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Recycler les références de tension TI : références et sources de courant, références de tension série/shunt

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I. Distinguer les concepts fondamentaux des références actuelles et des sources actuelles

Au sein du système de sources de référence, les références actuelles et les sources actuelles sont souvent confondues ; cependant, il existe des différences fondamentales dans leurs fonctions, leur positionnement et leurs scénarios d'application. Ils représentent deux types distincts d'unités de base dans les circuits analogiques, et TI Precision Devices définit clairement leurs paramètres et délimite leurs limites d'application.

1.1 Référence actuelle

Une référence de courant est un composant central qui fournit un courant de référence fixe, de haute précision et à faible dérive ; son attribut clé est la « stabilité » plutôt que la « capacité de conduite ». Son courant de sortie est une valeur nominale fixe, pratiquement insensible aux fluctuations mineures de la tension d'entrée, de la résistance de charge ou de la température ambiante, et sa fonction principale est de fournir une norme de référence de courant précise pour les circuits.

Les références de courant TI sont généralement conçues sur la base d'une architecture de référence à bande interdite, présentant un coefficient de température extrêmement faible (généralement 10 à 50 ppm/°C), une précision initiale élevée, une excellente stabilité à long terme et une consommation d'énergie au repos extrêmement faible. Leurs principales caractéristiques sont les suivantes :

- Caractéristiques de sortie : produit un courant de référence constant ; la valeur actuelle est fixe et non réglable ; la plage d'adaptation de charge est étroite et convient uniquement aux petites charges et aux applications d'échantillonnage de haute précision ;

- Fonction de base : fournit une polarisation de courant précise pour les CAN/DAC, les amplificateurs opérationnels, les noyaux de référence de tension et les circuits d'échantillonnage, garantissant la stabilité du point de fonctionnement au repos du circuit analogique ;

- Avantages électriques : faible dérive de température, haute linéarité, forte immunité aux interférences d'alimentation et aucune ondulation de sortie, ce qui les rend adaptés aux chaînes de signaux de précision ;

- Appareils typiques : REF200, l'unité de référence de courant intégrée au LM4040 et la série de référence de bande interdite de haute précision.

1.2 Source de courant

Une source de courant est un circuit ou un dispositif fonctionnel doté d'une certaine capacité de commande qui peut produire un courant constant ; son attribut principal est « entraînement à courant constant », la priorité étant d'assurer un courant de charge stable. Les exigences en matière de précision ultime et de dérive en température sont inférieures à celles des références actuelles. Les sources de courant TI sont divisées en deux catégories : les sources de courant intégrées et les sources de courant programmables construites sur une base de référence.

Leurs principales caractéristiques sont les suivantes :

- Caractéristiques de sortie : Capable de délivrer un courant constant ; certaines sources de courant programmables prennent en charge le réglage du courant via des résistances externes ; large plage de correspondance de charge ; capable de conduire des charges de type puissance ;

- Fonctions de base : Pilotage de LED, capteurs, thermocouples et circuits de charge ; permettant une alimentation électrique à courant constant, des tests de charge et un contrôle de boucle ;

- Caractéristiques électriques : Forte capacité de conduite et large plage de courant de sortie ; cependant, la dérive en température et la précision initiale sont généralement inférieures à celles des références de courant dédiées, et certaines sources de courant à découpage présentent une légère ondulation ;

- Applications typiques : sources de courant programmables basées sur le TL431 et le REF5050, et circuits intégrés de pilote à courant constant dédiés de TI.

1.3 Résumé des principales différences entre les deux

Les références actuelles privilégient la précision et la stabilité ; ils servent de « référence actuelle » du circuit et ne nécessitent pas de capacités de pilotage de grande puissance. Les sources de courant donnent la priorité à la capacité d'entraînement à courant constant ; ils servent d'« unité d'alimentation » du circuit, avec des exigences de précision suffisantes pour les applications industrielles standard. De plus, les sources de courant de haute précision doivent être construites à l’aide d’une architecture de référence de tension et d’amplificateur opérationnel, la référence de courant constituant le cœur de la source de courant de haute précision.

II. Classification de base des références de tension TI : série ou parallèle

Une référence de tension est un dispositif de référence qui produit une tension fixe et précise, fournissant une tension standard pour la conversion de données, l'échantillonnage de tension et l'étalonnage de l'alimentation. Toutes les références de tension TI sont divisées en deux catégories : les références de tension série et les références de tension parallèle. Leurs architectures correspondent respectivement aux LDO et aux diodes Zener ; leurs topologies de circuits, leurs caractéristiques électriques et leurs applications appropriées sont entièrement différentes, et ces différences constituent la base essentielle de la sélection de la conception du matériel.

2.1 Références de tension série (référence série)

Une référence de tension série est un dispositif à trois bornes (VIN, VOUT, GND) dont l'architecture ressemble beaucoup à celle d'un régulateur linéaire à faible chute (LDO). En son cœur, un transistor de réglage contrôlable est connecté en série entre la tension d'entrée et la charge de sortie ; en ajustant dynamiquement la résistance équivalente interne, il compense les fluctuations de la tension d'entrée et les changements de charge, maintenant ainsi une tension de sortie constante.

2.1.1 Principe de fonctionnement

La référence série fonctionne en série avec la charge. La tension d'entrée VIN est traitée par l'unité de régulation interne de l'appareil pour stabiliser la sortie à une tension VREF fixe. L'appareil lui-même supporte la différence de tension entre l'entrée et la sortie, et le courant de charge est entièrement fourni par la référence série. Aucune résistance externe de division de tension ou de limitation de courant n'est requise, et la tension de référence est stable immédiatement après la mise sous tension. Un noyau de bande interdite intégré à compensation de température permet une régulation de tension de haute précision sur une large plage de températures.

