Table of Contents

Les références de tension de précision sont des composants essentiels dans les systèmes électroniques nécessitant des sources de tension précises et stables. Elles sont utilisées dans les alimentations, les convertisseurs analogiques à numériques, les convertisseurs numériques à analogiques et d'autres systèmes de mesure et de contrôle. La précision de ces systèmes peut être directement affectée par la précision de la référence de tension utilisée.

Principes fondamentaux de la tension Références

Une référence de tension est un dispositif électronique qui produit idéalement une tension fixe (constante) indépendamment de la charge sur l'appareil, des variations d'alimentation, des changements de température et du temps. Dans les applications pratiques, les références de tension servent de base pour des mesures précises et un fonctionnement stable du circuit.

Le principe fondamental derrière les références de tension consiste à créer une tension stable grâce à des dispositifs semi-conducteurs soigneusement conçus qui exploitent des propriétés physiques fondamentales.Les références de tension varient grandement en performance; un régulateur d'alimentation d'un ordinateur ne peut maintenir sa valeur qu'à quelques pour cent de la valeur nominale, alors que les normes de tension de laboratoire ont des précisions et stabilité mesurées en pièces par million.

Évolution historique

Les premières références ou normes de tension étaient des cellules chimiques humides comme la cellule Clark et la cellule Weston, qui sont encore utilisées dans certains laboratoires et applications de calibrage. Cependant, le développement de références de tension basées sur semi-conducteurs révolutionne le champ. Bob Widlar, l'ingénieur légendaire de l'électronique, a jeté les bases des références de tension de bande aujourd'hui à la fin des années 1960. David Hilbiber de Fairchild Semiconductor a déposé un brevet en 1963 et publié ce concept de circuit en 1964. Bob Widlar, Paul Brokaw et d'autres ont suivi avec d'autres versions commercialement réussies.

Principales caractéristiques de performance

Lors de l'évaluation des références de tension, plusieurs spécifications critiques déterminent leur pertinence pour une application donnée. Lors de la spécification d'une référence, gardez à l'esprit que la précision initiale, le coefficient de température et la stabilité à long terme jouent tous un rôle dans la précision globale du produit fini.

Précision initiale

La précision initiale désigne la proximité de la tension de référence avec sa valeur nominale à une température spécifiée, généralement 25°C. Les références de tension de bande ont généralement une erreur initiale de 0,5–1,0 % et un coefficient de température de 25–50 ppm/°C. Les références de haute précision peuvent obtenir des tolérances beaucoup plus strictes, certains appareils offrant une précision initiale en quelques millivolts ou mieux.

Coefficient de température

Le coefficient de température (ou dérive de température) d'une référence de tension est la spécification qui caractérise les erreurs induites par la température de la sortie. Cette spécification est généralement exprimée en parties par million par degré Celsius (ppm/°C). Les coefficients de température aussi bas que 1,5–2,0 ppm/°C peuvent être obtenus avec des références de bandgap. Des conceptions avancées utilisant des techniques spécialisées peuvent atteindre des coefficients de température encore plus bas, avec quelques références de précision atteignant moins de 1 ppm/°C.

Bien que la sortie d'une référence de tension soit idéalement indépendante de la température, une référence de tension réelle montre des variations de température dans la sortie. Cependant, la caractéristique parabolique de la tension par rapport à la température signifie qu'une seule figure en ppm/°C ne décrit pas adéquatement le comportement du circuit. Ce comportement non linéaire doit être pris en compte lors de la conception de systèmes qui fonctionnent sur de larges plages de température.

Stabilité à long terme

La stabilité à long terme, aussi appelée vitesse de vieillissement, précise comment la tension de référence va changer sur une longue période de temps. Autrement dit, même si la température, la tension appliquée et le courant de charge peuvent être constants, toutes les références de tension vont lentement dériver au fil du temps. Un taux de vieillissement de 15 ppm/1 000/heure signifie qu'après 1 000 heures (environ 42 jours), la tension devrait être de 15/1 000 000 ou de 0,0015 % supérieure ou inférieure à sa valeur initiale.

Les normes de tension secondaire à l'état solide de la diode Zener de qualité de laboratoire utilisées en métrologie peuvent être construites avec une dérive d'environ 1 partie par million par an. Cette stabilité exceptionnelle les rend adaptés aux applications de calibrage et de métrologie où la précision à long terme est primordiale.

Types de tension Références

Les références voltage peuvent être classées en plusieurs types distincts, chacun avec des caractéristiques, des avantages et des limitations uniques. Comprendre ces différentes architectures aide les concepteurs à choisir la référence la plus appropriée pour leurs exigences spécifiques d'application.

Banggap Voltage Références

Le circuit de référence de tension le plus couramment utilisé dans les circuits intégrés est le circuit de référence de tension de bande. Un circuit de référence de tension de bande est un circuit de référence de tension largement utilisé dans les circuits intégrés.

