Зонного опорного напряжения является независимым температуры опорного напряжения цепи широко используются в интегральных схемах . Он вырабатывает фиксированное (постоянное) напряжение независимо от колебаний источника питания, изменений температуры или нагрузки цепи от устройства. Обычно он имеет выходное напряжение около 1,25 В (близко к теоретической ширине запрещенной зоны кремния 1,22 эВ (0,195 аДж) при 0 K ). Эта концепция схемы была впервые опубликована Дэвидом Хилбибером в 1964 году. [1] Боб Видлар , [2] Пол Брокоу [3] и другие [4] последовали другие коммерчески успешные версии.
Операция
Разность напряжений между двумя p – n переходами (например, диодами ), работающими при разной плотности тока, используется для генерации тока, пропорционального абсолютной температуре ( PTAT ) в резисторе. Этот ток используется для создания напряжения на 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 дополнением к абсолютной температуре ( CTAT ) с температурным коэффициентом приблизительно -2 мВ / K. Если соотношение между первым и вторым резисторами выбрано правильно, эффекты первого порядка, связанные с температурной зависимостью диода и током PTAT, будут нейтрализованы. Результирующее напряжение составляет около 1,2-1,3 V, в зависимости от конкретной технологии и схемы конструкции, и близка к теоретической 1,22 эВ запрещенной зоны в кремнии при 0 K . Оставшееся изменение напряжения при рабочей температуре типичных интегральных схем составляет порядка нескольких милливольт. Эта температурная зависимость имеет типичное параболическое остаточное поведение, поскольку линейные эффекты (первого порядка) выбираются для компенсации.
Поскольку выходное напряжение по определению фиксируется на уровне 1,25 В для типичных схем опорного сигнала с запрещенной зоной, минимальное рабочее напряжение составляет около 1,4 В, поскольку в схеме CMOS должно быть по крайней мере одно напряжение сток-исток полевого транзистора (FET). добавлен. Поэтому в последнее время работа сосредоточена на поиске альтернативных решений, в которых, например, суммируются токи вместо напряжений, что приводит к нижнему теоретическому пределу рабочего напряжения. [4]
Первая буква аббревиатуры CTAT иногда неверно интерпретируется как постоянная, а не дополнительная . Термин, зависящий от температуры ( CWT ), существует для устранения этой путаницы, но не имеет широкого распространения.
При суммировании тока PTAT и CTAT компенсируются только линейные члены тока, в то время как члены более высокого порядка ограничивают температурный дрейф (TD) эталонной ширины запрещенной зоны на уровне около 20 ppm / ° C в диапазоне температур 100 ° C. По этой причине в 2001 году Мальковати [5] разработал топологию схемы, которая может компенсировать нелинейности высокого порядка, таким образом достигая улучшенного TD. В этой конструкции использовалась улучшенная версия топологии Банбы [4] и анализ температурных эффектов базового эмиттера, который был проведен Цивидисом в 1980 году. [6] В 2012 году Андреу [7] [8] дополнительно улучшил невысокие порядковые номера. -линейная компенсация с помощью второй оп. усилитель вместе с дополнительной ножкой резистора в точке суммирования двух токов. Этот метод дополнительно улучшил коррекцию кривизны и обеспечил превосходные характеристики TD в более широком диапазоне температур. Кроме того, улучшено регулирование линии и снижен уровень шума .
Другой важной проблемой при разработке эталонов запрещенной зоны является энергоэффективность и размер схемы. Поскольку эталон запрещенной зоны обычно основан на устройствах BJT и резисторах, общий размер схемы может быть большим и, следовательно, дорогостоящим для проектирования ИС. Более того, этот тип схемы может потреблять много энергии для достижения желаемого уровня шума и точности. [9]
Несмотря на эти ограничения, опорное напряжение с шириной запрещенной зоны широко используется в стабилизаторах напряжения, охватывая большинство устройств 78xx, 79xx, а также устройства LM317, LM337 и TL431 . Температурные коэффициенты всего 1,5–2,0 ppm / ° C могут быть получены с эталонными значениями ширины запрещенной зоны. [a] Однако параболическая характеристика зависимости напряжения от температуры означает, что одна цифра в ppm / ° C неадекватно описывает поведение схемы. Таблицы данных производителей показывают, что температура, при которой возникает пик (или впадина) кривой напряжения, зависит от обычных изменений образца в процессе производства. Ширина запрещенной зоны также подходит для приложений с низким энергопотреблением. [b]
