Температурно-независимый источник опорного напряжения.

Введение

Справочное напряжение, не зависящее от температуры.
Источник опорного напряжения на основе запрещенной зоны – это широко используемая в интегральных схемах схема опорного напряжения. Он генерирует практически постоянное напряжение, соответствующее теоретической ширине запрещенной зоны конкретного полупроводника, с очень небольшими колебаниями при изменении напряжения питания, электрической нагрузки, времени и температуры (по состоянию на 1999 год, типичная начальная погрешность составляет 0,5–1,0%, а температурный коэффициент – 25–50 ppm/°C). Дэвид Хилбибер из Fairchild Semiconductor подал заявку на патент в 1963 году и опубликовал эту концепцию схемы в 1964 году. Боб Видлар, Пол Брокау и другие разработали другие коммерчески успешные варианты.

Операция

Различие напряжения между двумя p–n-переходами (например, диодами), работающими при разных плотностях тока, используется для генерации тока, пропорционального абсолютной температуре (PTAT) в резисторе. Этот ток используется для генерации напряжения во втором резисторе. Это напряжение, в свою очередь, добавляется к напряжению одного из переходов (или третьего, в некоторых реализациях). Напряжение на диоде, работающем при постоянном токе, является комплементарным абсолютной температуре (CTAT) с температурным коэффициентом приблизительно −2 мВ/К. Если соотношение между первым и вторым резистором выбрано правильно, эффекты первого порядка температурной зависимости диода и тока PTAT будут скомпенсированы. Хотя ширина запрещенной зоны кремния (Si) при 0K технически составляет 1,165 эВ, схема по сути линейно экстраполирует кривую зависимости ширины запрещенной зоны от температуры для определения немного более высокой, но точной опорной точки около 1,2–1,3 В (конкретное значение зависит от конкретной технологии и конструкции схемы); остаточное изменение напряжения в рабочем диапазоне температур типичных интегральных схем составляет порядка нескольких милливольт. Эта температурная зависимость имеет типичное параболическое остаточное поведение, поскольку эффекты линейного (первого порядка) были выбраны для компенсации. Поскольку выходное напряжение по определению фиксировано около 1,25 В для типичных схем с опорным напряжением на основе ширины запрещенной зоны Si, минимальное рабочее напряжение составляет около 1,4 В, поскольку в схеме CMOS необходимо добавить хотя бы одно напряжение исток-затвор полевого транзистора (FET). Поэтому недавние работы сосредоточены на поиске альтернативных решений, в которых, например, суммируются токи вместо напряжений, что приводит к более низкому теоретическому пределу рабочего напряжения. была разработана топология схемы, способная компенсировать нелинейности высокого порядка, тем самым достигая улучшенного TD. В 2012 году Андреу дополнительно улучшил компенсацию нелинейностей высокого порядка, используя второй операционный усилитель вместе с дополнительным резисторным плечом в точке суммирования двух токов. Этот метод еще больше улучшил коррекцию кривизны и достиг превосходных характеристик TD в более широком диапазоне температур. Кроме того, были улучшены регулировка по линии и снижен уровень шума. Другой критический вопрос при проектировании опорных напряжений на основе ширины запрещенной зоны – это энергоэффективность и размер схемы. Поскольку опорное напряжение на основе ширины запрещенной зоны обычно основано на BJT-транзисторах и резисторах, общий размер схемы может быть большим и, следовательно, дорогим для проектирования интегральных схем. Более того, такая схема может потреблять много энергии для достижения требуемых характеристик по шуму и точности. Несмотря на эти ограничения, опорное напряжение на основе ширины запрещенной зоны широко используется в регуляторах напряжения, охватывая большинство устройств 78xx, 79xx, а также TL431 и комплементарные LM317 и LM337. Температурные коэффициенты до 1,5–2,0 ppm/°C могут быть получены с использованием опорных напряжений на основе ширины запрещенной зоны. Однако параболическая характеристика напряжения от температуры означает, что одно значение в ppm/°C неадекватно описывает поведение схемы. В технических характеристиках производителей указано, что температура, при которой достигается пик (или минимум) кривой напряжения, подвержена нормальным колебаниям образцов в процессе производства. Опорные напряжения на основе ширины запрещенной зоны также подходят для применений с низким энергопотреблением. Микроконтроллеры со смешанными сигналами могут предоставлять внутренний опорный сигнал для использования в качестве опорного сигнала для любых внутренних компараторов и аналого-цифровых преобразователей.

The voltage difference between two p–n junctions (e. g. diodes), operated at different current densities, is used to generate a current that is proportional to absolute temperature (PTAT) in a resistor. This current is used to generate a voltage in a second resistor. This voltage in turn is added to the voltage of one of the junctions (or a third one, in some implementations). The voltage across a diode operated at constant current is complementary to absolute temperature (CTAT), with a temperature coefficient of approximately −2mV/K. If the ratio between the first and second resistor is chosen properly, the first order effects of the temperature dependency of the diode and the PTAT current will cancel out. Although silicon's (Si) band gap at 0K is technically 1.165eV, the circuit essentially linearly extrapolates the bandgap–temperature curve to determine a slightly higher but precise reference around 1.2–1.3V (the specific value depends on the particular technology and circuit design); the remaining voltage change over the operating temperature of typical integrated circuits is on the order of a few millivolts. This temperature dependency has a typical parabolic residual behavior since the linear (first order) effects are chosen to cancel. Because the output voltage is by definition fixed around 1.25V for typical Si bandgap reference circuits, the minimum operating voltage is about 1.4V, as in a CMOS circuit at least one drain source voltage of a field effect transistor (FET) has to be added. Therefore, recent work concentrates on finding alternative solutions, in which for example currents are summed instead of voltages, resulting in a lower theoretical limit for the operating voltage. designed a circuit topology that can compensate high order non linearities, thus achieving an improved TD. This design used an improved version of Banba's In 2012, Andreou has further improved the high order non linear compensation by using a second operational amplifier along with an additional resistor leg at the point where the two currents are summed up. This method enhanced further the curvature correction and achieved superior TD performance over a wider temperature range. In addition it achieved improved line regulation and lower noise. The other critical issue in design of bandgap references is power efficiency and size of circuit. As a bandgap reference is generally based on BJT devices and resistors, the total size of circuit could be large and therefore expensive for IC design. Moreover, this type of circuit might consume a lot of power to reach to the desired noise and precision specification. Despite these limitations, the band gap voltage reference is widely used in voltage regulators, covering the majority of 78xx, 79xx devices along with the TL431 and the complementary LM317 and LM337. Temperature coefficients as low as 1.5–2.0ppm/°C can be obtained with bandgap references. However, the parabolic characteristic of voltage versus temperature means that a single figure in ppm/°C does not adequately describe the behavior of the circuit. Manufacturers' data sheets show that the temperature at which the peak (or trough) of the voltage curve occurs is subject to normal sample variations in production. Bandgap references are also suited for low power applications. Mixed signal microcontrollers may provide an internal bandgap reference signal to be used as reference for any internal comparator(s) and analog to digital converter(s).

Патенты

1966, Патент США 3271660, источник опорного напряжения, Дэвид Хилбибер. 1971, Патент США 3617859, электрический регулятор, включающий схему опорного напряжения с нулевым температурным коэффициентом, Роберт Добкин и Роберт Видлар. 1981, Патент США 4249122, интегральные схемы опорного напряжения с температурной компенсацией, Роберт Видлар. 1984, Патент США 4447784, схема опорного напряжения с температурной компенсацией, Роберт Добкин.