Principe de fonctionnement

La différence de tension entre deux jonctions p–n (par exemple, les diodes), actionnées à des densités de courant différentes, est utilisée pour générer un courant proportionnel à la température absolue (PTAT) dans une résistance. Ce courant est utilisé pour générer une tension dans une seconde résistance. La tension sur une diode actionnée à courant constant est complémentaire à la température absolue (CTAT), avec un coefficient de température d'environ −2 mV/K.

Une référence basée sur un bandgap utilise des circuits analogiques pour ajouter un multiple de la différence de tension entre deux jonctions bipolaires biaisées à différentes densités de courant à la tension développée à travers une diode. La tension de diode a un coefficient de température négatif (c'est-à-dire qu'elle diminue avec une température croissante) et la différence de tension de jonction a un coefficient de température positif. Lorsqu'elle est ajoutée dans la proportion nécessaire pour faire annuler ces coefficients, la valeur constante résultante est une tension égale à la tension de bandgap du semi-conducteur.

En combinant le TC positif d'un --VBE avec le TC négatif d'une chute de diode, une référence de bande de TC zéro est formée. Cette technique élégante de compensation de température constitue la base de la plupart des références de tension intégrées modernes.

Topologies des circuits

Plusieurs topologies de référence de bandgap ont été développées au fil des ans. La référence de bandgap Widlar, introduite au début des années 1970, a été l'une des premières implémentations commercialement réussies. Un ampli op conduit les bases des transistors Q1 et Q2 de telle sorte que leurs courants collecteurs sont les mêmes (puisque leurs résistances émetteurs sont de valeur égale).

La référence Brokaw bandgap, développée par Paul Brokaw en 1974, a offert des améliorations par rapport aux modèles précédents. Cette topologie offre de meilleures performances et est devenue la base de nombreux circuits intégrés de référence de tension modernes. La référence de tension de rupture de bande est largement utilisée dans les régulateurs de tension, couvrant la majorité des appareils 78xx, 79xx ainsi que le TL431 et les LM317 et LM337.

Avantages et limites

Les références Bandgap offrent plusieurs avantages importants. Elles peuvent être entièrement intégrées dans les processus CMOS standard ou bipolaires, ce qui en fait un outil économique et largement disponible. Les références Bandgap sont également adaptées aux applications de faible puissance. Les microcontrôleurs à signaux mixtes peuvent fournir un signal de référence de bande interne à utiliser comme référence pour tout comparateur interne et convertisseur(s) analogique(s) à numérique.

Les références de bandeau ont cependant des limites. Comme une référence de bandeau est généralement basée sur des dispositifs BJT et des résistances, la taille totale du circuit peut être grande et donc coûteuse pour la conception de l'IC. De plus, ce type de circuit peut consommer beaucoup de puissance pour atteindre les spécifications de bruit et de précision souhaitées.

Références de la diode Zener

Les diodes Zener sont également fréquemment utilisées pour fournir une tension de référence de stabilité et de précision modérées, utiles pour de nombreux appareils électroniques. La diode Zener est utilisée depuis longtemps dans le service de référence dans de nombreuses applications non critiques. Avant le développement de références de bandgap, les diodes Zener étaient la solution de référence primaire de tension basée sur semi-conducteur.

Les diodes les plus stables de ce type sont fabriquées en compensant la température d'une diode Zener en la plaçant en série avec une diode avant. Cette technique de compensation de température aide à réduire le coefficient de température de la référence, améliorant la stabilité sur les variations de température.

Les références en cours de fabrication, qui utilisent des techniques de fabrication spécialisées, peuvent offrir des performances exceptionnelles. Les références en cours de fabrication peuvent fournir des niveaux de bruit encore plus faibles, mais nécessitent des tensions de fonctionnement plus élevées qui ne sont pas disponibles dans de nombreux appareils fonctionnant avec une batterie.

Références de séries et de Shunt

Les références de tension peuvent également être classées par configuration de circuit comme des références de série ou de shunt. Une cellule de référence de tension de bande est au cœur de deux séries principales et topologies de shunt. Les références de série sont connectées en série avec la charge et règlent la tension de sortie en contrôlant le flux de courant. Les références de shunt sont connectées en parallèle avec la charge et maintiennent une tension constante en évitant l'excès de courant au sol.

Les références de série offrent généralement une meilleure régulation de la charge et une impédance de sortie plus faible, ce qui les rend adaptés aux applications nécessitant une tension stable dans des conditions de charge variables. Les références de Shunt, par contre, sont plus simples et peuvent être plus rentables pour les applications où la charge est relativement constante.

Architectures de référence avancées

La technologie de référence moderne de tension a évolué au-delà des conceptions traditionnelles de bandgap et Zener. Grâce aux technologies avancées de bandgap (FGATM) et de band-gap, nous offrons un portefeuille polyvalent où la technologie FGA s'écarte des conceptions traditionnelles de jonction en silicium pour fournir une précision et une stabilité exceptionnelles en accumulant une charge précise sur une cellule de bandage, sans que les fluctuations environnementales ne soient affectées.

