Jste zde

Úvod do světa napěťové reference – 3. díl

Jan Robenek, 27. Říjen 2009 - 0:00
perex.png

Třetí pokračování přináší popis samotné výroby referenčního napětí. Setkáme se zde se zabudovanou a následně kompenzovanou Zenerovou diodou nebo také běžně používanou strukturou typu bandgap. Výklad navíc provází celá řada konkrétních obvodů v jejich typickém zapojení.

V první části našeho malého úvodu byly vedle jednotek ppm nebo drift / √(kHr) definovány i základní vlastnosti a parametry napěťové reference v podobě

  • 1) Výchozí, někdy také počáteční přesnosti (Initial Accuracy)
  • 2) Teplotního driftu (Temperature Drift)
  • 3) Dlouhodobé stability (Long Term Stability)
  • 4) Teplotní hystereze (Thermal Hysteresis)

Následující pokračování pak na základě konkrétních příkladů stanovilo rozdíly dvou základních typů, tj.

  • 1) Paralelní (bočníkové) reference (Shunt Reference)
  • 2) Sériové reference (Series Reference)

Nyní tedy konečně nadešel čas na prohlídku samotného čipu a jeho polovodičové výbavy.

Referenční obvody

Existuje mnoho způsobů, jak navrhnout integrovanou napěťovou referenci. Nikoho snad ani nepřekvapí, že každý z nich vykazuje jak specifické výhody tak i typické nevýhody.

Zenerova reference (Zener – Based Reference, Buried Zener („pohřbená zenerka“))

Tuto referenci lze zařadit mezi relativně jednoduché přístupy. Zenerova nebo také lavinová dioda má v tomto případě předvídatelné závěrné napětí, které bude s ohledem na změny teploty relativně stabilní, přičemž s časem bude ujíždět ještě méně. Zajistíme – li právě zmiňovaným diodám provoz v dostatečně malém teplotním rozsahu, lze často očekávat malý vlastní šum spolu s velkou časovou stabilitou, což vhodně nahrává aplikacím s požadavkem na tak malé změny referenčního napětí, jak je to jenom možné.

Struktura precizní napěťové reference LT1021 s vestavěnou Zenerovou diodou

Takovou stabilitu můžeme směle přisoudit poměrně malému počtu prvků a také ploše čipu (die – čip, jindy také pojít, zajít, odumřít, zemřít, uhynout nebo leknout) ve srovnání s ostatními typy referenčních obvodů. Svou roli také hraje pečlivá konstrukce samotného Zenerova elementu. Na druhé straně se však musíme nějak vypořádat s poměrně velikými rozdíly výchozího napětí a také s nepříjemným doprovodem v podobě teplotního driftu. Budeme – li tedy chtít dále kompenzovat tyto nedokonalosti, případně konkrétně definovat výstupní napěťový rozsah, nezbývá než vybavit základní prvek přídavnými bloky polovodičové struktury. Se Zenerovými diodami se můžeme setkat u paralelních (Shunt Reference) i sériových referencí (Series Reference).

5 V reference z 5 V napájení; použitý obvod LT1021-5

Obvody Linear Technology, jakými jsou například LT1021, LT1236 nebo LT1027, využívají pro zvýšení stability, tj. k regulaci Zenerova napětí a proudu, interní proudové zdroje a zesilovače. Příjemným vedlejším produktem pak také zůstávají různá výstupní napětí, např. 5 V, 7 V nebo 10 V. Popisované doplňky Zenerových diod sice zajišťují větší kompatibilitu s celou řadou obvodových řešení, na druhé straně však kladou další požadavky na velikost napájecího napětí a mohou být i zdrojem přídavné chyby.

Typické zapojení „vyhřívané“ precizní reference LM399

Jinou variantu zvolili vývojáři obvodů LM399 a LTZ1000 a použili vnitřní vyhřívání spolu s přídavnými tranzistory pro stabilizaci teplotního driftu Zenerovy diody, čímž zajistili nejlepší možnou kombinaci teplotní a časové stability. Tyto Zener. reference navíc vykazují výjimečně malý šum a zajišťují tak nejlepší možné parametry. Referenční obvod LTZ1000 se může například pochlubit

  • teplotním driftem 0.05 ppm/°C
  • dlouhodobou stabilitou 2 μV/√(kHr) nebo
  • šumovým pozadím 1.2 μVp-p.

