Resumen: ¿Qué podría ser más básico que una referencia de voltaje de referencia simple, tensión constante? Al igual que con todos los temas de diseño, hay ventajas y desventajas. Este artículo analiza los diferentes tipos de referencias de tensión, sus especificaciones clave, y las compensaciones de diseño, incluyendo la precisión, la temperatura a la independencia, la capacidad de transmisión de corriente, la disipación de potencia, estabilidad, ruido, y el costo.
Usted puede encontrar referencias de tensión dentro de casi cualquier producto electrónico avanzado, ya sea independiente o integrado en grandes eventos. La comprensión de la tecnología, así como el presupuesto de error del sistema es una consideración de diseño importante. Debido al espacio limitado, sugerimos leer con más detalle en las notas al pie al tocar en los conceptos del sistema. Por ejemplo:
- En un regulador de tensión , una referencia proporciona un valor conocido que se compara con la salida de desarrollar la realimentación que se utiliza para regular la tensión de salida 1 .
- Ajuste de tensión a distancia y ajuste de márgenes de alimentación pueden ser necesarios en la aplicación 2, 3, 4 .
-
- En un convertidor de datos, una referencia proporciona una tensión absoluta para comparar la tensión de entrada para determinar el código digital adecuada 5 .
- Presupuestos de error para un convertidor analógico-a-digital (ADC) y una referencia de tensión, o convertidor de digital a analógico (DAC) y una combinación de tensión de referencia 6 .
- Otras fuentes de datos de convertidor de error, la resolución efectiva y el número de bits 7, 8 .
- Herramientas y calculadoras para la precisión del convertidor y jitter de reloj , señal de ancho de banda , y THD9, 10 .
-
- En un circuito detector de tensión, la referencia se utiliza como un umbral absoluto para establecer el punto de viaje11 .
Las especificaciones requeridas dependen de la aplicación. Este artículo analiza los diferentes tipos de referencias de tensión, sus especificaciones clave, y las compensaciones de diseño. Ofrece información para ayudar a los diseñadores seleccionar la referencia óptima tensión para sus aplicaciones.
El Ideal
Un voltaje de referencia ideal tiene una precisión perfecta inicial y mantiene su tensión independiente de los cambios en la corriente de carga, temperatura, y tiempo. En el mundo real, un diseñador debe hacer concesiones, tales como: precisión de la tensión, la deriva de tensión inicial de temperatura y la histéresis, la corriente de fuente y la capacidad de fregadero,de reposo (o disipación de potencia) actual, la estabilidad a largo plazo, el ruido, y el costo.
Tipos de Referencia
Los dos tipos más comunes de referencias son Zener y el intervalo de banda 12, 13 . Zeners se utilizan generalmente en dos terminales de derivación topologías. Referencias de banda prohibida se utilizan generalmente en serie de tres terminales topologías.
Diodos Zener y derivación topologías
Diodos Zener son diodos optimizados para el funcionamiento en la región de ruptura inversa de polarización. Por ser la degradación es relativamente constante, que puede ser utilizado para generar una referencia estable por la conducción de una corriente conocida en la dirección inversa.
Una gran ventaja de Zeners es la amplia gama de tensiones que están disponibles, desde 2V hasta 200V. También tienen una amplia gama de capacidad de potencia, desde varios milivatios a varios vatios.
Las desventajas principales de los diodos Zener es que no son lo suficientemente precisas para aplicaciones de alta precisión y su consumo de energía a un ajuste difícil para aplicaciones de baja potencia hace. Un ejemplo es la BZX84C2V7LT1G, que tiene una avería o de tensión de referencia nominal, de 2,5 V con una variación de 2,3 V a 2,7 V, o ± 8% de precisión. Esto sólo es adecuada para aplicaciones que necesitan poca precisión.
Una preocupación adicional con una referencia zener es la salida de impedancia . Nuestro ejemplo anterior tiene una impedancia interna de 100Ω y 600Ω a 5 mA a 1 mA. Una impedancia distinta de cero provoca una variación adicional en la tensión de referencia en función de la variación de la corriente de carga. Selección de un Zener de baja impedancia de salida minimiza este efecto.
Diodos zener enterrados son un tipo específico de Zener que son más estables que un zener regular, debido a su estructura, que les sitúa por debajo de la superficie del silicio.