Les références XFET représentent une autre architecture avancée qui utilise des JFET assortis pour créer une tension de référence stable. Les familles de référence XFET et zener enterrés ont la meilleure dérive à long terme et les performances TC. Les séries XFET ADR43x ont des TC jusqu'à 3 ppm/°C. Ces références spécialisées sont particulièrement adaptées pour des applications de haute précision où une stabilité exceptionnelle est nécessaire.

Considérations de conception pour la tension de précision Références

La conception de références de tension de précision exige une attention particulière aux multiples facteurs qui affectent les performances. Spécifier la bonne référence et l'appliquer correctement est plus difficile qu'on ne pourrait le supposer, étant donné que les références ne sont que des dispositifs 2 ou 3-terminaux.

Conception de la stabilité à la température

La stabilité de la température est souvent la spécification la plus critique pour les références de tension de précision. La plage de température utilisée pour spécifier la température d'un appareil fait référence à la température de la matrice. La puissance dissipée dans un appareil peut conduire à une différence entre la température de la matrice et la température ambiante.

De nombreuses références pratiques de tension, en particulier les appareils à bande compensation, ont une courbe en forme de S. Cette caractéristique de température non linéaire signifie que les spécifications simples de coefficient de température linéaire ne racontent pas toute l'histoire. Les concepteurs doivent considérer la courbe de tension réelle-versus-température sur toute la plage de fonctionnement pour assurer une performance adéquate.

Lorsqu'on additionne un PTAT et un courant de STAT, seuls les termes linéaires du courant sont compensés, tandis que les termes de rang supérieur limitent la dérive de température (TD) de la référence de la bande de gap à environ 20 ppm/°C, sur une plage de température de 100 °C. Les techniques de compensation avancées peuvent traiter ces effets de rang supérieur pour obtenir des coefficients de température de sous-ppm/°C.

Sélection et correspondance des composants

La partie de référence du circuit est un circuit intégré, et des résistances à film mince avec un faible coefficient de température relative sont utilisées. La sélection des composants joue un rôle crucial dans l'obtention des performances de référence souhaitées.

Pour générer une tension de référence stable, cette conception utilise des dispositifs PTAT et STAT. PTAT représente la « température proportionnelle à la température absolue » et STAT représente la « température complémentaire à la température absolue ». La précision de la compensation de température dépend directement de la façon dont ces dispositifs se suivent les unes des autres au-dessus des variations de température et de processus.

Les techniques de mise en page, telles que les arrangements à centroïde commun, permettent d'assurer une bonne correspondance entre les composants critiques, qui réduisent au minimum les effets des gradients de processus et des gradients thermiques à travers la matrice, améliorant ainsi les performances de référence globales et réduisant la sensibilité aux variations de fabrication.

Performance sonore

Les performances sonores sont une autre considération critique dans la conception de la référence de la tension de précision. Le bruit de basse fréquence, souvent appelé bruit 1/f ou bruit de clignotant, peut être particulièrement problématique dans les applications de mesure de précision.

La meilleure façon de le faire est de comparer le rapport du bruit (dans une bande passante donnée) à la tension de sortie de la dc. Par exemple, une référence de 10 V avec une densité de bruit de 100 nV/ √Hz est de 6 dB plus silencieuse en termes relatifs qu'une référence de 5 V avec le même niveau de bruit.

Les références de type Zener encastrées offrent généralement les plus faibles performances sonores parmi les références de tension semi-conducteur, bien qu'elles nécessitent des tensions de fonctionnement plus élevées. Les références de type Bandgap peuvent également obtenir d'excellentes performances sonores avec une conception appropriée, bien qu'elles puissent nécessiter un filtrage ou un tampon supplémentaire pour les applications les plus exigeantes.

Rejet de l'alimentation électrique

Le rapport de rejet de l'alimentation électrique (RSAP) caractérise la façon dont une référence de tension rejette les variations de sa tension d'alimentation. La différence potentielle entre la puissance et le sol peut varier pendant le fonctionnement, et le circuit de tension de référence doit amortir ces fluctuations.

Pour cette raison, les circuits de référence de tension de bande sont des circuits non linéaires; un changement de tension d'alimentation important produit un petit changement de tension de référence. La topologie des circuits et les techniques de conception utilisées dans la référence influent de manière significative sur les performances du PSRR.

Règlement de charge

La régulation de charge décrit les variations de tension de sortie avec des variations de courant de charge. Les références de tension de précision doivent maintenir une tension de sortie stable dans la plage de courant de charge spécifiée. L'impédance de sortie de la référence détermine les performances de régulation de charge, avec une impédance de sortie plus faible offrant une meilleure régulation de charge.

Les références de série offrent généralement une meilleure régulation de charge que les références de chasse en raison de leur topologie de régulation active. Cependant, les deux types peuvent obtenir une excellente régulation de charge avec une conception appropriée. Certaines références incluent le tampon interne ou circuit de régulation pour minimiser l'impédance de sortie et améliorer la régulation de charge.

