Design de Tensão de Precisão Referências: Teoria e Considerações Práticas

As referências de tensão de precisão são componentes essenciais em sistemas eletrônicos que requerem fontes de tensão precisas e estáveis. São usadas em fontes de alimentação, conversores analógico-digitais, conversores digitais-analógicos e outros sistemas de medição e controle. A precisão desses sistemas pode ser diretamente afetada pela precisão da referência de tensão empregada. Compreender a teoria por trás das referências de tensão e as considerações práticas para sua implementação é fundamental para engenheiros que projetam circuitos analógicos de alto desempenho, sistemas de instrumentação e equipamentos de medição de precisão.

Fundamentos das Referências de Tensão

Uma referência de tensão é um dispositivo eletrônico que idealmente produz uma tensão fixa (constante) independentemente do carregamento no dispositivo, variações de alimentação, mudanças de temperatura e passagem de tempo. Em aplicações práticas, as referências de tensão servem como base para medições precisas e operação de circuito estável. As referências de tensão produzem uma tensão estável que é idealmente independente de mudanças na tensão de alimentação, temperatura, carga e outros fatores externos.

O princípio principal por trás das referências de tensão envolve a criação de uma tensão estável através de dispositivos semicondutores cuidadosamente projetados que exploram propriedades físicas fundamentais. As referências de tensão variam amplamente em desempenho; um regulador para uma fonte de alimentação de computador pode apenas manter o seu valor para dentro de alguns por cento do valor nominal, enquanto padrões de tensão de laboratório têm precisão e estabilidade medidas em partes por milhão. Esta ampla gama de especificações de desempenho permite aos designers selecionar referências apropriadas para seus requisitos específicos de aplicação.

Desenvolvimento Histórico

As primeiras referências ou padrões de tensão foram células químicas úmidas, como a célula Clark e a célula Weston, que ainda são usadas em algumas aplicações de laboratório e calibração. No entanto, o desenvolvimento de referências de tensão baseadas em semicondutores revolucionou o campo. Bob Widlar, o lendário engenheiro de eletrônica, lançou as bases para as referências de tensão de bandgap de hoje no final dos anos 1960. David Hilbiber do Fairchild Semicondutor apresentou uma patente em 1963 e publicou este conceito de circuito em 1964. Bob Widlar, Paul Brokaw e outros seguiram com outras versões comercialmente bem sucedidas.

Especificações de desempenho chave

Ao avaliar referências de tensão, várias especificações críticas determinam a sua adequação para uma determinada aplicação. Ao especificar uma referência, tenha em mente que a precisão inicial, o coeficiente de temperatura e a estabilidade de longo prazo desempenham um papel na precisão geral do produto acabado. Compreender estas especificações é essencial para a seleção de referência adequada e o design do sistema.

Precisão inicial

A precisão inicial refere-se ao quão próxima a tensão de referência está do seu valor nominal a uma temperatura especificada, tipicamente 25°C. As referências de tensão de Bandgap normalmente têm um erro inicial de 0,5–1,0% e um coeficiente de temperatura de 25–50 ppm/°C. As referências de alta precisão podem alcançar tolerâncias muito mais apertadas, com alguns dispositivos oferecendo precisão inicial dentro de alguns milivolts ou melhor.

Coeficiente de temperatura

O coeficiente de temperatura (ou deriva de temperatura) de uma referência de tensão é a especificação que caracteriza os erros induzidos pela temperatura da saída. Esta especificação é tipicamente expressa em partes por milhão por grau Celsius (ppm/°C). Os coeficientes de temperatura tão baixos quanto 1,5-2,0 ppm/°C podem ser obtidos com referências de bandagap. Projetos avançados usando técnicas especializadas podem atingir coeficientes de temperatura ainda mais baixos, com algumas referências de precisão chegando a menos de 1 ppm/°C.

Embora a saída de uma referência de tensão deva ser idealmente independente da temperatura, uma referência de tensão real exibe variações induzidas pela temperatura na saída. No entanto, a característica parabólica de tensão versus temperatura significa que uma única figura em ppm/°C não descreve adequadamente o comportamento do circuito. Este comportamento não linear deve ser considerado ao projetar sistemas que operam em amplas faixas de temperatura.

Estabilidade a longo prazo

A estabilidade de longo prazo – também conhecida como taxa de envelhecimento – especifica como a tensão de referência irá mudar ao longo de um período prolongado de tempo. Em outras palavras, mesmo que a temperatura, tensão aplicada e corrente de carga possam ser constantes, todas as referências de tensão irão lentamente se desviar ao longo do tempo. Uma taxa de envelhecimento de 15 ppm/1.000/hora significa que após 1.000 horas (cerca de 42 dias), a tensão pode ser esperada de 15/1.000.000 ou .0015% maior ou menor do que o seu valor original.

Os padrões de tensão de estado sólido secundário de Zener de grau laboratorial usados na metrologia podem ser construídos com uma deriva de cerca de 1 parte por milhão por ano. Esta estabilidade excepcional torna-os adequados para aplicações de calibração e metrologia onde a precisão a longo prazo é primordial.

Tipos de Referências de Tensão

As referências de tensão podem ser categorizadas em vários tipos distintos, cada um com características, vantagens e limitações únicas. Compreender essas diferentes arquiteturas ajuda os designers a selecionar a referência mais adequada para seus requisitos específicos de aplicação.

Referências de Tensão de Bandgap

O circuito de referência de tensão mais comum utilizado em circuitos integrados é a referência de tensão de bandagap. Uma referência de tensão de bandagap é um circuito de referência de tensão amplamente utilizado em circuitos integrados. Estas referências exploram a física semicondutora fundamental para criar uma saída de tensão estável de temperatura.

