Проектирование ссылок на точное напряжение: теория и практические соображения

Точные ссылки на напряжение являются важными компонентами в электронных системах, требующих точных и стабильных источников напряжения. Они используются в источниках питания, аналого-цифровых преобразователях, цифровых аналоговых преобразователях и других системах измерения и управления. На точность таких систем может напрямую влиять точность используемого эталона напряжения. Понимание теории, лежащей в основе эталонов напряжения, и практических соображений для их реализации имеет решающее значение для инженеров, проектирующих высокопроизводительные аналоговые схемы, приборные системы и оборудование для точного измерения.

Основы напряжённых ссылок

Ссылка на напряжение представляет собой электронное устройство, которое в идеале производит фиксированное (постоянное) напряжение независимо от нагрузки на устройство, изменений питания, изменений температуры и течения времени. В практических приложениях ссылки на напряжение служат основой для точных измерений и стабильной работы цепи. Ссылки на напряжение производят стабильное напряжение, которое идеально не зависит от изменений напряжения питания, температуры, нагрузки и других внешних факторов.

Основной принцип, лежащий в основе эталонов напряжения, включает в себя создание стабильного напряжения через тщательно разработанные полупроводниковые устройства, которые используют фундаментальные физические свойства. Ссылки на напряжение широко варьируются по производительности; регулятор для питания компьютера может удерживать его значение только в пределах нескольких процентов от номинального значения, тогда как лабораторные стандарты напряжения имеют точность и стабильность, измеренную в частях на миллион. Этот широкий диапазон спецификаций производительности позволяет дизайнерам выбирать ссылки, соответствующие их конкретным требованиям применения.

Историческое развитие

Самыми ранними ссылками на напряжение или стандартами были влажные химические элементы, такие как ячейка Кларка и ячейка Уэстона, которые до сих пор используются в некоторых лабораторных и калибровочных приложениях. Однако разработка ссылок на напряжение на основе полупроводников произвела революцию в этой области. Боб Видлар, легендарный инженер электроники, заложил основу для сегодняшних ссылок на напряжение в полосе пропускания в конце 1960-х годов. Дэвид Хилбибер из Fairchild Semiconductor подал патент в 1963 году и опубликовал эту концепцию схемы в 1964 году. Боб Видлар, Пол Брокау и другие последовали за другими коммерчески успешными версиями.

Ключевые характеристики производительности

При оценке эталонов напряжения несколько критических спецификаций определяют их пригодность для данного применения. При указании эталона имейте в виду, что начальная точность, температурный коэффициент и долгосрочная стабильность играют роль в общей точности готового продукта. Понимание этих спецификаций имеет важное значение для правильного выбора эталона и проектирования системы.

Первоначальная точность

Первоначальная точность относится к тому, насколько близко исходное напряжение к его номинальному значению при заданной температуре, как правило, 25 ° C. У ссылок на напряжение Bandgap обычно есть начальная ошибка 0,5-1,0% и температурный коэффициент 25-50 ppm / ° C. Высокоточные ссылки могут достигать гораздо более жестких допусков, причем некоторые устройства предлагают начальную точность в течение нескольких милливольт или лучше.

Коэффициент температуры

Температурный коэффициент (или дрейф температуры) эталона напряжения является спецификацией, которая характеризует температурные ошибки выхода. Эта спецификация обычно выражается в частях на миллион на градус Цельсия (ppm/°C). Температурные коэффициенты, такие как 1,5-2,0 ppm/°C, могут быть получены с помощью ссылок на пропускную способность. Передовые конструкции с использованием специализированных методов могут достигать еще более низких температурных коэффициентов, с некоторыми точными ссылками, достигающими ниже 1 ppm/°C.

Хотя выход эталона напряжения должен быть идеально независимым от температуры, эталон напряжения реального мира демонстрирует индуцированные температурой изменения на выходе. Однако параболическая характеристика напряжения по отношению к температуре означает, что одна цифра в ppm/°C не адекватно описывает поведение цепи. Это нелинейное поведение должно учитываться при проектировании систем, которые работают в широких температурных диапазонах.

Долгосрочная стабильность

Долгосрочная стабильность, также известная как скорость старения, определяет, как эталонное напряжение будет изменяться в течение длительного периода времени. Другими словами, даже если температура, приложенное напряжение и ток нагрузки могут быть постоянными, все ссылки на напряжение будут медленно дрейфовать с течением времени. Скорость старения 15 ppm / 1000 / час означает, что через 1000 часов (около 42 дней) напряжение может быть выше или ниже его первоначального значения на 15/1 000 000 или 0,0015%.

Лабораторные стандарты вторичного твердотельного напряжения диода Зенера, используемые в метрологии, могут быть построены с дрейфом около 1 части на миллион в год. Эта исключительная стабильность делает их пригодными для калибровки и метрологии, где первостепенное значение имеет долгосрочная точность.

Типы ссылок на напряжение

Ссылки на напряжение можно разделить на несколько различных типов, каждый из которых имеет уникальные характеристики, преимущества и ограничения. Понимание этих различных архитектур помогает дизайнерам выбрать наиболее подходящую ссылку для своих конкретных требований к приложениям.

Ссылки на вольтирование Bandgap

Наиболее распространенной эталонной схемой напряжения, используемой в интегральных схемах, является эталонная схема напряжения полосового разрыва. Ссылка напряжения полосового разрыва является эталонной схемой напряжения, широко используемой в интегральных схемах. Эти ссылки используют фундаментальную физику полупроводников для создания выходного напряжения с устойчивой температурой.

