Bandgap spänningsreferens
En bandgap spänningsreferens är en temperaturoberoende spänningsreferenskrets som ofta används i integrerade kretsar . Den producerar en fast (konstant) spänning oavsett strömförsörjningsvariationer, temperaturförändringar eller kretsbelastning från en enhet. Den har vanligtvis en utspänning runt 1,25 V (nära det teoretiska 1,22 eV (0,195 aJ ) bandgapet för kisel vid 0 K ). Detta kretskoncept publicerades först av David Hilbiber 1964. Bob Widlar , Paul Brokaw och andra följde upp med andra kommersiellt framgångsrika versioner.
Drift
Spänningsskillnaden mellan två p–n-övergångar (t.ex. dioder ), som drivs vid olika strömtätheter, används för att generera en ström som är proportionell mot den absoluta temperaturen ( PTAT ) i ett motstånd. Denna ström används för att generera en spänning i ett andra motstånd. Denna spänning läggs i sin tur till spänningen för en av korsningarna (eller en tredje, i vissa implementeringar). Spänningen över en diod som drivs med konstant ström är komplementär till absolut temperatur ( CTAT ), med en temperaturkoefficient på cirka −2 mV/K. Om förhållandet mellan det första och andra motståndet väljs på rätt sätt, kommer de första ordningens effekter av diodens temperaturberoende och PTAT-strömmen att upphöra. Den resulterande spänningen är cirka 1,2–1,3 V, beroende på den speciella tekniken och kretsdesignen, och är nära det teoretiska 1,22 eV bandgapet för kisel vid 0 K . Den återstående spänningsändringen över driftstemperaturen för typiska integrerade kretsar är i storleksordningen några millivolt. Detta temperaturberoende har ett typiskt paraboliskt restbeteende eftersom de linjära (första ordningens) effekterna är valda för att upphäva.
Eftersom utspänningen per definition är fixerad runt 1,25 V för typiska bandgap-referenskretsar, är den lägsta driftspänningen cirka 1,4 V, eftersom i en CMOS- krets måste minst en drain-source-spänning hos en fälteffekttransistor (FET) vara Lagt till. Därför koncentreras det senaste arbetet på att hitta alternativa lösningar, där till exempel strömmar summeras istället för spänningar, vilket resulterar i en lägre teoretisk gräns för driftspänningen.
Den första bokstaven i akronymen, CTAT, tolkas ibland felaktigt för att representera konstant snarare än komplementär . Termen, konstant med temperatur ( CWT ), finns för att lösa denna förvirring, men är inte i utbredd användning.
När man summerar en PTAT- och en CTAT-ström kompenseras endast de linjära termerna för ström, medan termerna av högre ordning begränsar temperaturdriften (TD) för bandgapsreferensen till cirka 20 ppm/°C, över ett temperaturområde på 100 °C. Av denna anledning, 2001, designade Malcovati en kretstopologi som kan kompensera icke-linjäriteter av hög ordning, och därmed uppnå en förbättrad TD. Denna design använde en förbättrad version av Banbas topologi och en analys av bas-emittertemperatureffekter som utfördes av Tsividis 1980. Under 2012 har Andreou ytterligare förbättrat den icke-linjära kompensationen av hög ordning genom att använda en andra operationsförstärkare tillsammans med en ytterligare motståndsben vid den punkt där de två strömmarna summeras. Denna metod förbättrade krökningskorrigeringen ytterligare och uppnådde överlägsen TD-prestanda över ett bredare temperaturområde. Dessutom uppnåddes förbättrad linjereglering och lägre buller .
Den andra kritiska frågan vid design av bandgapreferenser är effekteffektivitet och kretsstorlek. Eftersom en bandgapsreferens i allmänhet är baserad på BJT- enheter och motstånd, kan den totala storleken på kretsen vara stor och därför dyr för IC-design. Dessutom kan denna typ av krets förbruka mycket ström för att nå önskad brus- och precisionsspecifikation.
Trots dessa begränsningar används bandgap-spänningsreferensen flitigt i spänningsregulatorer, och täcker majoriteten av 78xx, 79xx-enheterna tillsammans med LM317, LM337 och TL431- enheterna . Temperaturkoefficienter så låga som 1,5–2,0 ppm/°C kan erhållas med bandgapsreferenser. Men den paraboliska karaktäristiken för spänning kontra temperatur betyder att en enda siffra i ppm/°C inte på ett adekvat sätt beskriver kretsens beteende. Tillverkarnas datablad visar att temperaturen vid vilken toppen (eller dalgången) av spänningskurvan inträffar är föremål för normala provvariationer i produktionen. Bandgaps är också lämpliga för applikationer med låg effekt.
Patent
- 1966, US-patent 3271660, referensspänningskälla , David Hilbiber.
- 1971, US Patent 3617859, Elektrisk regulatorapparat inklusive en nolltemperaturkoefficient spänningsreferenskrets, Robert Dobkin och Robert Widlar .
- 1981, US-patent 4249122, temperaturkompenserade bandgap IC-spänningsreferenser , Robert Widlar .
- 1984, US patent 4447784, temperaturkompenserad bandgap spänningsreferenskrets, Robert Dobkin .
Anteckningar
Se även
externa länkar
- Utformningen av band-gap referenskretsar: försök och vedermödor sid. 286 – Robert Pease, National Semiconductor
- Funktioner och begränsningar för CMOS-spänningsreferenser
- ECE 327: LM317 Bandgap Voltage Reference Exempel – Kort förklaring av den temperaturoberoende bandgap-referenskretsen inom LM317.