Princípio de funcionamento

A diferença de tensão entre duas junções p–n (por exemplo, díodos), operada em diferentes densidades de corrente, é usada para gerar uma corrente proporcional à temperatura absoluta (PTAT) em um resistor. Esta corrente é usada para gerar uma tensão em um segundo resistor. A tensão através de um díodo operado em corrente constante é complementar à temperatura absoluta (CTAT), com um coeficiente de temperatura de aproximadamente -2 mV/K.

Uma referência baseada em bandagap usa circuitos analógicos para adicionar um múltiplo da diferença de tensão entre duas junções bipolares tendenciosas em diferentes densidades de corrente à tensão desenvolvida através de um diodo. A tensão de diodo tem um coeficiente de temperatura negativo (ou seja, diminui com o aumento da temperatura), e a diferença de tensão de junção tem um coeficiente de temperatura positivo. Quando adicionado na proporção necessária para fazer estes coeficientes cancelar, o valor constante resultante é uma tensão igual à tensão de bandagap do semicondutor. No silício, isto é, aproximadamente 1,25 V.

Ao combinar o CT positivo de um .VBE com o CT negativo de uma queda de diodo, forma-se uma referência de faixa TC zero. Esta elegante técnica de compensação de temperatura constitui a base para as mais modernas referências de tensão integradas.

Topologias de Circuito

Várias topologias de referência de bandgap foram desenvolvidas ao longo dos anos. A referência de bandgap de Widlar, introduzida no início dos anos 1970, foi uma das primeiras implementações comercialmente bem sucedidas. Um amplificador de op impulsiona as bases dos transistores Q1 e Q2 de tal forma que suas correntes coletoras são idênticas (já que seus resistores de emissores são de valor igual). Desta vez, a diferença de densidade atual é criada por ter a área física do Q2 maior que a do Q1 por um fator de N.

A referência Brokaw bandgap, desenvolvida por Paul Brokaw em 1974, ofereceu melhorias em relação aos projetos anteriores. Esta topologia proporciona melhor desempenho e tornou-se a base para muitos circuitos integrados de referência de tensão modernos. A referência de tensão de gap de banda é amplamente utilizada em reguladores de tensão, cobrindo a maioria dos dispositivos 78xx, 79xx, juntamente com o TL431 e os complementares LM317 e LM337.

Vantagens e Limitações

As referências de Bandgap oferecem várias vantagens significativas. Elas podem ser totalmente integradas em processos padrão CMOS ou bipolares, tornando-as econômicas e amplamente disponíveis. As referências de Bandgap também são adequadas para aplicações de baixa potência. Os microcontroladores de sinal misto podem fornecer um sinal de referência de Bandgap interno para ser usado como referência para qualquer comparador interno e conversor analógico-digital.

No entanto, as referências de bandagap também têm limitações. Como uma referência de bandagap é geralmente baseada em dispositivos e resistores BJT, o tamanho total do circuito pode ser grande e, portanto, caro para o projeto de IC. Além disso, este tipo de circuito pode consumir muita energia para alcançar a especificação de ruído e precisão desejada. Como a tensão de saída é por definição fixada em torno de 1,25 V para circuitos de referência típicos Si bandgap, a tensão de operação mínima é de cerca de 1,4 V.

Referências do Diodo Zener

Os díodos Zener também são frequentemente usados para fornecer uma tensão de referência de estabilidade moderada e precisão, útil para muitos dispositivos eletrônicos. O díodo Zener tem sido usado em serviço de referência em muitas aplicações não críticas. Antes do desenvolvimento de referências de bandagap, os díodos Zener foram a solução de referência de tensão baseada em semicondutores primário.

Os díodos mais estáveis deste tipo são feitos compensando a temperatura de um díodo Zener colocando-o em série com um díodo dianteiro. Esta técnica de compensação de temperatura ajuda a reduzir o coeficiente de temperatura da referência, melhorando a estabilidade sobre as variações de temperatura.

O resultado é um mecanismo de ruptura subsuperfície extremamente estável que tem ruído quase teórico e não é afetado pela contaminação da superfície ou efeitos de óxido. As referências de Zener enterradas, que usam técnicas especializadas de fabricação, podem oferecer desempenho excepcional. As referências de Zener enterrado podem fornecer níveis de ruído ainda mais baixos, mas requerem tensões operacionais mais elevadas que não estão disponíveis em muitos dispositivos operados por bateria.

Série e Referências Shunt

As referências de tensão também podem ser classificadas pela configuração do circuito como referências de série ou shunt. Uma célula de referência de tensão de bandagem está no coração de duas topologias de série e shunt principais. As referências de série estão conectadas em série com a carga e regulam a tensão de saída controlando o fluxo de corrente. As referências de shunt estão conectadas em paralelo com a carga e mantêm uma tensão constante, desviando a corrente de excesso para o solo.

As referências de série normalmente oferecem melhor regulação de carga e menor impedância de saída, tornando-as adequadas para aplicações que requerem tensão estável em condições de carga variáveis. As referências de Shunt, por outro lado, são mais simples e podem ser mais econômicas para aplicações onde a carga é relativamente constante. O regulador de shunt ajustável TL431, um popular regulador de shunt de três terminais, exemplifica esta topologia e encontrou uso generalizado em circuitos de feedback de alimentação e aplicações de regulação de tensão.