Принцип действия

Разность напряжений между двумя р-n соединениями (например, диодами), работающими при различной плотности тока, используется для генерации тока, пропорционального абсолютной температуре (PTAT) в резисторе. Этот ток используется для генерации напряжения во втором резисторе. Напряжение на диоде, работающем при постоянном токе, дополняет абсолютную температуру (CTAT), с температурным коэффициентом приблизительно −2 мВ/К.

В основе эталона на основе бандгапа используются аналоговые схемы для добавления кратного разности напряжений между двумя биполярными переходами, смещенными при различных плотностях тока, к напряжению, развиваемому через диод. Диодное напряжение имеет отрицательный температурный коэффициент (то есть оно уменьшается с увеличением температуры), а разность напряжений на переходе имеет положительный температурный коэффициент. При добавлении в пропорции, необходимой для отмены этих коэффициентов, результирующее постоянное значение представляет собой напряжение, равное напряжению полосы пропускания полупроводника. В кремнии это приблизительно 1,25 В.

Путем объединения положительного ТК ΔVBE с отрицательным ТК диодного падения формируется нулевой ТК диапазонный отсчет.Эта элегантная методика температурной компенсации составляет основу для большинства современных интегрированных отсчетов напряжения.

Схема топологии

За эти годы было разработано несколько эталонных топологий пропускания диапазонов. Ссылка пропуска Widlar, введенная в начале 1970-х годов, была одной из первых коммерчески успешных реализаций. Оп-ампер приводит в действие основания транзисторов Q1 и Q2 так, что их токи коллектора идентичны (поскольку их резисторы-излучатели имеют равное значение). На этот раз разница плотности тока создается за счет того, что физическая площадь Q2 больше, чем у Q1, в коэффициенте N.

Справка о разрезе полосы Брокау, разработанная Полом Брокау в 1974 году, предлагала улучшения по сравнению с более ранними конструкциями. Эта топология обеспечивает лучшую производительность и стала основой для многих современных эталонных интегральных схем с отсчетом напряжения в полосе, широко используется в регуляторах напряжения, охватывающих большинство устройств 78xx, 79xx наряду с TL431 и дополнительными LM317 и LM337.

Преимущества и ограничения

Ссылки на Bandgap предлагают несколько существенных преимуществ. Они могут быть полностью интегрированы в стандартные CMOS или биполярные процессы, что делает их экономически эффективными и широко доступными. Ссылки на Bandgap также подходят для приложений с низким энергопотреблением. Микроконтроллеры со смешанными сигналами могут обеспечивать внутренний опорный сигнал Bandgap, который будет использоваться в качестве ссылки для любого внутреннего компаратора (ов) и аналого-цифрового преобразователя (ов).

Однако у ссылок на полосовые разрывы также есть ограничения. Поскольку эталонная полосовая разрывная связь обычно основана на устройствах и резисторах BJT, общий размер схемы может быть большим и, следовательно, дорогим для проектирования ИС. Кроме того, этот тип схемы может потреблять много энергии для достижения желаемого шума и точного спецификации. Поскольку выходное напряжение по определению фиксируется около 1,25 В для типичных эталонных цепей Si, минимальное рабочее напряжение составляет около 1,4 В.

Ссылки на Zener Diode

Также часто используются диоды Зенера для обеспечения опорного напряжения умеренной стабильности и точности, полезного для многих электронных устройств.Диод Зенера уже давно используется в справочной службе во многих некритических приложениях.До разработки опорных катушек Зенеры были основным полупроводниковым опорным решением на основе напряжения.

Наиболее устойчивые диоды этого типа изготавливаются температурно-компенсирующим диодом Зенера путем его последовательного размещения с передним диодом.Этот метод температурной компенсации помогает снизить температурный коэффициент эталона, улучшая стабильность по сравнению с температурными вариациями.

Результатом является чрезвычайно стабильный механизм разрушения подповерхностей, который имеет почти теоретический шум и не подвержен воздействию поверхностного загрязнения или оксидных эффектов. Ссылки Buried Zener, которые используют специализированные методы изготовления, могут обеспечить исключительную производительность. Ссылки Buried-Zener могут обеспечить еще более низкие уровни шума, но требуют более высоких рабочих напряжений, которые недоступны во многих устройствах с батарейным питанием.

Серия и ссылки на шторы

Ссылки на напряжение также могут быть классифицированы по их конфигурации цепи как ссылки серии или шунтирования. Ссылочная ячейка с разрядным напряжением находится в центре двух основных серий и топологий шунтирования. Ссылки серии последовательно связаны с нагрузкой и регулируют выходное напряжение путем управления потоком тока. Ссылки шанта соединены параллельно с нагрузкой и поддерживают постоянное напряжение путем переключения избыточного тока на землю.

Серийные ссылки обычно предлагают лучшее регулирование нагрузки и более низкое импедансное сопротивление, что делает их пригодными для приложений, требующих стабильного напряжения при различных условиях нагрузки. Ссылки на шантаж, с другой стороны, проще и могут быть более экономически эффективными для приложений, где нагрузка относительно постоянна. TL431, популярный трехконцевой регулируемый шунтирующий регулятор, иллюстрирует эту топологию и нашел широкое применение в цепях обратной связи источника питания и приложениях регулирования напряжения.

Передовые архитектуры ссылок

Современная технология отсчета напряжения развивалась за пределами традиционных конструкций Bandgap и Zener. Используя передовые технологии Floating Gate ArrayTM (FGATM) и Band-Gap, мы предлагаем универсальный портфель, где технология FGA отходит от традиционных конструкций кремниевых развязок, чтобы обеспечить точность и исключительную стабильность, сохраняя точный заряд на плавающей ячейке затвора - без влияния колебаний окружающей среды. Эти передовые архитектуры могут обеспечить превосходную производительность с точки зрения точности, температурной стабильности и энергопотребления.

