Una referencia de voltaje de banda prohibida es un circuito de referencia de voltaje ampliamente utilizado en circuitos integrados . Produce un voltaje casi constante correspondiente a la banda prohibida teórica del semiconductor particular , con muy pocas fluctuaciones por variaciones de la fuente de alimentación , carga eléctrica , tiempo y temperatura (a partir de 1999 , generalmente tienen un error inicial de 0,5-1,0% y un coeficiente de temperatura de 25-50 ppm / °C ). [1][actualizar]
David Hilbiber de Fairchild Semiconductor presentó una patente en 1963 [2] y publicó este concepto de circuito en 1964. [3] Bob Widlar , [4] Paul Brokaw [5] y otros [6] siguieron con otras versiones comercialmente exitosas.
La diferencia de voltaje entre dos uniones p–n (por ejemplo, diodos ), que funcionan a diferentes densidades de corriente, se utiliza para generar una corriente que es proporcional a la temperatura absoluta ( PTAT ) en una resistencia. Esta corriente se utiliza para generar un voltaje en una segunda resistencia. Este voltaje, a su vez, se suma al voltaje de una de las uniones (o una tercera, en algunas implementaciones). El voltaje a través de un diodo que funciona a corriente constante es complementario a la temperatura absoluta ( CTAT ), con un coeficiente de temperatura de aproximadamente −2 mV/K. Si la relación entre la primera y la segunda resistencia se elige correctamente, los efectos de primer orden de la dependencia de la temperatura del diodo y la corriente PTAT se cancelarán.
Aunque la brecha de banda del silicio (Si) a 0 K es técnicamente 1,165 eV , el circuito extrapola esencialmente de manera lineal la curva de brecha de banda-temperatura [7] para determinar una referencia ligeramente más alta pero precisa alrededor de 1,2-1,3 V (el valor específico depende de la tecnología particular y el diseño del circuito); el cambio de voltaje restante sobre la temperatura de funcionamiento de los circuitos integrados típicos es del orden de unos pocos milivoltios. Esta dependencia de la temperatura tiene un comportamiento residual parabólico típico ya que se elige que los efectos lineales (de primer orden) se cancelen.
Como el voltaje de salida está fijado por definición en torno a 1,25 V para los circuitos de referencia típicos de banda prohibida de silicio, el voltaje de funcionamiento mínimo es de aproximadamente 1,4 V, ya que en un circuito CMOS se debe añadir al menos un voltaje de drenaje-fuente de un transistor de efecto de campo (FET). Por lo tanto, los trabajos recientes se concentran en encontrar soluciones alternativas, en las que, por ejemplo, se suman las corrientes en lugar de los voltajes, lo que da como resultado un límite teórico inferior para el voltaje de funcionamiento. [6]
La primera letra del acrónimo, CTAT, a veces se interpreta erróneamente como si representara constante en lugar de complementaria . El término, constante con la temperatura ( CWT ), existe para abordar esta confusión, pero no se usa ampliamente.
Al sumar una corriente PTAT y una CTAT, solo se compensan los términos lineales de la corriente, mientras que los términos de orden superior limitan la deriva de temperatura (TD) de la referencia de banda prohibida en alrededor de 20 ppm/°C, en un rango de temperatura de 100 °C. Por esta razón, en 2001, Malcovati [8] diseñó una topología de circuito que puede compensar no linealidades de orden alto, logrando así una TD mejorada. Este diseño utilizó una versión mejorada de la topología de Banba [6] y un análisis de los efectos de la temperatura base-emisor que fue realizado por Tsividis en 1980. [9] En 2012, Andreou [10] [11] ha mejorado aún más la compensación no lineal de orden alto mediante el uso de un segundo amplificador operacional junto con una pata de resistencia adicional en el punto donde se suman las dos corrientes. Este método mejoró aún más la corrección de la curvatura y logró un rendimiento de TD superior en un rango de temperatura más amplio. Además, logró una mejor regulación de línea y un menor ruido .
El otro aspecto crítico en el diseño de referencias de banda prohibida es la eficiencia energética y el tamaño del circuito. Como una referencia de banda prohibida generalmente se basa en dispositivos BJT y resistencias, el tamaño total del circuito podría ser grande y, por lo tanto, costoso para el diseño de circuitos integrados. Además, este tipo de circuito puede consumir mucha energía para alcanzar la especificación de ruido y precisión deseada. [12]
A pesar de estas limitaciones, la referencia de voltaje de banda prohibida se usa ampliamente en reguladores de voltaje, cubriendo la mayoría de los dispositivos 78xx, 79xx junto con el TL431 y los complementarios LM317 y LM337. Se pueden obtener coeficientes de temperatura tan bajos como 1,5–2,0 ppm/°C con referencias de banda prohibida. [a] Sin embargo, la característica parabólica del voltaje en función de la temperatura significa que una sola cifra en ppm/°C no describe adecuadamente el comportamiento del circuito. Las hojas de datos de los fabricantes muestran que la temperatura a la que se produce el pico (o valle) de la curva de voltaje está sujeta a variaciones normales de muestra en la producción. Las referencias de banda prohibida también son adecuadas para aplicaciones de baja potencia. [b]
Los microcontroladores de señal mixta pueden proporcionar una señal de referencia de banda prohibida interna que se utilizará como referencia para cualquier comparador (es) interno (s) y convertidor(es) analógico-digital (es).