Опорное напряжение запрещенной зоны
Источник опорного напряжения на запрещенной зоне — это схема опорного напряжения, широко используемая в интегральных схемах . Он производит почти постоянное напряжение, соответствующее конкретного полупроводника теоретической запрещенной зоне , с очень небольшими колебаниями из-за изменений источника питания , электрической нагрузки , времени и температуры (по состоянию на 1999 год). [update], они обычно имеют начальную погрешность 0,5–1,0 % и температурный коэффициент 25–50 ppm / °C ). [1]
Дэвид Хилбибер из Fairchild Semiconductor подал патент в 1963 году. [2] и опубликовал эту концепцию схемы в 1964 году. [3] Боб Видлар , [4] Пол Брокоу [5] и другие [6] за ним последовали другие коммерчески успешные версии.
Операция
[ редактировать ]
Разница напряжений 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, дополняет абсолютную температуру ( CTAT ) с температурным коэффициентом примерно -2 мВ/К. Если соотношение между первым и вторым резистором выбрано правильно, эффекты первого порядка температурной зависимости диода и тока PTAT будут компенсироваться.
Хотя зоны кремния (Si) ширина запрещенной при 0 К технически составляет 1,165 эВ , схема по существу линейно экстраполирует кривую зависимости запрещенной зоны от температуры. [7] для определения чуть более высокого, но точного задания в районе 1,2–1,3 В (конкретное значение зависит от конкретной технологии и конструкции схемы); оставшееся изменение напряжения при рабочей температуре типичных интегральных схем составляет порядка нескольких милливольт. Эта температурная зависимость имеет типичное параболическое остаточное поведение, поскольку для компенсации выбраны линейные эффекты (первого порядка).
Поскольку выходное напряжение по определению фиксировано около 1,25 В для типичных кремниевых опорных схем с запрещенной зоной, минимальное рабочее напряжение составляет около 1,4 В, поскольку в схеме КМОП по крайней мере одно напряжение сток-исток полевого транзистора (FET) должно быть равно примерно 1,25 В. быть добавлено. Поэтому недавние работы сосредоточены на поиске альтернативных решений, в которых, например, суммируются токи, а не напряжения, что приводит к более низкому теоретическому пределу рабочего напряжения. [6]
Первую букву аббревиатуры, CTAT, иногда ошибочно истолковывают как постоянную, а не дополняющую . Термин «постоянный с температурой» ( CWT ) существует, чтобы устранить эту путаницу, но не получил широкого распространения.
При суммировании тока PTAT и тока CTAT компенсируются только линейные члены тока, в то время как члены более высокого порядка ограничивают температурный дрейф (TD) эталонного значения запрещенной зоны на уровне около 20 частей на миллион/°C в температурном диапазоне 100 °С. По этой причине в 2001 году Малковати [8] разработал топологию схемы, которая может компенсировать нелинейности высокого порядка, тем самым достигая улучшенного TD. В этом дизайне использовалась улучшенная версия Банбы. [6] топология и анализ температурных эффектов база-эмиттер, который был выполнен Цивидисом в 1980 году. [9] В 2012 году Андреу [10] [11] еще больше улучшил нелинейную компенсацию высокого порядка за счет использования второго операционного усилителя вместе с дополнительным резистором в точке суммирования двух токов. Этот метод еще больше улучшил коррекцию кривизны и обеспечил превосходные характеристики TD в более широком диапазоне температур. Кроме того, было достигнуто улучшение регулирования линии и снижение шума .
Другой критической проблемой при разработке эталонов запрещенной зоны является энергоэффективность и размер схемы. Поскольку эталон запрещенной зоны обычно основан на биполярных транзисторах и резисторах, общий размер схемы может быть большим и, следовательно, дорогим для проектирования ИС. Более того, схемы этого типа могут потреблять много энергии для достижения желаемых характеристик шума и точности. [12]
Несмотря на эти ограничения, опорное напряжение запрещенной зоны широко используется в стабилизаторах напряжения, включая большинство устройств 78xx, 79xx, а также TL431 и дополнительные LM317 и LM337. температурные коэффициенты всего 1,5–2,0 ppm/°C. Используя эталоны запрещенной зоны, можно получить [а] Однако параболическая характеристика зависимости напряжения от температуры означает, что одна цифра в ppm/°C не может адекватно описать поведение схемы. В паспортах производителей показано, что температура, при которой возникает пик (или минимум) кривой напряжения, зависит от обычных изменений выборки в производстве. Эталоны запрещенной зоны также подходят для приложений с низким энергопотреблением. [б]
смешанных сигналов Микроконтроллеры могут обеспечивать внутренний опорный сигнал запрещенной зоны, который будет использоваться в качестве опорного для любого внутреннего компаратора (ов) и аналого-цифрового преобразователя (ов).
Патенты
[ редактировать ]- 1966, Патент США 3271660, Источник опорного напряжения , Дэвид Хилбибер. [13]
- 1971, Патент США 3617859, Электрический регулятор, включающий схему опорного напряжения с нулевым температурным коэффициентом , Роберт Добкин и Роберт Видлар . [14]
- 1981, Патент США 4249122, Источники опорного напряжения для ИС с температурной компенсацией запрещенной зоны , Роберт Видлар . [15]
- 1984, Патент США 4447784, Схема опорного напряжения на запрещенной зоне с температурной компенсацией , Роберт Добкин . [16]
Примечания
[ редактировать ]См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Миллер, Перри; Мур, Дуг (ноябрь 1999 г.). «Прецизионные источники опорного напряжения» (PDF) . Техасские инструменты . Архивировано (PDF) из оригинала 17 мая 2023 г. Проверено 20 января 2024 г.
