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Las referencias de tensión de precisión son componentes esenciales en sistemas electrónicos que requieren fuentes de tensión precisas y estables. Se utilizan en fuentes de alimentación, convertidores analógicos, convertidores digitales a analógicos y otros sistemas de medición y control. La precisión de estos sistemas puede verse directamente afectada por la exactitud de la referencia de tensión empleada. Entender la teoría detrás de referencias de tensión y las consideraciones prácticas para su implementación es fundamental para los ingenieros diseñar sistemas de precisión de instrumentos

Fundamentos de Referencias de Voltaje

Una referencia de tensión es un dispositivo electrónico que produce idealmente un voltaje fijo (constant) independientemente de la carga en el dispositivo, variaciones de alimentación, cambios de temperatura y el paso del tiempo. En aplicaciones prácticas, las referencias de tensión sirven como la base para mediciones precisas y operación de circuito estable. Las referencias de tensión producen un voltaje estable que es idealmente independiente de los cambios en tensión de suministro, temperatura, carga y otros factores externos.

El principio básico de referencias de tensión implica crear un voltaje estable a través de dispositivos semiconductores cuidadosamente diseñados que explotan propiedades físicas fundamentales. Las referencias de tensión varían ampliamente en el rendimiento; un regulador para una fuente de alimentación de computadora sólo puede mantener su valor dentro de un poco del valor nominal, mientras que los estándares de tensión de laboratorio tienen precisión y estabilidad medidos en partes por millón.

Desarrollo histórico

Las referencias o estándares de tensión más temprana fueron células químicas húmedas como la célula Clark y Weston, que todavía se utilizan en algunas aplicaciones de laboratorio y calibración. Sin embargo, el desarrollo de referencias de tensión semiconductores revolucionó el campo. Bob Widlar, el legendario ingeniero electrónico, sentó la base para referencias de tensión de bandagap hoy en los años 1960. David Hilbiber de Fairchild Semiconductor publicó un concepto de patentes

Especificaciones clave del rendimiento

Al evaluar las referencias de tensión, varias especificaciones críticas determinan su idoneidad para una aplicación determinada. Al especificar una referencia, tenga en cuenta que la precisión inicial, el coeficiente de temperatura y la estabilidad a largo plazo todos desempeñan un papel en la precisión general del producto terminado. Entender estas especificaciones es esencial para la selección de referencia adecuada y el diseño del sistema.

Precisión inicial

La precisión inicial se refiere a la cercanía del voltaje de referencia a su valor nominal a una temperatura especificada, típicamente 25°C. Las referencias de tensión de banda suelen tener un error inicial de 0,5–1,0% y un coeficiente de temperatura de 25–50 ppm/°C. Las referencias de alta precisión pueden lograr tolerancias mucho más estrictas, con algunos dispositivos que ofrecen precisión inicial dentro de unos pocos milivolts o mejor.

Coeficiente de temperatura

El coeficiente de temperatura (o deriva de temperatura) de una referencia de tensión es la especificación que caracteriza los errores de la salida inducidos por la temperatura. Esta especificación se expresa normalmente en partes por millón por grado Celsius (ppm/°C). Coeficientes de temperatura tan baja como 1,5–2,0 ppm/°C se puede obtener con referencias de bandagap. Los diseños avanzados utilizando técnicas especializadas pueden alcanzar coeficientes de temperatura más bajos.

Aunque la salida de una referencia de tensión debe ser idealmente independiente de la temperatura, una referencia de voltaje real muestra variaciones inducidas por la temperatura en la salida. Sin embargo, la característica parabólica del voltaje versus la temperatura significa que una sola figura en ppm/°C no describe adecuadamente el comportamiento del circuito. Este comportamiento no lineal debe ser considerado al diseñar sistemas que operan sobre amplios rangos de temperatura.

Estabilidad a largo plazo

La estabilidad a largo plazo, también conocida como la tasa de envejecimiento, especifica cómo el voltaje de referencia cambiará durante un período prolongado de tiempo. En otras palabras, aunque la temperatura, el voltaje aplicado y la corriente de carga pueden ser constantes, todas las referencias de tensión se derivarán lentamente con el tiempo. Una tasa de envejecimiento de 15 ppm/1,000/hora significa que después de 1.000 horas (unos 42 días), el voltaje puede ser 15/1,000,000 o .0015% más alto o menor que su valor original.

Los estándares de tensión secundaria de estado sólido de grado de laboratorio de Zener se pueden construir con una deriva de aproximadamente 1 parte por millón al año. Esta estabilidad excepcional los hace adecuados para aplicaciones de calibración y metrología donde la precisión a largo plazo es primordial.

Tipos de Referencias de Voltaje

Las referencias de tensión pueden clasificarse en varios tipos distintos, cada uno con características únicas, ventajas y limitaciones. Entender estas diferentes arquitecturas ayuda a los diseñadores a seleccionar la referencia más adecuada para sus requisitos de aplicación específicos.

Referencias de voltaje de Bandgap

El circuito de referencia de voltaje más común utilizado en circuitos integrados es la referencia de voltaje de bandagap. Una referencia de voltaje de bandagap es un circuito de referencia de voltaje ampliamente utilizado en circuitos integrados. Estas referencias explotan la física semiconductora fundamental para crear una salida de tensión estable de temperatura.

Principio operativo

La diferencia de tensión entre dos cruces p-n (por ejemplo, diodos), operados a diferentes densidades actuales, se utiliza para generar una corriente proporcional a temperatura absoluta (PTAT) en un resistor. Esta corriente se utiliza para generar un voltaje en un segundo resistor. El voltaje a través de un diodo operado a corriente constante es complementario a temperatura absoluta (CTAT), con un coeficiente de temperatura de aproximadamente −2 mV/K.