Arquiteturas de Referência Avançadas

A tecnologia moderna de referência de tensão evoluiu além dos projetos tradicionais de bandagap e Zener. Aproveitando tecnologias avançadas de Floating Gate ArrayTM (FGATM) e Band-Gap, oferecemos um portfólio versátil onde a tecnologia FGA se afasta de projetos tradicionais de junção de silício para fornecer precisão e estabilidade excepcional ao armazenar uma carga precisa em uma célula de porta flutuante, não afetada por flutuações ambientais. Essas arquiteturas avançadas podem oferecer desempenho superior em termos de precisão, estabilidade de temperatura e consumo de energia.

As referências XFET representam outra arquitetura avançada que usa JFETs correspondentes para criar uma tensão de referência estável. As famílias de referência XFET e zener enterradas têm o melhor desempenho de longo prazo e TC. A série XFET ADR43x tem CTs tão baixos quanto 3 ppm/°C. Estas referências especializadas são particularmente adequadas para aplicações de alta precisão onde é necessária uma estabilidade excepcional.

Considerações de projeto para referências de tensão de precisão

A definição de referências de tensão de precisão requer atenção cuidadosa a múltiplos fatores que afetam o desempenho. Especificar a referência correta e aplicá-la corretamente é mais difícil do que se possa supor, considerando que as referências são apenas dispositivos de 2 ou 3 terminais. Os engenheiros devem equilibrar os requisitos concorrentes e entender os trade-offs inerentes ao design de referência de tensão.

Concepção de Estabilidade da Temperatura

A estabilidade da temperatura é frequentemente a especificação mais crítica para as referências de tensão de precisão. O intervalo de temperatura usado para indicar o tempco de um dispositivo refere- se à temperatura do dado. A potência dissipada num dispositivo pode levar a uma diferença entre a temperatura do dado e a temperatura ambiente. Neste caso, devemos estimar a temperatura do dado e calcular o erro de deriva com base no intervalo de temperatura do dado.

Muitas referências práticas de tensão, especialmente os dispositivos de faixa compensada, têm uma curva em forma de S. Esta característica de temperatura não linear significa que as especificações simples do coeficiente de temperatura linear não contam toda a história. Os designers devem considerar a curva real tensão-versus-temperatura em toda a gama de operação para garantir um desempenho adequado.

Quando somando um PTAT e uma corrente CTAT, apenas os termos lineares da corrente são compensados, enquanto os termos de ordem mais alta estão limitando a deriva de temperatura (TD) da referência de bandagap em torno de 20 ppm/°C, em uma faixa de temperatura de 100 °C. Técnicas avançadas de compensação podem abordar estes efeitos de ordem mais alta para alcançar coeficientes de temperatura sub-ppm/°C.

Seleção e correspondência de componentes

A parte de referência do circuito é um circuito integrado, e são utilizadas resistências de filme fino com um pequeno coeficiente de temperatura relativa. A seleção de componentes desempenha um papel crucial para alcançar o desempenho de referência desejado. Resistores com coeficientes de temperatura baixa e tolerâncias apertadas são essenciais para manter a estabilidade.

Em referências de faixa, a correspondência de transistores é fundamental para a operação adequada. Para gerar uma tensão de referência estável, este design utiliza dispositivos PTAT e CTAT. PTAT significa "proporcional à temperatura absoluta", e CTAT significa "complementar à temperatura absoluta". A precisão da compensação de temperatura depende diretamente de como esses dispositivos se acompanham bem sobre variações de temperatura e processo.

Técnicas de layout como arranjos de centroide comum ajudam a garantir uma boa correspondência entre componentes críticos. Essas técnicas minimizam os efeitos de gradientes de processo e gradientes térmicos em toda a matriz, melhorando o desempenho de referência geral e reduzindo a sensibilidade às variações de fabricação.

Desempenho do ruído

O desempenho sonoro é outra consideração crítica no design de referência de tensão de precisão. O ruído de baixa frequência, muitas vezes chamado de ruído 1/f ou ruído de flicker, pode ser particularmente problemático em aplicações de medição de precisão. As características de ruído da referência impactam diretamente a resolução e precisão dos sistemas usando a referência.

A melhor maneira de fazer isso é comparar a relação do ruído (dentro de uma dada largura de banda) com a tensão de saída CC. Por exemplo, uma referência de 10 V com uma densidade de ruído de 100 nV/ğHz é 6 dB mais silenciosa em termos relativos do que uma referência de 5 V com o mesmo nível de ruído. Esta especificação de ruído relativo fornece uma comparação mais significativa entre referências com diferentes tensões de saída.

As referências de Zener enterradas normalmente oferecem o menor desempenho de ruído entre as referências de tensão de semicondutores, embora elas exijam tensões operacionais mais elevadas. As referências de Bandgap também podem alcançar excelente desempenho de ruído com design adequado, embora possam exigir filtragem ou tamponamento adicionais para as aplicações mais exigentes.

Rejeição da Fonte de Energia

A razão de rejeição da fonte de alimentação (PSRR) caracteriza o quão bem uma referência de tensão rejeita variações em sua tensão de alimentação. A diferença potencial entre potência e terra pode variar durante a operação, e o circuito de tensão de referência precisa para amortecer essas flutuações. O bom PSRR é essencial para manter a precisão de referência em sistemas com fontes de alimentação ruidosas ou mal reguladas.

Por esta razão, os circuitos de referência de tensão de bandagap são circuitos não lineares; uma grande mudança de tensão de alimentação produz uma pequena mudança na tensão de referência. A topologia do circuito e as técnicas de projeto utilizadas na referência impactam significativamente o desempenho PSRR. O design cuidadoso da regulação interna e filtragem pode alcançar valores PSRR superiores a 80 dB em baixas frequências.

Regulação de carga

A regulação da carga descreve como a tensão de saída muda com variações na corrente de carga. As referências de tensão de precisão devem manter tensão de saída estável ao longo da faixa de corrente de carga especificada. A impedância de saída da referência determina o desempenho da regulação de carga, com menor impedância de saída proporcionando melhor regulação da carga.