Démarrage et stabilité

De nombreux circuits de référence de tension, en particulier les références de bandgap, peuvent avoir plusieurs points de fonctionnement stables, y compris un état de courant zéro non désiré. Les circuits de démarrage sont essentiels pour assurer les puissances de référence correctement et atteindre le point de fonctionnement désiré. Une branche supplémentaire faible crée un déséquilibre initial important à l'entrée de l'ampli op, forçant sa sortie à baisser.

La stabilité des boucles est une autre considération importante. Les boucles de rétroaction dans les références de tension doivent être correctement compensées pour assurer un fonctionnement stable dans toutes les conditions de fonctionnement.

Techniques pratiques de mise en œuvre

La mise en œuvre réussie des références de tension de précision exige une attention particulière aux détails pratiques au-delà de la conception du circuit de base. En prenant soin d'appliquer la référence, et en évitant certains pièges clés, la précision inhérente à la référence peut être préservée.

Considérations relatives à la disposition des BPC

La configuration des PCB a un impact important sur les performances de référence de tension. La bonne configuration minimise le couplage du bruit, réduit les gradients thermiques et assure un fonctionnement stable. La conception du plan de sol est particulièrement critique, car le bruit du sol peut s'associer directement à la sortie de référence.

Les connexions Kelvin doivent être utilisées pour la sortie de référence afin d'éliminer les erreurs de résistance aux traces. Le point de détection de la référence doit être à la charge, et non au dispositif de référence lui-même. Cette technique permet de s'assurer que les chutes de tension dans les traces de PCB n'affectent pas la précision de mesure.

Les considérations thermiques sont également importantes dans la disposition des BPC. La référence devrait être placée loin des composants générateurs de chaleur tels que les dispositifs d'alimentation et les traces de courant élevé. Les gradients thermiques à travers les BPC peuvent causer des erreurs induites par la température même dans les références avec d'excellents coefficients de température.

Dépassement et filtrage

Un contournement approprié est essentiel pour les performances de référence de tension. Les condensateurs de dérivation doivent être placés le plus près possible du dispositif de référence pour minimiser l'inductance et fournir un filtrage efficace à haute fréquence.

Un simple filtre RC peut être efficace pour de nombreuses applications, bien qu'il faut veiller à ce que le filtre ne dégrade pas la régulation de la charge ou ne pose pas de problèmes de stabilité. Pour les applications les plus exigeantes, des techniques de filtrage actives peuvent être nécessaires pour obtenir les performances sonores requises.

Le filtrage de l'alimentation est également important. Le bruit sur la tension d'alimentation peut se coupler à la sortie de référence malgré le PSRR de référence. Un filtre LC ou un régulateur linéaire sur l'alimentation de référence peut améliorer significativement les performances dans les environnements bruyants.

Gestion thermique

Même les références avec d'excellents coefficients de température peuvent présenter des erreurs si elles ne sont pas gérées correctement thermiquement. L'autochauffage à partir de la dissipation de puissance de la référence peut causer des erreurs induites par la température. La température de la matrice peut être significativement plus élevée que la température ambiante, en particulier dans les références avec un courant quiescent plus élevé.

L'hystérie thermique est un déplacement de la valeur VREF produite par une ou plusieurs excursions thermiques. Les causes de l'hystérie thermique comprennent le stress thermique induit par la chaleur du fait de l'excursion, type de paquet, composé de moulage, matériau de fixation de matrice, et la disposition du circuit intégré lui-même.

Pour les applications critiques, la référence peut être placée dans un four à température contrôlée pour éliminer complètement les erreurs induites par la température. Cette approche est courante dans les applications d'instrumentation de précision et de métrologie où la plus grande précision est requise.

Étalonnage et étalonnage

Même les meilleures références de tension ont une erreur de précision initiale. Pour les applications nécessitant une précision au-delà de la tolérance initiale de la référence, l'étalonnage ou le parage peut être nécessaire.

L'étalonnage du système peut également être utilisé pour améliorer la précision. En mesurant la tension de référence avec une norme connue et en stockant un facteur de correction, le système peut compenser les erreurs de référence. Cette approche est particulièrement utile dans les systèmes à microcontrôleur où la correction peut être appliquée numériquement.

Un recalibrage périodique peut être nécessaire pour maintenir la précision au fil du temps en raison des effets du vieillissement. La fréquence du recalibrage dépend des spécifications de stabilité à long terme de la référence et des exigences de précision de l'application.

Manipulation et assemblage

Une bonne manipulation pendant le montage est essentielle pour maintenir les performances de référence. Laisser le fer à souder trop longtemps peut entraîner un déplacement permanent de la tension de référence vers une valeur hors de la spécification. Si vous avez un fer à souder à température réglable, ne le retournez pas au-delà de 600°F. Une contrainte thermique excessive pendant le brasage peut endommager définitivement la référence ou déplacer sa tension de sortie.