Una referencia basada en bandagap utiliza circuitos analógicos para añadir una diferencia de tensión entre dos uniones bipolar sesgadas a diferentes densidades actuales a la tensión desarrollada a través de un diodo. El voltaje diodo tiene un coeficiente de temperatura negativa (es decir, disminuye con temperatura creciente), y la diferencia de tensión de unión tiene un coeficiente de temperatura positiva igual.

Combinando el TC positivo de un ≥VBE con el TC negativo de una gota de diodo, se forma una referencia de banda de TC cero. Esta técnica de compensación de temperatura elegante forma la base de referencias de tensión integrada más modernas.

Topologías del circuito

Varias topologías de referencia de bandagap se han desarrollado a lo largo de los años. La referencia de banda de Widlar, introducida a principios de los años setenta, fue una de las primeras implementaciones con éxito comercial. Un amplificador de op impulsa las bases de transistores Q1 y Q2 de tal manera que sus corrientes de colectores son las idénticas (ya que sus resistores de emisores son de igual valor).

La referencia de la banda de Brokaw, desarrollada por Paul Brokaw en 1974, ofrece mejoras sobre diseños anteriores. Esta topología proporciona un mejor rendimiento y se ha convertido en la base de muchos circuitos integrados de referencia de tensión de tensión de corriente moderno. La referencia de tensión de banda es ampliamente utilizada en reguladores de tensión, cubriendo la mayoría de los dispositivos 78xxx, 79xx junto con el TL431 y el LM317 complementario.

Ventajas y limitaciones

Las referencias de Bandgap ofrecen varias ventajas significativas. Pueden integrarse plenamente en procesos estándar CMOS o bipolar, haciéndolos rentables y ampliamente disponibles. Las referencias de Bandgap también son adecuadas para aplicaciones de baja potencia. Los microcontroladores de señal mixta pueden proporcionar una señal de referencia de bandagap interna que se utilizará como referencia para cualquier comparador interno (s) y convertidor(s) analógico.

Sin embargo, las referencias de bandagap también tienen limitaciones. Como referencia de bandgap generalmente se basa en dispositivos BJT y resistores, el tamaño total del circuito podría ser grande y por lo tanto caro para el diseño IC. Además, este tipo de circuito podría consumir mucha potencia para alcanzar la especificación de ruido y precisión deseada. Debido a que el voltaje de salida es por definición fijado alrededor de 1.25 V para los circuitos de referencia Si bandgap típicos, el voltaje mínimo es de operación es de aproximadamente 1.4 V.

Referencias de Diodo Zener

Los diodos Zener también se utilizan con frecuencia para proporcionar un voltaje de referencia de estabilidad y precisión moderadas, útil para muchos dispositivos electrónicos. El diodo Zener se ha utilizado durante mucho tiempo en el servicio de referencia en muchas aplicaciones no críticas. Antes del desarrollo de referencias de bandagap, los diodos Zener fueron la solución de referencia de tensión semiconductor principal.

Los diodos más estables de este tipo se hacen mediante la compensación de temperatura de un diodo Zener colocando en serie con un diodo delantero. Esta técnica de compensación de temperatura ayuda a reducir el coeficiente de temperatura de la referencia, mejorando la estabilidad sobre las variaciones de temperatura.

El resultado es un mecanismo de descomposición de subsuperficie extremadamente estable que tiene ruido casi teórico y no se ve afectado por contaminación superficial o efectos de óxido. Las referencias Buried Zener, que utilizan técnicas de fabricación especializadas, pueden ofrecer un rendimiento excepcional. Las referencias Buried-Zener pueden proporcionar niveles de ruido incluso más bajos, pero requieren mayores voltajes de funcionamiento que no están disponibles en muchos dispositivos operados por batería.

Referencias de serie y de Shunt

Las referencias de tensión también pueden clasificarse por su configuración de circuito como referencias de serie o de recortado. Una célula de referencia de tensión de bandagap está en el corazón de dos series principales y topologías de recortado. Las referencias de serie se conectan en serie con la carga y regulan el voltaje de salida controlando el flujo actual. Las referencias de Shunt se conectan en paralelo con la carga y mantienen un voltaje constante al recortar el exceso de corriente al suelo.

Las referencias de la serie ofrecen una mejor regulación de carga y menor impedancia de salida, haciéndolos adecuados para aplicaciones que requieren tensión estable bajo condiciones de carga variables. Las referencias de la deriva, por otro lado, son más sencillas y pueden ser más rentables para aplicaciones donde la carga es relativamente constante. El regulador de la lubina ajustable TL431, un popular triterminal, ejemplifica esta topología y ha encontrado un uso generalizado en circuitos de retroalimentación de suministro de alimentación y aplicaciones de voltaje.

Arquitecturas de referencia avanzadas

Tecnología de referencia de voltaje moderno ha evolucionado más allá de los diseños tradicionales de banda y Zener. Aprovechando avanzadas tecnologías Floating Gate ArrayTM (FGATM) y Band-Gap, ofrecemos una cartera versátil donde la tecnología FGA parte de los diseños tradicionales de unión de silicio para proporcionar precisión de cambio de juego y estabilidad excepcional almacenando una carga precisa en una célula de puerta flotante, no afectada por las fluctuaciones ambientales.

Las referencias XFET representan otra arquitectura avanzada que utiliza JFETs para crear un voltaje de referencia estable. Las familias de referencia XFET y zener enterrado tienen el mejor rendimiento a largo plazo y deriva TC. Las series XFET ADR43x tienen TCs tan bajas como 3 ppm/°C. Estas referencias especializadas son particularmente adecuadas para aplicaciones de alta precisión donde se requiere estabilidad excepcional.