As referências de séries normalmente oferecem melhor regulação de carga do que as referências de shunt devido à sua topologia de regulação ativa. No entanto, ambos os tipos podem alcançar uma excelente regulação de carga com o design adequado. Algumas referências incluem buffering interno ou circuitos de regulação para minimizar a impedância de saída e melhorar a regulação de carga.

Arranque e Estabilidade

Muitos circuitos de referência de tensão, particularmente referências de bandagap, podem ter múltiplos pontos de operação estáveis, incluindo um estado de zero corrente indesejado. Os circuitos de arranque são essenciais para garantir que as forças de referência se accionem correctamente e atinjam o ponto de operação desejado. Um ramo adicional fraco cria um grande desequilíbrio inicial na entrada do amplificador de op, forçando a sua saída a baixar. Depois de o circuito ligar e atingir o ponto de operação desejado, o M3 e o M4 desligam.

A estabilidade do laço é outra consideração importante. As loops de feedback dentro das referências de tensão devem ser devidamente compensadas para garantir uma operação estável em todas as condições operacionais. Margem de fase inadequada pode levar a oscilação ou má resposta transitória, degradando o desempenho de referência.

Técnicas de Implementação Prática

A implementação de referências de tensão de precisão requer atenção aos detalhes práticos além do design básico do circuito. Ao tomar algum cuidado na aplicação da referência, e evitando algumas armadilhas chave, a precisão inerente da referência pode ser preservada. Técnicas de implementação adequadas podem fazer a diferença entre alcançar o desempenho da planilha de dados e ficar aquém dos objetivos do projeto.

Considerações sobre o layout do PCB

O layout PCB tem um impacto significativo no desempenho de referência de tensão. O layout adequado minimiza o acoplamento de ruído, reduz os gradientes térmicos e garante uma operação estável. O design do plano de terra é particularmente crítico, pois o ruído de terra pode se juntar diretamente à saída de referência.

As conexões de Kelvin devem ser usadas para a saída de referência para eliminar erros da resistência de traços. O ponto de sentido para a referência deve estar na carga, não no próprio dispositivo de referência. Esta técnica garante que as quedas de tensão nos traços de PCB não afetam a precisão da medição.

As considerações térmicas também são importantes no layout do PCB. A referência deve ser colocada longe de componentes geradores de calor, como dispositivos de energia e traços de alta corrente. Os gradientes térmicos através do PCB podem causar erros induzidos pela temperatura, mesmo em referências com excelentes coeficientes de temperatura. Algumas aplicações podem se beneficiar de técnicas de isolamento térmico ou ambientes controlados pela temperatura para a referência.

Autenticação e Filtragem

A substituição adequada é essencial para o desempenho de referência de tensão. Os condensadores de bypass devem ser colocados o mais próximo possível do dispositivo de referência para minimizar a indutância e fornecer filtragem eficaz de alta frequência. Vários condensadores com valores diferentes podem ser necessários para proporcionar uma derivação eficaz em uma ampla faixa de frequência.

A saída de referência pode também exigir filtragem para reduzir o ruído. Um filtro RC simples pode ser eficaz para muitas aplicações, embora seja necessário ter cuidado para garantir que o filtro não degrade a regulação da carga ou introduza problemas de estabilidade. Para as aplicações mais exigentes, técnicas de filtragem ativa podem ser necessárias para alcançar o desempenho de ruído necessário.

A filtragem da fonte de entrada é igualmente importante. O ruído na tensão de alimentação pode acoplar-se à saída de referência, apesar do PSRR da referência. Um filtro LC ou regulador linear na fonte de referência pode melhorar significativamente o desempenho em ambientes barulhentos.

Gestão térmica

Mesmo referências com excelentes coeficientes de temperatura podem apresentar erros se não corretamente gerenciados termicamente. O autoaquecimento da dissipação de energia da própria referência pode causar erros induzidos pela temperatura. A temperatura do dado pode ser significativamente maior do que a temperatura ambiente, particularmente em referências com maior corrente quiescente.

A histerese térmica é uma mudança no valor VREF produzido por uma ou mais excursões térmicas. As causas da histerese térmica incluem tensão de matriz induzida termomecanicamente devido à excursão de temperatura, tipo de embalagem, composto de moldagem, material de fixação de matrizes e o próprio layout do circuito integrado. Minimizar o ciclismo térmico e usar pacotes com baixa histerese térmica pode ajudar a reduzir esses efeitos.

Para aplicações críticas, a referência pode ser colocada em um forno controlado por temperatura para eliminar inteiramente os erros induzidos pela temperatura. Esta abordagem é comum em aplicações de instrumentação de precisão e metrologia onde é necessária a maior precisão.

Calibração e corte

Mesmo as melhores referências de tensão têm algum erro de precisão inicial. Para aplicações que exigem precisão além da tolerância inicial da referência, calibração ou aparamento pode ser necessário. Muitas referências de precisão incluem pinos de aparar que permitem ajustar a tensão de saída para compensar erros iniciais.

A calibração do nível do sistema também pode ser usada para melhorar a precisão. Ao medir a tensão de referência com um padrão conhecido e com precisão, o sistema pode compensar erros de referência. Esta abordagem é particularmente útil em sistemas baseados em microcontroladores onde a correção pode ser aplicada digitalmente.

A recalibração periódica pode ser necessária para manter a precisão ao longo do tempo devido aos efeitos do envelhecimento. A frequência de recalibração depende da especificação de estabilidade de longo prazo da referência e dos requisitos de precisão da aplicação.

