Referencia de banda prohibida de Brokaw

La referencia de banda prohibida de Brokaw es un circuito de referencia de voltaje ampliamente utilizado en circuitos integrados , con un voltaje de salida de alrededor de 1,25 V que presenta una baja dependencia de la temperatura. Este circuito en particular es un tipo de referencia de voltaje de banda prohibida , que recibe su nombre de Paul Brokaw , autor de su primera publicación. ^{[ 1 ]}

Como todas las referencias de banda prohibida independientes de la temperatura, el circuito mantiene una fuente de voltaje interna con un coeficiente de temperatura positivo y otra con un coeficiente de temperatura negativo . Al sumar ambas, se puede eliminar la dependencia de la temperatura. Además, cualquiera de las dos fuentes internas puede utilizarse como sensor de temperatura .

En la referencia de banda prohibida de Brokaw, el circuito utiliza retroalimentación negativa (mediante un amplificador operacional ) para forzar una corriente constante a través de dos transistores bipolares con áreas de emisor diferentes. Según el modelo de Ebers-Moll de un transistor,

• El transistor con la mayor área de emisor requiere una tensión base-emisor menor para la misma corriente.
• La diferencia entre los dos voltajes base-emisor tiene un coeficiente de temperatura positivo (es decir, aumenta con la temperatura).
• La tensión base-emisor de cada transistor tiene un coeficiente de temperatura negativo (es decir, disminuye con la temperatura).

La salida del circuito es la suma de una de las tensiones base-emisor por un múltiplo de la diferencia de tensiones base-emisor. Con la selección adecuada de componentes, los dos coeficientes de temperatura opuestos se cancelarán exactamente y la salida no tendrá dependencia de la temperatura.

En el circuito de ejemplo mostrado, el amplificador operacional garantiza que sus entradas inversora y no inversora estén al mismo voltaje. Esto significa que las corrientes en cada resistencia de colector son idénticas, por lo que las corrientes de colector de Q1 y Q2 también son idénticas. Si Q2 tiene un área de emisor que es${\displaystyle N}$veces mayor que Q1, su voltaje base-emisor será menor que el de Q1 en una magnitud de${\displaystyle {\tfrac {kT}{q}}\ln(N)}$Este voltaje se genera a través de${\displaystyle R2}$y así define el actual${\displaystyle I}$en cada pierna como${\displaystyle {\tfrac {kT}{q}}\ln(N){\tfrac {1}{R2}}}$Por lo tanto, el voltaje de salida (en la salida del amplificador operacional) es${\displaystyle V_{BE_{Q1}}+2\cdot I\cdot R1}$, o:

$${\displaystyle V_{BE_{Q1}}+2{\tfrac {kT}{q}}\ln(N){\tfrac {R1}{R2}}\,.}$$

El primer término tiene un coeficiente de temperatura negativo; el segundo término tiene un coeficiente de temperatura positivo (de su${\displaystyle T}$). Mediante una elección apropiada de${\displaystyle N}$y${\displaystyle R1}$y${\displaystyle R2}$Estos coeficientes de temperatura pueden anularse, lo que da como resultado un voltaje de salida prácticamente independiente de la temperatura. Se puede demostrar que la magnitud de este voltaje de salida es aproximadamente igual al voltaje de banda prohibida (EG0) del silicio extrapolado a 0 K.

• LM317

• Artículo original de IEEE (pdf)  : este es el artículo de 1974 que describe el circuito.
• Una referencia de voltaje de transistor y qué tiene que ver con la banda prohibida  : este video de 1989 muestra a Paul Brokaw explicando su referencia de voltaje de banda prohibida.
• Cómo crear una referencia de voltaje de banda prohibida en una lección sencilla por A. Paul Brokaw de IDT
• ELEN 689-602: Introducción a los generadores de referencia de banda prohibida  — Incluye una descripción detallada y un análisis de la referencia de banda prohibida de Brokaw.
• El diseño de circuitos de referencia de banda prohibida: pruebas y tribulaciones  — Robert Pease, National Semiconductor (En "Lo mejor de Bob Pease", página 286, se muestra la celda de Brokaw en la Figura  3)
• ECE 327: Ejemplo de referencia de voltaje de banda prohibida del LM317  : breve explicación del circuito de referencia de banda prohibida independiente de la temperatura dentro del LM317. El circuito es casi idéntico, pero el documento explica cómo permite que diferentes corrientes a través de transistores emparejados (en lugar de una sola corriente a través de diferentes transistores) puedan establecer los mismos voltajes con coeficientes de temperatura opuestos.