Αναφορές XFET

Προκειμένου ένα αναλογικό σήμα να αντιπροσωπεύει (ή να αντιπροσωπεύεται από) έναν ψηφιακό αριθμό, μια αναφορά, συνήθως τάσης, είναι απαραίτητη για τη μετάφραση της κλίμακας. Έτσι, ένας μετατροπέας A/D παράγει έναν ψηφιακό αριθμό ανάλογο με τον λόγο ενός αναλογικού σήματος προς μια τάση αναφοράς. και ένας μετατροπέας D/A παράγει μια έξοδο που είναι ένα κλάσμα της τάσης ή του ρεύματος πλήρους κλίμακας, που καθορίζεται από μια αναφορά. Εάν το σήμα αναφοράς εμφανίσει σφάλμα +1%, θα προκαλέσει ένα αναλογικό σφάλμα συστήματος: η αναλογική έξοδος ενός DAC θα αυξηθεί κατά 1%, και η ψηφιακή έξοδος ενός ADC θα μειωθεί κατά 1%. Σε συστήματα όπου απαιτούνται απόλυτες μετρήσεις, η ακρίβεια του συστήματος εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ακρίβεια της αναφοράς. Σε συστήματα απόκτησης δεδομένων υψηλής ανάλυσης, ειδικά σε αυτά που πρέπει να λειτουργούν σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών, οι αναφορές υψηλής σταθερότητας είναι απαραίτητες. Η ακρίβεια οποιουδήποτε μετατροπέα περιορίζεται από την ευαισθησία στη θερμοκρασία και τη μακροπρόθεσμη μετατόπιση της τάσης αναφοράς του. Εάν η αναφορά τάσης επιτρέπεται να συνεισφέρει ένα σφάλμα ισοδύναμο μόνο με το 1/2 ενός λιγότερο σημαντικού bit (1 LSB = 2-n πλήρους κλίμακας), μπορεί να είναι εκπληκτικό να δούμε πόσο καλή πρέπει να είναι η αναφορά, ακόμη και για μικρές θερμοκρασιακές εκδρομές. Και όταν οι αλλαγές θερμοκρασίας είναι μεγάλες, ο σχεδιασμός αναφοράς είναι ένα σημαντικό πρόβλημα. Για παράδειγμα, ένας πραγματικός μετατροπέας A/D 16-bit με αυτόματη βαθμονόμηση έχει LSB 15.2 μέρη ανά εκατομμύριο (ppm) πλήρους κλίμακας. Για να έχει το ADC απόλυτη ακρίβεια 16 bit, το σφάλμα αναφοράς τάσης σε ολόκληρο το εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας πρέπει να είναι μικρότερο ή ίσο με 1/2 LSB ή 7.6 ppm. Εάν η μετατόπιση αναφοράς είναι 1 ppm/°C, τότε (αγνοώντας όλες τις άλλες πηγές σφάλματος) η συνολική εναλλαγή θερμοκρασίας δεν πρέπει να υπερβαίνει τους 7.6°C για να διατηρείται η πραγματική ακρίβεια 16 bit. Μια άλλη πηγή σφάλματος, που συχνά παραβλέπεται, είναι ο θόρυβος αναφοράς. Η διατήρηση του χαμηλού (συνήθως λιγότερο από 1/4 LSB) είναι κρίσιμη για υψηλή ακρίβεια. Η μη γραμμικότητα του συντελεστή θερμοκρασίας αναφοράς και η μεγάλη θερμική υστέρηση είναι άλλες πηγές σφάλματος που μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά τη συνολική ακρίβεια του συστήματος. Τύποι αναφορών Δίοδοι Zener*: Χρησιμοποιείται ευρέως εδώ και πολλά χρόνια η δίοδος Zener με αντιστάθμιση θερμοκρασίας, η οποία παράγεται από την αντίστροφη διάσπαση της διασταύρωσης βάσης-εκπομπού στην επιφάνεια της συσκευής. Τα Zener έχουν σταθερή πτώση τάσης, ειδικά όταν χρησιμοποιούνται σε ένα κύκλωμα που μπορεί να παρέχει σταθερό ρεύμα που προέρχεται από υψηλότερη τάση τροφοδοσίας. Τα