Consideraciones de diseño para referencias de tensión de precisión

La designación de referencias de tensión de precisión requiere una atención cuidadosa a múltiples factores que afectan el rendimiento. Especificar la referencia correcta y aplicarla correctamente es tarea más difícil de la que uno podría primero sobreponerse, considerando que las referencias son sólo dispositivos 2 o 3-terminal. Los ingenieros deben equilibrar los requisitos de competencia y entender los cambios inherentes al diseño de referencia de tensión.

Diseño de estabilidad de temperatura

La estabilidad de temperatura es a menudo la especificación más crítica para referencias de tensión de precisión. El rango de temperatura utilizado para especificar el tempco de un dispositivo se refiere a la temperatura de la muerte. La potencia disipada en un dispositivo puede conducir a una diferencia entre la temperatura de la muerte y la temperatura ambiente. En este caso, debemos estimar la temperatura de la muerte y calcular el error de deriva basado en el rango de temperatura de la muerte.

Muchas referencias prácticas de tensión, especialmente los dispositivos de bandagap compensados, tienen una curva en forma de S. Esta característica de temperatura no lineal significa que las especificaciones simples del coeficiente de temperatura lineal no cuentan toda la historia. Los diseñadores deben considerar la curva de temperatura-versus- tensión real sobre todo el rango operativo para asegurar un rendimiento adecuado.

Cuando se resumen un PTAT y una corriente CTAT, sólo se compensan los términos lineales de corriente, mientras que los términos de orden superior limitan la deriva de temperatura (TD) de la referencia de bandagap a unos 20 ppm/°C, sobre un rango de temperatura de 100 °C. Las técnicas de compensación avanzada pueden abordar estos efectos de mayor orden para lograr coeficientes de temperatura sub-ppm/°C.

Selección de componentes y emparejamiento

La parte de referencia del circuito es un circuito integrado, y se utilizan resistores de fino de suciedad con un pequeño coeficiente de temperatura relativa. La selección de componentes juega un papel crucial en el logro del rendimiento de referencia deseado. Los equipos de resistencia con coeficientes de baja temperatura y tolerancias ajustadas son esenciales para mantener la estabilidad.

En referencias de bandagap, el emparejamiento de transistor es crítico para una operación adecuada. Para generar un voltaje de referencia estable, este diseño utiliza dispositivos PTAT y CTAT. PTAT significa "proporcional a temperatura absoluta", y CTAT significa "complimentario a temperatura absoluta". La precisión de la compensación de temperatura depende directamente de lo bien que estos dispositivos se rastrean por variaciones de temperatura y proceso.

Técnicas de diseño como los arreglos de centroides comunes ayudan a asegurar una buena combinación entre componentes críticos. Estas técnicas minimizan los efectos de los gradientes de proceso y los gradientes térmicos en la matriz, mejorando el rendimiento de referencia general y reduciendo la sensibilidad a las variaciones de fabricación.

Función de ruido

El ruido de baja frecuencia, a menudo llamado ruido de 1/f o ruido de flicker, puede ser particularmente problemático en aplicaciones de medición de precisión. Las características de ruido de la referencia afectan directamente la resolución y precisión de los sistemas utilizando la referencia.

La mejor manera de hacer esto es comparar la relación del ruido (dentro de un ancho de banda dado) con el voltaje de salida dc. Por ejemplo, una referencia de 10 V con una densidad de ruido de 100 nV/√Hz es 6 dB más silenciosa en términos relativos que una referencia de 5 V con el mismo nivel de ruido. Esta especificación relativa del ruido proporciona una comparación más significativa entre las referencias con diferentes voltajes.

Las referencias Buried Zener ofrecen el menor rendimiento de ruido entre las referencias de tensión semiconductor, aunque requieren mayores voltajes de funcionamiento. Las referencias de Bandgap también pueden lograr un excelente rendimiento de ruido con el diseño adecuado, aunque pueden requerir filtrado adicional o amortiguación para las aplicaciones más exigentes.

Rechazo de la fuente de alimentación

La relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR) caracteriza cómo una referencia de tensión rechaza las variaciones en su tensión de suministro. La diferencia potencial entre la energía y el suelo puede variar durante el funcionamiento, y el circuito de tensión de referencia necesita amortiguar estas fluctuaciones. El buen PSRR es esencial para mantener la precisión de referencia en sistemas con fuentes de alimentación ruidosas o mal reguladas.

Por esta razón, los circuitos de referencia de tensión de bandagap son circuitos no lineales; un cambio de tensión de suministro grande produce un pequeño cambio en el voltaje de referencia. Las técnicas de topología y diseño de circuito utilizados en la referencia impactan significativamente el rendimiento de PSRR. El diseño cuidadoso de la regulación interna y el filtrado puede lograr valores de PSRR superiores a 80 dB en bajas frecuencias.

Reglamento de carga

La regulación de carga describe cómo el voltaje de salida cambia con variaciones en la corriente de carga. Las referencias de tensión de precisión deben mantener un voltaje estable en el rango de corriente de carga especificada. La impedancia de salida de la referencia determina el rendimiento de regulación de carga, con menor impedancia de salida que proporciona mejor regulación de carga.

Las referencias de la serie suelen ofrecer una mejor regulación de carga que referencias de recortar debido a su topología de regulación activa. Sin embargo, ambos tipos pueden lograr una regulación de carga excelente con el diseño adecuado. Algunas referencias incluyen circuitos de regulación o amortiguación interna para minimizar la impedancia de salida y mejorar la regulación de carga.

Startup and Stability

Muchos circuitos de referencia de voltaje, en particular referencias de bandagap, pueden tener múltiples puntos de funcionamiento estables, incluyendo un estado no deseado de cero corriente. Los circuitos de inicio son esenciales para asegurar que las potencias de referencia suban correctamente y alcanzan el punto de funcionamiento deseado. Una rama adicional débil crea un gran desequilibrio inicial en la entrada de la amplificación de la operación, forzando su salida a bajar.

La estabilidad de la bucle es otra consideración importante. Los bucles de retroalimentación dentro de referencias de tensión deben ser compensados adecuadamente para garantizar un funcionamiento estable en todas las condiciones de funcionamiento. El margen de fase inadecuada puede conducir a la oscilación o a una respuesta transitoria deficiente, el rendimiento de referencia degradante.

Técnicas de aplicación práctica

Para implementar con éxito referencias de tensión de precisión se requiere atención a detalles prácticos más allá del diseño básico de circuitos. Al cuidar de aplicar la referencia y evitar algunas fallas clave, se puede conservar la precisión inherente de la referencia. Las técnicas de implementación adecuadas pueden marcar la diferencia entre lograr el rendimiento de la hoja de datos y no alcanzar metas de diseño.

PCB Consideraciones sobre el diseño

El diseño PCB tiene un impacto significativo en el rendimiento de referencia de voltaje. El diseño adecuado minimiza el acoplamiento de ruido, reduce los gradientes térmicos y garantiza un funcionamiento estable. El diseño de plano terrestre es particularmente crítico, ya que el ruido de suelo puede combinarse directamente en la salida de referencia.

Las conexiones Kelvin deben utilizarse para la salida de referencia para eliminar errores de la resistencia a los trazos. El punto de sentido de la referencia debe estar en la carga, no en el propio dispositivo de referencia. Esta técnica asegura que las gotas de tensión en los trazos PCB no afectan la precisión de medición.

Las consideraciones térmicas también son importantes en el diseño PCB. La referencia debe ser colocada lejos de componentes generadores de calor, como dispositivos de alimentación y trazas de alta corriente. Los gradientes térmicos en todo el PCB pueden causar errores inducidos por temperatura incluso en referencias con excelentes coeficientes de temperatura. Algunas aplicaciones pueden beneficiarse de técnicas de aislamiento térmico o entornos controlados por temperatura para la referencia.

Pasado y Filtro

El bypassing adecuado es esencial para el rendimiento de referencia de tensión. Los condensadores de bypass deben colocarse lo más cerca posible al dispositivo de referencia para minimizar la inductancia y proporcionar un filtrado eficaz de alta frecuencia.

La salida de referencia también puede requerir filtrado para reducir el ruido. Un filtro RC simple puede ser eficaz para muchas aplicaciones, aunque debe tener cuidado para asegurar que el filtro no degrada la regulación de carga o introduce problemas de estabilidad. Para las aplicaciones más exigentes, las técnicas de filtrado activas pueden ser necesarias para lograr el rendimiento de ruido requerido.

El filtro de suministro de entrada es igualmente importante. El ruido en el voltaje de suministro puede combinarse con la salida de referencia a pesar de PSRR de referencia. Un filtro LC o regulador lineal en el suministro de referencia puede mejorar significativamente el rendimiento en entornos ruidosos.

Gestión térmica

Incluso las referencias con excelentes coeficientes de temperatura pueden mostrar errores si no se administran adecuadamente térmicamente. El autocalentamiento de la propia disipación de energía de la referencia puede causar errores inducidos por la temperatura. La temperatura de la muerte puede ser significativamente mayor que la temperatura ambiente, especialmente en referencias con mayor frecuencia quiescente.

La histeresis térmica es un cambio en el valor VREF producido por una o más excursiones térmicas. Las causas de la histeresis térmica incluyen el estrés de la muerte inducido termomecánicamente debido a la excursión de temperatura, tipo de paquete, compuesto de moldeo, material de fijación de la matriz y el diseño de circuito integrado en sí. Minimizar el ciclismo térmico y utilizar paquetes con baja histeresis térmica puede ayudar a reducir estos efectos.

Para aplicaciones críticas, la referencia se puede colocar en un horno controlado por temperatura para eliminar completamente los errores inducidos por temperatura. Este enfoque es común en aplicaciones de instrumentación de precisión y metrología donde se requiere la máxima precisión.

Calibración y Trimming

Incluso las mejores referencias de tensión tienen algún error de precisión inicial. Para aplicaciones que requieran precisión más allá de la tolerancia inicial de la referencia, la calibración o el recortado puede ser necesario. Muchas referencias de precisión incluyen los pines de ajuste que permiten ajustar el voltaje de salida para compensar errores iniciales.

La calibración a nivel de sistema también puede utilizarse para mejorar la precisión. Mediante la medición del voltaje de referencia con un estándar conocido y el almacenamiento de un factor de corrección, el sistema puede compensar los errores de referencia. Este enfoque es particularmente útil en sistemas basados en microcontroladores donde la corrección puede aplicarse digitalmente.

La recalibración periódica puede ser necesaria para mantener la precisión con el tiempo debido a los efectos del envejecimiento. La frecuencia de la recalibración depende de la especificación de estabilidad a largo plazo de la referencia y de los requisitos de precisión de la aplicación.

Manejo y Asamblea

El manejo adecuado durante el montaje es crítico para mantener el rendimiento de referencia. Dejar el hierro soldador en una almohadilla demasiado tiempo puede resultar en el voltaje de referencia desplazarse permanentemente a un valor fuera de la especie. Si usted tiene un hierro soldadura de temperatura ajustable, no lo suba más allá de 600°F. El estrés térmico excesivo durante la soldadura puede dañar permanentemente la referencia o cambiar su tensión de salida.