Pro potřeby precizní laboratorní techniky byla dále odladěna celková nejistota referenčního výstupu obvodu LTZ1000 z titulu teploty a šumu na něco okolo 1.7 ppm plus zlomek z 1 ppm za měsíc díky stárnutí čipu. Další popis obvodu LTZ1000 jste pravděpodobně nalezli již dříve v rámci 2.dílu Úvodu do světa napěťové reference.

 

Reference typu bandgap (Bandgap Reference)

Přestože Zenerovy diody vhodně nahrávaly potřebám referenčních obvodů s precizními parametry, nedostává se jim stále potřebné flexibility. Tak třeba, vyžadují napájecí napětí nad 7 V a nabízí přitom jen několik výstupních referenčních úrovní. Na odvrácené straně se proto začaly prosazovat reference typu bandgap, nabízející pestrý výběr výstupních napěťových variant spolu s malým rozdílem mezi potenciálem výstupu a velikostí napájení (toto nutné zlo se v původních materiálech zpravidla označuje jako „headroom“; nebude – li např. operační zesilovač typu rail to rail, může pevná velikost „headroomu“ mezi maximálním rozkmitem vstupního či výstupního signálu a příslušnou napájecí hladinou, kladnou nebo také zápornou, tvořit i několik voltů; v této mrtvé zóně pak nelze provozovat užitečný signál), který zpravidla nepřekračuje velikost 100 mV. Bandgap reference lze také navrhovat s ohledem na velmi přesná, výchozí výstupní napětí a malý teplotní drift a účinně tak potlačovat potřebu časově náročné kalibrace.

Příklad 1.2 V bandgap reference LT1004-1.2, napájené z 1.5 V článku; pod „zavádějící“ schématickou značkou se skrývá důmyslná struktura bipolárních tranzistorů

Celá funkce vychází ze základní charakteristiky bipolárních tranzistorů. Pro ilustraci přikládáme zjednodušený pohled na strukturu obvodu LT1004 – základní bandgap:

Obvody typu bandgap jsou navrženy s teoreticky nulovým teplotním koeficientem

Je obecně známo, že bipolární přechody tranzistorů vykazují různé úbytky napětí Vbe, přesně jak teplota káže. Takový rozdíl pak dokáže definovat velikost proudu. Přidejme vhodně zvolený rezistor, doplňme strukturu dalšími stupni a vzájemná kompenzace je na světě. Matematické pozadí základní napěťové reference typu bandgap spojuje známé teplotní koeficienty s jedinečnými poměry rezistorů pro zajištění napěťového výstupu s teoreticky nulovým teplotním driftem.

Přiložené schéma zachycuje tranzistor Q10 s 10násobnou plochou emitoru ve srovnání s Q11. Tranzistory Q12 a Q13 se zase starají o shodu jejich kolektorových proudů. Tímto způsobem pak generujeme známé napětí mezi bázemi dvou tranzistorů (Q10 a Q11). Využijeme přitom následujícího vztahu

kde

  • k odpovídá Boltzmannově konstantě s jednotkou J/Kelvin (1.38 x 10-23)
  • za T dosadíme teplotu v Kelvinech (273 + T (°C)) a
  • pro q zase vyhradíme náboj elektronu o velikosti 1.6 x 10-19 C.

Při krásné pokojové teplotě 25 °C pak poměr kT/q odpovídá 25.7 mV s kladným teplotním koeficientem 86 μV/°C. ΔVbe je pak toto napětí krát ln(10), tj. přibližně 60 mV s teplotním koeficientem 0.2 mV/°C.

Připojme nyní mezi tyto dvě báze rezistor 50k, kterým necháme protékat proud, jehož velikost bude úměrná teplotě. Proud zároveň protéká diodou Q14 a při teplotě 25 °C se tak stará o další napěťový úbytek 575 mV s teplotním koeficientem -2.2 mV/°C. Na připojených rezistorech pak vznikají napěťové úbytky s kladnými teplotními koeficienty, přidávají se k úbytku na diodě Q14 a generují tak referenční napěťový potenciál o velikosti přibližně 1.235 V s teoreticky nulovým (0 mV/°C) teplotním koeficientem.

