Applicazioni capacitive nella progettazione dell'alimentazione elettrica
2020-01-03 16:44:07
Circuito sorgente di tensione di riferimento
Esistono molti modi per progettare un circuito integrato con sorgente di tensione di riferimento, ognuno con vantaggi e svantaggi specifici.
Sorgente di tensione di riferimento basata su diodo Zener
La sorgente di tensione di riferimento Zener sepolta in profondità è un progetto relativamente semplice. I diodi Zener (o a valanga) hanno tensioni inverse prevedibili che hanno un'eccellente stabilità della temperatura e un'eccellente stabilità temporale. Questi diodi solitamente hanno un rumore molto basso e un'ottima stabilità temporale quando mantenuti in un piccolo intervallo di temperatura, quindi sono adatti per applicazioni in cui le variazioni della tensione di riferimento sono piccole.
Rispetto ad altri tipi di circuiti di sorgenti di tensione di riferimento, questa stabilità può essere attribuita a un piccolo numero di componenti e a una piccola area del chip, e la costruzione dei componenti Zener è molto delicata. Tuttavia, è comune vedere variazioni relativamente grandi nella tensione iniziale e nella deriva della temperatura. Si possono aggiungere circuiti per compensare questi difetti, oppure si può fornire una serie di tensioni di uscita. Sia le sorgenti di tensione di riferimento shunt che quelle in serie utilizzano diodi Zener.
Sorgente di tensione di riferimento del bandgap
I diodi Zener possono essere utilizzati per produrre sorgenti di tensione di riferimento ad alte prestazioni, ma mancano di flessibilità. In particolare, richiedono una tensione di alimentazione superiore a 7 V e forniscono una tensione di uscita relativamente bassa. Al contrario, le sorgenti di tensione di riferimento a bandgap possono produrre un'ampia varietà di tensioni di uscita con un margine di potenza molto piccolo (solitamente inferiore a 100 mV). Le sorgenti di tensione di riferimento a bandgap possono essere progettate per fornire tensioni di uscita iniziali molto precise e una deriva di temperatura molto bassa senza la necessità di una calibrazione in servizio che richiede molto tempo.
Le operazioni di bandgap si basano sulle caratteristiche di base dei transistor a giunzione bipolare. La Figura 1 mostra una sorgente di tensione di riferimento di bandgap di base. Si può vedere che la VBE di una coppia di transistor a giunzione bipolare non corrispondenti ha una differenza proporzionale alla temperatura. Questa differenza può essere utilizzata per produrre una corrente che aumenta linearmente con la temperatura. Quando questa corrente viene guidata attraverso un resistore e un transistor, la variazione di temperatura della tensione base-emettitore del transistor con la temperatura annulla la variazione di tensione a entrambe le estremità del resistore, se è della giusta dimensione. Sebbene questo offset non sia completamente lineare, può essere compensato da circuiti aggiuntivi per rendere la deriva di temperatura molto bassa.
Figura 1: il circuito a gap di banda progettato fornisce teoricamente un coefficiente di temperatura pari a zero
La matematica alla base della sorgente di tensione di riferimento del bandgap di base è interessante perché combina un coefficiente di temperatura noto con una resistività unica per produrre una tensione di riferimento con una deriva di temperatura teorica pari a zero. La Figura 1 mostra i due transistor, regolati in modo che l'area dell'emettitore di Q10 sia 10 volte quella di Q11, mentre la corrente del collettore di Q12 e Q13 rimane la stessa. Ciò crea una tensione nota tra le due basi del transistor:
Dove, k è la costante di Boltzmann in J/k (1.38×10-23), T è la temperatura in Kelvin (273+T(°C)). Q è la carica dell'elettrone in coulomb (1.6x10-19). A 25°C, il valore di kT/q è 25.7mV e il coefficiente di temperatura positivo è 86 ° V/°C. ? VBE è questa tensione moltiplicata per ln(10) o 2.3. A 25°C la tensione è di circa 60mV con un coefficiente di temperatura di 0.2mV/°C.