XFET-ссылки представляют собой еще одну передовую архитектуру, которая использует согласованные JFET для создания стабильного опорного напряжения. Семейства XFET и скрытых опорных зенеров имеют лучший долгосрочный дрейф и производительность TC. Серия XFET ADR43x имеет TC с низким значением 3 ppm / ° C. Эти специализированные ссылки особенно подходят для высокоточных приложений, где требуется исключительная стабильность.

Дизайн-соображения для ссылок на точное напряжение

Разработка ссылок на прецизионное напряжение требует тщательного внимания к нескольким факторам, которые влияют на производительность. Определение правильной ссылки и ее правильное применение является более сложной задачей, чем можно было бы предположить, учитывая, что ссылки являются только 2- или 3-концевыми устройствами. Инженеры должны сбалансировать конкурирующие требования и понять компромиссы, присущие эталонной конструкции напряжения.

Дизайн температурной стабильности

Стабильность температуры часто является наиболее важной спецификацией для ссылок на прецизионное напряжение. Диапазон температур, используемый для указания темпко устройства, относится к температуре кристалла. Мощность, рассеиваемая в устройстве, может привести к разнице между температурой кристалла и температурой окружающей среды. В этом случае мы должны оценить температуру кристалла и вычислить ошибку дрейфа на основе диапазона температур кристалла.

Многие практические ссылки на напряжение, особенно компенсированные устройства с разбивкой по диапазону, имеют S-образную кривую. Эта нелинейная температурная характеристика означает, что простые линейные спецификации температурного коэффициента не рассказывают всей истории. Дизайнеры должны учитывать фактическую кривую напряжения против температуры во всем рабочем диапазоне, чтобы обеспечить адекватную производительность.

При суммировании тока PTAT и CTAT компенсируются только линейные условия тока, в то время как условия более высокого порядка ограничивают температурный дрейф (TD) эталонного диапазона пропусков около 20 ppm / ° C в диапазоне температур 100 ° C. Передовые методы компенсации могут решать эти эффекты более высокого порядка для достижения коэффициентов температуры ниже ppm / ° C.

Выбор и сопоставление компонентов

Опорная часть схемы представляет собой интегральную схему, и используются тонкопленочные резисторы с небольшим относительным температурным коэффициентом. Выбор компонентов играет решающую роль в достижении желаемой эталонной производительности. Резисторы с низкими температурными коэффициентами и плотными допусками необходимы для поддержания стабильности.

В ссылках на полосы пропускания сопоставление транзисторов имеет решающее значение для правильной работы. Для генерации стабильного опорного напряжения в этой конструкции используются устройства PTAT и CTAT. PTAT означает «пропорциональную абсолютной температуре», а CTAT означает «комплиментарную абсолютной температуре». Точность компенсации температуры напрямую зависит от того, насколько хорошо эти устройства отслеживают друг друга по температуре и изменениям процесса.

Методы сложения, такие как схемы с общим центром, помогают обеспечить хорошее соответствие между критическими компонентами. Эти методы минимизируют влияние градиентов процесса и тепловых градиентов на матрицу, улучшая общую эталонную производительность и снижая чувствительность к производственным изменениям.

Шумовое исполнение

Шумостойкость является еще одним критическим фактором при расчете прецизионного напряжения. Низкочастотный шум, часто называемый шумом 1/f или шумом мерцания, может быть особенно проблематичным в приложениях точного измерения. Шумовые характеристики эталона непосредственно влияют на разрешение и точность систем, использующих эталон.

Лучший способ сделать это - сравнить отношение шума (в пределах заданной полосы пропускания) к выходному напряжению dc. Например, ссылка 10 В с плотностью шума 100 нВ/Гц является на 6 дБ более тихой в относительном выражении, чем ссылка 5 В с тем же уровнем шума. Эта спецификация относительного шума обеспечивает более значимое сравнение между ссылками с различными выходными напряжениями.

Ссылки Buried Zener обычно предлагают самую низкую производительность шума среди ссылок на полупроводниковое напряжение, хотя они требуют более высоких рабочих напряжений. Ссылки Bandgap также могут достигать отличной производительности шума с надлежащей конструкцией, хотя они могут потребовать дополнительной фильтрации или буферизации для самых требовательных приложений.

Отказ от энергоснабжения

Отклонение мощности (PSRR) характеризует, насколько хорошо эталон напряжения отклоняет изменения в его напряжении питания. Разница потенциалов между мощностью и землей может варьироваться во время работы, и схема эталонного напряжения должна ослабить эти колебания. Хорошая PSRR необходима для поддержания точности отсчета в системах с шумными или плохо регулируемыми источниками питания.

По этой причине опорные цепи с разбивкой по диапазону напряжения являются нелинейными схемами; большое изменение напряжения питания приводит к небольшому изменению опорного напряжения. Топология цепи и методы проектирования, используемые в ссылке, значительно влияют на производительность PSRR. Тщательная конструкция внутренней регуляции и фильтрации может достигать значений PSRR, превышающих 80 дБ на низких частотах.

Регулирование нагрузки

Регулирование нагрузки описывает, как изменяется выходное напряжение с изменением тока нагрузки. Точные ссылки на напряжение должны поддерживать стабильное выходное напряжение в заданном диапазоне тока нагрузки. Выходное импеданс эталона определяет производительность регулирования нагрузки, при этом более низкое выходное импеданс обеспечивает лучшее регулирование нагрузки.