- ^ US3271660A , Хильбибер, Дэвид Ф., «Источник опорного напряжения», выпущено 6 сентября 1966 г.
- ^ Хильбибер, Д.Ф. (1964). «Новый стандарт напряжения полупроводников». 1964 г. Международная конференция IEEE по твердотельным схемам. Сборник технических статей . Международная конференция по твердотельным схемам 1964 г.: Сборник технических статей. Том. 2. С. 32–33. дои : 10.1109/ISSCC.1964.1157541 .
- ^ Видлар, Роберт Дж. (февраль 1971 г.), «Новые разработки в области интегральных регуляторов напряжения», Журнал IEEE по твердотельным схемам , 6 (1): 2–7, Bibcode : 1971IJSSC...6....2W , doi : 10.1109/JSSC.1971.1050151 , S2CID 14461709
- ^ Брокау, Пол (декабрь 1974 г.), «Простой эталон запрещенной зоны трехконтактной ИС», IEEE Journal of Solid-State Circuits , 9 (6): 388–393, Bibcode : 1974IJSSC...9..388B , doi : 10.1109 /JSSC.1974.1050532 , S2CID 12673906
- ^ Перейти обратно: а б с Банба, Х.; Сига, Х.; Умедзава, А.; Мияба, Т.; Танзава, Т.; Ацуми, С.; Сакуи, К. (май 1999 г.), «Опорная схема КМОП с запрещенной зоной с напряжением менее 1 В», IEEE Journal of Solid-State Circuits , 34 (5):670–674, Bibcode : 1999IJSSC..34..670B , doi : 10.1109/ , S2CID 4.760378
- ^ https://people.engr.tamu.edu/s-sanchez/607%20Lect%204%20Bandgap-2009.pdf , слайды 8–9 и https://users.wpi.edu/~mcneill/handouts/BandgapPrinciple. pdf график этой линейной экстраполяции
- ^ Мальковати, П.; Малоберти, Ф.; Фиокки, К.; Пруцци, М. (2001). «Запрещённая зона BiCMOS с компенсацией кривизны и напряжением питания 1 В». Журнал IEEE твердотельных схем . 36 (7): 1076–1081. Бибкод : 2001IJSSC..36.1076M . CiteSeerX 10.1.1.716.6243 . дои : 10.1109/4.933463 . S2CID 7504312 .
- ^ Ю. П. Цивидис, «Точный анализ температурных эффектов в характеристиках Ic-Vbe с применением к эталонным источникам с запрещенной зоной», IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 15, нет. 6, стр. 1076–1084, декабрь 1980 г.
- ^ Андреу, Хараламбос М.; Кудунас, Саввас; Георгиу, Юлиус (2012). «Новая опорная схема КМОП с широким диапазоном температур и шириной запрещенной зоны 3,9 ppm/$^{\circ}$C». Журнал IEEE твердотельных схем . 47 (2): 574–581. дои : 10.1109/JSSC.2011.2173267 . S2CID 34901947 .
- ^ Кудунас, Саввас; Андреу, Хараламбос М.; Георгиу, Юлиус (2010). «Новая опорная схема КМОП запрещенной зоны с улучшенной температурной компенсацией высокого порядка». Материалы Международного симпозиума IEEE по схемам и системам 2010 г. стр. 4073–4076. дои : 10.1109/ISCAS.2010.5537621 . ISBN 978-1-4244-5308-5 . S2CID 30644500 .
- ^ Таджалли, А.; Атароди, М.; Ходаверди, А.; Саханди Эсфанджани, Ф. (2004). «Проектирование и оптимизация источника опорного напряжения КМОП с высокой запрещенной зоной PSRR». 2004 Международный симпозиум IEEE по схемам и системам (IEEE Cat. No.04CH37512) . стр. I-45–I-48. дои : 10.1109/ISCAS.2004.1328127 . ISBN 0-7803-8251-Х . S2CID 9650641 .
- ^ Патент США 3271660 - Источник опорного напряжения , Дэвид Ф. Хильбибер; Ведомство США по патентам и товарным знакам; 6 сентября 1966 года.
- ^ Патент США 3617859 - Устройство электрического регулятора, включающее схему опорного напряжения с нулевым температурным коэффициентом ; Роберт Добкин и Роберт Дж. Видлар; Ведомство США по патентам и товарным знакам; 2 ноября 1971 года.
- ^ Патент США 4249122 - Источники опорного напряжения на запрещенной зоне ИС с температурной компенсацией ; Роберт Дж. Видлар; Ведомство США по патентам и товарным знакам; 3 февраля 1981 года.
- ^ Патент США 4447784 - Схема опорного напряжения на запрещенной зоне с температурной компенсацией ; Роберт Добкин; Ведомство США по патентам и товарным знакам; 8 мая 1984 года.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Проектирование опорных схем с запрещенной зоной: испытания и невзгоды с. 286 – Роберт Пиз, National Semiconductor
- Особенности и ограничения источников опорного напряжения КМОП
- ECE 327: Пример опорного напряжения запрещенной зоны LM317 . Краткое объяснение независимой от температуры схемы опорного напряжения запрещенной зоны внутри LM317.