Una alternativa a un diodo Zener real es un circuito activo que emula un zener. Circuito permite que el dispositivo para mejorar de manera significativa sobre las limitaciones clásicas de la Zener. Uno de tales dispositivos es el MAX6330 .Cuenta con un apretado 1,5% (max) Precisión inicial por una variación en la carga 100μA a 50 mA. Una implementación típica de este tipo de IC se muestra en la Figura 1 .
Figura 1. Uso de la MAX6330 como un circuito activo que emula un diodo Zener.
Selección de la resistencia adecuada derivación
Todas las referencias de configuración de derivación necesitan una resistencia limitadora de corriente en serie con el elemento de referencia. Se puede calcular a partir de la siguiente ecuación:
R S = (V EN (max) - V DESVIACIÓN (min)) / (I DESVIACIÓN (max) + I CARGA (min)) ≤ R S ≤ (V EN (min) - V DESVIACIÓN (max)) / (I DESVIACIÓN (min) + I CARGA (max))
donde:
V EN es la entrada de voltaje de rango
V DESVIACIÓN es la tensión regulada
que LOAD es el rango de corriente de salida
I DESVIACIÓN es la derivación de corriente mínima de funcionamiento
Tenga en cuenta que un circuito de derivación siempre consume I CARGA (max) + I DESVIACIÓN si una carga está presente.
La misma derivación se puede utilizar para 10V EN o 100V EN dimensionando adecuadamente R S . Elegir el valor de la resistencia nominal más grande para R S da el consumo de corriente bajo. Recuerde que debe proporcionar un margen de seguridad para incorporar el peor de los casos la tolerancia de la resistencia utilizada. También debe asegurarse de que la potencia nominal de la resistencia es la adecuada, el uso de cualquiera de las dos ecuaciones de energía generales siguientes:
P R = I EN (V EN (max) - V DESVIACIÓN )
= I ² EN R S
= (V EN (max) - V DESVIACIÓN ) ² / R S
Referencias Bandgap y Modo Serie topologías
Las principales diferencias entre una derivación y referencia series es que las tres referencias de tensión en modo serie terminales no requieren una resistencia externa y tienen el poder de manera significativa en reposo inferior. La forma más común es la referencia de banda prohibida ubicua.
Fundamentos Bandgap
Una referencia de banda prohibida desarrolle dos tensiones: Uno tiene un coeficiente de temperatura positivo ( tempco ) y uno tiene un tempco negativo. Juntos, tienen una suma-tempco cero en la salida.
El tempco positivo se deriva generalmente de la diferencia de dos V BE 's corriendo en diferentes niveles actuales. El tempco negativo utiliza el tempco natural negativo de la V BE tensión (ver Figura 2 ).
En la práctica, la suma tempco no es exactamente cero. Dependiendo de los detalles de diseño como el diseño de circuitos integrados circuito, embalaje, y las capacidades de fabricación de prueba, por lo general estos dispositivos pueden conseguir un V SALIDA tempco entre 1 y 100 ppm por grado C.
Figura 2. Tensión de referencia de banda prohibida.
Calculadora Referencia Bandgap de Maxim (BGRC) Guía del Usuario (en el archivo zip Calculator) permite simular una celda de referencia Bandgap Brokaw. El efecto del recorte de la banda prohibida se muestra a temperaturas de cero absoluto a 175 ° C. El circuito de corrección de curvatura también es ajustable para permitir un ingeniero de diseño para entender el proceso de diseño de circuitos integrados de referencia. La física detrás del diseño se pone de manifiesto, junto con una comprensión de las formas de onda y la magnitud de error resultante.
El uso de cualquiera de una topología de derivación o serie está dictada típicamente por la aplicación y el rendimiento deseado. Ver Tabla 1 para algunas comparaciones entre zeners en shunt topologías y bandas prohibidas en serie topologías.