Серийные ссылки обычно предлагают лучшее регулирование нагрузки, чем шунтирующие ссылки, из-за их топологии активного регулирования. Однако оба типа могут достичь отличного регулирования нагрузки с надлежащей конструкцией. Некоторые ссылки включают внутреннюю буферизацию или схему регулирования, чтобы минимизировать импеданс выхода и улучшить регулирование нагрузки.

Стартап и стабильность

Многие опорные цепи напряжения, в частности опорные линии пропуска, могут иметь несколько стабильных рабочих точек, в том числе нежелательное состояние нулевого тока. Запускные цепи необходимы для обеспечения правильного поднятия опорных мощностей и достижения желаемой рабочей точки. Слабая дополнительная ветвь создает большой начальный дисбаланс на входе операционного усилителя, заставляя его выход идти на низком уровне. После включения цепи и достижения желаемой рабочей точки выключаются M3 и M4.

Еще одним важным соображением является стабильность петли. Петли обратной связи в пределах опор напряжения должны быть надлежащим образом компенсированы для обеспечения стабильной работы во всех рабочих условиях. Недостаточный запас фаз может привести к колебаниям или плохой переходной реакции, ухудшая опорную производительность.

Практические методы внедрения

Успешное внедрение ссылок на прецизионное напряжение требует внимания к практическим деталям, выходящему за рамки базовой схемы. Применяя ссылку, и избегая некоторых ключевых ошибок, внутренняя точность ссылки может быть сохранена. Правильные методы реализации могут сделать разницу между достижением производительности таблицы данных и неспособностью достичь целей проектирования.

PCB Layout Рассмотрение

Макет ПХБ оказывает значительное влияние на эталонную производительность напряжения. Правильная компоновка минимизирует шумовое соединение, уменьшает тепловые градиенты и обеспечивает стабильную работу. Конструкция наземной плоскости особенно важна, так как шум земли может соединяться непосредственно с эталонным выходом.

Кельвиновские соединения должны использоваться для вывода отсчета для устранения ошибок от сопротивления следу. Точка ощущений для отсчета должна быть на нагрузке, а не на самом устройстве отсчета. Этот метод гарантирует, что падение напряжения в следах ПХД не влияет на точность измерения.

Термические соображения также важны в компоновке ПХД. Ссылка должна быть размещена вдали от теплогенерирующих компонентов, таких как силовые устройства и высокоточные следы. Тепловые градиенты по ПХД могут вызывать ошибки, вызванные температурой, даже в ссылках с отличными температурными коэффициентами. Некоторые приложения могут извлечь выгоду из методов термической изоляции или контролируемых температурой сред для ссылки.

Обход и фильтрация

Для обеспечения эталонной производительности напряжения необходимо правильное обходное устройство. Обходные конденсаторы должны располагаться как можно ближе к эталонному устройству, чтобы минимизировать индуктивность и обеспечить эффективную высокочастотную фильтрацию. Для обеспечения эффективного обхода в широком диапазоне частот могут потребоваться несколько конденсаторов с различными значениями.

Для получения эталонного вывода может потребоваться также фильтрация для снижения уровня шума. Для многих применений может быть эффективен простой RC-фильтр, хотя необходимо соблюдать осторожность, чтобы фильтр не ухудшал регулирование нагрузки или не вносил проблемы с стабильностью. Для наиболее требовательных приложений могут потребоваться активные методы фильтрации для достижения требуемой шумопроизводительности.

Не менее важна фильтрация входного питания. Шум на питающем напряжении может соединяться с выходным сигналом, несмотря на PSRR ссылки. Фильтр LC или линейный регулятор на исходном сигнале могут значительно улучшить производительность в шумных средах.

Термический менеджмент

Даже ссылки с превосходными температурными коэффициентами могут демонстрировать ошибки, если не правильно управлять температурой. Самонагрев от собственного рассеивания мощности ссылки может вызвать ошибки, вызванные температурой. Температура гибки может быть значительно выше температуры окружающей среды, особенно в ссылках с более высоким покоящим током.

Термический гистерезис — это изменение значения VREF, производимое одним или несколькими тепловыми экскурсиями.Причины термического гистерезиса включают термомеханический индуцированный диэтритм из-за температурного экскурса, тип упаковки, соединение формования, материал прикрепления к матрице и саму компоновку интегральной схемы. Минимизация теплового цикла и использование пакетов с низким термическим гистерезисом может помочь уменьшить эти эффекты.

Для критических применений эталон может быть помещен в печь с контролируемой температурой для полного устранения ошибок, вызванных температурой. Такой подход распространен в высокоточных приборах и метрологических приложениях, где требуется максимальная точность.

Калибровка и обрезка

Даже самые лучшие ссылки на напряжение имеют некоторую первоначальную погрешность точности. Для приложений, требующих точности за пределами первоначальной допуска ссылки, может потребоваться калибровка или обрезка. Многие ссылки на точность включают штифты обрезки, которые позволяют регулировать выходное напряжение для компенсации первоначальных ошибок.

Системная калибровка может также использоваться для повышения точности. Измеряя опорное напряжение с известным точным стандартом и сохраняя поправочный коэффициент, система может компенсировать опорные ошибки. Такой подход особенно полезен в системах на базе микроконтроллеров, где коррекция может применяться в цифровом виде.

Периодическая перекалибровка может быть необходима для поддержания точности с течением времени из-за эффектов старения. Частота перекалибровки зависит от спецификации долгосрочной стабильности ссылки и требований к точности приложения.