La protection de l'EDD est également importante.Bien que la plupart des références modernes incluent la protection interne de l'EDD, il faut encore suivre des procédures de manipulation appropriées pour prévenir les dommages.

Considérations particulières à la demande

Différentes applications imposent des exigences différentes sur les références de tension. Comprendre les exigences spécifiques de votre application aide à sélectionner la référence appropriée et à la mettre en œuvre correctement.

Applications de conversion de données

Ils sont largement utilisés dans les convertisseurs de données, les alimentations, les systèmes de mesure et de contrôle. Dans les applications ADC et DAC, la tension de référence détermine directement la précision et la résolution de conversion.

Une tolérance de ±5 mV sur une référence de 5 V correspond à une précision absolue de ±0,1 %, qui n'est que de 10 bits. Pour un système de 12 bits, il peut être beaucoup plus approprié de choisir une référence ayant une tolérance de ±1 mV. La précision de référence doit être adaptée à la résolution du convertisseur pour éviter de limiter les performances du système.

Le temps de réglage de référence est également important dans les applications de convertisseur de données, en particulier pour les convertisseurs à grande vitesse. La référence doit pouvoir alimenter le courant requis pendant la conversion sans enfoncement de tension important. Certaines applications peuvent nécessiter un amplificateur tampon entre la référence et le convertisseur pour fournir une capacité de commande adéquate.

Mesure et instrumentation

Les applications de mesure et d'instrumentation sont souvent les plus strictes pour les performances de référence de tension. La stabilité à long terme est particulièrement critique, car les intervalles d'étalonnage peuvent être mesurés en plusieurs mois ou années. La stabilité de la température doit être excellente sur toute la plage de fonctionnement et le bruit doit être réduit au minimum pour préserver la résolution de mesure.

Pour les mesures de précision les plus élevées, plusieurs références peuvent être utilisées dans une configuration rationmétrique pour annuler les erreurs de mode commun. On peut aussi comparer périodiquement la référence à une norme de précision supérieure pour détecter et corriger la dérive.

Certaines applications d'instrumentation utilisent des références de tension de précision comme normes de transfert pour l'étalonnage.Ces applications peuvent nécessiter des références avec des coefficients de température inférieurs à 1 ppm/°C et une stabilité à long terme supérieure à 10 ppm par an.

Systèmes à basse tension et alimentés par batterie

Les systèmes à batterie et à basse tension présentent des défis uniques pour la conception de la référence de tension. Par conséquent, les travaux récents se concentrent sur la recherche de solutions alternatives, dans lesquelles les courants sont résumés plutôt que les tensions, ce qui entraîne une limite théorique plus faible pour la tension de fonctionnement.

Les références de bandes à basse tension, parfois appelées références de bandes sous-jacentes ou de bandes fractionnelles, peuvent fonctionner avec des tensions d'alimentation inférieures à 1,5 V et fournir des tensions de référence bien inférieures à 1 V. De plus, il existe un groupe de références de bandes, appelées bandes fractionnelles, qui peuvent créer des tensions de sortie aussi basses que quelques millivolts. Ces références spécialisées permettent des circuits analogiques de précision dans les applications à basse tension.

La consommation d'énergie est critique dans les applications alimentées par batterie. Le X60008C fournit 5.000V précis à 500 μV (0,1%), a un coefficient de température faible de 5 ppm/°C, un faible taux de vieillissement de 10 ppm/1000 heures, et une demande de courant d'alimentation incroyablement faible de 800 nA. Les références ultra-faible puissance peuvent fonctionner avec des courants d'alimentation dans la gamme nanoampère, permettant des années de vie de la batterie dans les instruments portables.

Applications à haute température

Les applications fonctionnant à des températures élevées, comme les systèmes automobiles, industriels et aérospatiaux, nécessitent des références avec une excellente performance à haute température. Les références commerciales standard fonctionnent généralement à 85°C ou 125°C, mais certaines applications nécessitent une utilisation à 150°C ou plus.

Les références à haute température doivent maintenir la précision et la stabilité dans la plage de température étendue. La spécification des coefficients de température devient encore plus critique, car l'erreur totale induite par la température est proportionnelle à la plage de température.

Les références conçues pour le fonctionnement à haute température utilisent généralement des matériaux de fixation spécialisés et des conceptions de paquets pour minimiser les erreurs induites par le stress dues au cycle thermique.

Essais et caractérisation

Il est essentiel de procéder à des essais et à une caractérisation appropriés des références de tension pour vérifier les performances et s'assurer qu'elles répondent aux exigences de l'application.

Essai initial d'exactitude

La précision initiale est généralement mesurée à 25°C à l'aide d'un voltmètre étalonné ou d'une norme de tension. La précision de mesure doit être significativement supérieure à la tolérance de référence pour obtenir des résultats significatifs.

