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"Zener" integrati

Sono disponibili da parte di svariati costruttori dei componenti a due o tre terminali che hanno funzione analoga a quella di uno zener, ma sono in realtà circuiti integrati di una certa complessità, in cui è curata la stabilità con la temperatura e la precisione.

In genere la tensione stabilizzata "base" fa riferimento alle sorgenti elettrochimiche utilizzate nei laboratori di fisica, con valori attorno a 1-1.3 V

 Uno dei più noti è l' AD589 di Analog Devices (1.25 V) o l' ICL8069 di Maxim/Intersil.
Si tratta di un dispositivo riferimento di tensione compensato in temperatura, con correnti tra 50 uA e 5 mA.

La sua applicazione è la stessa di un comune zener, ma con una resistenza interna equivalente attorno ad 1 ohm ed un coefficiente di temperatura di  50 ppm.
Da notare che questi dispositivi sono disponibili in varie versioni che si differenziano per le caratteristiche; ad esempio AD589JH ha un coefficiente di temperatura di 100 ppm, mentre AD589MH solo di 10 ppm. Ovviamente le versioni con caratteristiche migliori risultano più costose.
Dato che 1.2 V è un valore generalmente troppo basso, si può far seguire il riferimento da un op-amp.

Con un guadagno di 2 la Vref diventa 2,56 V; con un guadagno variabile si potranno aggiustare valori come 4.096 o 5 V.
Una applicazione possibile potrà prevedere:

  • una alimentazione principale Vcc di una decina di volt
  • un partitore R1/R2 per selezionare il valore di tensione voluto. Al posto del partitore fisso potrà essere inserito un trimmer di aggiustamento, come visto precedentemente; questi componenti dovranno essere obbligatoriamente ad alta stabilità (cermet e strato metallico)
  • qualche capacità per la stabilità e la riduzione del rumore.

Da notare che, anche in questo caso la Vref generata dall' operazionale va ad alimentare la sorgente di tensione, per il massimo della stabilità.
Per lo schema qui sopra i valori potranno essere: Rs = 2k7, R1 = 4k7 , R2= 5k1. Utilizzando al centro delle due resistenze un trimmer da 470 ohm l' uscita potrà essere regolata attorno al valore di 1.2 V.

Ovviamente la tensione di alimentazione dell' operazionale dovrà essere superiore a quella che si vuole ottenere come riferimento.

In questa applicazione, la tensione generata è 10.00 V.

Ovviamente l' alimentazione dell' operazionale, singola, dovrà avere un valore maggiore, ad esempio 15V.

Questo in generale può non essere un problema in quanto un sistema dedicato a misure analogiche e che fa uso di operazionali dispone anche di tensioni di alimentazione, anche duali, per questi ultimi. Altra soluzione è quella di inserire uno dei tanti charge pump che elevano la tensione Vdd del microcontroller per alimentare l' operazionale, che consumerà una corrente minima.

E' opportuno, come in tutti gli schemi successivi, che in parallelo all' uscita della tensione di riferimento sia posto un condensatore (multistrato ceramico a bassissimo esr o tantalio) per la stabilità e l' eliminazione del rumore, con valori da 1kp a 1 uF circa.

La più semplice applicazione, adeguata anche per qualsiasi altro dispositivo del genere, come quelli presentati in seguito, è questa.

Il potenziometro permette di prelevare una frazione della tensione del riferimento. Se la resistenza introdotta è eccessiva, al cursore farà seguito un op-amp come voltage follower.

Questa idea è adatta per ottenere tensioni di riferimento di valore minore di quella propria dell' integrato.

Altro componente comune è la famiglia LM336, anche qui applicabili come semplici zener.

Il vantaggio di questi componenti è quello di avere una tensione più elevata dei precedenti (da 2, 49V a 5V), il che rende non necessario l' op-amp.
La stabilità in temperatura può arrivare a 7 ppm/K

Anche qui va notato che le famiglie si compongono di elementi "professionali", più costosi , ma con elevate caratteristiche (ad es. LM136) e di elementi "consumer", con caratteristiche minori, ma di prezzo ridotto (es. LM336).
I modelli a 5 V (LMx36-5) ovviamente richiedono una tensione più alta per essere alimentati, il che può complicare il circuito di un PIC dove la semplicità (leggi minima quantità di componenti associati) può essere un elemento del progetto.
Le versioni con uscita a 2.5 V (LMx36-2.5)  invece possono essere applicate ad una alimentazione a partire da 3.5V.

Una caratteristica di questi componenti è quella di disporre di un terzo pin a applicando al quale una tensione esterna, si ottiene un aggiustamento fine della tensione di uscita, che può essere portata ad un +/- 70 mV. 
Due diodi al silicio, accostati all' LM per avere la stessa temperatura,  possono essere inseriti nel circuito di controllo per ridurre il coefficiente di temperatura dell' insieme. Ovviamente il trimmer dovrà essere un componente di qualità (cermet o simile) e non uno per audio a bassa stabilità.
Con questi componenti è possibile disporre di una sorgente di riferimento per conversioni a 10 bit.
Le applicazioni tipiche consigliate dal foglio dati:

Analogo è l' AD580 di Analog Devices, sempre applicato come uno zener, ma che dispone internamente di un generatore di corrente costante di precisione (che non richiede quindi una resistenza esterna in serie) e di un pin di uscita della tensione di riferimento.

La tensione in uscita è 2.5V con una precisione dello 0.4% e una stabilità in temperatura di 10 ppm (versione AD580M, U).
E' alimentabile con un minimo di 4.5V il che combina con la tensione di alimentazione generalmente utilizzata per i microcontroller (5V).

Nell' immagine a sinistra il layout dei pin con lo schema di principio del componente; in quella a destra lo schema interno semplificato.

La non necessità della resistenza esterna ne amplia la gamma di tensione di alimentazione, mentre la possibilità di regolare finemente i valori delle resistenze interne durante il processo costruttivo ne migliorano la precisione.

Numerosi altri costruttori realizzano dispositivi del genere. Ad esempio:

Esistono poi numerose famiglie di componenti analoghi, che possono effettuare anche altre funzioni.

La circuiteria integrata consente al dispositivo di migliorare significativamente le limitazioni classiche del diodo zener. 

Inoltre permette facilmente di aggiungere funzioni extra, come questo MAX6330, che fornisce anche un segnale di sottotensione da utilizzare ad esempio come reset del sistema.
Un dispositivo del genere ha una precisione iniziale dell' 1,5%. 

Un'implementazione tipica di questo tipo di IC è mostrata nell' immagine a lato. 
Il foglio dati del componente fornisce i dati necessari al calcolo della Rs.

Altri dispositivi dispongono di shutdown per minimizzare il consumo energetico: se non utilizzata, la sorgente della tensione di riferimento può essere "spenta", riducendo la corrente assorbita a pochi microampere.

 

 

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Aggiornato il 22/09/11 .