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Electronique > Théorie > Références de tension

Dernière mise à jour : 25/05/2014

Présentation

Une référence de tension est un composant qui délivre une tension très stable, qui évolue très peu en fonction de l'âge du composant, de la température ambiante et des conditions d'utilisation (tension d'alimentation et courant consommé par la charge). On utilise ce type de composant dans des circuits où on a besoin d'une tension de référence très précise, tel que des appareils de mesure ou des convertisseurs analogique/numérique. Selon l'usage, on peut se contenter d'une référence de tension standard (une simple diode peut parfois suffire) ou au contraire opter pour un composant de "qualité supérieure".

Références de tension dédiées

Il existe plusieurs types de références de tension, certaines fixes et d'autres ajustables, de type série ou shunt. Les grands fabricants de composants électroniques (Maxim, Analog Device ou encore NI) en proposent tous. On trouve ainsi des références de tension aussi variées que 1,025 V, 2,048 V, 2,5 V ou encore 4,096 V ou 5 V.

Références de tension de type série
Ce type de référence s'utilise comme un régulateur de tension, on dispose d'une broche d'entrée, d'une broche de sortie et d'une broche commune (masse). La référence de tension est câblée entre la source d'alimentation et la charge, elle agit un peu comme une résistance variable dont la valeur est "corrigée" en temps réel pour maintenir constante la tension sur la broche de sortie.

Références de tension de type shunt
Une référence de tension shunt se câble en parallèle sur la charge (la charge pouvant être un pont diviseur résistif). On peut la considérer comme une diode zener améliorée, et comme pour cette dernière, on doit câbler une résistance de limitation de courant en série avec la référence de tension. On peut considérer ce type de composant comme une source de courant contrôlé par tension, le courant étant déterminé par la tension d'alimentation utilisée et la valeur de la résistance série. Ce type de composant peut avoir deux broches (tension fixe) ou trois broches (tension programmable). Le TL431 est un exemple de régulateur shunt assez connu, voir schéma suivant :

references_tension_tl431

La tension de référence du TL431 est de 2,5 V (cette tension dépend un peu de la température), et le courant absorbé par la broche de référence vaut à peu près 2 uA. Dans ces conditions, la tension de sortie est de 5,0 V quand R1 = R2. La résistance R3 doit être calculée pour que le courant qui circule dans le TL431 soit d'au moins 1 mA à la tension d'entrée la plus basse. L'avantage de ce composant est une tension très stable même pour une plage de courant d'utilisation assez étendue, ce qu'on ne peu guère obtenir avec une diode zener classique.

Type série ou shunt, que choisir ?
Comme on peut s'en douter, ces deux types de références de tension ont chacune leur avantages et inconvénients. D'une manière générale, on préfère les références de type série quand une haute précision (meilleure que 0,1%) et une faible dérive thermique (25 ppm/°C max) sont souhaitées. Si le but est d'avoir une consommation minimale, mieux vaut se tourner vers une référence shunt, qui consomme moins de courant. Le MAX6029 par exemple, qui est une référence de tension de 2,5 V, consomme seulement 5 uA et accèpte une tension de 12 V. Il faut toutefois faire plus attention avec ce type de référence si la tension d'alimentation varie dans de larges proportions, car on se retrouve avec la même problématique qu'avec une diode zener, il faut assez de courant pour un fonctionnement efficace mais pas trop pour ne rien griller. Pour des tensions élevées (plus de 35 V), on trouve plus facilement des références shunt que des références série. Les références shunt sont plus faciles à utiliser pour une tension négative, et sont plus appropriées pour des fonctions de type "limiteur" ou "écrêteur" de tension.

Quelques exemples de références de tension
CT = Coefficient de température, N (noise) = bruit, uVp-p = niveau de bruit crête-à-crête, Z = impédance de sortie

On peut trouver bizarre le fait de trouver des valeurs de tension aussi tordues que 1,025 V ou 4,096 V. Mais quand on sait que 1024 et 4096 sont des puissances de 2, on comprend mieux que ces références de tension peuvent trouver leur place dans des convertisseurs analogique/numérique ou numérique/analogique dont le nombre de pas (quantification) correspond lui aussi à une puissance de 2.