Posílení výstupního proudu obvodu LT1460 s doplňkovou limitací

V Linear Technology vyrábí celou řadu bandgap referencí, např. LT1460 – malou a levnou, precizní referenci v sériovém provedení, LT1389 – nízkopříkonovou paralelní referenci nebo také vysoce precizní modely s malým driftem LT1461 a LTC6652. Rozrůstají se i možnosti napěťového výstupu: Můžeme vybírat z 1.2 V, 1.25 V, 2.048 V, 2.5 V, 3.0 V, 3.3 V, 4.096 V, 4.5 V, 5 V a 10 V. Referenční napětí může být navíc jednoduše a také energeticky účinně vyráběno v rámci širokého rozsahu napájecího napětí nebo podmínek na zátěži. Hovoříme zde o velmi přesných obvodech (LT1461, LT1019, LTC6652 nebo LT1790), miniaturním provedení (LT1790 a LT1460 (SOT23) nebo LT6660 v pouzdru DFN o rozměrech 2 mm x 2 mm), případně také nízké spotřebě (LT1389 – vyžaduje jen 800 nA).

Blokový diagram precizní reference LTC6652

Přestože referenční obvody se Zenerovou diodou často vykazují lepší vlastnosti z hlediska šumu a dlouhodobé stability, nové bandgap reference jako LTC6652 se svým šumovým pozadím (2 ppm pro 0.1 Hz až 10 Hz, špička – špička) začínají stírat vzájemné rozdíly.

Několik způsobů možného rozšíření napájecího rozsahu LTC6652

 

Dílčí bandgap reference (Fractional Bandgap Reference)

I tento druh napěťové reference vychází z teplotních charakteristik bipolárního tranzistoru, jen výstupní napětí zde budou o něco menší – mohou totiž dosahovat velikosti pouhých několika milivoltů. Takový obvod pak nachází vhodné pole působnosti zejména v nízkonapěťových strukturách s komparátory, kde musí být prahová úroveň menší než tradiční výstup bandgap struktury (přibližně 1.2 V).

Struktura referenčního obvodu s 200 mV výstupem

Na obrázku je zachyceno jádro obvodu LM10, které opět v duchu běžné bandgap reference spojuje prvky s danou závislostí teplotě a vytváří tak konstantní výstup 200 mV. Popisovaná varianta dílčí bandgap reference obvykle využívá ΔVbe k výrobě proudu, jehož velikost bude přímo úměrná teplotě a úbytku Vbe s cílem vyrobit proud s úměrou nepřímou. Následná kombinace (v náležitém poměru) pak na odporovém prvku vytváří teplotně stálé napětí. Velikost odporu se přitom může měnit s ohledem na požadovanou velikost výstupu. V tomto bodu také vyniká odlišnost vůči klasické bandgap struktuře, protože dílčí (Fractional) bandgap obvody kombinují proudy, zatímco výchozí zapojení má snahu kombinovat napětí.

Bateriově napájená 400 mV reference s obvodem LT6650 a vynesená závislost teplotního driftu

Tak třeba obvod LT6650 vyrábí 400 mV referenci a ještě k tomu nabízí integrovaný zesilovač. Změnou zisku zesilovacího stupně pak jednoduše definujeme velikost výstupního, odděleného napětí. S takovým jednoduchým přístupem lze generovat prakticky jakýkoli referenční výstup od 0.4 V až do úrovně několika milivoltů pod napájecí hladinou.

Výstupní napětí, kladné nebo záporné, definuje připojený odporový dělič

Další možností pak je např. obvod LT6700 a LT6703, spojující 400 mV referenci s komparátory pro účely monitorování napětí nebo okénkové srovnávání (Window Comparator). Právě 400 mV reference umožňuje pohodlné monitorování malých vstupních signálů v systémech s velmi malým napájecím napětím. Pro větší prahové úrovně pak můžeme použít jednoduchý odporový dělič.

Referenční obvod LT6700 dokáže porovnávat s prahovou úrovní o velikosti jen 400 mV

Každý z těchto obvodů je dostupný v malém pouzdru (SOT23), nebude příliš zatěžovat napájecí zdroj (méně než 10 μA) a pracuje v dostatečně širokém napájecím rozsahu (1.4 V až 18 V). Reference LT6700 se navíc vyrábí v pouzdru DFN o rozměrech 2 mm x 3 mm a LT6703 pak ve stejném provedení s rozměry 2 mm x 2 mm.

Větší prahové úrovně se nastavují dělením vstupního napětí

Závěr:

Článek přináší základní představení tří dostupných polovodičových struktur, jejichž prostřednictvím lze vyrobit zdroj referenčního napětí. Každá z nich vyniká v jiném ohledu a proto bude při výběru záležet zejména na konkrétní aplikaci a jejich požadavcích. Tímto zároveň odkazuji na malý „bonus“ na samotném konci článku.

Použitá literatura:

Download a odkazy:

I tak může končit aplikační poznámka... Nevěříte? Klikněte zde.


 

 

Hodnocení článku: