Бандгап - Bandgap voltage reference

А бандгап не зависит от температуры опорное напряжение схема широко используется в интегральные схемы. Он производит фиксированное (постоянное) Напряжение независимо от колебаний напряжения питания, температур и нагрузки цепи от устройства. Обычно он имеет выходное напряжение около 1,25 V (близко к теоретическим 1,22 эВ (0,195 аДж) запрещенная зона из кремний в 0 K ). Эта концепция схемы была впервые опубликована Дэвидом Хильбибером в 1964 году.[1] Боб Видлар,[2] Пол Брокоу[3] и другие[4] последовали другие коммерчески успешные версии.

Операция

Схема Ссылка на запрещенную зону Brokaw
Характеристика и точка равновесия Т1 и Т2

Разница в напряжении между двумя p – n переходы (например. диоды ), работающий при различной плотности тока, используется для генерации тока, который пропорционально 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, равно дополнительная к абсолютной температуре (CTAT), с температурным коэффициентом примерно −2 мВ / К. 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 примерно 1,2–1,3 V, в зависимости от конкретной технологии и схемотехники, и близок к теоретическому 1,22 эВ запрещенная зона из кремний в 0 K. Оставшееся изменение напряжения в течение Рабочая Температура типичных интегральных схем составляет порядка нескольких милливольт. Эта температурная зависимость имеет типичный параболический остаточное поведение, поскольку линейные эффекты (первого порядка) выбираются для отмены.

Поскольку выходное напряжение по определению фиксировано на уровне 1,25 В для типичных опорных схем с шириной запрещенной зоны минимальное рабочее напряжение составляет около 1,4 V, как в CMOS по крайней мере одно напряжение сток-исток полевой транзистор (FET) должен быть добавлен. Поэтому в последнее время работа сосредоточена на поиске альтернативных решений, в которых, например, суммируются токи вместо напряжений, что приводит к более низкому теоретическому пределу рабочего напряжения.[4]

Первая буква аббревиатуры CTAT иногда неправильно интерпретируется как обозначающая постоянный скорее, чем дополнительный. Период, термин, постоянная с температурой (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] разработали топологию схемы, которая может компенсировать нелинейности высокого порядка, таким образом достигая улучшенного TD. В этом дизайне использована улучшенная версия Banba. [4] топология и анализ температурных эффектов база-эмиттер, проведенный Цивидисом в 1980 г.[6] В 2012 году Андреу[7][8] дополнительно улучшил нелинейную компенсацию высокого порядка за счет использования второй операции. 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, было достигнуто улучшение линейное регулирование и ниже шум.

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, чтобы достичь желаемого уровня шума и точности.[9]

Несмотря на эти ограничения, зонное опорное напряжение широко используются в регуляторах напряжения, охватывающее большинство 78xx, 79xx устройств вместе с LM317, LM337 и TL431 устройств. Температурные коэффициенты от 1,5 до 2,0 ppm / ° C может быть получено со ссылками на запрещенную зону.[а] 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, Электрическое оборудование Регулятора включая опорный коэффициент напряжение цепи нулевой температуры, Роберт Добкин и Роберт Видлар.[11]
  • 1981, Патент США 4249122, Опорные напряжения ИС с температурной компенсацией запрещенной зоны, Роберт Видлар.[12]
  • 1984, Патент США 4447784, Температура опорного напряжения цепи с компенсацией зонного, Роберт Добкин.[13]

Примечания

  1. ^ Например, LT6657 от Linear Technology и ADR4550 от Analog Devices.
  2. ^ Например, 1 Катодный ток мкА с шунтирующим опорным напряжением Maxim Integrated MAX6009.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Хильбибер, Д.Ф. (1964), «Новый стандарт напряжения для полупроводников», 1964 Международная конференция по твердотельным схемам: сборник технических документов, 2: 32–33, Дои:10.1109 / ISSCC.1964.1157541
  2. ^ Видлар, Роберт Дж. (Февраль 1971 г.), «Новые разработки в регуляторах напряжения на интегральных схемах», Журнал IEEE по твердотельным схемам, 6 (1): 2–7, Bibcode:1971 IJSSC ... 6 .... 2 Вт, Дои:10.1109 / JSSC.1971.1050151, S2CID  14461709
  3. ^ Брокау, Пол (Декабрь 1974 г.), "Простая ссылка на запрещенную зону ИС с тремя выводами", Журнал IEEE по твердотельным схемам, 9 (6): 388–393, Bibcode:1974IJSSC ... 9..388B, Дои:10.1109 / JSSC.1974.1050532, S2CID  12673906
  4. ^ а б c Banba, H .; Shiga, H .; Umezawa, A .; Мияба, Т .; Tanzawa, T .; Atsumi, S .; Сакуи, К. (май 1999 г.), "Эталонная схема КМОП-схемы с шириной запрещенной зоны с напряжением менее 1 В", Журнал IEEE по твердотельным схемам, 34 (5): 670–674, Bibcode:1999IJSSC..34..670B, Дои:10.1109/4.760378, S2CID  10495180
  5. ^ 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. Дои:10.1109/4.933463. S2CID  7504312.
  6. ^ Ю. П. Цивидис, «Точный анализ температурных эффектов в характеристиках Ic-Vbe с приложением к эталонным источникам с запрещенной зоной», IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 15, нет. 6. С. 1076 - 1084, декабрь 1980 г.
  7. ^ Андреу, Хараламбос М .; 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. Дои:10.1109 / JSSC.2011.2173267. S2CID  34901947.
  8. ^ Кудунас, Саввас; Андреу, Хараламбос М .; Георгиу, Юлиус (2010). «Новая эталонная схема CMOS Bandgap с улучшенной температурной компенсацией высокого порядка». Материалы Международного симпозиума IEEE 2010 г. по схемам и системам. С. 4073–4076. Дои:10.1109 / ISCAS.2010.5537621. ISBN  978-1-4244-5308-5. S2CID  30644500.
  9. ^ Tajalli, A .; Атароди, М .; Ходаверди, А .; Саханди Эсфанджани, Ф. (2004). «Проектирование и оптимизация высокого зонного опорного напряжения PSRR CMOS». 2004 Международный симпозиум IEEE по схемам и системам (IEEE Cat. No. 04CH37512). С. I-45 – I-48. Дои:10.1109 / ISCAS.2004.1328127. ISBN  0-7803-8251-X. S2CID  9650641.
  10. ^ Патент США 3271660 - Источник опорного напряжения, Дэвид Ф. Хильбибер; Бюро по патентам и товарным знакам США; 6 сентября 1966 г.
  11. ^ Патент США 3617859 - Электрическое оборудование Регулятора включая опорный коэффициент напряжение цепи нулевой температуры; Роберт С. Добкин и Роберт Дж. Видлар; Бюро по патентам и товарным знакам США; 2 ноября 1971 г.
  12. ^ Патент США 4249122 - Опорные напряжения ИС с температурной компенсацией запрещенной зоны; Роберт Дж. Видлар; Бюро по патентам и товарным знакам США; 3 февраля 1981 г.
  13. ^ Патент США 4447784 - Температура опорного напряжения цепи с компенсацией зонного; Роберт С. Добкин; Бюро по патентам и товарным знакам США; 8 мая 1984 г.

внешняя ссылка