Zener είναι διαθέσιμα σε ένα ευρύ φάσμα επιλογών τάσης: από περίπου 6 V έως 200 V, ανοχές από 1.0% έως 20%, και διαρροή ισχύος από ένα κλάσμα του watt έως τα 40 ή 50 W. Ωστόσο, έχουν πολλές ελλείψεις. Συχνά απαιτούν πρόσθετο κύκλωμα για να αποκτήσουν χαμηλή αντίσταση εξόδου, η ανοχή τάσης των συσκευών χαμηλού κόστους είναι γενικά κακή. Είναι θορυβώδη και πολύ ευαίσθητα στις αλλαγές του ρεύματος και της θερμοκρασίας, και είναι ευαίσθητα σε αλλαγές με το χρόνο. Το θαμμένο ή υπόγειο Zener είναι η προτιμώμενη πηγή αναφοράς για ακριβείς συσκευές IC. Σε μια υποεπιφανειακή αναφορά Zener, η περιοχή αντίστροφης διάσπασης καλύπτεται από μια προστατευτική διάχυση για να διατηρείται πολύ κάτω από τις ακαθαρσίες, τις μηχανικές καταπονήσεις και τις κρυσταλλικές ατέλειες που βρίσκονται στην επιφάνεια. Δεδομένου ότι αυτά τα φαινόμενα συμβάλλουν στον θόρυβο και τη μακροχρόνια αστάθεια, η θαμμένη δίοδος διάσπασης είναι λιγότερο θορυβώδης και πιο σταθερή από τα επιφανειακά Zener. Ωστόσο, απαιτεί τροφοδοτικό τουλάχιστον 6 V και πρέπει να αντλεί αρκετές εκατοντάδες μικροαμπέρ για να διατηρείται ο θόρυβος σε πρακτικό επίπεδο. *Σημείωση: Οι δίοδοι αναφοράς μπορούν να χρησιμοποιήσουν δύο τύπους φαινομένων βλάβης, Zener και χιονοστιβάδα. Οι περισσότερες δίοδοι αναφοράς χρησιμοποιούν τη λειτουργία χιονοστιβάδας υψηλότερης τάσης, αλλά όλες έχουν ονομαστεί δίοδοι "Zener". Διάκενα ζώνης: Μια άλλη δημοφιλής τεχνική σχεδιασμού για αναφορές τάσης χρησιμοποιεί την αρχή bandgap: το Vbe οποιουδήποτε τρανζίστορ πυριτίου έχει αρνητικό tempco περίπου 2 mV/°C, το οποίο μπορεί να προεκταθεί σε περίπου 1.2 V στο απόλυτο μηδέν (η τάση διάκενου ζώνης του πυριτίου) . Η διαφορά στην τάση βάσης-εκπομπού μεταξύ ταιριαστών τρανζίστορ που λειτουργούν σε διαφορετικές πυκνότητες ρεύματος θα είναι ανάλογη της απόλυτης θερμοκρασίας (PTAT). Αυτή η τάση, που προστίθεται σε ένα Vbe με τον αρνητικό συντελεστή θερμοκρασίας του, θα επιτύχει τη σταθερή τάση διάκενου ζώνης. Αυτή η αμετάβλητη στη θερμοκρασία τάση μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως "δίοδος Zener χαμηλής τάσης" σε μια σύνδεση διακλάδωσης (AD1580). Πιο συχνά, ενισχύεται και ρυθμίζεται για να παράγει μια τυπική τιμή τάσης, όπως 2.5 ή 5 V. Η αναφορά τάσης διάκενου ζώνης έχει επιτύχει υψηλό βαθμό τελειοποίησης από την εισαγωγή της και χρησιμοποιείται ευρέως. Ωστόσο, δεν έχει την ακρίβεια που απαιτούν πολλά από τα σημερινά ηλεκτρονικά συστήματα. Οι πρακτικές αναφορές bandgap δεν σημειώνονται για καλή απόδοση θορύβου, παρουσιάζουν σημαντική υστέρηση θερμοκρασίας και έχουν μακροπρόθεσμη σταθερότητα που εξαρτάται από την απόλυτη τιμή τουλάχιστον μιας αντίστασης στο τσιπ. Μια νέα αρχή -- το XFET™: Με τον πολλαπλασιασμό συστημάτων που χρησιμοποιούν τροφοδοσίες 5-V και την αυξανόμενη ανάγκη για λειτουργία στα 3 βολτ και κάτω, οι σχεδιαστές IC