Патенты
- 1966 г., патент США 3271660, источник опорного напряжения , Дэвид Хилбибер. [10]
- 1971 г., патент США 3617859, Устройство электрического регулятора, включающее опорную схему напряжения с нулевым температурным коэффициентом , Роберт Добкин и Роберт Видлар . [11]
- 1981, патент США 4249122, эталоны напряжения ИС с температурной компенсацией запрещенной зоны , Роберт Видлар . [12]
- 1984, Патент США 4447784, Опорная схема напряжения запрещенной зоны с температурной компенсацией , Роберт Добкин . [13]
Заметки
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Hilbiber, DF (1964), "Новый стандарт полупроводникового напряжения", 1964 Международных Твердотельные схемы конференция: Сборник технических документов , 2 : 32-33, DOI : 10,1109 / ISSCC.1964.1157541
- ^ Видлар, Роберт Дж. (Февраль 1971 г.), «Новые разработки в регуляторах напряжения на ИС», Журнал IEEE по твердотельным цепям , 6 (1): 2–7, Bibcode : 1971IJSSC ... 6 .... 2W , doi : 10.1109 / JSSC.1971.1050151 , S2CID 14461709
- ^ Брокау, Пол (декабрь 1974 г.), «Простая ссылка на трехполюсную ИС с запрещенной зоной», IEEE Journal of Solid-State Circuits , 9 (6): 388–393, Bibcode : 1974IJSSC ... 9..388B , doi : 10.1109 /JSSC.1974.1050532 , S2CID 12673906
- ^ а б в Banba, H .; Shiga, H .; Umezawa, A .; Мияба, Т .; Tanzawa, T .; Atsumi, S .; Сакуи, К. (май 1999 г.), «Эталонная схема КМОП с шириной запрещенной зоны с режимом работы менее 1 В», IEEE Journal of Solid-State Circuits , 34 (5): 670–674, Bibcode : 1999IJSSC..34..670B , DOI : 10,1109 / 4,760378 , S2CID 10495180
- ^ Malcovati, P .; Малоберти, Ф .; Fiocchi, C .; Пруцци, М. (2001). «Ширина запрещенной зоны BiCMOS с компенсацией кривизны при напряжении питания 1 В». Журнал IEEE по твердотельным схемам . 36 (7): 1076–1081. Bibcode : 2001IJSSC..36.1076M . DOI : 10.1109 / 4.933463 . S2CID 7504312 .
- ^ YP Tsividis, «Точный анализ температурных эффектов в характеристиках Ic-Vbe с приложением к эталонным источникам с шириной запрещенной зоны», IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 15, нет. 6. С. 1076 - 1084, декабрь 1980 г.
- ^ Andreou, Charalambos M .; Кудунас, Саввас; Георгиу, Юлиус (2012). "Новая эталонная схема CMOS с шириной запрещенной зоны 3,9 PPM / $ ^ {\ circ} $ C с широким температурным диапазоном". Журнал IEEE по твердотельным схемам . 47 (2): 574–581. DOI : 10.1109 / JSSC.2011.2173267 . S2CID 34901947 .
- ^ Кудунас, Саввас; Andreou, Charalambos M .; Георгиу, Юлиус (2010). «Новая эталонная схема CMOS Bandgap с улучшенной температурной компенсацией высокого порядка». Материалы Международного симпозиума IEEE 2010 по схемам и системам . С. 4073–4076. DOI : 10.1109 / ISCAS.2010.5537621 . ISBN 978-1-4244-5308-5. S2CID 30644500 .
- ^ Tajalli, A .; Атароди, М .; Ходаверди, А .; Саханди Эсфанджани, Ф. (2004). «Разработка и оптимизация опорного напряжения для КМОП-схемы с высоким значением PSRR». 2004 Международный симпозиум IEEE по схемам и системам (IEEE Cat. No. 04CH37512) . С. I-45 – I-48. DOI : 10.1109 / ISCAS.2004.1328127 . ISBN 0-7803-8251-X. S2CID 9650641 .
- ^ Патент США 3271660 - источник опорного напряжения , David F Hilbiber; Ведомство США по патентам и товарным знакам; 6 сентября 1966 г.
- ^ Патент США 3617859 - Электрическое оборудование Регулятора включая опорный коэффициент напряжение цепь нулевой температуры ; Роберт С. Добкин и Роберт Дж. Видлар; Ведомство США по патентам и товарным знакам; 2 ноября 1971 г.
- ^ 4249122 Патент США - ссылки с компенсацией температуры запрещенной зоны ИК напряжения ; Роберт Дж. Видлар; Ведомство США по патентам и товарным знакам; 3 февраля 1981 г.
- ^ Патент США 4447784 - Схема опорного напряжения запрещенной зоны с температурной компенсацией ; Роберт С. Добкин; Ведомство США по патентам и товарным знакам; 8 мая 1984 г.
Внешние ссылки
- Проектирование контрольных схем с запрещенной зоной: испытания и невзгоды с. 286 - Роберт Пиз, National Semiconductor
- Характеристики и ограничения источников опорного напряжения CMOS
- ECE 327: Пример опорного напряжения ширины запрещенной зоны LM317 - Краткое объяснение цепи опорного напряжения запрещенной зоны, не зависящей от температуры, в LM317.