La protección de la EDS también es importante, pero la mayoría de las referencias modernas incluyen la protección interna de la EDS, pero se deben seguir procedimientos adecuados para prevenir daños. Los eventos de EDS pueden causar degradación sutil que puede no ser inmediatamente aparente pero pueden afectar la estabilidad a largo plazo.

Consideraciones específicas de la aplicación

Las diferentes aplicaciones colocan diferentes demandas en referencias de tensión. Entender los requisitos específicos de su aplicación ayuda a seleccionar la referencia apropiada y a implementarla correctamente.

Aplicaciones de Conversor de Datos

Son ampliamente utilizados en los convertidores de datos, fuentes de alimentación, sistemas de medición y control. En aplicaciones ADC y DAC, el voltaje de referencia determina directamente la exactitud y resolución de conversión. El ruido de referencia, la estabilidad de temperatura y la estabilidad a largo plazo contribuyen al rendimiento general del convertidor.

Una tolerancia de ±5 mV en una referencia de 5 V corresponde a ±0.1% de precisión absoluta que es sólo 10 bits de precisión. Para un sistema de 12 bits, elegir una referencia que tenga una tolerancia de ±1 mV puede ser mucho más apropiada. La precisión de referencia debe ser igual a la resolución del convertidor para evitar limitar el rendimiento del sistema.

El tiempo de ajuste de referencia también es importante en aplicaciones de convertidor de datos, especialmente para convertidores de alta velocidad. La referencia debe ser capaz de suministrar la corriente requerida durante la conversión sin droop de tensión significativa. Algunas aplicaciones pueden requerir un amplificador de buffer entre la referencia y el convertidor para proporcionar la capacidad de unidad adecuada.

Medición e Instrumentación

Las aplicaciones de medición e instrumentación suelen tener los requisitos más estrictos para el rendimiento de referencia de voltaje. La estabilidad a largo plazo es particularmente crítica, ya que los intervalos de calibración pueden medirse en meses o años. La estabilidad de temperatura debe ser excelente en todo el rango operativo, y el ruido debe minimizarse para preservar la resolución de medición.

Para las mediciones de precisión más altas, se pueden utilizar múltiples referencias en una configuración ratiométrica para cancelar errores de movimiento común. Además, la referencia puede compararse periódicamente con un estándar de mayor precisión para detectar y corregir la deriva.

Algunas aplicaciones de instrumentación utilizan referencias de tensión de precisión como estándares de transferencia para fines de calibración. Estas aplicaciones pueden requerir referencias con coeficientes de temperatura inferiores a 1 ppm/°C y estabilidad a largo plazo mejor que 10 ppm por año. Referencias especializadas diseñadas para aplicaciones de metrología pueden satisfacer estos requisitos exigentes.

Sistemas de bajo voltaje y de bajo potencial de batería

Los sistemas de batería y de baja tensión presentan desafíos únicos para el diseño de referencia de voltaje. Por lo tanto, el trabajo reciente se centra en encontrar soluciones alternativas, en las que por ejemplo las corrientes se resumen en lugar de voltajes, lo que da lugar a un límite teórico más bajo para el voltaje operativo.

Las referencias de bandagap de bajo voltaje, a veces llamadas referencias de sub-bandgap o de bandas fraccionadas, pueden operar con voltajes de suministro inferiores a 1.5V y proporcionar voltajes de referencia muy por debajo de 1V. Además, hay un grupo de referencias de bandagap, llamadas bandgaps fraccionados, que pueden crear voltajes de salida tan bajos como unos pocos milivolts.

El consumo de energía es crítico en aplicaciones propulsadas por baterías. El X60008C proporciona 5.000V exacto a 500 μV (.01%) , tiene un coeficiente de baja temperatura de 5 ppm/°C, baja tasa de envejecimiento de 10 ppm/1,000 horas, y increíblemente bajo requisito de suministro actual de 800 nA. Las referencias ultra-bajo-poder pueden operar con corrientes de suministro en el rango de nanoampere, permitiendo años de vida de baterías.

Aplicaciones de alta temperatura

Las aplicaciones que operan a temperaturas elevadas, como sistemas automotriz, industrial y aeroespacial, requieren referencias con excelente rendimiento de alta temperatura. Las referencias comerciales estándar suelen funcionar a 85°C o 125°C, pero algunas aplicaciones requieren operación a 150°C o superior.

Las referencias de alta temperatura deben mantener la precisión y estabilidad en todo el rango de temperaturas prolongados. La especificación del coeficiente de temperatura se vuelve aún más crítica, ya que el error total inducido por temperatura es proporcional al rango de temperatura. La selección de paquetes también es importante, ya que algunos tipos de paquetes tienen una fiabilidad de alta temperatura que otros.

La histeresis térmica puede ser más pronunciada a altas temperaturas. Referencias diseñadas para operaciones de alta temperatura típicamente utilizan materiales de fijación de morada especializados y diseños de paquetes para minimizar errores inducidos por el estrés del ciclismo térmico.

Pruebas y caracterización

Es esencial realizar pruebas y caracterizar adecuadamente las referencias de tensión para verificar el rendimiento y asegurar que cumplan con los requisitos de aplicación. Comprender los métodos de prueba y sus limitaciones ayuda a interpretar las especificaciones de hoja de datos y validar el rendimiento de referencia en la aplicación real.

