Источники опорного напряжения

Опорное напряжение — эталон, с которым АЦП сравнивает измеряемый сигнал, а стабилизатор — свой выход. Его погрешность целиком переходит в результат измерения. Разбираем параметры источников опорного напряжения на примере TL431, встроенные опоры микроконтроллеров и способы получить точный результат без дорогих деталей.

Обновлено 15 октября 2026 г.Редакция GAW

Содержание

Параметры источника опорного напряжения
TL431 — регулируемый шунтовой источник
Внутренние опоры микроконтроллеров
Как выбрать опору

Любой аналого-цифровой преобразователь выражает входное напряжение в долях опорного: код = U_вх / U_оп · 2^N. Ошибка опоры на 1 % — это ошибка результата на 1 %, и никакая разрядность её не исправит. То же относится к стабилизаторам, ЦАП и компараторам с порогом. Источник опорного напряжения (ИОН) — узел, задача которого — давать напряжение, как можно меньше зависящее от температуры, тока и питания.

Параметры источника опорного напряжения

Параметр	Что означает	TL431 (Diodes DS35050)
Начальная точность	разброс напряжения у разных экземпляров при 25 °C	TL431A — ±1 %, TL431B — ±0,5 % (2,482–2,507 В)
Уход с температурой	изменение во всём диапазоне температур	6 мВ тип., 16 мВ макс. при 0…70 °C
Влияние напряжения	изменение опоры при изменении напряжения на приборе	−1,4 мВ/В тип.
Динамическое сопротивление	рост напряжения на единицу тока	0,2 Ом тип., 0,5 Ом макс.
Рабочий ток	диапазон тока, в котором держится напряжение	от 0,4–0,7 мА до 100 мА

Начальную точность можно убрать однократной калибровкой, уход с температурой и долговременный дрейф — нет. Поэтому для точных измерений важнее стабильность, чем номинал.

TL431 — регулируемый шунтовой источник

TL431 включают как стабилитрон: катод — к плюсу через резистор, анод — к общему проводу, а вывод REF подключают к делителю. Внутри — опорное напряжение 2,495 В и усилитель, который открывает выходной транзистор так, чтобы на REF держалось именно оно. Отсюда выходное напряжение

U_\text{вых} = V_{ref} \left(1 + \frac{R_1}{R_2}\right) + I_{ref} \cdot R_1

где R₁ — между катодом и REF, R₂ — между REF и анодом, I_ref — входной ток вывода REF, 1 мкА типично и до 4 мкА. Напряжение регулируется от 2,495 до 36 В, а динамическое сопротивление около 0,2 Ом — в десятки раз меньше, чем у стабилитрона. Резистор со стороны питания выбирают так, чтобы ток катода при наименьшем входном напряжении и наибольшей нагрузке не опускался ниже минимального, а мощность в корпусе SOT-23 с θJA 380 °C/Вт оставалась допустимой. Номиналы, токи и нагрев считает калькулятор TL431.

Внутренние опоры микроконтроллеров

	ATmega328P	STM32F103	STM32F407
Номинал	1,1 В	1,20 В (VREFINT)	1,21 В (VREFINT)
Разброс	1,0–1,2 В	1,16–1,24 В	1,18–1,24 В
Заводская калибровка	нет	нет	VREFINT_CAL при 3,3 В и 30 °C

Встроенные источники стабильны, но их значение у конкретного кристалла заметно отличается от номинала — у ATmega328P до ±9 %. Поэтому их используют двумя способами:

Опора АЦП. У ATmega328P биты REFS выбирают опорой питание AVCC, внутренние 1,1 В или внешний вывод AREF (DS40002061B, раздел 24.2). Значение внутреннего источника для конкретного кристалла один раз измеряют и сохраняют в EEPROM. После включения ему нужно 40–70 мкс на запуск.
Измерение собственного питания. АЦП измеряет внутренний источник относительно питания, и по известному значению источника вычисляется напряжение питания: у ATmega328P V_CC = 1,1 · 1024 / код, у STM32F4 V_DDA = 3,3 В · VREFINT_CAL / код. Подробнее — в статьях об АЦП и АЦП STM32.

Как выбрать опору

Логометрические измерения. Если сигнал пропорционален питанию — потенциометр, делитель с термистором, — опорой берут то же питание: его колебания сокращаются, и точный источник не нужен.
Абсолютные измерения. Нужна стабильная опора: откалиброванный внутренний источник, если его стабильности хватает, или внешний ИОН на вывод AREF или VREF+. Если на AREF подано внешнее напряжение, внутренние опоры AVR выбирать нельзя — они замкнутся на внешний источник.
Помехи. Опору развязывают конденсатором у вывода: даташит ATmega328P предлагает конденсатор на выводе AREF, чтобы повысить помехоустойчивость внутренней опоры. Источник с большим выходным сопротивлением буферизуют повторителем.

Краткая справка с определениями — на странице глоссария «Источник опорного напряжения», устройство диодов и стабилитронов — в статье «Диоды».

Частые вопросы

Какую опору выбрать для АЦП микроконтроллера?

Если сигнал пропорционален питанию — потенциометр, делитель с термистором, — выгодно брать опорой само питание: его колебания сокращаются. Для абсолютных измерений нужна стабильная опора: внутренний источник, если хватает его точности после калибровки, или внешний источник опорного напряжения на вывод AREF или VREF+.

Насколько точен внутренний источник 1,1 В ATmega328P?

Его значение у конкретного кристалла лежит между 1,0 и 1,2 В — до ±9 % от номинала, но оно стабильно. Поэтому значение один раз измеряют внешним прибором и сохраняют, например в EEPROM, а дальше пересчитывают по нему. После включения источнику нужно 40–70 мкс на запуск, и первое измерение может быть неверным.

Как рассчитать TL431 на нужное напряжение?

Выходное напряжение задаёт делитель между катодом, выводом REF и анодом: U = Vref · (1 + R1/R2) + Iref · R1, где Vref = 2,495 В, Iref — около 1 мкА. Резистор со стороны питания выбирают так, чтобы ток катода при любом входном напряжении и токе нагрузки был не меньше минимального — до 0,7 мА по даташиту Diodes, — и не больше 100 мА.

Как измерить напряжение питания STM32 без делителя?

По внутреннему источнику VREFINT. АЦП измеряет его с опорой VDDA, и если известно точное значение VREFINT, отсюда вычисляется VDDA. У STM32F4 код VREFINT при 3,3 В и 30 °C записан на заводе по адресу 0x1FFF 7A2A, поэтому VDDA = 3,3 В · VREFINT_CAL / код. У STM32F103 калибровки нет, и точность ограничена разбросом 1,16–1,24 В.