Manuseamento e montagem

O manuseio adequado durante a montagem é fundamental para manter o desempenho de referência. Deixar o ferro de solda em uma almofada muito longo pode resultar em uma tensão de referência permanentemente mudando para um valor fora do espectro. Se você tiver um ferro de solda de temperatura ajustável, não aumente o volume para além de 600°F. O estresse térmico excessivo durante a solda pode danificar permanentemente a referência ou deslocar sua tensão de saída.

A proteção contra ESD também é importante. Embora a maioria das referências modernas inclua proteção interna contra ESD, procedimentos adequados de manuseio ainda devem ser seguidos para evitar danos. ESD eventos podem causar degradação sutil que pode não ser imediatamente aparente, mas pode afetar a estabilidade a longo prazo.

Considerações específicas para aplicações

Diferentes aplicações exigem diferentes referências de tensão. Compreender os requisitos específicos de sua aplicação ajuda na seleção da referência adequada e na sua implementação correta.

Aplicações de Conversor de Dados

São amplamente utilizados em conversores de dados, fontes de alimentação, sistemas de medição e controle. Em aplicações ADC e DAC, a tensão de referência determina diretamente a precisão e resolução de conversão. O ruído de referência, estabilidade de temperatura e estabilidade de longo prazo contribuem para o desempenho global do conversor.

Uma tolerância de ±5 mV numa referência de 5 V corresponde a ±0,1% de precisão absoluta, que é apenas de 10 bits. Para um sistema de 12 bits, escolher uma referência que tenha uma tolerância de ±1 mV pode ser muito mais adequada. A precisão de referência deve ser combinada com a resolução do conversor para evitar limitar o desempenho do sistema.

O tempo de fixação de referência também é importante em aplicações de conversores de dados, particularmente para conversores de alta velocidade. A referência deve ser capaz de fornecer a corrente necessária durante a conversão sem que a tensão significativa deslize. Algumas aplicações podem exigir um amplificador de buffer entre a referência e o conversor para fornecer capacidade de acionamento adequada.

Medição e instrumentação

As aplicações de medição e instrumentação têm frequentemente os requisitos mais rigorosos para o desempenho de referência de tensão. A estabilidade a longo prazo é particularmente crítica, uma vez que os intervalos de calibração podem ser medidos em meses ou anos. A estabilidade da temperatura deve ser excelente em toda a gama de operação, e o ruído deve ser minimizado para preservar a resolução de medição.

Para as medições de precisão mais altas, várias referências podem ser usadas em uma configuração ratiométrica para cancelar erros de modo comum. Alternativamente, a referência pode ser comparada periodicamente contra um padrão de precisão mais elevado para detectar e corrigir para deriva.

Algumas aplicações de instrumentação usam referências de tensão de precisão como padrões de transferência para fins de calibração. Essas aplicações podem exigir referências com coeficientes de temperatura abaixo de 1 ppm/°C e estabilidade de longo prazo melhor do que 10 ppm por ano. Referências especializadas projetadas para aplicações de metrologia podem atender a esses requisitos exigentes.

Sistemas de baixa tensão e de bateria

Sistemas de baixa tensão e bateria apresentam desafios únicos para o design de referência de tensão. Portanto, o trabalho recente se concentra em encontrar soluções alternativas, nas quais, por exemplo, correntes são somadas em vez de tensões, resultando em um limite teórico inferior para a tensão operacional. Referências tradicionais de faixa de saída com saída de 1,25V podem não ser adequadas para sistemas que operam a partir de baterias de uma única célula.

Referências de bandagap de baixa tensão, às vezes chamadas de sub-bandgap ou referências de bandagap fracionárias, podem operar com tensões de alimentação abaixo de 1.5V e fornecer tensões de referência bem abaixo de 1V. Além disso, há um grupo de referências de bandagap, chamadas de bandagaps fracionárias, que podem criar tensões de saída tão baixas quanto alguns milivolts. Estas referências especializadas permitem circuitos analógicos de precisão em aplicações de baixa tensão.

O consumo de energia é crítico em aplicações alimentadas a bateria. O X60008C fornece 5.000V preciso para dentro de 500 μV (.01%), tem um coeficiente de baixa temperatura de 5 ppm/°C, baixa taxa de envelhecimento de 10 ppm/1.000 horas, e incrivelmente baixa exigência de corrente de fornecimento de 800 nA. Referências de ultra-baixa potência podem operar com correntes de alimentação na faixa de nanoampere, permitindo anos de vida da bateria em instrumentos portáteis.

Aplicações de Alta Temperatura

Aplicações que operam em temperaturas elevadas, como sistemas automotivos, industriais e aeroespaciais, requerem referências com excelente desempenho de alta temperatura. Referências comerciais padrão normalmente operam a 85°C ou 125°C, mas algumas aplicações requerem operação a 150°C ou superior.

As referências de alta temperatura devem manter a precisão e estabilidade ao longo da gama de temperaturas estendidas. A especificação do coeficiente de temperatura torna-se ainda mais crítica, uma vez que o erro total induzido pela temperatura é proporcional à gama de temperaturas. A seleção de pacotes também é importante, uma vez que alguns tipos de pacotes têm melhor confiabilidade de alta temperatura do que outros.

A histerese térmica pode ser mais pronunciada em altas temperaturas. Referências projetadas para operação de alta temperatura normalmente usam materiais especializados para anexar matrizes e projetos de pacotes para minimizar erros induzidos por estresse de ciclismo térmico.

Teste e caracterização

O teste e caracterização adequados das referências de tensão são essenciais para verificar o desempenho e garantir que eles atendam aos requisitos de aplicação. Compreender os métodos de teste e suas limitações ajuda na interpretação das especificações da planilha de dados e validação do desempenho de referência na aplicação real.