Pruebas de precisión inicial

La precisión inicial se mide normalmente a 25°C utilizando un voltímetro calibrado o un estándar de tensión. La precisión de medición debe ser significativamente mejor que la tolerancia de referencia para obtener resultados significativos. Para referencias con tolerancias de unos pocos milivolts o menos, se requiere un voltímetro de 6,5 dígitos o mejor.

La configuración de medición debe minimizar los errores de los efectos térmicos EMF, el ruido y la carga. El blindaje y el filtrado adecuados ayudan a reducir el ruido, mientras que las conexiones Kelvin eliminan los errores de la resistencia del plomo. La referencia debe permitirse estabilizarse durante un tiempo adecuado antes de la medición, ya que algunas referencias requieren minutos o incluso horas para alcanzar la precisión final después de la potenciación.

Medición de coeficiente de temperatura

El método común (definición) se llama "método de Box" que utiliza la siguiente ecuación: Este método considera el error sobre un rango de temperatura especificado (Tmax - Tmin). En este rango de temperatura, el máximo y mínimo de la salida se suben para encontrar la variación máxima en la salida (Vmax - Vmin). La variación de salida máxima se divide por el rango de temperatura multiplicado por el valor nominal de salida (Vnominal).

La prueba de coeficiente de temperatura requiere una cámara de temperatura capaz de control y medición de temperatura precisos. Se debe permitir que la referencia se estabilice en cada punto de temperatura antes de la medición, ya que las constantes de tiempo térmico pueden ser significativas.

Es importante señalar que la especificación tempco no nos da información sobre la forma de las variaciones inducidas por la temperatura. Sólo nos permite calcular el error máximo que puede ocurrir en un rango de temperatura especificado. Para aplicaciones críticas, medir la curva de temperatura-versus-temperatura completa proporciona más información que un solo número de coeficiente de temperatura.

Medición de ruido

La medición de ruido requiere equipo y técnicas especializados. El ruido de baja frecuencia se caracteriza por medir el voltaje de salida con el tiempo y calcular la densidad espectral de potencia. Se puede necesitar un amplificador de baja densidad para amplificar la salida de referencia a un nivel adecuado para la medición sin añadir ruido significativo.

El ancho de banda de medición y el tiempo de integración deben especificarse, ya que las especificaciones de ruido son de frecuencia. Las mediciones de ruido de pico a pico sobre un ancho de banda especificado son comunes para las referencias utilizadas en aplicaciones de convertidor de datos, mientras que las mediciones de densidad de ruido espectral proporcionan información más detallada para el análisis y la simulación.

Pruebas de estabilidad a largo plazo

Las pruebas de estabilidad a largo plazo son costosas y de largo plazo, ya que requiere monitorizar el voltaje de referencia durante períodos prolongados. Las pruebas de envejecimiento aceleradas a temperatura elevada pueden proporcionar cierta información sobre la estabilidad a largo plazo en marcos de tiempo más cortos, aunque la correlación entre el envejecimiento acelerado y en tiempo real no siempre es perfecta.

Para aplicaciones críticas que requieren verificación de la estabilidad a largo plazo, la referencia puede compararse periódicamente con un estándar estable conocido durante meses o años. El análisis estadístico de los datos de deriva ayuda a predecir el rendimiento futuro y determinar intervalos adecuados de calibración.

Temas avanzados en diseño de referencia de tensión

El diseño moderno de referencia de voltaje continúa evolucionando, con la investigación en curso que aborda las limitaciones fundamentales y el desarrollo de nuevas arquitecturas para mejorar el rendimiento.

Indemnización por daños causados por la corrupción

Las referencias tradicionales de la banda sólo compensan la dependencia de temperatura de primer orden, dejando términos de mayor orden que limitan la estabilidad de la temperatura. En 2012, Andreou ha mejorado aún más la compensación no lineal de alto orden mediante el uso de un segundo amplificador operativo junto con una pierna resistor adicional en el punto en que se resumen las dos corrientes. Este método mejoró aún más la corrección de curvatura y logró un rendimiento TD superior en un rango de temperatura más amplio.

Las técnicas de compensación de curvatura pueden reducir la deriva de temperatura a menos de 2 ppm/°C sobre los rangos de temperatura industrial. Estas técnicas suelen implicar generar términos adicionales que cancelen la dependencia de temperatura de mayor orden del núcleo básico de bandagap. La complejidad agregada está justificada en aplicaciones que requieren la mayor estabilidad de temperatura.

Técnicas de Trimming y Calibración

Las referencias modernas de tensión suelen incorporar el trimming durante la fabricación para mejorar la precisión inicial y el coeficiente de temperatura. Esta mejora de la precisión es posible por una técnica única de compensación de láser patentada multipunto. El recortado láser de resistencias de la membrana permite ajustar las características de referencia después de la fabricación.

El recortado digital mediante memoria no volátil proporciona una alternativa al recortado láser. Las características de referencia se miden durante el examen, y los valores de corrección se almacenan en la memoria EEPROM u otra memoria no volátil. El circuito de referencia aplica estas correcciones para lograr el rendimiento deseado. Este enfoque ofrece flexibilidad y puede compensar varios parámetros simultáneamente.

Consideraciones de procesos y tecnología

El voltaje de silicona de bandagap a cero kelvin, V GO , es una constante física independiente del proceso, el voltaje de suministro y la temperatura. Por lo tanto, extraer este voltaje con precisión ayudaría a diseñar voltaje de precisión o circuitos de referencia actuales. Entender las referencias de tensión subyacente de la física fundamental ayuda a desarrollar diseños y arquitecturas mejorados.

Los procesos bipolares ofrecen excelentes coeficientes de temperatura ajustados y bien controlados, lo que hace que sean ideales para referencias de precisión. Los procesos CMOS ofrecen un menor costo y una integración más fácil con circuitos digitales, aunque lograr un rendimiento comparable requiere técnicas de diseño más sofisticadas.