Le réglage de la mesure doit minimiser les erreurs des EMF thermiques, du bruit et des effets de charge. Le blindage et le filtrage appropriés aident à réduire le bruit, tandis que les connexions Kelvin éliminent les erreurs de résistance au plomb. La référence doit être autorisée à se stabiliser pendant un temps suffisant avant la mesure, car certaines références nécessitent des minutes ou même des heures pour atteindre la précision finale après la mise en marche.

Mesure du coefficient de température

La méthode courante (définition) est appelée "méthode Box" qui utilise l'équation suivante: Cette méthode tient compte de l'erreur sur une plage de température spécifiée (Tmax - Tmin).Dans cette plage de température, le maximum et le minimum de la sortie sont soustraits pour trouver la variation maximale de la sortie (Vmax - Vmin). La variation maximale de sortie est divisée par la plage de température multipliée par la valeur de sortie nominale (Vnominal).

L'essai du coefficient de température nécessite une chambre de température capable de contrôler et de mesurer avec précision la température. La référence doit être autorisée à se stabiliser à chaque point de température avant la mesure, car les constantes de temps thermique peuvent être importantes.

Il est important de noter que la spécification de tempco ne nous donne aucune information sur la forme des variations induites par la température. Elle nous permet seulement de calculer l'erreur maximale qui peut se produire dans une plage de température spécifiée. Pour des applications critiques, la mesure de la courbe de tension-versus-température complète fournit plus d'informations qu'un seul coefficient de température.

Mesure du bruit

La mesure du bruit nécessite des équipements et des techniques spécialisés. Le bruit à basse fréquence est typiquement caractérisé par la mesure de la tension de sortie dans le temps et le calcul de la densité spectrale de puissance. Un amplificateur à faible bruit peut être nécessaire pour amplifier la sortie de référence à un niveau approprié pour la mesure sans ajouter de bruit significatif.

La bande passante de mesure et le temps d'intégration doivent être précisés, car les spécifications sonores dépendent de la fréquence. Les mesures du bruit de pointe sur une bande passante spécifiée sont courantes pour les références utilisées dans les applications de convertisseur de données, tandis que les mesures de densité sonore spectrale fournissent des informations plus détaillées pour l'analyse et la simulation.

Essais de stabilité à long terme

Les tests de stabilité à long terme sont coûteux et prennent du temps, car ils nécessitent une surveillance de la tension de référence sur de longues périodes. Les tests de vieillissement accéléré à température élevée peuvent fournir quelques informations sur la stabilité à long terme dans des périodes plus courtes, bien que la corrélation entre vieillissement accéléré et vieillissement en temps réel ne soit pas toujours parfaite.

Pour les applications critiques nécessitant une vérification de la stabilité à long terme, la référence peut être comparée périodiquement à une norme stable connue sur plusieurs mois ou années. L'analyse statistique des données de dérive aide à prédire les performances futures et à déterminer les intervalles d'étalonnage appropriés.

Sujets avancés dans la conception de référence de tension

La conception de référence de tension moderne continue d'évoluer, avec des recherches en cours sur les limites fondamentales et le développement de nouvelles architectures pour améliorer les performances.

Indemnisation pour les courbes

En 2012, Andreou a encore amélioré la compensation non linéaire de haut niveau en utilisant un deuxième amplificateur opérationnel ainsi qu'une jambe de résistance supplémentaire au point où les deux courants sont résumés. Cette méthode a amélioré encore la correction de courbure et a obtenu des performances TD supérieures sur une plage de température plus large. En outre, elle a amélioré la régulation des lignes et réduit le bruit.

Les techniques de compensation de la courbe peuvent réduire la dérive de température à moins de 2 ppm/°C sur les plages de température industrielles. Ces techniques consistent généralement à produire des termes supplémentaires dépendants de la température qui annulent la dépendance de température de plus haut ordre du noyau de base de la bande de gap.

Techniques de triage et d'étalonnage

Les références de tension modernes intègrent souvent le parage pendant la fabrication pour améliorer la précision initiale et le coefficient de température. Cette amélioration de précision est rendue possible par une technique unique et brevetée de compensation laser multipoint.

Le parage numérique à l'aide de la mémoire non volatile offre une alternative au parage laser. Les caractéristiques de référence sont mesurées pendant le test et les valeurs de correction sont stockées dans EEPROM ou dans d'autres mémoires non volatiles. Le circuit de référence applique ensuite ces corrections pour obtenir les performances souhaitées. Cette approche offre une flexibilité et peut compenser simultanément plusieurs paramètres.

Considérations relatives aux processus et à la technologie

La tension de bande de silicium à zéro kelvin, V GO, est une constante physique indépendante du processus, de la tension d'alimentation et de la température. Par conséquent, extraire cette tension avec précision aiderait à concevoir la tension de précision ou les circuits de référence de courant.

Les processus bipolaires offrent une excellente correspondance transistor et des coefficients de température bien contrôlés, ce qui les rend idéaux pour les références de précision. Les processus CMOS offrent un coût moins élevé et une intégration plus facile avec les circuits numériques, bien que l'obtention de performances comparables nécessite des techniques de conception plus sophistiquées.