Applicando questa tensione alla resistenza da 50k collegata tra la base si produce una corrente proporzionale alla temperatura. Il diodo di offset di corrente Q14 ha una tensione di 575mV e un coefficiente di temperatura di -2.2mV/°C a 25°C. La resistenza viene utilizzata per produrre una caduta di tensione con un coefficiente di temperatura positivo applicato alla tensione del diodo Q14, con conseguente potenziale di tensione di riferimento di circa 1.235v, con un coefficiente di temperatura teorico di 0mV/°C. Queste cadute di pressione sono illustrate nella figura 1. Il bilanciamento del circuito fornisce la corrente di offset e l'azionamento di uscita.
Sorgente di tensione di riferimento a bandgap frazionario
La sorgente di tensione di riferimento si basa sulle caratteristiche di temperatura del transistor bipolare, ma la tensione di uscita può essere bassa quanto pochi mV. È adatta per circuiti a bassissima tensione, specialmente per applicazioni di comparatori in cui la soglia deve essere inferiore alla tensione di bandgap convenzionale (circa 1.2 V).
La figura 2 mostra il circuito principale dell'LM10, che è simile a una normale sorgente di riferimento a bandgap, in cui i componenti proporzionali e inversamente proporzionali alla temperatura vengono combinati per ottenere una tensione di riferimento costante di 200 mV. Le sorgenti di tensione di riferimento a bandgap frazionaria sono comunemente utilizzate. VBE produce una corrente proporzionale alla temperatura e l'utilizzo di VBE produce una corrente inversamente proporzionale alla temperatura. I due vengono combinati in una proporzione appropriata in un elemento di resistenza per produrre una tensione che non varia con la temperatura. La dimensione della resistenza può essere modificata per modificare la tensione di riferimento senza influenzare la caratteristica della temperatura. Ciò differisce dai circuiti a bandgap tradizionali in quanto i circuiti a bandgap frazionaria combinano le correnti, mentre i circuiti tradizionali tendono a combinare le tensioni, solitamente l'emettitore, la tensione di base e l'I? R.
Figura 2: circuito sorgente di tensione di riferimento 0 mV
Le sorgenti di tensione di riferimento a bandgap frazionario come il circuito LM10 sono anche sottrattive in alcuni casi. Alcuni dispositivi hanno un riferimento a micropotenza, bassa tensione da 400 mV e un riferimento in serie dell'amplificatore. Pertanto, la tensione di riferimento può essere modificata modificando il guadagno dell'amplificatore e fornendo un'uscita bufferizzata. Utilizzando questo semplice circuito è possibile produrre qualsiasi tensione di uscita al di sotto della tensione di alimentazione di 0.4 V fino a pochi millivolt.
Figura 3: supporto per il confronto con una soglia bassa fino a 400 mV
Alcuni dispositivi combinano una sorgente di tensione di riferimento da 400 mV con un comparatore, che è una soluzione più integrata e può essere utilizzata come monitor di tensione o comparatore di finestra. La sorgente di tensione di riferimento da 400 mV può monitorare piccoli segnali di ingresso, riducendo così la complessità del circuito di monitoraggio (figura 3). Può anche monitorare componenti di circuito che funzionano a tensioni di potenza molto basse. Se la soglia è grande, è possibile aggiungere un semplice partitore di resistenza (figura 4). Questi prodotti sono confezionati in piccole dimensioni (SOT23), consumano pochissima energia (meno di 10xa) e supportano un'ampia gamma di potenza (da 1.4 V a 18 V).
Figura 4: una soglia più alta è impostata dalla tensione parziale della tensione di ingresso
Selezionare la sorgente di tensione di riferimento
Con tutte queste opzioni in mente, come si sceglie la giusta sorgente di riferimento di tensione per la propria applicazione? Ecco alcuni suggerimenti per restringere le opzioni:
● tensione di alimentazione molto elevata? Selezionare la sorgente di tensione di riferimento dello shunt.