Remarque concernant le bruit propre des références de tension
Si on veut pleinement profiter du faible bruit délivré par une référence de tension, mieux vaut soigner l'alimentation du montage dans lequel on l'intègre. Une alimentation "bruyante" peut gâcher les belles performances d'une super référence de tension, il serait dommage de négliger ce point.

Régulateurs de tension

Un régulateur de tension intégré peut à la limite être utilisé comme référence de tension, même si à l'origine il n'est pas conçu pour cela. Le 78L05 peut ainsi être utilisé si on désire une tension de +5 V. Mais ce n'est pas la meilleure solution car ce type de régulateur délivre une tension qui est en général précise à +/5%. Notre tension attendue de +5 V peut donc en réalité prendre une valeur comprise entre +4,75 V et +5,25 V. Comme référence de tension, on fait mieux...

references_tension_78l05

Si dans l'absolu la tension de sortie du régulateur est plutôt stable, et comme on vient de le dire, elle n'est pas forcément égale à la valeur attendue et cela peut être gênant. Plutôt que d'utiliser un régulateur de tension fixe tel que le LM7805 ou 78L05 (ou LM7812 pour +12 V), on peut utiliser un régulateur de tension ajustable (programmable) tel que le LM317. Ce dernier est capable de délivrer une tension très stable comprise entre 1,25 V et +35 V, il suffit de lui adjoindre deux résistances de valeur appropriée, ou une résistance associée à un potentiomètre ajustable.

references_tension_lm317l

C'est déjà mieux, et bien souvent le courant drainé est faible ce qui autorise l'emploi d'un régulateur de tension "miniature", entendez par là un composant en boîtier plastique TO92 ou même en CMS. Pour obtenir une tension de sortie très précise, on peut remplacer la résistance R2 par un potentiomètre (ce dernier doit être de bonne qualité). L'inconvénient du régulateur de tension ajustable classique est qu'il ne permet pas de descendre en-dessous de 1,25 V. Bien sûr, pour faire descendre cette valeur on pourrait envisager la mise en place d'une diode en série avec la sortie du régulateur, mais on tombe alors dans la problématique de la stabilité en température (2 mV/°C pour une diode classique).

Diode standard ou diode zener

Pour des besoins courants et non critiques, on peut se contenter d'une diode traditionnelle ou d'une diode zener (série BZX55C par exemple). Ces diodes présentent en effet à leurs bornes une tension qui varie peu, si peu que le courant qui les traverse ne varie pas dans de trop grandes proportions. On peut ainsi utiliser une diode "signal" du type 1N4148 ou une diode de redressement du style 1N4004 si on a besoin d'une tension de référence de 0,6 V, il suffit de polariser cette diode dans le sens direct. Une diode zener quant à elle doit être polarisée en sens inverse (dans le sens direct, elle présente une chute de tension de 0,6 V, comme une diode silicium normale). Pour une tension faible, on peut utiliser deux diodes zener, une première pour obtenir une tension stabilisée, une seconde pour soustraire une valeur très proche (la différence des deux peut ainsi être très faible).

references_tension_diodes_001

Ce type de montage est simple mais le courant qui circule dans la diode doit être stable, sinon la tension augmente ou diminue en rapport. On peut, pour stabiliser ce courant, ajouter un transistor à effet de champ (par exemple 2N3819 ou BF245) monté en générateur de courant constant. Cela fonctionne très bien mais le système reste tout de même assez sensible à la température, avec sa variation naturelle de 2 mV/°C. L'autre inconvénient de cette méthode est la précision de la tension en valeur absolue, on ne peut pas garantir facilement une tension de 3,3 V aux bornes d'une diode zener de 3,3 V, ni 12 V aux bornes d'une diode zener de 12 V. Un composant dédié "référence de tension" est donc vraimentle bienvenue quand on veut disposer d'une tension précise et stable.