και συστημάτων χρειάζονται αναφορές τάσης υψηλής απόδοσης που μπορούν να λειτουργούν από ράγες τροφοδοσίας πολύ κάτω τα >6 V που απαιτούνται για τις θαμμένες διόδους Zener. Μια τέτοια συσκευή πρέπει να συνδυάζει λειτουργία χαμηλής ισχύος με χαμηλό θόρυβο και χαμηλή μετατόπιση. Επίσης επιθυμητοί είναι ο γραμμικός συντελεστής θερμοκρασίας, η καλή μακροχρόνια σταθερότητα και η χαμηλή θερμική υστέρηση. Για την κάλυψη αυτών των αναγκών, έχει δημιουργηθεί μια νέα αρχιτεκτονική αναφοράς για την παροχή αυτής της πολυπόθητης αναφοράς τάσης. Η τεχνική, που ονομάζεται XFET™ (eXtra εμφυτευμένο FET), αποδίδει μια αναφορά χαμηλού θορύβου που απαιτεί χαμηλό ρεύμα τροφοδοσίας και παρέχει βελτιωμένη γραμμικότητα συντελεστή θερμοκρασίας με χαμηλή θερμική υστέρηση. Ο πυρήνας της αναφοράς XFET αποτελείται από δύο τρανζίστορ φαινομένου πεδίου σύνδεσης, το ένα από τα οποία έχει ένα επιπλέον εμφύτευμα καναλιού για να αυξήσει την τάση εκτόνωσης. Με και τα δύο JFET να λειτουργούν στο ίδιο ρεύμα αποστράγγισης, η διαφορά στην τάση εκτόνωσης ενισχύεται και χρησιμοποιείται για να σχηματίσει μια εξαιρετικά σταθερή αναφορά τάσης. Η εγγενής τάση αναφοράς είναι περίπου 500 mV, με αρνητικό συντελεστή θερμοκρασίας περίπου 120 ppm/K. Αυτή η κλίση είναι ουσιαστικά κλειδωμένη στη διηλεκτρική σταθερά του πυριτίου και αντισταθμίζεται στενά με την προσθήκη ενός διορθωτικού όρου που δημιουργείται με τον ίδιο τρόπο όπως ο όρος αναλογικής προς απόλυτη θερμοκρασία (PTAT) που χρησιμοποιείται για την αντιστάθμιση των αναφορών στο διάκενο ζώνης. Ωστόσο, ο εγγενής συντελεστής θερμοκρασίας του XFET είναι περίπου τριάντα φορές χαμηλότερος από αυτόν ενός bandgap. Ως αποτέλεσμα, απαιτείται πολύ λιγότερη διόρθωση. Αυτό τείνει να έχει ως αποτέλεσμα πολύ λιγότερο θόρυβο, καθώς το μεγαλύτερο μέρος του θορύβου μιας αναφοράς διάκενου ζώνης προέρχεται από το κύκλωμα αντιστάθμισης θερμοκρασίας. Ο όρος διόρθωσης θερμοκρασίας παρέχεται από ένα ρεύμα, το IPTAT, το οποίο είναι θετικό και ανάλογο της απόλυτης θερμοκρασίας (Εικόνα 1). Εικόνα 1. Απλοποιημένο σχηματικό διάγραμμα αναφοράς ADR29x. Η σειρά ADR29x είναι η πρώτη από μια αυξανόμενη οικογένεια αναφορών που βασίζονται στην αρχιτεκτονική XFET. Λειτουργούν από ράγες τροφοδοσίας από 2.7 έως 15 V και αντλούν μόλις 12 μΑ. Οι επιλογές τάσης εξόδου περιλαμβάνουν 2.048 V (ADR290), 2.5 V (ADR291), 4.096 V (ADR292) και 5 V (ADR293). Καρποί της νέας τεχνολογίας: Η τοπολογία κυκλώματος XFET έχει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις περισσότερες αναφορές bandgap και Zener. Όταν λειτουργεί με το ίδιο ρεύμα, η τάση θορύβου κορυφής σε κορυφή από μια αναφορά XFET σε συχνότητες μεταξύ 0.1 και 10 Hz είναι συνήθως 3 φορές μικρότερη από αυτή για ένα διάκενο ζώνης (βλ. σύγκριση μεταξύ του REF192 και του ADR291). Εναλλακτικά, μια αναφορά διάκενου ζώνης πρέπει να