Teste de Precisão Inicial

A precisão inicial é normalmente medida a 25°C usando um voltímetro calibrado ou padrão de tensão. A precisão de medição deve ser significativamente melhor do que a tolerância de referência para obter resultados significativos. Para referências com tolerâncias de alguns milivolts ou menos, é normalmente necessário um voltímetro de 6,5 dígitos ou melhor.

A configuração da medição deve minimizar os erros de EMFs térmicas, ruído e efeitos de carga. A proteção e filtragem adequadas ajudam a reduzir o ruído, enquanto as conexões Kelvin eliminam erros da resistência ao chumbo. A referência deve ser permitida para estabilizar por um tempo adequado antes da medição, uma vez que algumas referências requerem minutos ou até horas para atingir a precisão final após o power-up.

Medição do Coeficiente de Temperatura

O método comum (definição) é chamado de "Método de caixa" que usa a seguinte equação: Este método considera o erro sobre uma faixa de temperatura especificada (Tmax - Tmin). Nesta faixa de temperatura, o máximo e mínimo da saída são subtraídos para encontrar a variação máxima na saída (Vmax - Vmin). A variação máxima de saída é dividida pela faixa de temperatura multiplicada pelo valor nominal de saída (Vnominal).

O ensaio do coeficiente de temperatura requer uma câmara de temperatura capaz de controlar e medir a temperatura com precisão. A referência deve ser permitida para estabilizar em cada ponto de temperatura antes da medição, uma vez que as constantes térmicas podem ser significativas.

É importante notar que a especificação tempco não nos dá nenhuma informação sobre a forma das variações induzidas pela temperatura. Só nos permite calcular o erro máximo que pode ocorrer em uma faixa de temperatura especificada. Para aplicações críticas, medir a curva completa tensão-versus-temperatura fornece mais informações do que um único número de coeficiente de temperatura.

Medição do Ruído

A medição do ruído requer equipamentos e técnicas especializados. O ruído de baixa frequência é tipicamente caracterizado pela medição da tensão de saída ao longo do tempo e pela computação da densidade espectral de potência. Um amplificador de baixo ruído pode ser necessário para amplificar a saída de referência para um nível adequado para medição sem adicionar ruído significativo.

As medições de ruído de pico a pico sobre uma largura de banda especificada são comuns para referências usadas em aplicações de conversores de dados, enquanto as medições de densidade de ruído espectral fornecem informações mais detalhadas para análise e simulação.

Ensaio de Estabilidade a Longo Prazo

O teste de estabilidade a longo prazo é demorado e caro, pois requer monitoramento da tensão de referência ao longo de períodos prolongados. Testes de envelhecimento acelerado a temperatura elevada podem fornecer algumas informações sobre estabilidade a longo prazo em períodos de tempo mais curtos, embora a correlação entre envelhecimento acelerado e em tempo real nem sempre seja perfeita.

Para aplicações críticas que exigem verificação da estabilidade a longo prazo, a referência pode ser comparada periodicamente com um padrão estável conhecido ao longo de meses ou anos. A análise estatística dos dados de deriva ajuda a prever o desempenho futuro e determinar intervalos de calibração adequados.

Tópicos Avançados em Desenho de Referência de Tensão

O design moderno de referência de tensão continua a evoluir, com pesquisas em curso abordando limitações fundamentais e desenvolvendo novas arquiteturas para melhorar o desempenho.

Compensação por curvas

As referências tradicionais de faixagem compensam apenas a dependência de temperatura de primeira ordem, deixando termos de alta ordem que limitam a estabilidade da temperatura. Em 2012, Andreou melhorou ainda mais a compensação não linear de alta ordem usando um segundo amplificador operacional, juntamente com uma perna de resistor adicional no ponto em que as duas correntes são resumidas. Este método melhorou ainda mais a correção de curvatura e alcançou desempenho superior de DT em uma faixa de temperatura mais ampla. Além disso, obteve uma regulação de linha melhorada e ruído mais baixo.

As técnicas de compensação de curvas podem reduzir a deriva de temperatura para abaixo de 2 ppm/°C em intervalos de temperatura industriais. Essas técnicas normalmente envolvem gerar termos adicionais dependentes da temperatura que cancelam a dependência de temperatura de ordem mais alta do núcleo básico de bandagap. A complexidade adicional é justificada em aplicações que exigem a maior estabilidade de temperatura.

Técnicas de corte e calibração

As referências modernas de tensão muitas vezes incorporam aparamento durante a fabricação para melhorar a precisão inicial e o coeficiente de temperatura. Esta melhoria na precisão é possível através de uma técnica única, patenteada de compensação a laser multiponto. Aparamento a laser de resistências de filme fino permite ajuste preciso das características de referência após a fabricação.

Aparar digitalmente com memória não volátil oferece uma alternativa à aparagem a laser. As características de referência são medidas durante o teste, e os valores de correção são armazenados em EEPROM ou outra memória não volátil. O circuito de referência aplica então estas correções para alcançar o desempenho desejado. Esta abordagem oferece flexibilidade e pode compensar vários parâmetros simultaneamente.

Considerações sobre Processo e Tecnologia

A tensão de bandagem de silício a zero kelvin, V GO, é uma constante física independente do processo, tensão de fornecimento e temperatura. Assim, extrair esta tensão com precisão ajudaria a projetar tensão de precisão ou circuitos de referência de corrente. Compreender as referências de tensão subjacentes física fundamental ajuda a desenvolver projetos e arquiteturas melhoradas.

