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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 que corres...

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Una referencia de voltaje de banda prohibida es un circuito de referencia de voltaje ampliamente utilizado en circuitos integrados . Produce un voltaje casi constante que corresponde a la banda prohibida teórica del semiconductor en particular , con muy pocas fluctuaciones debido a variaciones de la fuente de alimentación , la carga eléctrica , el tiempo y la temperatura ( a partir de 1999) ., suelen tener un error inicial de 0,5–1,0% 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 ] continuaron con otras versiones de éxito comercial.

Operación

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

La diferencia de potencial entre dos uniones p-n (por ejemplo, diodos ), operadas a diferentes densidades de corriente, se utiliza para generar una corriente proporcional a la temperatura absoluta ( PTAT ) en una resistencia. Esta corriente se emplea para generar un voltaje en una segunda resistencia. Este voltaje, a su vez, se suma al voltaje de una de las uniones (o de una tercera, en algunas implementaciones). El voltaje en 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 adecuadamente, los efectos de primer orden de la dependencia de la temperatura del diodo y de la corriente PTAT se anularán.

Aunque la banda prohibida del silicio (Si) a 0 K es técnicamente de 1,165 eV , el circuito extrapola linealmente la curva de banda prohibida-temperatura [ 7 ] para determinar una referencia ligeramente superior pero precisa de alrededor de 1,2–1,3 V (el valor específico depende de la tecnología y el diseño del circuito); el cambio de voltaje restante en el rango de temperatura de funcionamiento de los circuitos integrados típicos es del orden de unos pocos milivoltios. Esta dependencia de la temperatura presenta un comportamiento residual parabólico típico , ya que se elige que los efectos lineales (de primer orden) se cancelen.   

Debido a que la tensión de salida está fijada por definición en torno a 1,25  V para los circuitos de referencia típicos de banda prohibida del silicio, la tensión mínima de funcionamiento es de aproximadamente 1,4  V, ya que en un circuito CMOS hay que sumar al menos una tensión drenador-fuente de un transistor de efecto de campo (FET). Por lo tanto, trabajos recientes se centran en encontrar soluciones alternativas, en las que, por ejemplo, se suman corrientes en lugar de tensiones, lo que resulta en un límite teórico inferior para la tensión 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 aclarar esta confusión, pero no es de uso generalizado.

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 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 las 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 que fue realizado por Tsividis en 1980. [ 9 ] En 2012, Andreou [ 10 ] [ 11 ] mejoró aún más la compensación no lineal de alto orden utilizando un segundo amplificador operacional junto con una rama resistiva adicional en el punto donde se suman las dos corrientes. Este método mejoró aún más la corrección de curvatura y logró un rendimiento de TD superior en un rango de temperatura más amplio. Además, logró una mejor regulación de la línea y un menor nivel de ruido .

Otro aspecto crítico en el diseño de referencias de banda prohibida es la eficiencia energética y el tamaño del circuito. Dado que una referencia de banda prohibida generalmente se basa en transistores bipolares de unión (BJT) y resistencias, el tamaño total del circuito puede 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 utiliza ampliamente en reguladores de voltaje, cubriendo la mayoría de los dispositivos 78xx y 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 las muestras 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 o comparadores internos y convertidores analógico-digitales .

Patentes

  • 1966, Patente estadounidense 3271660, Fuente de voltaje de referencia , David Hilbiber. [ 13 ]
  • 1971, Patente estadounidense 3617859, Aparato regulador eléctrico que incluye un circuito de referencia de voltaje con coeficiente de temperatura cero , Robert Dobkin y Robert Widlar . [ 14 ]
  • 1981, Patente estadounidense 4249122, Referencias de voltaje de circuitos integrados de banda prohibida compensada por temperatura , Robert Widlar . [ 15 ]
  • 1984, Patente estadounidense 4447784, Circuito de referencia de voltaje de banda prohibida compensado por temperatura , Robert Dobkin . [ 16 ]

Notas

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

Véase también

Referencias

  1. ↑ Miller, Perry; Moore, Doug (noviembre de 1999). "Referencias de voltaje de precisión" (PDF) . Texas Instruments . Archivado (PDF) del original el 17 de mayo de 2023. Recuperado el 20 de enero de 2024 .
  2. ↑ US3271660A , Hilbiber, David F., "Fuente de tensión de referencia", publicado el 6 de septiembre de 1966 
  3. ↑ Hilbiber, DF (1964). "Un nuevo estándar de voltaje para semiconductores". Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido de la IEEE de 1964. Resumen de ponencias técnicas . Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido de 1964: Resumen de ponencias técnicas. Vol. 2. págs. 32–33 . doi : 10.1109/ISSCC.1964.1157541 .  
  4. ↑ Widlar, Robert J. (febrero de 1971), "Nuevos desarrollos en reguladores de voltaje IC", 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 de banda prohibida de circuito integrado simple 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. 1 2 3 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 bibliográfico : 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 Ic-Vbe con aplicación a fuentes de referencia de banda prohibida," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 15, no. 6, pp. 1076 – 1084, dic. 1980.
  10. ↑ Andreou, Charalambos M.; Koudounas, Savvas; Georgiou, Julius (2012). "Un nuevo circuito de referencia de banda prohibida CMOS de amplio rango de temperatura de 3,9 PPM/°C". IEEE Journal of Solid-State Circuits . 47 (2): 574– 581. Bibcode : 2012IJSSC..47..574A . doi : 10.1109/JSSC.2011.2173267 . S2CID 34901947 . 
  11. ↑ Koudounas, Savvas; Andreou, Charalambos M.; Georgiou, Julius (2010). "Un nuevo circuito de referencia de banda prohibida CMOS con compensación de temperatura de alto orden mejorada". Actas del Simposio Internacional IEEE de 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 de alta PSRR". Simposio Internacional IEEE de Circuitos y Sistemas de 2004 (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 los Estados Unidos; 6 de septiembre de 1966.
  14. ↑ Patente estadounidense 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 los Estados Unidos; 2 de noviembre de 1971.
  15. ↑ Patente estadounidense 4249122 - Referencias de voltaje de circuitos integrados de banda prohibida compensada por temperatura ; Robert J Widlar; Oficina de Patentes y Marcas de los Estados Unidos; 3 de febrero de 1981.
  16. ↑ Patente estadounidense 4447784 - Circuito de referencia de voltaje de banda prohibida compensado por temperatura ; Robert C Dobkin; Oficina de Patentes y Marcas de los Estados Unidos; 8 de mayo de 1984.
  • El diseño de circuitos de referencia de banda prohibida: pruebas y tribulaciones,  pág.  286 – Robert Pease, National Semiconductor
  • Características y limitaciones de las referencias de voltaje CMOS
  • ECE 327: Ejemplo de referencia de voltaje de banda prohibida LM317 Archivado el 15/05/2016 en el Archivo Web Portugués – Breve explicación del circuito de referencia de banda prohibida independiente de la temperatura dentro del LM317.