Odniesienie napięcia pasma zabronionego
Napięcie odniesienia pasma wzbronionego jest niezależnym od temperatury obwodem napięcia odniesienia, szeroko stosowanym w układach scalonych . Wytwarza stałe (stałe) napięcie niezależnie od zmian zasilania, zmian temperatury lub obciążenia obwodu z urządzenia. Zwykle ma napięcie wyjściowe około 1,25 V (blisko teoretycznej przerwy wzbronionej krzemu przy K 0 1,22 eV (0,195 aJ ) ). Ta koncepcja obwodu została po raz pierwszy opublikowana przez Davida Hilbibera w 1964 roku. Bob Widlar , Paul Brokaw i inni podążyli za innymi wersjami, które odniosły sukces komercyjny.
Operacja
Różnica napięcia między dwoma złączami p–n (np. diodami ), pracującymi przy różnych gęstościach prądu, jest wykorzystywana do generowania prądu proporcjonalnego do temperatury bezwzględnej ( PTAT ) w rezystorze. Ten prąd jest używany do generowania napięcia w drugim rezystorze. To napięcie z kolei jest dodawane do napięcia jednego ze złączy (lub trzeciego, w niektórych implementacjach). Napięcie na diodzie pracującej przy stałym natężeniu jest komplementarne do temperatury bezwzględnej ( CTAT ), ze współczynnikiem temperaturowym około -2 mV/K. Jeśli stosunek pierwszego i drugiego rezystora zostanie dobrany odpowiednio, efekty pierwszego rzędu zależności temperaturowej diody i prądu PTAT zniosą się. Otrzymane napięcie wynosi około 1,2–1,3 , w zależności od konkretnej technologii i projektu obwodu, i jest zbliżone do teoretycznego pasma wzbronionego 1,22 eV krzemu przy 0 K . Pozostała zmiana napięcia w temperaturze pracy typowych układów scalonych jest rzędu kilku miliwoltów. Ta zależność temperaturowa ma typowe paraboliczne zachowanie resztkowe, ponieważ efekty liniowe (pierwszego rzędu) są wybierane jako anulowane.
Ponieważ napięcie wyjściowe jest z definicji ustalone na poziomie około 1,25 V dla typowych obwodów odniesienia z pasmem wzbronionym, minimalne napięcie robocze wynosi około 1,4 V, ponieważ w obwodzie CMOS co najmniej jedno napięcie dren-źródło tranzystora polowego (FET) musi być dodany. Dlatego ostatnie prace koncentrują się na znalezieniu alternatywnych rozwiązań, w których na przykład sumuje się prądy zamiast napięć, co skutkuje niższą teoretyczną granicą napięcia roboczego.
Pierwsza litera akronimu, CTAT, jest czasami błędnie interpretowana jako stała , a nie komplementarna . Termin „ stała z temperaturą” ( CWT ) istnieje w celu rozwiązania tego zamieszania, ale nie jest w powszechnym użyciu.
Podczas sumowania prądu PTAT i CTAT kompensowane są tylko liniowe człony prądu, podczas gdy człony wyższego rzędu ograniczają dryft temperaturowy (TD) odniesienia pasma wzbronionego do około 20 ppm/°C, w zakresie temperatur 100 °C. Z tego powodu w 2001 roku Malcovati zaprojektował topologię obwodu, która może kompensować nieliniowości wysokiego rzędu, osiągając w ten sposób ulepszony TD. Ten projekt wykorzystywał ulepszoną wersję topologii Banby i analizę wpływu temperatury baza-emiter, którą przeprowadził Tsividis w 1980 r. W 2012 r. Andreou jeszcze bardziej ulepszył nieliniową kompensację wysokiego rzędu, używając drugiego wzmacniacza operacyjnego wraz z dodatkowa noga rezystora w punkcie, w którym sumują się dwa prądy. Ta metoda jeszcze bardziej poprawiła korekcję krzywizny i pozwoliła osiągnąć doskonałe wyniki TD w szerszym zakresie temperatur. Ponadto osiągnięto lepszą regulację linii i niższy poziom hałasu .
Inną krytyczną kwestią w projektowaniu odniesienia pasma zabronionego jest wydajność energetyczna i rozmiar obwodu. Ponieważ odniesienie do pasma wzbronionego jest generalnie oparte na BJT i rezystorach, całkowity rozmiar obwodu może być duży, a zatem kosztowny w projektowaniu układów scalonych. Co więcej, ten typ obwodu może zużywać dużo energii, aby osiągnąć żądany poziom hałasu i precyzji.
Pomimo tych ograniczeń napięcie odniesienia pasma zabronionego jest szeroko stosowane w regulatorach napięcia, obejmując większość urządzeń 78xx, 79xx wraz z urządzeniami LM317, LM337 i TL431 . Współczynniki temperaturowe tak niskie, jak 1,5–2,0 ppm / ° C można uzyskać z odniesieniami pasma wzbronionego. Jednak paraboliczna charakterystyka napięcia w funkcji temperatury oznacza, że pojedyncza liczba w ppm/°C nie opisuje odpowiednio zachowania obwodu. Arkusze danych producentów pokazują, że temperatura, w której występuje szczyt (lub dolina) krzywej napięcia, podlega normalnym wahaniom próbek w produkcji. Pasma wzbronione nadają się również do zastosowań o niskim poborze mocy.
Patenty
- 1966, patent USA 3271660, źródło napięcia odniesienia , David Hilbiber.
- 1971, patent USA 3617859, Elektryczne urządzenie regulacyjne, w tym obwód odniesienia napięcia o zerowym współczynniku temperaturowym , Robert Dobkin i Robert Widlar .
- 1981, patent USA 4249122, Referencje napięcia układu scalonego z kompensacją pasma wzbronionego , Robert Widlar .
- 1984, patent USA 4447784, obwód odniesienia napięcia pasma wzbronionego z kompensacją temperatury , Robert Dobkin .
Notatki
Zobacz też
Linki zewnętrzne
- Projektowanie obwodów referencyjnych z przerwą wzbronioną: próby i udręki str. 286 – Robert Pease, National Semiconductor
- Cechy i ograniczenia odniesienia napięcia CMOS
- ECE 327: Przykład odniesienia napięcia pasma wzbronionego LM317 - Krótkie wyjaśnienie niezależnego od temperatury obwodu odniesienia pasma wzbronionego w LM317.