для поддержания газового разряда , сравнительно постоянно. Например, популярная лампа RCA 991 [2] « Трубка-регулятор напряжения » представляет собой неоновую лампу NE-16 , которая загорается при напряжении 87 В, а затем удерживает 48–67 В на пути разряда.