| Tabla 1. Guía de tensión de comparación Referencia | |||
| ¿Qué | Zener - Topología Derivador | Zener Enterrado - Topología Derivador | Bandgap - Topología Series |
| Pros | • Ancho / alto V EN capaz • Mejor para aplicaciones de potencia no críticos debido a una mayor IQUIETO (1 mA a 10 mA) •> 1% FS Precisión inicial | • Ancho / alto V EN capaz • Mejor para aplicaciones de potencia no críticos debido a una mayor IQUIETO (1 mA a 10 mA) • 0.01% a 0.1% FS Precisión inicial | • Por lo general inferior V EN rango • Bajo (a ~ 1 mA μA) Corriente de reposo • No resistor externo • Baje I reposo • 0,05% a 1% FS Precisión inicial • Tensiones bajas de deserción |
| Contras | • La corriente se utiliza siempre • Requiere resistencia externa • Precisión Baja • Sólo se puede absorber corriente • Alto voltaje abandono | • Superior I QUIETO que bandgaps | • Limitada V ENrango • Aprobar las pérdidas de elementos |
| Gotchas | • Estabilidad a largo plazo | • No todos los dispositivos de la serie actual se hunden | • No todos los dispositivos de la serie actual se hunden |
Problemas de diseño del sistema y de selección de referencia
Consumo de energía
Si está diseñando un sistema de precisión medio como una alta eficiencia, la fuente de alimentación de ± 5% o tal vez un 8-bit del sistema de adquisición de datos que requiere un mínimo de energía, podría utilizar un dispositivo como elMAX6025 y MAX6192 . Ambos son referencias 2.5V que consumen un máximo de 35μA. Ellos tienen una muy baja impedancia de salida por lo que la tensión de referencia es prácticamente independiente de la I SALIDA .
Fuente y sumidero de corriente
Otra especificación es la capacidad de la referencia a las fuentes y sumideros de corriente.
La mayoría de las aplicaciones requieren una referencia de voltaje a corriente a la carga (s) de origen y, por supuesto, la referencia tiene que ser capaz de suministrar la corriente de carga requerida. También debe proporcionar cualquier I BIAS o corrientes de fuga, su suma puede a veces superar las corrientes de carga.
ADCs y DACs suelen requerir entre decenas de micro-amplificadores para un convertidor como el MAX1110 , a 10 mA (máximo) para dispositivos como el AD7886. El MAX6101-MAX6105 familiares de referencias de fuentes y sumideros de 5 mA 2 mA. Para cargas muy pesadas, las MAX6225 / MAX6241 / MAX6250 fuentes de la familia y los sumideros de 15mA.
Deriva de temperatura
Variación de temperatura es normalmente un parámetro corregible 14, 15 . Es típicamente un error muy repetible. La corrección puede llevarse a cabo mediante la adición de una etapa de calibración o mediante la lectura de un valor de una función de consulta que se ha caracterizado anteriormente.
Temperatura de tensión de histéresis de salida
Este parámetro se define como el cambio en la tensión de salida a la temperatura de referencia (25 ° C) debido a las variaciones de temperatura secuenciales pero de sentido opuesto (es decir, caliente-a-fría y luego en frío a caliente). Muy efectos negativos pueden ocurrir debido a este efecto ya que su amplitud es directamente proporcional a la excursión de temperatura del sistema se sometió a. En muchos sistemas de este tipo de error no es muy repetible. Este parámetro es una función del diseño del circuito IC así como los efectos de los envases. Por ejemplo: El dispositivo MAX6001 en un 3-pin SOT23 tiene una histéresis de temperatura típica de 130ppm. Sin embargo, un paquete más grande, más estable, como el MAX6190 en el 8-pin SO, tiene sólo 75 ppm.
Calibración 16, 17, 18, 19, 20
La calibración es muy común en los sistemas de alta resolución. En un sistema de 16 bits, es necesario más que un 1 ppm / ° C de referencia para el comercial (0 ° C a +70 ° C) de temperatura para mantenerse dentro del ± 1 LSB en toda la gama, con 25 ° C punto de referencia. ? V = (1 ppm / ° C × × 5V 45 ° C) = 255μV. Este mismo cambio de temperatura ampliado el rango de temperatura industrial sólo es aceptable para un sistema de 14 bits.
- ¿Por qué hay que calibrar, la corrección de tolerancia de los componentes, la ganancia y el offset 16, 17 .
- Calculadoras gratis para ADC y DAC precisión y ruido térmico 19, 20 .
- Las herramientas de diseño de simulación, condensadores de desacoplamiento, y filtros (gratis oa bajo costo) 18 .
- Ideas de calibración del circuito, consejos, y preguntas frecuentes 21, 22, 23, 24 .