● la tensione di alimentazione o la corrente di carico variano ampiamente? Selezionare una sorgente di tensione di riferimento in serie.
● hai bisogno di un elevato rapporto di efficienza? Seleziona una sorgente di tensione di riferimento in serie.
● determinare l'intervallo di temperatura effettivo. Le temperature vanno da 0°C a 70°C, da -40°C a 85°C e da -40°C a 125°C.
● i requisiti di accuratezza devono essere realistici. È importante comprendere la precisione richiesta per l'applicazione. Ciò aiuta a determinare le specifiche chiave. Per questo requisito, moltiplicare la deriva della temperatura per l'intervallo di temperatura specificato, più
La precisione complessiva si ottiene sottraendo tutti gli elementi che saranno calibrati in fabbrica o ricalibrati a intervalli regolari dall'errore di precisione iniziale, dall'isteresi termica e dalla deriva a lungo termine durante la durata prevista del prodotto. Per le applicazioni più esigenti, possono essere aggiunti anche errori di rumore, regolazione della tensione e regolazione del carico. Ad esempio:
Una sorgente di tensione di riferimento ha un errore di accuratezza iniziale dello 0.1% (1000 ppm), una deriva di temperatura di 25 ppm/°C da -40°C a 85°C, un ritardo termico di 200 ppm, un rumore picco-picco di 2 ppm e una deriva temporale di 50 ppm/√kHr.
Quindi l'incertezza totale supererà le 4300 ppm una volta costruito il circuito.
Nelle prime 1000 ore dopo che il circuito è stato attivato, questa incertezza aumenta di 50 ppm. La precisione iniziale può essere calibrata per ridurre l'errore a 3300 ppm+50 ppm, giusto? Radice quadrata di t su 1000 ore.
● qual è l'intervallo di potenza effettivo? Qual è la tensione di alimentazione massima prevista? Ci sono condizioni di guasto che il circuito integrato della sorgente di tensione di riferimento deve sopportare, come l'interruzione dell'alimentazione della batteria o i picchi di potenza a induzione hot-plug? Ciò può ridurre significativamente il numero di sorgenti di riferimento disponibili.
● qual è il potenziale consumo di energia della sorgente di tensione di riferimento? Le sorgenti di tensione di riferimento tendono a rientrare in diverse categorie:
Maggiore di 1 mA, ~500 moli di A, <300 moli di A, <50 moli di A, <10 moli di A, <1 mole di A.
● quanto è grande la corrente di carico? Il carico consuma grandi quantità di corrente o genera la corrente che la sorgente di riferimento deve assorbire? Molte sorgenti di tensione di riferimento possono fornire solo una piccola quantità di corrente al carico e poche possono assorbirne una grande quantità. La specifica della velocità di regolazione del carico può illustrare efficacemente questo problema.
● quanto spazio di installazione c'è? La sorgente di tensione di riferimento è disponibile in una varietà di package, tra cui custodie con tappo metallico, guarnizioni in plastica (DIP, SOIC, SOT) e package molto piccoli, come prodotti con DFN da 2 mm x 2 mm. È generalmente accettato che l'errore dovuto allo stress meccanico di una sorgente di tensione di riferimento in un package più grande sia inferiore a quello di una sorgente di tensione di riferimento in un package più piccolo. Sebbene vi siano alcune sorgenti di tensione di riferimento che funzionano meglio con package più grandi, vi sono prove che le differenze di prestazioni non sono direttamente correlate alle dimensioni del package. Più probabilmente, poiché i prodotti in package più piccoli utilizzano chip più piccoli, è necessario fare una sorta di compromesso sulle prestazioni per adattare il circuito al chip. Spesso, il metodo di installazione del package ha un impatto maggiore sulle prestazioni rispetto al package effettivo e prestare molta attenzione al metodo di installazione e alla posizione massimizza le prestazioni. Inoltre, quando un PCB è piegato, un dispositivo con un ingombro inferiore può avere meno stress di uno con un ingombro maggiore.