Los procesos BiCMOS combinan las ventajas de ambas tecnologías, ofreciendo dispositivos bipolares de precisión para el núcleo de referencia junto con los circuitos CMOS para funciones de soporte. Esta combinación permite referencias de alto rendimiento con características integradas como el amortiguación, el recortado y la detección de temperatura.

Materiales semiconductores alternativos

El arsenide de bario (GaAs) es un material que se puede utilizar para construir un circuito de referencia de voltaje de bandagap. Las referencias de voltaje de bandagap SI (Silicon) son más comunes, que se pueden utilizar en ~1.2 V. GaAs también se pueden utilizar para construir una fuente de referencia con mayor potencia de tensión, gracias a su ancho bandgap de 1.42 eV.

En principio, cualquier semiconductor puede ser utilizado para crear una referencia de voltaje de bandagap siempre y cuando pueda ser depositado en materiales de onda estándar. Por esta razón, las referencias de Si bandgap se utilizan normalmente como se pueden incluir en un IC con procesos CMOS. Las consideraciones prácticas de fabricación e integración suelen superar las ventajas teóricas de los materiales alternativos para la mayoría de las aplicaciones.

Pitfalls y soluciones de diseño común

Incluso los diseñadores experimentados pueden encontrar problemas cuando implementan referencias de tensión. Comprender los obstáculos comunes y sus soluciones ayuda a evitar estos problemas y lograr un rendimiento óptimo.

Desplazamiento inadecuado

Los condensadores de bypass insuficientes o mal colocados son una fuente común de problemas. El condensador de bypass debe estar situado lo más cerca posible del dispositivo de referencia, con conexiones cortas y de baja inductancia. Usar múltiples condensadores de diferentes valores proporciona una transferencia efectiva a través de un amplio rango de frecuencias.

El tipo de condensador también importa. Los condensadores de cerámica ofrecen bajos ESR y ESL pero pueden tener un voltaje y coeficientes de temperatura significativos. Los condensadores de película proporcionan una condensación más estable pero son más grandes y más costosos.

Bodas terrestres y Cobertura de ruido

Los bucles terrestres pueden inyectar ruido en la salida de referencia, el rendimiento degradante. Usar una configuración de tierra estrella con terrenos analógicos y digitales separados ayuda a minimizar el ruido del suelo. El suelo de referencia debe conectarse directamente al suelo del sistema en un solo punto, evitando el flujo actual a través de la vía de referencia.

El acoplamiento de ruido de circuitos adyacentes también puede degradar el rendimiento de referencia. El blindaje adecuado y la separación de fuentes de ruido ayudan a mantener la salida de referencia limpia.

Cuestiones térmicas

Colocar la referencia cerca de componentes generadores de calor puede causar errores inducidos por temperatura incluso con excelentes especificaciones de coeficiente de temperatura. La referencia debe estar ubicada en un área térmicamente estable de la PCB, lejos de los dispositivos de energía, rastros de alta corriente, y otras fuentes de calor.

El autocalentamiento de la propia disipación de energía de la referencia también puede causar errores. Referencias con mayor corriente quiescente disipan más potencia y pueden requerir gestión térmica. Utilizar una referencia con menor corriente quiescente o proporcionar un mejor acoplamiento térmico al PCB puede ayudar a minimizar los efectos de autocalentamiento.

Carga Efectos

La corriente de carga excesiva puede hacer que el voltaje de salida de referencia se descienda debido a la impedancia de salida finita de la referencia. La corriente de carga debe mantenerse dentro del rango especificado de la referencia para mantener la precisión. Si se requiere una corriente de carga más alta, debe usarse un amplificador de buffer entre la referencia y la carga.

La carga capacitiva puede causar problemas de estabilidad en algunas referencias. La hoja de datos de referencia debe especificar la carga capacitiva máxima permitida. Si se necesita una condensación mayor para el filtrado o almacenamiento de energía, se puede añadir un resistor de serie para aislar la capacitancia de la salida de referencia, aunque esta degrada la regulación de carga.

Cuestiones de tensión de suministro

Operar la referencia fuera de su rango de tensión de suministro especificado puede causar degradación del rendimiento o fallo. El voltaje de suministro debe permanecer dentro de los límites de hoja de datos bajo todas las condiciones de funcionamiento, incluyendo los transitorios de arranque y las condiciones de carga de peor caso.

El voltaje de suministro de onda y el ruido pueden combinarse con la salida de referencia a pesar de PSRR de la referencia. El filtrado adecuado de suministro es esencial, especialmente en las frecuencias en las que se reduce el PSRR de la referencia. Un regulador lineal o filtro LC en el suministro de referencia puede mejorar significativamente el rendimiento en entornos ruidosos.

Tendencias futuras en la tecnología de referencia de voltaje

La tecnología de referencia de voltaje continúa avanzando, impulsada por demandas de mayor precisión, menor consumo de energía y mejor integración con sistemas electrónicos modernos.

Referencias de potencia ultra-bajo

La proliferación de sistemas de baterías y de captación de energía impulsa la demanda de referencias de tensión ultra-bajo. Las referencias modernas pueden operar con corrientes de suministro en la gama de nanoampere manteniendo una buena precisión y estabilidad de temperatura. Los futuros desarrollos probablemente impulsarán el consumo de energía incluso más bajo mientras mejoran el rendimiento.