Diferentes processos semicondutores oferecem diferentes trocas para o design de referência de tensão. Processos bipolares fornecem excelente correspondência de transistores e coeficientes de temperatura bem controlados, tornando-os ideais para referências de precisão. Processos CMOS oferecem menor custo e integração mais fácil com circuitos digitais, embora alcançar desempenho comparável requer técnicas de design mais sofisticadas.

Os processos BiCMOS combinam as vantagens de ambas as tecnologias, oferecendo dispositivos bipolares de precisão para o núcleo de referência, juntamente com circuitos CMOS para funções de suporte. Esta combinação permite referências de alto desempenho com características integradas, como buffering, aparamento e sensoriamento de temperatura.

Materiais Semicondutores Alternativos

O arsênio gálio (GaAs) é um material que pode ser usado para construir um circuito de referência de tensão de bandagap. As referências de tensão de faixa (Silicon) SI são mais comuns, que saída em ~1.2 V. GaAs também pode ser usado para construir uma fonte de referência com maior saída de tensão, graças à sua faixa maior de 1,42 eV. Enquanto o silício continua a ser o material dominante para referências de tensão, semicondutores alternativos oferecem vantagens únicas para aplicações especializadas.

Em princípio, qualquer semicondutor pode ser usado para criar uma referência de tensão de bandagap, desde que possa ser depositado em materiais padrão de wafer. Por esta razão, as referências de bandagap Si são normalmente usadas, pois podem ser incluídas em um CI com processos CMOS. As considerações práticas de fabricação e integração tipicamente superam as vantagens teóricas de materiais alternativos para a maioria das aplicações.

Pilhas e soluções comuns de design

Mesmo designers experientes podem encontrar problemas ao implementar referências de tensão. Compreender armadilhas comuns e suas soluções ajuda a evitar esses problemas e alcançar um desempenho ideal.

Abcesso Inadequado

Os condensadores de bypass insuficientes ou mal colocados são uma fonte comum de problemas. O capacitor de bypass deve estar localizado o mais próximo possível do dispositivo de referência, com conexões curtas e de baixa indução. Usando vários condensadores de diferentes valores, proporciona um desvio eficaz em uma ampla faixa de frequência.

O tipo de capacitor também importa. Condensadores cerâmicos oferecem baixo ESR e ESL, mas pode ter coeficientes de tensão e temperatura significativos. Capacitores de filme fornecem capacitância mais estável, mas são maiores e mais caros. A escolha depende dos requisitos de aplicação específicos e restrições.

Loops de terra e acoplamento de ruído

As loops de terra podem injetar ruído na saída de referência, degradando o desempenho. Usar uma configuração de solo de estrela com terrenos analógicos e digitais separados ajuda a minimizar o ruído de terra. O solo de referência deve se conectar diretamente ao solo do sistema em um único ponto, evitando o fluxo de corrente através do caminho de terra de referência.

O acoplamento de ruído de circuitos adjacentes também pode degradar o desempenho de referência. A proteção adequada e a separação de fontes de ruído ajudam a manter a saída de referência limpa. Os anéis de guarda em torno da referência no PCB podem proporcionar isolamento adicional do ruído.

Problemas térmicos

A colocação da referência perto de componentes geradores de calor pode causar erros induzidos pela temperatura, mesmo com excelentes especificações de coeficiente de temperatura. A referência deve ser localizada em uma área termicamente estável do PCB, longe de dispositivos de energia, traços de alta corrente, e outras fontes de calor.

O autoaquecimento da própria dissipação de energia da referência também pode causar erros. Referências com maior dissipação de corrente quiescente mais energia e pode exigir gerenciamento térmico. Usando uma referência com menor corrente quiescente ou proporcionando melhor acoplamento térmico para o PCB pode ajudar a minimizar os efeitos de autoaquecimento.

A Carregar os Efeitos

A corrente de carga excessiva pode fazer com que a tensão de saída de referência caia devido à impedância finita de saída da referência. A corrente de carga deve ser mantida dentro do intervalo especificado para manter a precisão. Se for necessária uma corrente de carga mais elevada, deve ser usado um amplificador de buffer entre a referência e a carga.

O carregamento capacitivo pode causar problemas de estabilidade em algumas referências. A ficha de dados de referência deverá especificar a carga capacitiva máxima admissível. Se for necessária uma maior capacitância para filtragem ou armazenamento de energia, pode ser adicionado um resistor de série para isolar a capacitância da saída de referência, embora esta degrade a regulação da carga.

Questões de tensão de fornecimento

A utilização da referência fora da gama de tensão de alimentação especificada pode causar degradação ou falha do desempenho. A tensão de alimentação deve permanecer dentro dos limites da ficha técnica em todas as condições de funcionamento, incluindo transientes de arranque e condições de carga piores.

Ondulação de tensão de alimentação e ruído podem se acoplar à saída de referência apesar do PSRR da referência. A filtragem adequada de alimentação é essencial, particularmente nas frequências em que o PSRR da referência é reduzido. Um regulador linear ou filtro LC na fonte de referência pode melhorar significativamente o desempenho em ambientes barulhentos.

Tendências futuras na tecnologia de referência de tensão

A tecnologia de referência de tensão continua avançando, impulsionada por demandas de maior precisão, menor consumo de energia e melhor integração com sistemas eletrônicos modernos.

Referências de ultra-baixo-poder

A proliferação de sistemas de captação de energia e bateria impulsiona a demanda por referências de tensão ultra-baixa. Referências modernas podem operar com correntes de alimentação na faixa de nanoampere, mantendo boa precisão e estabilidade de temperatura.

Técnicas como operação de ciclo de serviço e viés dinâmico permitem referências para atingir consumo médio de energia extremamente baixo. Essas abordagens são particularmente adequadas para aplicações onde a referência é necessária apenas de forma intermitente, como medições periódicas de sensores em dispositivos de IoT.