2.1.2 Avantages clés

- Configuration minimale : aucune résistance externe n'est requise ; le dispositif fonctionne uniquement avec des condensateurs de filtrage d'entrée et de sortie, minimisant ainsi la perte de précision causée par la dérive du dispositif ;

- Consommation d'énergie contrôlable : courant de repos extrêmement faible, associé à une consommation d'énergie minimale dans des conditions à vide et à faible charge, ce qui le rend adapté aux applications alimentées par batterie et à faible consommation ;

- Précision supérieure : précision initiale élevée, dérive de température extrêmement faible, faible bruit de sortie et excellente stabilité à long terme, ce qui en fait le choix préféré pour les chaînes de signaux de précision ;

- Forte adaptabilité de charge : peut fournir directement une tension de référence pour les CAN et DAC ; offre une capacité de charge modérée ; et présente des fluctuations de tension minimes sous des charges dynamiques.

2.1.3 Limites

- Soumis à une limite maximale de tension d'entrée ; une surtension d'entrée peut endommager l'appareil, le rendant impropre aux applications haute tension avec des fluctuations de tension extrêmes ;

- Ne peut pas fournir une sortie de référence négative ; la topologie ne prend en charge que les tensions de référence positives ;

- Le prix est supérieur à celui des références parallèles standards, ce qui les rend généralement moins adaptées aux applications sensibles au coût.

2.1.4 Appareils typiques et scénarios d'application

Références connectées aux séries grand public de TI : séries de qualité automobile REF30E, REF50xx et REF53-Q1. Ceux-ci sont principalement utilisés pour l'échantillonnage ADC/DAC de haute précision, l'instrumentation, l'équipement médical, l'étalonnage de signal de capteur de haute précision et les appareils portables à faible consommation.

2.2 Références de tension de dérivation

Les références de tension shunt sont des dispositifs réglables à deux ou trois bornes. Leur principe de fonctionnement est conforme à celui d'une diode Zener ; le dispositif est connecté en parallèle avec la charge et le noyau régule la tension en shuntant le courant pour maintenir une tension constante au niveau du nœud parallèle. Il s’agit d’une architecture de référence classique de régulation de tension.

2.2.1 Principe de fonctionnement

Une résistance de limitation de courant doit être connectée en série pendant le fonctionnement. La tension d'entrée est abaissée via la résistance de limitation de courant, puis appliquée en parallèle avec le dispositif de référence et la charge. Lorsque la tension d'entrée augmente ou que le courant de charge diminue, le courant de dérivation traversant le dispositif augmente, augmentant ainsi la chute de tension aux bornes de la résistance de limitation de courant ; à l'inverse, le courant shunt diminue, maintenant finalement une tension de référence de sortie stable. La tension de sortie d'une référence shunt à trois bornes peut être programmée de manière flexible via des résistances diviseuses de tension externes.

2.2.2 Avantages clés

- Flexibilité extrêmement élevée : prend en charge la programmation de tension sur une large plage et peut produire des références positives, négatives et à masse flottante, ce qui le rend adapté aux topologies de circuits spécialisées ;

- Forte tolérance de tension : large plage de tension d'entrée et haute résistance aux fluctuations de tension, ce qui le rend adapté aux scénarios industriels d'alimentation électrique haute tension et fluctuante ;

- Faible coût : faible prix de l'appareil, extrêmement polyvalent, avec des avantages significatifs pour la production en série ;

- Fonctionnalité polyvalente : peut servir de moniteur de tension, de limiteur de courant et de source de courant programmable, offrant plusieurs fonctions dans un seul appareil.

2.2.3 Limites

- Consommation d'énergie relativement élevée : Un courant de fonctionnement minimum doit circuler en permanence ; une consommation d'énergie élevée à vide signifie que la prudence est de mise pour les appareils alimentés par batterie à faible consommation ;

- Précision modérée : par rapport aux références de série, il présente une plus grande dérive en température, une précision initiale plus faible et une impédance de sortie légèrement supérieure ;

- Circuits périphériques complexes : doivent être associés à une résistance de limitation de courant de haute précision ; la précision de cette résistance affecte directement la précision globale de la référence.

2.2.4 Appareils typiques et scénarios d'application

Références parallèles grand public de TI : TL431, TL432 et série améliorée de haute précision TL431LI. Principalement utilisé pour la régulation par retour d'alimentation à découpage, la surveillance de tension industrielle, les références ADC de précision standard, les sources de courant programmables, les pilotes de LED à courant constant et les systèmes d'alimentation à faible coût.

III. Principes fondamentaux de sélection et de conception

1. Scénarios de haute précision et de faible consommation (instrumentation, équipement médical, CAN de haute précision) : donner la priorité aux références de tension de la série TI, combinées à des références de courant de haute précision pour la polarisation, afin de garantir la précision de l'échantillonnage du système ;

2. Scénarios de régulation de tension à faible coût, à large tension et à usage général (alimentations à découpage, surveillance industrielle, pilotes à usage général) : donner la priorité aux références parallèles telles que le TL431, qui permettent une configuration flexible des circuits de sortie de tension et de courant ;

3. Applications d'entraînement à courant constant : pour les applications à courant constant de précision à petit signal, utilisez des références de courant dédiées ; pour les variateurs à courant constant de forte puissance, utiliser des sources de courant programmables construites à l'aide de références parallèles ;

4. Scénarios de tension spéciaux (tensions négatives, références à masse flottante) : seules des références de tension parallèles peuvent être utilisées ; les références de séries ne conviennent pas.