Técnicas como el funcionamiento de los trabajos y el sesgo dinámico permiten que las referencias alcancen un consumo de energía promedio extremadamente bajo. Estos enfoques son especialmente adecuados para aplicaciones en las que la referencia sólo es necesaria intermitentemente, como mediciones periódicas de sensores en dispositivos IoT.

Integración y Sistema en Chip

La creciente integración de funciones analógicas y digitales en un solo chip crea tanto desafíos como oportunidades para el diseño de referencia de voltaje. Las referencias deben funcionar en entornos digitales ruidosos y mantener el rendimiento analógico de precisión.

Los diseños de sistema en chip pueden incluir múltiples referencias optimizadas para diferentes funciones. Por ejemplo, una referencia de alta precisión para la ADC, una referencia de baja potencia para el monitoreo siempre en curso, y una referencia de rápida resolución para aplicaciones dinámicas. La integración de la regulación de la regulación, calibración y temperatura con la referencia permite sistemas de autocalibración que mantienen la precisión con el tiempo y la temperatura.

Técnicas de Compensación Avanzada

Las técnicas de compensación y calibración digitales permiten mejoras de rendimiento más allá de lo que se puede lograr con enfoques puramente análogos. Los sensores de temperatura integrados con la referencia permiten la corrección digital de errores inducidos por temperatura, logrando coeficientes de temperatura inferiores a 1 ppm/°C. La calibración basada en el tiempo puede compensar los efectos de envejecimiento, manteniendo la precisión durante la vida del producto.

El aprendizaje de máquinas y los algoritmos adaptativos pueden desempeñar un papel en futuros sistemas de referencia de voltaje. Al aprender el comportamiento de la referencia con el tiempo y las condiciones ambientales, estos sistemas podrían predecir e compensar la deriva y otros efectos a largo plazo, reduciendo o eliminando la necesidad de calibración periódica.

Nuevas arquitecturas y materiales

La investigación continúa en nuevas arquitecturas de referencia de voltaje que superan las limitaciones fundamentales de los diseños tradicionales. Los estándares de voltaje basados en Quantum ofrecen lo último en precisión y estabilidad, aunque la implementación práctica sigue siendo difícil.

Nuevos materiales y procesos semiconductores pueden permitir mejores referencias de tensión. semiconductores de banda ancha como carburo de silicio y nitruro de galio ofrecen ventajas para el funcionamiento de alta temperatura. Procesos avanzados CMOS con tamaños de características más pequeños permiten diseños de referencia más sofisticados con un mejor consumo de potencia y menor.

Conclusión

Las referencias de tensión de precisión son elementos fundamentales de los sistemas electrónicos modernos, permitiendo mediciones precisas, sistemas de control estables y conversión de datos de alto rendimiento. Entendiendo la teoría detrás de las referencias de tensión, desde la física básica semiconductora hasta técnicas avanzadas de compensación, proporciona la base para el diseño y aplicación de referencia exitoso.

Consideraciones prácticas como el diseño PCB, la gestión térmica y el correcto desvío son igualmente importantes como los aspectos teóricos. Incluso la mejor referencia de voltaje no logrará su potencial rendimiento si no se implementa adecuadamente. La atención al detalle en cada aspecto del diseño, desde la selección de componentes a la prueba y caracterización, es esencial para lograr resultados óptimos.

El campo de la tecnología de referencia de voltaje sigue evolucionando, con los avances en el funcionamiento ultra-bajo, las técnicas avanzadas de compensación y las nuevas arquitecturas. A medida que los sistemas electrónicos se vuelven más sofisticados y exigentes, las referencias de voltaje deben mantenerse al ritmo, proporcionando una precisión, estabilidad e integración cada vez más elevadas mientras consumen menos poder y ocupan menos espacio.

Para los ingenieros que trabajan con circuitos analógicos de precisión, es inestimable un conocimiento exhaustivo de los principios de diseño de referencia de voltaje y las técnicas prácticas de implementación. Ya sea diseñar un sistema de medición simple o una sofisticada plataforma de instrumentación, la referencia de voltaje determina a menudo los límites máximos de rendimiento del sistema. Al considerar cuidadosamente todos los aspectos de selección de referencia, diseño e implementación, los ingenieros pueden crear sistemas que permitan alcanzar sus objetivos de rendimiento de forma fiable y rentable.

Recursos adicionales

Para aquellos que buscan profundizar su conocimiento de diseño de referencia de voltaje, hay numerosos recursos disponibles. Las notas de aplicación del fabricante proporcionan orientación práctica sobre el uso de dispositivos de referencia específicos y la solución de problemas comunes de implementación. Los documentos académicos y libros de texto ofrecen tratamientos teóricos detallados de circuitos de referencia de voltaje y física semiconductora.

Los recursos clave incluyen ل href="https://www.analog.com/en/resources/app-notes/an-82f.html" > Analog Devices' application notes on tension references: > , que proporciona una cobertura integral de la teoría de referencia y la aplicación. ⁇ a href="https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/understanding journal-standing

La experiencia de mano es inestimable para desarrollar intuición sobre el comportamiento de referencia de voltaje. La construcción y prueba de circuitos de referencia, medición de su rendimiento en diversas condiciones, y problemas de solución de problemas proporciona información que no se puede obtener de la lectura sola. Muchos fabricantes de referencia ofrecen tablas de evaluación que simplifican la experimentación y caracterización.

A medida que surgen avances tecnológicos y nuevas aplicaciones, la importancia de las referencias de tensión de precisión sólo aumentará. Los ingenieros que dominan los principios y prácticas de diseño de referencia de voltaje estarán bien equipados para enfrentar los desafíos de los sistemas electrónicos del mañana, creando soluciones innovadoras que empujan los límites de la precisión de medición, el rendimiento del sistema y la eficiencia energética.