Ruido
Ruido por lo general consiste de ruido térmico al azar, pero también puede incluir ruido de parpadeo y otras fuentes espurias. El MAX6150 , MAX6250 y MAX6350 son todas buenas opciones para aplicaciones de bajo ruido con 35μV, 3μV y 3μV PP rendimiento de ruido, respectivamente. Todo esto contribuye a menos de 1 LSB de ruido en la medición. Uno podría sobre-muestra y media, pero se trata en el coste de la potencia del procesador y el aumento de la complejidad del sistema y el coste.
Calculadora de ruido térmico de Maxim (TNC) Guía del usuario de (en el archivo zip Calculator) ayuda en el análisis de ruido térmico se encuentra en resistencias y otras fuentes de ruido. TNC encuentra la tensión de ruido generado por cualquier dispositivo, si se conoce su densidad espectral de ruido blanco y 1 / f frecuencia de esquina. TNC también se puede ejecutar en una calculadora HP 50g o un ordenador con un programa emulador gratuito.
Figura 3. Típico densidad de ruido espectral.
La calculadora de ruido térmico puede mostrar la contribución de ruido para un cliente en un ancho de banda especificado.
Estabilidad a largo plazo
Este parámetro se define como un cambio en el voltaje a través del tiempo. Esto se debe a morir de estrés o tal vez la migración de iones que hay en un paquete o familia de productos principalmente. Es importante tener en cuenta que laplaca de circuito limpieza puede aparecer como un cambio a largo plazo en el tiempo, sobre todo respecto a la temperatura y la humedad. Este efecto, a veces puede ser más grande que el dispositivo de la estabilidad inherente. La estabilidad a largo plazo es normalmente sólo se especifica en la temperatura de referencia, por lo general 25 ° C.
Resumen
Las dificultades de diseño de cualquier sistema radican en el equilibrio de las ventajas y desventajas: coste, el tamaño, la precisión, el consumo de energía, etc Es importante tener en cuenta todos los parámetros pertinentes cuando se selecciona la referencia óptima para un diseño. Es interesante observar que muchas veces un componente más caro puede resultar en un menor coste total del sistema debido a la reducción en el costo de compensación / calibración en la fase de fabricación.
Referencias
- El arte de la Electrónica, de Paul Horowitz y Winfield Hill, Capítulo 6, reguladores de voltaje y circuitos de potencia
- Nota de aplicación 4936, " Calibración de una fuente de alimentación con un potenciómetro digital "
- Tutorial 5067, " márgenes y calibración por diversión y dinero "
- Nota de aplicación 226, " Step-Up DC-DC convertidor de calibración y ajuste con un potenciómetro digital "
- Circuitos microelectrónicos, por Adel S. Sedra y Kenneth C. Smith, Capítulo 3.6 Operación en la ruptura inversa Diodos Zener Región- , Capítulo 10.09 a 10.11 Convertidores de datos
- Tutorial 5353, " Cálculo de la Resolución Efectiva de Convertidores de datos "
- Tutorial 5060, " ADC / DAC Precisión Calculadora Tutorial "
- Tutorial 5061, " Número efectivo de bits Calculadora Tutorial "
- Tutorial 886, " Selección del Comparador Derecho "
- Tutorial 719: " La comprensión de voltaje de referencia topologías y especificaciones "
- Nota de aplicación 4003, " la serie o en derivación Tensión de referencia? "
- Nota de aplicación 4419, " La comprensión de voltaje de referencia Temperatura Drift "
- Nota de aplicación 4672, " Entendiendo la deriva de temperatura en un convertidor de digital a analógico de precisión (DAC) "
- Nota de aplicación 4494, " Métodos de Calibración Error ganancia en Data-Converter Sistemas "
- Tutorial 5275, " Calibración-No hace falta, o una necesidad? "
- Tutorial 5066, " Cuando es la calibración es importante? "
- Nota de aplicación 4711, " Calibración Digital hace prueba automatizado fácil; FAQs calibración "
- Tutorial 5036, " Biblioteca circuito de calibración "
- Nota de aplicación 1956, " Consejos para recordar al diseñar con potenciómetros digitales "
- Nota de aplicación 593, " Los potenciómetros digitales: Preguntas más frecuentes "
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