Les processus BiCMOS combinent les avantages des deux technologies, offrant des dispositifs bipolaires de précision pour le noyau de référence ainsi que des circuits CMOS pour les fonctions de support. Cette combinaison permet des références haute performance avec des fonctionnalités intégrées telles que tamponnage, parage et détection de température.

Autres matériaux semi-conducteurs

Les références de tension de bande de SSI (Silicon) sont les plus courantes, qui se produisent à ~1,2 V. GaAs peut également être utilisé pour construire une source de référence avec une puissance de tension plus grande, grâce à son écart de tension plus large de 1,42 eV. Bien que le silicium demeure le matériau dominant pour les références de tension, les semi-conducteurs alternatifs offrent des avantages uniques pour des applications spécialisées.

En principe, tout semi-conducteur peut être utilisé pour créer une référence de tension de bande de gap aussi longtemps qu'il peut être déposé sur des matériaux de gaufrage standard. C'est pourquoi les références Si bande de gap sont normalement utilisées car elles peuvent être incluses dans un IC avec des processus CMOS.

Pièges et solutions de conception commune

Même les concepteurs expérimentés peuvent rencontrer des problèmes lors de la mise en œuvre de références de tension. Comprendre les pièges communs et leurs solutions aide à éviter ces problèmes et à atteindre des performances optimales.

Détournement insuffisant

Les condensateurs de contournement insuffisants ou mal placés sont une source courante de problèmes. Le condensateur de contournement doit être situé le plus près possible du dispositif de référence, avec des connexions courtes et à faible inductance. L'utilisation de condensateurs multiples de différentes valeurs permet un contournement efficace sur une large gamme de fréquences.

Les condensateurs en céramique offrent des niveaux bas d'ESR et d'ESL mais peuvent avoir des coefficients de tension et de température importants. Les condensateurs en film offrent une capacité plus stable mais sont plus grands et plus chers. Le choix dépend des exigences et des contraintes spécifiques d'application.

Boucles de terre et couplage de bruit

Les boucles au sol peuvent injecter du bruit dans la sortie de référence, ce qui dégrade les performances. L'utilisation d'une configuration au sol étoile avec des terrains analogiques et numériques séparés contribue à minimiser le bruit au sol.

Le couplage sonore des circuits adjacents peut également dégrader les performances de référence. Le blindage et la séparation appropriés des sources sonores permettent de maintenir une sortie de référence propre.

Problèmes thermiques

Placer la référence près des composants générateurs de chaleur peut causer des erreurs induites par la température même avec d'excellentes spécifications de coefficient de température. La référence doit être située dans une zone thermiquement stable du PCB, loin des dispositifs d'alimentation, des traces de courant élevé, et d'autres sources de chaleur.

L'autochauffage de la dissipation de puissance de la référence peut aussi causer des erreurs. Les références avec un courant quiescent supérieur dissipent plus de puissance et peuvent nécessiter une gestion thermique. L'utilisation d'une référence avec un courant quiescent inférieur ou la fourniture d'un meilleur couplage thermique au PCB peut aider à minimiser les effets autochauffants.

Effets de chargement

Le courant de charge excessif peut provoquer une chute de la tension de sortie de référence en raison de l'impédance de sortie finie de la référence. Le courant de charge doit être maintenu dans la plage spécifiée de la référence pour maintenir la précision.

La charge capacitive peut causer des problèmes de stabilité dans certaines références. La fiche technique de référence doit spécifier la charge capacitive maximale admissible. Si une capacité plus grande est nécessaire pour le filtrage ou le stockage d'énergie, une résistance série peut être ajoutée pour isoler la capacité de la sortie de référence, bien que cette régulation de charge dégrade.

Questions relatives à la tension de l'offre

Le fonctionnement de la référence en dehors de sa plage de tension d'alimentation spécifiée peut entraîner une dégradation ou une défaillance des performances. La tension d'alimentation doit rester dans les limites de la feuille de données dans toutes les conditions d'exploitation, y compris les transitoires de démarrage et les conditions de charge les plus défavorables.

L'onduleur de tension d'alimentation et le bruit peuvent se coupler à la sortie de référence malgré le PSRR de référence. Un filtrage adéquat de l'alimentation est essentiel, en particulier aux fréquences où le PSRR de référence est réduit. Un régulateur linéaire ou un filtre LC sur l'alimentation de référence peut améliorer significativement les performances dans les environnements bruyants.

Tendances futures de la technologie de référence de tension

La technologie de référence de tension continue de progresser, sous l'impulsion de demandes de précision accrue, de consommation d'énergie réduite et d'une meilleure intégration avec les systèmes électroniques modernes.

Références ultra-faible puissance

La prolifération des systèmes alimentés par batterie et de récupération d'énergie entraîne une demande de références à une tension ultra-faible. Les références modernes peuvent fonctionner avec des courants d'alimentation dans la gamme nanoampère tout en maintenant une bonne précision et une stabilité de température.

