Este circuito es del ficha técnica de la famosa referencia de tensión LTZ1000 . ¿Alguien puede explicar cómo funciona el circuito en detalle? Especialmente el OpAmp.
Encontré otro circuito similar sin Op-amp en el libro "Current Sources & Voltage References" de Linden T. Harrison.
Creo que hay algo parecido. Mi pregunta ahora es lo que podemos beneficiarse de la op-amp ?
El zener y la resistencia de 120 ohmios forman un brazo de un puente. La resistencia de 30K y el BJT forman el otro brazo. El puente estará equilibrado cuando el transistor \$V_{CE}\$ es el mismo que el \$V_{BE}\$ . El op-amp obliga a dicho puente a equilibrarse.
En condiciones de equilibrio, la corriente que pasa por el zener es de unos 5mA (mantenida constante). El transistor \$I_C\$ es de unos 220uA.
La tensión de salida es la tensión del zener más \$V_{BE}\$ . A la tensión que el fabricante ha elegido para el zener enterrado (7,2V - \$V_{BE}\$ ), el coeficiente de temperatura positivo del zener coincide con el coeficiente de temperatura negativo de \$V_{BE}\$ por lo que el coeficiente global de temperatura es cercano a cero y la tensión de salida es nominalmente de 7,2V.
En los viejos tiempos (antes de que las referencias de CI de alto rendimiento se hicieran comunes), una de las mejores referencias que se podían comprar era la 1N821A (y sus primos), que tienen un diodo internamente en serie con un zener (se puede saber esto indirectamente en la hoja de datos porque la corriente "inversa" es bloqueada por el diodo a un máximo de unos pocos uA).
Por supuesto, en la venerable LTZ1000, el tempco suele mejorarse aún más estabilizando la temperatura del troquel a una temperatura superior a la ambiente mediante el calentador interno y el sensor de temperatura.
Así que en comparación con el diodo zener en serie con el BJT (con la base y el colector en cortocircuito) puedo ver un beneficio de este circuito: Ic no pasa por el zener por lo que podemos controlar su corriente con mayor precisión.
Sí, el op-amp obliga al puente a equilibrarse, entonces ¿qué podemos aprovechar del puente equilibrado?
¿El beneficio? La corriente a través del zener es constante, la \$I_C\$ en el transistor es casi constante, por lo que la tensión en la salida del amplificador óptico es una versión amortiguada de la tensión del zener más \$V_{BE}\$ y, por lo tanto, se compensa adecuadamente la temperatura y es constante con los cambios de la tensión de alimentación.
El diodo zener tiene un coeficiente de temperatura positivo de, según la hoja de datos, \$+\frac{2mV}{^\circ C}\$ mientras que la unión base-emisor tiene un coeficiente de temperatura negativo de \$-\frac{2mV}{^\circ C}\$
Suponiendo que el amplificador óptico tenga retroalimentación negativa, los terminales de entrada tienen el mismo voltaje. Dado que la base y el colector del transistor están conectados a través de los terminales de entrada, este transistor es esencialmente un BJT conectado por diodo (la base y el colector tienen la misma tensión).
Entonces, suponiendo que la corriente de base es insignificante, la tensión de salida es, por KVL
$$I_{ZD}\cdot 120 \Omega + I_E \cdot 30k \Omega $$
Para que la tensión de salida sea constante con la temperatura, debemos tener que
$$\frac{\partial I_{ZD}}{\partial T} \cdot 120 \Omega + \frac{\partial I_E}{\partial T} \cdot 30k \Omega = 0$$
Claramente, esto requiere que los coeficientes de temperatura para el diodo zener y el transistor tengan signos opuestos.
La elección de los valores de las resistencias depende de una serie de variables dependientes del proceso que están fuera del alcance de esta respuesta.
El Op Amp alimenta el zener enterrado y aumenta dramáticamente la PSRR y mejora la regulación de la línea - crea un LDO ultra estable de 7.2V alimentando el zener enterrado y la unión base-emisor. La corriente del zener enterrado está definida por la resistencia de 120 y la corriente del colector definida por la resistencia de 30k - esto junto con la temperatura del calentador crea el punto de polarización ideal donde el TC del zener enterrado es opuesto al TC de la unión base-emisor de Q1. En la práctica uno necesitará recortar la temperatura del calentador para afinar este punto cero de TC con R4:R5 en la hoja de datos del LTZ1000A, la relación nominal para R4:R5 = 12,5:1 para el LTZ1000A y 12:1 para el LTZ1000.
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