Referenzspannungsquelle

Eine Referenzspannungsquelle ist eine Spannungsquelle, deren Spannung als Referenz für einen Mess- oder Regelungsprozess herangezogen wird. In der Regel besitzen Referenzspannungen eine konstruktionsbedingt feste Spannung. Je nach innerem Aufbau kann der Wert der Referenzspannungsquelle aber auch einstellbar sein, z. B. zum Umschalten in einen anderen Messbereich.

Referenzspannungsquellen sind im Normalfall nicht dafür vorgesehen, hohe Lasten treiben zu können. Der Ausgangswiderstand sowie die thermische Belastung aufgrund des Ausgangsstroms können die Genauigkeit herabsetzen.

Einfache Referenzspannungsquelle

Spannungsteilerschaltung mit Z-Diode

Eine einfache Referenzspannungsquelle kann mit einem Widerstand, sowie einer Z-Diode erzeugt werden. Hierbei wird die besondere Eigenschaft der Z-Diode, bei einer bestimmten Spannung leitfähig zu werden, ausgenutzt. Diese Spannung kann dann an der Z-Diode abgegriffen werden.

Diese Spannung bleibt bei einer Erhöhung der Eingangsspannung U in etwa konstant. Es ändert sich im Wesentlichen der Spannungsabfall über den Widerstand R.

Für die Spannungsstabilisierung lässt sich ein Glättungsfaktor angeben:

$G = {{\Delta U} \over {\Delta U_z}} = 1 + {{\Delta I_z} \over {\Delta U_z}} \cdot R$

mit dem differenziellen Widerstand $r_z = {{\Delta U_z} \over {\Delta I_z}}$ wird daraus

$G = 1 + {R \over r_z}$

Die Stabilisierung ist umso besser, je größer das Verhältnis $R \over r_z$ ist. Die Genauigkeit hängt unter anderem der Z-Diodenkennlinie ab, welche bei kleinen Sperrspannungen relativ flach verläuft. Weiters liegt eine Temperaturabhängigkeit vor, welche unter rund 5 V einen negativen Temperaturkoeffizient und darüber zufolge des Lawineneffektes einen positiven Temperaturkoeffizient aufweist. Referenzspannungsquellen mit Z-Dioden und minimalen Temperatureinfluss lassen sich damit im Bereich um 5 V am besten realisieren. Eine Reduktion der Temperaturabhängigkeit bei höheren Z-Spannungen lässt sich durch den Ersatz der Z-Diode mit einer Referenzdiode erzielen: Bei Referenzdioden wird eine Z-Diode mit positiven Temperaturkoeffizienten in Reihe mit einer oder mehreren herkömmlichen Dioden betrieben, welche in Vorwärtsrichtung geschaltet sind und einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen. Die Anzahl der Dioden in Reihe wird dabei so gewählt, dass der Betrag des Temperaturkoeffizienten minimal wird.

Eine weitere Verbesserung wird durch den Einsatz von Shunt-Reglern (englisch shunt regulator) an Stelle der Z-Diode erreicht: Dabei handelt es sich um keine Dioden im eigentlichen Sinn, sondern um eine elektronische Schaltung mit mindestens zwei Anschlüssen, welche sich ähnlich wie eine Z-Diode im Sperrbereich verhält: Sie hält über einen relativ weiten Bereich des Stromes die Spannung an ihren beiden Anschlussklemmen konstant, allerdings mit einer wesentlich höheren Genauigkeit und geringeren Temperaturabhängigkeit als dies bei Z-Dioden der Fall ist. Diese Schaltungen sind in temperaturstabilen Ausführungen mit Toleranzen bis in den Bereich unter 0,01% verfügbar.^[1] Manche Shunt-Regler weisen einen zusätzlichen, dritten Anschluss zur Einstellung der Referenzspannung auf. Ein Beispiel ist die integrierte Schaltung LM431.^[2]

Präzisionsreferenzspannungsquellen

Bandabstandsreferenz

Bei höheren Anforderungen werden Referenzspannungsquellen wie die Bandabstandsreferenz verwendet, die weitere halbleiterbasierende Bauelemente wie Bipolartransistoren beinhalten. Die Funktionsweise basiert auf der Bandlücke welche materialabhängig ist. Durch geschickte Kombination gegensätzlicher Temperaturkoeffizienten in einem Halbleiterschaltkreis entsteht eine temperaturstabile Referenz, die teilweise mit nur 1 V Versorgungsspannung auskommen. Bessere Langzeitstabilität und vor allem geringeres Rauschen liefern integrierte Schaltkreise mit Buried-Zener-Referenz, die ebenfalls temperaturkompensiert und kalibriert sind. Nachteilig ist die hohe Versorgungsspannung von 8 V (knapp 7 V an der Zener-Diode), die höhere Verlustleistung und der höhere Preis.^[3] Eine jüngere Entwicklung ist der XFET mit hervorragender Stabilität, einem ebenfalls geringen und vor allem linearen Temperaturgang, geringer Verlustleistung, geringerem Preis, einsetzbar ab 4,1 V. Bei diesem Typ sind zwei JFETs mit verschiedener Pinch-Off-Spannung ähnlich wie bei der Bandabstandsreferenz verschaltet.^[4]

Präzisionsreferenzsspannung werden zum Beispiel bei hochauflösenden Analog-Digital-Umsetzern (ADU) eingesetzt. Viele Hersteller dieser Bausteine integrieren eine Referenzsspannung auf dessen Chip, so dass diese nicht durch EMV-Einflüsse beeinträchtigt werden kann.

Übersicht

Referenzspannungsquellen unterteilen sich je nach Anforderung in verschiedene Ausführungen.

• Bei geringen Anforderungen an die Genauigkeit ein Widerstand in Reihe zur Z-Diode und oder die temperaturkompensierte und stabilisierte Form mit Referenzdioden.
• Die heute bei integrierten Schaltungen am weiteste verbreitete Referenzspannungsquelle ist die Bandabstandsreferenz welche sich leicht realisieren lässt, in temperaturstabilierter Form sich realisieren lässt.
• Ebenfalls bei integrierten Schaltung anzutreffende Floating-Gate Analog, zur Trimmung dient ein Floating-Gate-Transistor.^[5]
• Bei hohen Anforderungen an die Genauigkeit, wie bei der Festlegung der Einheit Volt, werden quantenmechanische Effekte in Supraleitern wie der Josephson-Effekt als Referenz verwendet.

Historische Referenzspannungsquellen sind:

• Der Glimmstabilisator, eine spezielle Form von Glimmlampe.
• Elektrochemische Normalelemente wie das Weston-Normalelement, welches früher zur Festlegung der Einheit Volt verwendet wurde, oder das Clark-Normalelement.
• Magnetischer Spannungskonstanthalter

Einzelnachweis(e)

1. ↑ Voltage References, Übersichtstabelle, Analog Devices, 2010
2. ↑ LM431 Adjustable Precision Zener Shunt Regulator, Datenblatt, 2005 (engl.)
3. ↑ Bob Dobkin, Jim Williams: Analog Circuit Design: A Tutorial Guide to Applications and Solutions, Elsevier, 2011, ISBN 978-0-12-385185-7, Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche.
4. ↑ Linden T. Harrison: Current sources & voltage references, Elsevier, 2005, ISBN 0-7506-7752-X, Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche.
5. ↑ Precision voltage reference uses EEPROM and floating gate trim. Planet Analog, abgerufen am 18. April 2009.