Referenzspannungsquelle

Spannungsteilerschaltung mit Z-Diode: ${\displaystyle U=U_{R}+U_{z}}$

Eine einfache Stabilisierung kann mit einem Widerstand sowie einer Z-Diode erzeugt werden. Hierbei wird die besondere Eigenschaft der Z-Diode ausgenutzt, bei einer bestimmten Spannung leitfähig zu werden. Diese Spannung ${\displaystyle U_{z}}$ kann an der Z-Diode abgegriffen werden. Sie bleibt bei einer Erhöhung der Eingangsspannung ${\displaystyle U}$ in etwa konstant, im Wesentlichen ändert sich in diesem Fall der Spannungsabfall ${\displaystyle U_{R}}$ über den Widerstand ${\displaystyle R}$.

Für die Spannungsstabilisierung lässt sich ein Glättungsfaktor G angeben:

${\displaystyle G={\frac {\Delta U}{\Delta U_{z}}}={\frac {\Delta U_{z}+\Delta U_{R}}{\Delta U_{z}}}=1+{\frac {\Delta I_{z}}{\Delta U_{z}}}\cdot R}$

mit

• dem elektrischen Strom ${\displaystyle I=I_{R}=I_{z}}$.

Mit dem differenziellen Widerstand ${\displaystyle r_{z}={\frac {\Delta U_{z}}{\Delta I_{z}}}}$ wird daraus:

${\displaystyle \Leftrightarrow G=1+{\frac {R}{r_{z}}}}$

Die Stabilisierung ist umso besser, je größer das Verhältnis ${\displaystyle {\frac {R}{r_{z}}}}$ bzw. je kleiner ${\displaystyle r_{z}}$ ist.

Die Genauigkeit hängt u. a. ab von der Kennlinie der Z-Diode, welche bei kleinen Sperrspannungen relativ flach verläuft.

Weiters liegt eine Temperaturabhängigkeit vor, welche

• unter rund 5 V einen negativen Temperaturkoeffizient
• über rund 5 V infolge des Lawineneffektes einen positiven Temperaturkoeffizient aufweist.

Referenzspannungsquellen mit Z-Dioden und minimalem Temperatureinfluss lassen sich damit im Bereich um 5 V am besten realisieren.

Die Temperaturabhängigkeit bei höheren Z-Spannungen lässt sich reduzieren, indem die Z-Diode durch eine Referenzdiode ersetzt wird.

Eine weitere Verbesserung wird durch den Einsatz eines Shunt-Reglers (englisch shunt regulator) an Stelle der Z-Diode erreicht. Dabei handelt es sich nicht um eine Diode 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 eine Z-Diode. Diese Schaltungen sind in temperaturstabilen Ausführungen mit Toleranzen bis unter 0,01 % verfügbar.[1]

Referenzspannungsquellen unterteilen sich je nach Anforderung in verschiedene Ausführungen:

Bandabstandsreferenz

Bandabstandsreferenz

Die heute bei integrierten Schaltungen am weitesten verbreitete Referenzspannungsquelle ist die Bandabstandsreferenz, welche sich in temperaturstabilisierter Form einfach realisieren lässt und somit höheren Anforderungen genügt. Sie beinhaltet weitere Bauelemente wie Bipolartransistoren. Die Funktionsweise basiert auf der Bandlücke von Halbleitern, welche materialabhängig ist. Durch geschickte Kombination gegensätzlicher Temperaturkoeffizienten in einem Halbleiterschaltkreis entsteht eine temperaturstabile Referenz, die teilweise mit nur 1 V Versorgungsspannung auskommt.

• Stabilisierungsfaktor

1. Voltage References, Übersichtstabelle, Analog Devices.
2. LM431 Adjustable Precision Zener Shunt Regulator. Texas Instruments, abgerufen am 15. Juni 2013 (englisch).
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, ehemals im Original (nicht mehr online verfügbar); abgerufen am 18. April 2009.@1@2Vorlage:Toter Link/www.planetanalog.com (Seite nicht mehr abrufbar. Suche in Webarchiven)  Info: Der Link wurde automatisch als defekt markiert. Bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.