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Referencia de voltaje de banda prohibida

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 pequeñas fluctuaciones debido a variaciones de suministro de energía , carga eléctrica , tiempo, temperatura (a partir de 1999 , generalmente tienen un error inicial de 0,5 a 1,0% y un coeficiente de temperatura de 25–50 ppm / °C ). [1]

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.

Operación

Circuito de una referencia de banda prohibida de Brokaw.
Característica y punto de equilibrio de T1 y T2.

La diferencia de voltaje entre dos uniones p-n (por ejemplo, diodos ), operadas con 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 operado 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 banda prohibida del silicio (Si) a 0 K es técnicamente 1,165 eV , el circuito extrapola esencialmente linealmente la curva de banda prohibida-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 diseño de circuitos); 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 cancelar los efectos lineales (de primer orden).    

Debido a que el voltaje de salida, por definición, se fija alrededor de 1,25  V para los circuitos de referencia de banda prohibida de Si típicos, el voltaje de funcionamiento mínimo es de aproximadamente 1,4  V, ya que en un circuito CMOS al menos un voltaje de fuente de drenaje de un transistor de efecto de campo (FET) tiene que ser ser agregado. Por lo tanto, el trabajo reciente se concentra en encontrar soluciones alternativas, en las que, por ejemplo, se suman corrientes en lugar de voltajes, lo que da como resultado un límite teórico más bajo para el voltaje de funcionamiento. [6]

La primera letra del acrónimo, CTAT, a veces se malinterpreta como constante en lugar de complementaria . El término constante con la temperatura ( CWT ) existe para abordar esta confusión, pero no es de uso generalizado.

Al sumar una corriente PTAT y 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 a 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 alto orden, 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 realizado por Tsividis en 1980. [9] En 2012, Andreou [10] [11] mejoró aún más la topología no -compensación lineal mediante el uso de un segundo amplificador operacional junto con una 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 TD superior en un rango de temperatura más amplio. Además logró una mejor regulación de la línea y un menor ruido .

La otra cuestión crítica en el diseño de referencias de banda prohibida es la eficiencia energética y el tamaño del circuito. Como la referencia de banda prohibida generalmente se basa en resistencias y dispositivos BJT , 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 las especificaciones de ruido y precisión deseadas. [12]

A pesar de estas limitaciones, la referencia de voltaje de banda prohibida se usa ampliamente en reguladores de voltaje y cubre 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 versus 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 la 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 interno y convertidor analógico a digital .

Patentes

Notas

  1. ^ Por ejemplo, LT6657 de Linear Technology y ADR4550 de Analog Devices.
  2. ^ Por ejemplo,  corriente de cátodo de 1 μA con la referencia de voltaje de derivación MAX6009 de Maxim Integrated.

Ver también

Referencias

  1. ^ Molinero, Perry; Moore, Doug (noviembre de 1999). «Referencias de tensión de precisión» (PDF) . Instrumentos Texas . Archivado (PDF) desde el original el 17 de mayo de 2023 . Consultado el 20 de enero de 2024 .
  2. ^ US3271660A, Hilbiber, David F., "Fuente de voltaje de referencia", publicado el 6 de septiembre de 1966 
  3. ^ Hilbiber, DF (1964). "Un nuevo estándar de voltaje de semiconductores". 1964 Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido IEEE. Compendio de artículos técnicos . Conferencia internacional de circuitos de estado sólido de 1964: resumen de artículos técnicos. vol. 2. págs. 32–33. doi :10.1109/ISSCC.1964.1157541.
  4. ^ Widlar, Robert J. (febrero de 1971), "Nuevos desarrollos en reguladores de voltaje de circuitos integrados", IEEE Journal of Solid-State Circuits , 6 (1): 2–7, Bibcode :1971IJSSC...6....2W, doi :10.1109/JSSC.1971.1050151, S2CID  14461709
  5. ^ Brokaw, Paul (diciembre de 1974), "Una referencia simple de banda prohibida de IC de tres terminales", IEEE Journal of Solid-State Circuits , 9 (6): 388–393, Bibcode : 1974IJSSC...9..388B, doi : 10.1109/JSSC.1974.1050532, S2CID  12673906
  6. ^ abc Banba, H.; Shiga, H.; Umezawa, A.; Miyaba, T.; Tanzawa, T.; Atsumi, S.; Sakui, K. (mayo de 1999), "Un circuito de referencia de banda prohibida CMOS con funcionamiento por debajo de 1 V", IEEE Journal of Solid-State Circuits , 34 (5): 670–674, Bibcode :1999IJSSC..34..670B , doi :10.1109/4.760378, S2CID  10495180
  7. ^ https://people.engr.tamu.edu/s-sanchez/607%20Lect%204%20Bandgap-2009.pdf diapositivas 8-9 y https://users.wpi.edu/~mcneill/handouts/BandgapPrinciple. pdf grafica esta extrapolación lineal
  8. ^ Malcovati, P.; Maloberti, F.; Fiocchi, C.; Pruzzi, M. (2001). "Banda prohibida BiCMOS con curvatura compensada con tensión de alimentación de 1 V". Revista IEEE de circuitos de estado sólido . 36 (7): 1076–1081. Código Bib : 2001IJSSC..36.1076M. CiteSeerX 10.1.1.716.6243 . doi : 10.1109/4.933463. S2CID  7504312. 
  9. ^ YP Tsividis, "Análisis preciso de los efectos de la temperatura en las características de Ic-Vbe con aplicación a fuentes de referencia de banda prohibida", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 15, núm. 6, págs. 1076 – 1084, diciembre de 1980.
  10. ^ Andreou, Charalambos M.; Koudounas, Savvas; Georgiou, Julio (2012). "Un novedoso circuito de referencia de banda prohibida CMOS de amplio rango de temperaturas, 3,9 PPM/$^{\circ}$C". Revista IEEE de circuitos de estado sólido . 47 (2): 574–581. doi :10.1109/JSSC.2011.2173267. S2CID  34901947.
  11. ^ Koudounas, Savvas; Andreou, Charalambos M.; Georgiou, Julio (2010). "Un novedoso circuito de referencia CMOS Bandgap con compensación de temperatura de alto orden mejorada". Actas del Simposio internacional IEEE sobre circuitos y sistemas de 2010 . págs. 4073–4076. doi :10.1109/ISCAS.2010.5537621. ISBN 978-1-4244-5308-5. S2CID  30644500.
  12. ^ Tajalli, A.; Atarodi, M.; Khodaverdi, A.; Sahandi Esfanjani, F. (2004). "Diseño y optimización de una referencia de voltaje de banda prohibida CMOS PSRR alta". 2004 Simposio internacional IEEE sobre circuitos y sistemas (IEEE Cat. No.04CH37512) . págs. I-45-I-48. doi :10.1109/ISCAS.2004.1328127. ISBN 0-7803-8251-X. S2CID  9650641.
  13. ^ Patente estadounidense 3271660: fuente de voltaje de referencia, David F Hilbiber; Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos; 6 de septiembre de 1966.
  14. ^ Patente de EE. UU. 3617859: aparato regulador eléctrico que incluye un circuito de referencia de voltaje con coeficiente de temperatura cero; Robert C Dobkin y Robert J Widlar; Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos; 2 de noviembre de 1971.
  15. ^ Patente de EE. UU. 4249122: referencias de voltaje de circuito integrado de banda prohibida con compensación de temperatura; Robert J Widlar; Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos; 3 de febrero de 1981.
  16. ^ Patente de EE. UU. 4447784: circuito de referencia de voltaje de banda prohibida con compensación de temperatura; Robert C. Dobkin; Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos; 8 de mayo de 1984.

enlaces externos