Integração e Sistema-em-Chip

A integração crescente de funções analógicas e digitais em um único chip cria desafios e oportunidades para o design de referência de tensão. As referências devem operar em ambientes digitais barulhentos, mantendo o desempenho analógico de precisão. Técnicas avançadas de isolamento e layout cuidadoso ajudam a alcançar esse objetivo.

Os projetos de sistema em chip podem incluir várias referências otimizadas para diferentes funções. Por exemplo, uma referência de alta precisão para o ADC, uma referência de baixa potência para monitoramento sempre em, e uma referência de ajuste rápido para aplicações dinâmicas. A integração de aparamento, calibração e sensoriamento de temperatura com a referência permite sistemas de auto-calibração que mantêm precisão ao longo do tempo e temperatura.

Técnicas de Compensação Avançada

As técnicas de compensação e calibração digitais permitem melhorias de desempenho além do que é possível alcançar com abordagens puramente analógicas. Sensores de temperatura integrados com a referência permitem correção digital de erros induzidos pela temperatura, alcançando coeficientes de temperatura abaixo de 1 ppm/°C. Calibração baseada no tempo pode compensar os efeitos do envelhecimento, mantendo a precisão ao longo da vida útil do produto.

O aprendizado de máquina e algoritmos adaptativos podem desempenhar um papel nos futuros sistemas de referência de tensão. Ao aprender o comportamento da referência ao longo do tempo e condições ambientais, esses sistemas podem prever e compensar a deriva e outros efeitos de longo prazo, reduzindo ou eliminando a necessidade de calibração periódica.

Novas Arquiteturas e Materiais

A pesquisa continua com novas arquiteturas de referência de tensão que superam as limitações fundamentais dos projetos tradicionais. Os padrões de tensão baseados em quântica oferecem a máxima precisão e estabilidade, embora a implementação prática continue sendo desafiadora. Referências baseadas em MEMS exploram ressonâncias mecânicas para criar fontes de tensão estáveis com características únicas.

Novos materiais e processos semicondutores podem permitir melhores referências de tensão. Os semicondutores de banda larga, como carboneto de silício e nitreto de gálio, oferecem vantagens para a operação de alta temperatura. Processos CMOS avançados com tamanhos de características menores permitem projetos de referência mais sofisticados com melhor correspondência e menor consumo de energia.

Conclusão

As referências de tensão de precisão são blocos fundamentais de construção em sistemas eletrônicos modernos, permitindo medições precisas, sistemas de controle estável e conversão de dados de alto desempenho. Compreender a teoria por trás das referências de tensão, desde a física semicondutora básica até técnicas avançadas de compensação, fornece a base para o projeto e aplicação de referência bem-sucedidos.

Considerações práticas como o layout do PCB, a gestão térmica e o desvio adequado são igualmente importantes como os aspectos teóricos. Mesmo a melhor referência de tensão não conseguirá atingir o seu desempenho potencial se não for devidamente implementado. Atenção aos detalhes em todos os aspectos do projeto, desde a seleção de componentes até os testes e caracterização, é essencial para alcançar resultados ótimos.

O campo de tecnologia de referência de tensão continua a evoluir, com desenvolvimentos contínuos em operação de ultra-baixa potência, técnicas avançadas de compensação e novas arquiteturas. À medida que os sistemas eletrônicos se tornam mais sofisticados e exigentes, as referências de tensão devem manter o ritmo, proporcionando precisão, estabilidade e integração cada vez mais altas, enquanto consomem menos energia e ocupam menos espaço.

Para engenheiros que trabalham com circuitos analógicos de precisão, é inestimável um conhecimento completo dos princípios de design de referência de tensão e técnicas práticas de implementação. Seja projetando um sistema de medição simples ou uma sofisticada plataforma de instrumentação, a referência de tensão muitas vezes determina os limites de desempenho finais do sistema. Ao considerar cuidadosamente todos os aspectos da seleção de referência, design e implementação, os engenheiros podem criar sistemas que alcancem seus objetivos de desempenho de forma confiável e econômica.

Recursos adicionais

Para aqueles que procuram aprofundar o seu conhecimento de design de referência de tensão, estão disponíveis inúmeros recursos. Notas de aplicação do fabricante fornecem orientação prática sobre o uso de dispositivos de referência específicos e resolver problemas de implementação comum. Documentos acadêmicos e livros didáticos oferecem tratamentos teóricos detalhados de circuitos de referência de tensão e física de semicondutores. Comunidades e fóruns online oferecem oportunidades para aprender com as experiências de outros engenheiros e discutir problemas de design desafiadores.

Os recursos-chave incluem Notas de aplicação do Analog Devices sobre referências de tensão, que fornecem cobertura abrangente da teoria e aplicação de referência. All About Circuits oferece artigos técnicos explicando especificações de referência de tensão e considerações de design.

A experiência prática é inestimável para desenvolver intuição sobre o comportamento de referência de tensão. Construir e testar circuitos de referência, medir seu desempenho em várias condições e problemas de solução de problemas fornece insights que não podem ser obtidos através da leitura sozinha. Muitos fabricantes de referência oferecem placas de avaliação que simplificam a experimentação e caracterização.

À medida que a tecnologia avança e novas aplicações surgem, a importância das referências de tensão de precisão só aumentará. Engenheiros que dominam os princípios e práticas do design de referência de tensão estarão bem equipados para atender aos desafios dos sistemas eletrônicos de amanhã, criando soluções inovadoras que ultrapassem os limites da precisão de medição, desempenho do sistema e eficiência energética.