Обработка и сборка

Правильная обработка во время сборки имеет решающее значение для поддержания эталонной производительности. Оставляя паяльник на прокладке слишком долго, можно привести к постоянному смещению эталонного напряжения до внекондиционного значения. Если у вас есть регулируемая температура паяльника, не переворачивайте его выше 600°F. Чрезмерное тепловое напряжение во время пайки может навсегда повредить эталонное или сместить его выходное напряжение.

Хотя большинство современных ссылок включают внутреннюю защиту от ОУР, все же следует соблюдать надлежащие процедуры обработки для предотвращения ущерба. События ОУР могут вызывать тонкую деградацию, которая может быть не сразу очевидной, но может повлиять на долгосрочную стабильность.

Специальные соображения

Различные приложения предъявляют разные требования к ссылкам на напряжение. Понимание конкретных требований вашего приложения помогает в выборе соответствующей ссылки и правильном ее выполнении.

Приложения Data Converter

Они широко используются в преобразователях данных, источниках питания, системах измерения и управления. В приложениях ADC и DAC опорное напряжение непосредственно определяет точность и разрешение преобразования. Опорный шум, стабильность температуры и долгосрочная стабильность — все это способствует общей производительности преобразователя.

Допуск ±5 мВ на отсчете 5 В соответствует абсолютной точности ±0,1%, что составляет только 10-битную точность. Для 12-битной системы выбор ссылки, которая имеет допуск ±1 мВ, может быть гораздо более целесообразным. Точность отсчета должна соответствовать разрешению преобразователя, чтобы избежать ограничения производительности системы.

Время оседания опорного устройства также важно в приложениях преобразователя данных, особенно для высокоскоростных преобразователей. Ссылка должна быть в состоянии обеспечить требуемый ток во время преобразования без значительного снижения напряжения. Некоторым приложениям может потребоваться буферный усилитель между эталоном и преобразователем для обеспечения адекватной способности привода.

Измерение и приборостроение

Применения в области измерений и приборостроения часто предъявляют самые строгие требования к эталонной производительности напряжения. Особенно важна долгосрочная стабильность, поскольку интервалы калибровки могут измеряться в месяцах или годах. Стабильность температуры должна быть отличной во всем рабочем диапазоне, а шум должен быть сведен к минимуму для сохранения разрешения измерений.

Для измерений с наивысшей точностью в пропорционально-метрической конфигурации может использоваться несколько ссылок для устранения ошибок в общем режиме. Альтернативно, эталон может периодически сравниваться с более высоким стандартом точности для обнаружения и исправления дрейфа.

В некоторых приборостроительных приложениях в качестве стандартов передачи для целей калибровки используются ссылки на прецизионное напряжение. Для этих приложений могут потребоваться ссылки с температурными коэффициентами ниже 1 ppm/°C и долгосрочной стабильностью лучше 10 ppm в год. Специализированные ссылки, предназначенные для метрологических приложений, могут удовлетворять этим требовательным требованиям.

Системы с низким напряжением и питанием от батарей

Системы с батарейным питанием и низким напряжением представляют уникальные проблемы для эталонной конструкции напряжения. Поэтому в недавней работе основное внимание уделяется поиску альтернативных решений, в которых, например, суммируются токи вместо напряжений, что приводит к более низкому теоретическому пределу рабочего напряжения. Традиционные ссылки на пропускную способность с выходами 1,25 В могут не подходить для систем, работающих от одноклеточных батарей.

Низковольтные ссылки на пропускную способность, иногда называемые ссылками на подзарядную или фракционную пропускную способность, могут работать с напряжением питания ниже 1,5 В и обеспечивать опорные напряжения значительно ниже 1 В. Кроме того, существует группа ссылок на пропускную способность, называемых фракционными пропусками, которые могут создавать выходные напряжения до нескольких милливольт. Эти специализированные ссылки позволяют точные аналоговые схемы в низковольтных приложениях.

Потребление энергии имеет решающее значение в приложениях, работающих на батареях. X60008C обеспечивает точность 5.000V в пределах 500 мкВ (.01%), имеет низкий температурный коэффициент 5 ppm / ° C, низкую скорость старения 10 ppm / 1000 часов и невероятно низкую потребность в токе питания 800 нА. Ультранизкое энергопотребление может работать с токами питания в диапазоне наноамперов, что позволяет годами автономной работы в портативных инструментах.

Высокотемпературные приложения

Приложения, работающие при повышенных температурах, такие как автомобильные, промышленные и аэрокосмические системы, требуют отсылок с превосходными высокотемпературными характеристиками. Стандартные коммерческие ссылки обычно работают до 85 °C или 125 °C, но некоторые приложения требуют работы до 150°C или выше.

Высокотемпературные ссылки должны поддерживать точность и стабильность в расширенном температурном диапазоне. Спецификация температурного коэффициента становится еще более критической, поскольку общая ошибка, вызванная температурой, пропорциональна температурному диапазону. Выбор пакета также важен, поскольку некоторые типы пакетов имеют лучшую надежность при высоких температурах, чем другие.

Тепловой гистерезис может быть более выраженным при высоких температурах. В ссылках, предназначенных для высокотемпературной работы, обычно используются специализированные материалы для крепления штампов и конструкции упаковки для минимизации ошибок, вызванных напряжением при тепловом цикле.

Тестирование и характеристика

Правильное тестирование и характеристика эталонов напряжения необходимы для проверки производительности и обеспечения их соответствия требованиям приложения. Понимание методов испытаний и их ограничений помогает в интерпретации спецификаций таблицы данных и проверке эталонной производительности в фактическом приложении.

