Кіріспе
Температураға тәуелсіз референттік кернеу. Торап аралығы кернеуінің эталондық жүйесі – интегралдық схемаларда кеңінен қолданылатын кернеудің эталондық схемасы. Ол белгілі бір жартылай өткізгіштің теориялық торап аралығына сәйкес келетін дерлік тұрақты кернеуді қамтамасыз етеді, қуат көзінің, электр жүктемесінің, уақыттың және температураның өзгеруінен туындаған ауытқулар өте аз. (1999 жылға дейін, олардың бастапқы қатесі 0,5–1,0% және температуралық коэффициенті 25–50 ppm/°C құрады). Дэвид Хилбибер 1963 жылы Fairchild Semiconductor компаниясында патент алды және 1964 жылы осы схемалық тұжырымдаманы жариялады. Боб Видлар, Пол Брокау және басқалар коммерциялық сәттілікке жеткен басқа нұсқаларын ұсынды.
A bandgap voltage reference is a voltage reference circuit widely used in integrated circuits. It produces an almost constant voltage corresponding to the particular semiconductor's theoretical band gap, with very little fluctuations from variations of power supply, electrical load, time, temperature (as of 1999, they typically have an initial error of 0.5–1.0% and a temperature coefficient of 25–50 ppm/°C). David Hilbiber of Fairchild Semiconductor filed a patent in 1963 and published this circuit concept in 1964. Bob Widlar, Paul Brokaw and others followed up with other commercially successful versions.
Операция
Әр түрлі ток тығыздығында жұмыс істейтін екі pn-түйіннің (мысалы, диодтардың) арасындағы кернеу айырмасы резисторда абсолютті температураға (PTAT) пропорционалды ток тудыру үшін пайдаланылады. Бұл ток екінші резисторда кернеу тудыру үшін қолданылады. Бұл кернеу өз кезегінде біреуіне (немесе кейбір жағдайларда үшіншіге) қосылады. Тұрақты токпен жұмыс істейтін диодтағы кернеу абсолютті температураға (CTAT) кері пропорционалды, температура коэффициенті шамамен -2 мВ/К құрайды. Егер бірінші және екінші резисторлардың арақатынасы дұрыс таңдалса, диодтың температураға тәуелділігі мен PTAT тогының бірінші реттік әсерлері өшіріледі. Кремнийдің (Si) 0K температурадағы энергиялық аралығы техникалық тұрғыдан 1.165эВ болғанымен, схема энергиялық аралық-температура қисығын сызықтық түрде экстраполяциялап, 1.2–1.3В шамасындағы сәл жоғарырақ, бірақ дәл анықтаманы анықтайды (нақты мәні нақты технология мен схема дизайнына байланысты); әдеттегі интегралдық схемалардың жұмыс температурасы бойынша қалған кернеу өзгерісі бірнеше милливольтқа жуық. Бұл температураға тәуелділік әдеттегі параболалық қалдық мінез-құлыққа ие, себебі сызықтық (бірінші реттік) әсерлерді өшіру үшін таңдалады. Шығу кернеуі, әдеттегі Si энергиялық аралық анықтама тізбектері үшін 1.25В шамасында бекітілгендіктен, ең төменгі жұмыс кернеуі шамамен 1.4В құрайды, өйткені CMOS тізбегінде кем дегенде бір далалық эффектті транзистордың (FET) дренаж-көз кернеуі қосылуы керек. Сондықтан, соңғы жұмыстар кернеулердің орнына токтарды қосатын балама шешімдерді табуға бағытталған, нәтижесінде жұмыс кернеуінің төменгі теориялық шегі төмендейді. белгілі бір топологиялық схеманы жобалады, ол жоғары реттік сызықтық емес бұрмалауларды өтеуге қабілетті, осылайша TD-ны жақсартады. Бұл жоба Banba-ның жақсартылған нұсқасын пайдаланды. 2012 жылы Андреу екінші операциялық күшейткішті және екі ток жиналатын жерде қосымша кедергі тармағын қолдану арқылы жоғары реттік сызықтық емес өтемақыны одан әрі жақсартты. Бұл әдіс қисықтықты түзетуді одан әрі жақсартты және кең температуралық диапазон бойынша жоғары TD өнімділігіне қол жеткізді. Сонымен қатар, ол желілік реттелуді жақсартты және шуды төмендетті. Энергиялық аралық анықтамаларын жобалаудағы тағы бір маңызды мәселе – қуат тиімділігі және схеманың мөлшері. Энергиялық аралық анықтамасы әдетте BJT құрылғылары мен резисторларға негізделгендіктен, схеманың жалпы мөлшері үлкен болуы мүмкін, сондықтан интегралдық схеманы жобалау үшін қымбат болуы мүмкін. Сонымен қатар, мұндай схемалар қажетті шу мен дәлдік сипаттамаларына жету үшін көп қуатты тұтынуы мүмкін. Осы шектеулерге қарамастан, энергиялық аралық кернеу анықтамасы кернеуді реттегіштерде кеңінен қолданылады, 78xx, 79xx құрылғыларының көпшілігін, сондай-ақ TL431 және қосымша LM317 және LM337 құрылғыларын қамтиды. Энергиялық аралық анықтамаларымен 1.5–2.0ppm/°C дейін төмен температура коэффициенттерін алуға болады. Алайда, кернеу мен температураның параболалық сипаттамасы схеманың мінез-құлқын толық сипаттау үшін ppm/°C көрсеткішінің бір ғана саны жеткіліксіз екенін білдіреді. Өндірушілердің деректер кестелерінде кернеу қисығының ең жоғары (немесе ең төменгі) температурасы өндірістегі үлгілердің қалыпты ауытқуына байланысты екені көрсетілген. Энергиялық аралық анықтамалары төмен қуатты қолданулар үшін де қолайлы. Аралас сигналды микробасқарушылар кез келген ішкі салыстырғыштар мен аналогты-цифрлық түрлендіргіштер үшін сілтеме ретінде пайдаланылатын ішкі энергиялық аралық анықтама сигналын қамтамасыз ете алады.
Патенттер
1966 ж., АҚШ патенті 3271660, Дэвид Хилбибердің сілтемелік кернеу көзі. 1971 ж., АҚШ патенті 3617859, нөлдік температуралық коэффициенті бар кернеулік сілтемелік тізбегі бар электрлік реттегіш құрылғы, Роберт Добкин және Роберт Видлар. 1981 ж., АҚШ патенті 4249122, Температураға түзетілген жолақты IC кернеу сілтемелері, Роберт Видлар. 1984 ж., АҚШ патенті 4447784, Температураға түзетілген жолақты кернеудің сілтемелік тізбегі, Роберт Добкин.