Les techniques telles que le fonctionnement en mode cycle de travail et le biais dynamique permettent d'obtenir une consommation moyenne extrêmement faible, particulièrement pour les applications dont la référence n'est nécessaire que de façon intermittente, comme les mesures périodiques de capteurs dans les dispositifs IoT.

Intégration et système sur le pouce

L'intégration croissante des fonctions analogiques et numériques sur une seule puce crée des défis et des possibilités pour la conception de la référence de tension. Les références doivent fonctionner dans des environnements numériques bruyants tout en maintenant la performance analogique de précision.

Les systèmes sur puces peuvent comprendre plusieurs références optimisées pour différentes fonctions. Par exemple, une référence haute précision pour l'ADC, une référence de faible puissance pour la surveillance continue et une référence de réglage rapide pour des applications dynamiques. L'intégration de la parure, de l'étalonnage et de la détection de température avec la référence permet des systèmes d'auto-étalonnage qui maintiennent la précision au fil du temps et de la température.

Techniques de rémunération avancées

Les capteurs de température intégrés à la référence permettent de corriger numériquement les erreurs induites par la température, ce qui permet d'atteindre des coefficients de température inférieurs à 1 ppm/°C. L'étalonnage basé sur le temps peut compenser les effets du vieillissement, en maintenant la précision pendant toute la durée de vie du produit.

L'apprentissage automatique et les algorithmes adaptatifs peuvent jouer un rôle dans les futurs systèmes de référence de tension. En apprenant le comportement de la référence dans le temps et les conditions environnementales, ces systèmes pourraient prédire et compenser la dérive et d'autres effets à long terme, réduisant ou éliminant la nécessité d'un étalonnage périodique.

Nouvelles architectures et matériaux

Les normes de tension basées sur le quantum offrent la précision et la stabilité ultimes, bien que la mise en œuvre pratique reste difficile. Les références basées sur le MEMS exploitent les résonances mécaniques pour créer des sources de tension stables avec des caractéristiques uniques.

Les semi-conducteurs à large bande, comme le carbure de silicium et le nitrure de galle, offrent des avantages pour le fonctionnement à haute température. Les processus CMOS avancés avec des dimensions de fonctionnalités plus petites permettent des conceptions de référence plus sophistiquées avec une meilleure adéquation et une consommation d'énergie plus faible.

Conclusion

Les références de tension de précision sont des éléments fondamentaux des systèmes électroniques modernes, permettant des mesures précises, des systèmes de contrôle stables et une conversion de données haute performance. La compréhension de la théorie derrière les références de tension, de la physique des semi-conducteurs de base aux techniques de compensation avancées, fournit la base pour la conception et l'application de référence réussies.

Les considérations pratiques telles que la disposition des PCB, la gestion thermique et les contournements appropriés sont tout aussi importantes que les aspects théoriques. Même la meilleure référence de tension ne parviendra pas à ses performances potentielles si elle n'est pas correctement mise en œuvre.

Le domaine de la technologie de référence de tension continue d'évoluer, avec des développements continus dans le fonctionnement ultra-faible, des techniques de compensation avancées et de nouvelles architectures. À mesure que les systèmes électroniques deviennent plus sophistiqués et exigeants, les références de tension doivent suivre le rythme, fournissant une précision, une stabilité et une intégration toujours plus élevées tout en consommant moins de puissance et occupant moins d'espace.

Pour les ingénieurs travaillant avec des circuits analogiques de précision, une compréhension approfondie des principes de référence de tension et des techniques d'implémentation pratiques est inestimable. Que ce soit la conception d'un système de mesure simple ou d'une plateforme d'instrumentation sophistiquée, la référence de tension détermine souvent les limites de performance ultimes du système.

Ressources supplémentaires

Pour ceux qui cherchent à approfondir leur connaissance de la conception de référence tension, de nombreuses ressources sont disponibles. Les notes d'application du fabricant fournissent des conseils pratiques sur l'utilisation de dispositifs de référence spécifiques et la résolution de problèmes communs de mise en œuvre.

Les principales ressources comprennent Notes d'application des appareils analogiques sur les références de tension, qui fournissent une couverture complète de la théorie et de l'application de référence. [Tous les circuits d'About offrent des articles techniques expliquant les spécifications de référence de tension et les considérations de conception.

L'expérience pratique est inestimable pour développer l'intuition sur le comportement de référence de tension. Construire et tester des circuits de référence, mesurer leurs performances dans diverses conditions, et résoudre des problèmes fournit des informations qui ne peuvent pas être obtenues de la lecture seule.

Les ingénieurs qui maîtrisent les principes et les pratiques de la conception de la référence de tension seront bien équipés pour relever les défis des systèmes électroniques de demain, créant des solutions innovantes qui repoussent les limites de la précision de mesure, de la performance du système et de l'efficacité énergétique.