Первоначальная проверка точности

Первоначальная точность обычно измеряется при 25°C с использованием калиброванного вольтметра или стандарта напряжения. Для получения значимых результатов точность измерения должна быть значительно лучше, чем эталонная толерантность. Для ссылок с допусками в несколько милливольт или менее обычно требуется 6,5-значный или лучший вольтметр.

Настройка измерения должна минимизировать ошибки от тепловых ЭМП, шума и эффектов нагрузки.Правильное экранирование и фильтрация помогают уменьшить шум, в то время как соединения Кельвина устраняют ошибки от сопротивления свинцу.Ссылка должна быть разрешена для стабилизации в течение достаточного времени до измерения, так как некоторые ссылки требуют минут или даже часов, чтобы достичь окончательной точности после включения питания.

Измерение коэффициента температуры

Общий метод (определение) называется «методом Бокса», который использует следующее уравнение: Этот метод рассматривает погрешность в заданном температурном диапазоне (Tmax - Tmin). В этом температурном диапазоне вычитается максимум и минимум выхода, чтобы найти максимальное изменение выхода (Vmax - Vmin). Максимальное изменение выхода делится на температурный диапазон, умноженный на номинальное выходное значение (Vnominal).

Для испытания температурного коэффициента требуется камера температуры, способная к точному контролю и измерению температуры. До измерения эталонная температура должна быть стабилизирована в каждой температурной точке, поскольку тепловые временные константы могут быть значительными. Для характеристики тепловых эффектов гистерезиса могут потребоваться несколько температурных циклов.

Важно отметить, что спецификация tempco не дает нам никакой информации о форме изменений, вызванных температурой. Она только позволяет нам вычислить максимальную ошибку, которая может произойти в заданном температурном диапазоне. Для критических применений измерение полной кривой напряжения против температуры дает больше информации, чем одно число коэффициента температуры.

Измерение шума

Измерение шума требует специализированного оборудования и методов. Низкочастотный шум обычно характеризуется измерением выходного напряжения с течением времени и вычислением спектральной плотности мощности. Для усиления эталонного выхода на уровень, пригодный для измерения, может потребоваться усилитель с низким уровнем шума без добавления значительного шума.

Измерение полосы пропускания и времени интеграции должно быть указано, поскольку спецификации шума зависят от частоты.Измерения шума от пика до пика по заданной полосе частот являются общими для ссылок, используемых в приложениях преобразователя данных, в то время как измерения плотности спектрального шума предоставляют более подробную информацию для анализа и моделирования.

Долгосрочное тестирование стабильности

Долгосрочное тестирование стабильности является трудоемким и дорогостоящим, поскольку требует мониторинга эталонного напряжения в течение длительных периодов.Ускоренные испытания на старение при повышенной температуре могут предоставить некоторую информацию о долгосрочной стабильности в более короткие сроки, хотя корреляция между ускоренным и реальным старением не всегда идеальна.

Для критических приложений, требующих проверки долгосрочной стабильности, эталон можно периодически сравнивать с известным стабильным стандартом в течение месяцев или лет.Статистический анализ данных дрейфа помогает прогнозировать будущие показатели и определять соответствующие интервалы калибровки.

Продвинутые темы в Voltage Reference Design

Современная конструкция эталона напряжения продолжает развиваться, с продолжающимися исследованиями, направленными на фундаментальные ограничения и разработку новых архитектур для повышения производительности.

Компенсация кривизны

Традиционные ссылки на полосовые разряды компенсируют только температурную зависимость первого порядка, оставляя более высокие условия, ограничивающие температурную стабильность. В 2012 году Андреу еще больше улучшил нелинейную компенсацию высокого порядка, используя второй операционный усилитель вместе с дополнительной ножкой резистора в точке, где суммируются два тока. Этот метод еще больше усилил коррекцию кривизны и достиг превосходной производительности TD в более широком температурном диапазоне. Кроме того, он достиг улучшенной регулировки линии и более низкого шума.

Методы компенсации кривизны могут уменьшить температурный дрейф до уровня ниже 2 ppm/°C в промышленных температурных диапазонах. Эти методы обычно включают в себя создание дополнительных температурно-зависимых терминов, которые отменяют температурную зависимость более высокого порядка основного ядра с разреженной полосой. Добавленная сложность оправдана в приложениях, требующих максимальной температурной стабильности.

Методы обрезки и калибровки

Современные ссылки на напряжение часто включают обрезку во время производства для повышения начальной точности и температурного коэффициента. Это улучшение точности стало возможным благодаря уникальной запатентованной многоточечной лазерной методике компенсации. Лазерная обрезка тонкопленочных резисторов позволяет точно регулировать эталонные характеристики после изготовления.

Цифровая обрезка с использованием энергонезависимой памяти обеспечивает альтернативу лазерной обрезке. Опорные характеристики измеряются во время испытания, а значения коррекции хранятся в EEPROM или другой энергонезависимой памяти. Опорная схема затем применяет эти поправки для достижения желаемой производительности. Такой подход обеспечивает гибкость и может компенсировать несколько параметров одновременно.

Процесс и технологические соображения

Напряжение в виде полосы кремния при нулевом кельвине V GO является физической постоянной, независимой от процесса, напряжения питания и температуры. Поэтому точное извлечение этого напряжения поможет в проектировании точечных опорных цепей напряжения или тока. Понимание фундаментальной физики, лежащей в основе опор напряжения, помогает в разработке улучшенных конструкций и архитектур.

Различные полупроводниковые процессы предлагают различные компромиссы для эталонной конструкции напряжения. Биполярные процессы обеспечивают отличное соответствие транзисторов и хорошо контролируемые температурные коэффициенты, что делает их идеальными для точного обращения. Процессы CMOS предлагают более низкую стоимость и более легкую интеграцию с цифровой схемой, хотя достижение сопоставимой производительности требует более сложных методов проектирования.

Процессы BiCMOS сочетают в себе преимущества обеих технологий, предлагая прецизионные биполярные устройства для эталонного ядра вместе с схемой CMOS для вспомогательных функций. Эта комбинация позволяет использовать высокопроизводительные ссылки с интегрированными функциями, такими как буферизация, обрезка и датчик температуры.

Альтернативные полупроводниковые материалы

Арсенид галлия (GaAs) является одним из материалов, которые могут быть использованы для построения опорной цепи с напряжением полосы пропускания. Наиболее распространены ссылки на напряжение полосы пропускания SI (Silicon), которые выдают при ~1.2 В. GaAs также можно использовать для создания опорного источника с выходом большего напряжения, благодаря более широкому разрыву полосы 1,42 эВ. В то время как кремний остается доминирующим материалом для опор напряжения, альтернативные полупроводники предлагают уникальные преимущества для специализированных приложений.

В принципе, любой полупроводник может быть использован для создания эталона напряжения полосового разрыва, если он может быть нанесен на стандартные материалы пластин. По этой причине обычно используются ссылки Si-диапазона, поскольку они могут быть включены в ИС с процессами CMOS. Практические соображения производства и интеграции обычно перевешивают теоретические преимущества альтернативных материалов для большинства применений.

Общие ошибки и решения дизайна

Даже опытные дизайнеры могут столкнуться с проблемами при реализации ссылок на напряжение. Понимание общих подводных камней и их решений помогает избежать этих проблем и достичь оптимальной производительности.

Неадекватное обходное

Недостаточные или неправильно расположенные шунтирующие конденсаторы являются общим источником проблем.Обходной конденсатор должен располагаться как можно ближе к эталонному устройству, с короткими низкоиндуктивными соединениями.Использование нескольких конденсаторов разных значений обеспечивает эффективное обход в широком диапазоне частот.

Тип конденсатора также имеет значение. Керамические конденсаторы предлагают низкие ESR и ESL, но могут иметь значительные коэффициенты напряжения и температуры. Конденсаторы пленки обеспечивают более стабильную емкость, но являются более крупными и более дорогими. Выбор зависит от конкретных требований и ограничений применения.

Наземные петли и шумовое соединение

Наземные петли могут вводить шум в исходный выход, снижая производительность. Использование конфигурации звездного грунта с отдельными аналоговыми и цифровыми основаниями помогает минимизировать наземный шум. Опорный грунт должен подключаться непосредственно к системному грунту в одной точке, избегая тока через опорный грунтовый путь.

Шумовое соединение из соседних цепей также может ухудшить эталонную производительность. Правильное экранирование и отделение от источников шума помогает поддерживать чистый эталонный выход. Охранные кольца вокруг эталона на ПХД могут обеспечить дополнительную изоляцию от шума.

Термические проблемы

Размещение эталона вблизи теплогенерирующих компонентов может вызвать температурные ошибки даже при превосходных спецификациях температурного коэффициента.Ссылка должна располагаться в термически стабильной области ПХБ, вдали от силовых устройств, следов высокого тока и других источников тепла.

Самонагрев от собственного рассеивания мощности эталона также может вызвать ошибки. Ссылки с более высоким током покоя рассеивают больше энергии и могут потребовать управления температурой. Использование ссылки с более низким током покоя или обеспечение лучшей тепловой связи с ПХД может помочь минимизировать эффекты самонагрева.

Эффекты нагрузки

Избыточный ток нагрузки может привести к падению выходного напряжения отсчета из-за конечного импеданса отсчета. Ток нагрузки должен поддерживаться в пределах заданного диапазона отсчета для поддержания точности. Если требуется более высокий ток нагрузки, между эталоном и нагрузкой должен использоваться буферный усилитель.

Емкостная нагрузка может вызвать проблемы с стабильностью в некоторых ссылках. В справочной таблице данных должна указываться максимально допустимая емкостная нагрузка. Если для фильтрации или хранения энергии требуется большая емкость, можно добавить последовательный резистор для изоляции емкости от эталонного вывода, хотя это ухудшает регулирование нагрузки.

Проблемы напряжения поставок

Работа эталона вне заданного диапазона напряжения питания может привести к ухудшению или отказу производительности. Напряжение питания должно оставаться в пределах границ таблицы данных при всех условиях работы, включая переходные периоды запуска и наихудшие условия нагрузки.

Подача напряжения рябь и шум может соединиться с исходным выходом, несмотря на ссылку PSRR. Адекватная подача фильтрации имеет важное значение, особенно на частотах, где ссылка PSRR уменьшается. Линейный регулятор или LC фильтр на исходный источник питания может значительно улучшить производительность в шумных средах.

Будущие тенденции в технологии референтных напряжённостей

Технология эталонного напряжения продолжает развиваться, что обусловлено требованиями к более высокой точности, более низкому энергопотреблению и лучшей интеграции с современными электронными системами.

Ультранизкосиловые ссылки

Распространение систем, работающих от батарей и энергосберегающих, стимулирует спрос на ссылки на напряжение сверхнизкой мощности. Современные ссылки могут работать с токами питания в диапазоне наноамперов при сохранении хорошей точности и температурной стабильности. Будущие разработки, вероятно, будут еще меньше стимулировать потребление энергии при одновременном повышении производительности.

Такие методы, как работа в рабочем цикле и динамическое смещение, позволяют ориентирам достигать чрезвычайно низкого среднего энергопотребления. Эти подходы особенно подходят для приложений, где эталон необходим только периодически, например, периодические измерения датчиков в устройствах IoT.

Интеграция и System-on-Chip

Увеличение интеграции аналоговых и цифровых функций на одном чипе создает как проблемы, так и возможности для эталонной конструкции напряжения. Ссылки должны работать в шумных цифровых средах при сохранении точности аналоговых характеристик. Передовые методы изоляции и тщательная компоновка помогают достичь этой цели.

Конструкции системы на кристалле могут включать в себя несколько ссылок, оптимизированных для различных функций. Например, ссылка с высокой точностью для ADC, ссылка с низкой мощностью для всегда включенного мониторинга и ссылка с быстрой установкой для динамических приложений. Интеграция обрезки, калибровки и датчика температуры с ссылкой позволяет самокалибровочные системы, которые поддерживают точность с течением времени и температурой.

Передовые методы компенсации

Цифровые методы компенсации и калибровки позволяют повысить производительность сверх того, что достижимо с помощью чисто аналоговых подходов. Датчики температуры, интегрированные со эталоном, позволяют осуществлять цифровую коррекцию ошибок, вызванных температурой, достигая температурных коэффициентов ниже 1 ppm/°C. Калибровка на основе времени может компенсировать эффекты старения, сохраняя точность в течение срока службы продукта.

Машинное обучение и адаптивные алгоритмы могут играть роль в будущих системах отсчета напряжения.Изучая поведение отсчета с течением времени и условиями окружающей среды, эти системы могут прогнозировать и компенсировать дрейф и другие долгосрочные эффекты, уменьшая или устраняя необходимость периодической калибровки.

Новые архитектуры и материалы

Продолжаются исследования новых эталонных архитектур напряжения, которые преодолевают фундаментальные ограничения традиционных конструкций. Стандарты напряжения на квантовой основе обеспечивают максимальную точность и стабильность, хотя практическая реализация остается сложной. Ссылки на основе MEMS используют механические резонансы для создания стабильных источников напряжения с уникальными характеристиками.

Новые полупроводниковые материалы и процессы могут обеспечить улучшенные ссылки на напряжение. Полупроводники с широким диапазоном частот, такие как карбид кремния и нитрид галлия, предлагают преимущества для высокотемпературной работы. Расширенные процессы CMOS с меньшими размерами характеристик позволяют создавать более сложные эталонные конструкции с лучшим соответствием и меньшим потреблением энергии.

Заключение

Точные ссылки на напряжение являются фундаментальными строительными блоками в современных электронных системах, позволяющими проводить точные измерения, стабильные системы управления и высокопроизводительное преобразование данных.Понимание теории, лежащей в основе ссылок на напряжение, от базовой физики полупроводников до передовых методов компенсации, обеспечивает основу для успешной разработки и применения эталона.

Практические соображения, такие как компоновка ПХД, управление температурой и надлежащее обход, одинаково важны, как и теоретические аспекты. Даже лучшая ссылка на напряжение не сможет достичь своей потенциальной производительности, если она не будет правильно реализована. Внимание к деталям во всех аспектах конструкции, от выбора компонентов до тестирования и характеристики, имеет важное значение для достижения оптимальных результатов.

По мере того, как электронные системы становятся все более сложными и требовательными, эталонные ссылки на напряжение должны идти в ногу со временем, обеспечивая все более высокую точность, стабильность и интеграцию, потребляя при этом меньше энергии и занимая меньше места.

Для инженеров, работающих с точными аналоговыми схемами, неоценимо глубокое понимание принципов эталонной конструкции напряжения и практических методов реализации. Независимо от того, разрабатывается ли простая измерительная система или сложная измерительная платформа, эталонная часто определяет предельные показатели производительности системы. Тщательно рассматривая все аспекты выбора, проектирования и реализации эталона, инженеры могут создавать системы, которые достигают своих целей производительности надежно и экономически эффективно.

Дополнительные ресурсы

Для тех, кто стремится углубить свои знания о конструкции эталона напряжения, доступны многочисленные ресурсы. Примечания к приложениям производителя предоставляют практическое руководство по использованию конкретных эталонных устройств и решению общих проблем реализации. Академические статьи и учебники предлагают подробные теоретические методы обработки эталонных схем напряжения и физики полупроводников. Онлайн-сообщества и форумы предоставляют возможности учиться на опыте других инженеров и обсуждать сложные проблемы проектирования.

Ключевые ресурсы включают в себя Приложения Аналоговых Устройств по ссылкам на напряжение , которые обеспечивают всеобъемлющий охват теории и применения ссылок. Все о схемах предлагает технические статьи , объясняющие спецификации ссылок на напряжение и соображения дизайна. Журналы IEEE публикуют передовые исследования по передовым архитектурам ссылок на напряжение и методам компенсации.

Практический опыт неоценим для развития интуиции в отношении эталонного поведения напряжения. Создание и тестирование эталонных схем, измерение их производительности в различных условиях и проблемы устранения неполадок обеспечивают понимание, которое невозможно получить только от чтения. Многие производители ссылок предлагают оценочные платы, которые упрощают экспериментирование и характеристику.

По мере развития технологий и появления новых приложений важность точного определения напряжения будет только возрастать. Инженеры, которые овладеют принципами и практикой проектирования эталонного напряжения, будут хорошо оснащены для решения задач электронных систем завтрашнего дня, создавая инновационные решения, которые расширяют границы точности измерений, производительности системы и энергоэффективности.