λειτουργεί με τυπικά 20 φορές το ρεύμα τροφοδοσίας μιας αναφοράς XFET προκειμένου να παρέχει ισοδύναμη απόδοση θορύβου κορυφής σε κορυφή (ADR291 vs. AD680). Η αναφορά XFET έχει έναν πολύ επίπεδο ή γραμμικό συντελεστή θερμοκρασίας στο εκτεταμένο εύρος βιομηχανικών θερμοκρασιών λειτουργίας. Οι καλύτερες αναφορές bandgap και τάσης Zener έχουν συνήθως μη γραμμικούς συντελεστές θερμοκρασίας στα άκρα θερμοκρασίας. Αυτές οι μη γραμμικότητες δεν είναι συνεπείς από μέρος σε μέρος, επομένως ένας απλός πίνακας αναζήτησης ROM/λογισμικού δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διόρθωση του συντελεστή θερμοκρασίας. Η γραμμικότητα του συντελεστή θερμοκρασίας είναι μια πολύ σημαντική προδιαγραφή για εφαρμογές DVM. Ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα του XFET είναι η εξαιρετική του μακροπρόθεσμη σταθερότητα. Η μετατόπισή του είναι μικρότερη από το ένα πέμπτο αυτής μιας αναφοράς bandgap και συγκρίσιμη με εκείνη των αναφορών Zener (βλ. Πίνακα). Πίνακας 1. Σύγκριση παραμέτρων αναφοράς Zener, Bandgap και XFET ADR291 AD586 AD680 REF192 Τοπολογία Αναφοράς XFET Buried Zener Bandgap Bandgap Τάση τροφοδοσίας (V) +3.0 +15.0 +5.0 +3.3 Έξοδος τάσης (V2.5xm) 5. ±2.5 ±2.5 ±2 ±2 Συντελεστής θερμοκρασίας (ppm/°C)* max 5 (-2 έως +8) 25 (85 έως +2) 0 (-70 έως +20) 40 (-85 έως +5) θόρυβος Τάση 40 έως 85 Hz (μV pp) 0.1 10 8 4 Ρεύμα ηρεμίας (μA) μέγιστο, 10°C 25 25 12 3000 Ρύθμιση γραμμής (ppm/V)*, μέγιστο 250 45 100 100 Ρύθμιση φορτίου (ppm/mA) 40 4 100 100 Εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας (°C) -100 έως +10 -40 έως +125 -40 έως +85 -40 έως +85 *Κορυφαίος βαθμός Παρά το χαμηλό ρεύμα ηρεμίας, η οικογένεια ADR40x είναι ικανή να παρέχει 85 mA σε το φορτίο από ένα στάδιο εξόδου PNP χαμηλής πτώσης. και δεν υπάρχει απαίτηση για πυκνωτή αποσύνδεσης εξόδου. Η θερμική υστέρηση με τον σχεδιασμό XFET είναι πολύ καλύτερη από ό,τι με τα bandgaps. Οι συσκευές παραγωγής εμφανίζουν περίπου 200 μV ανακτήσιμη και μη αθροιστική μετατόπιση όταν υποβάλλονται σε θερμικό σοκ 100 Κέλβιν έναντι. μετατόπιση 500 έως 1000 μV σε συγκρίσιμα κενά ζώνης. Το συνολικό πλεονέκτημα απόδοσης που προσφέρει η ιδιόκτητη αρχιτεκτονική XFET της ADI σε φορητά συστήματα που απαιτούν ακρίβεια, σταθερότητα και χαμηλή ισχύ δεν συγκρίνεται με τις υπάρχουσες αναφορές bandgap ή Zener. Εφαρμογή-τρέχουσα πηγή: Η σειρά ADR29x είναι χρήσιμη για πολλές εφαρμογές αναφοράς ακριβείας χαμηλής ισχύος και χαμηλής τάσης, συμπεριλαμβανομένων αρνητικών αναφορών και ρυθμιστών ακριβείας «ενισχυμένου» που χρησιμοποιούν εξωτερικούς ενισχυτές χαμηλής ηρεμίας από ράγα σε ράγα με συνδέσεις ανάδρασης Kelvin. Το χαμηλό και μη ευαίσθητο ρεύμα ηρεμίας (περίπου 12 ± 2 μA πάνω από τη θερμοκρασία) επιτρέπει στα μέλη της οικογένειας ADR29x να λειτουργούν ως πηγές ρεύματος ακριβείας, λειτουργώντας από χαμηλή τάση τροφοδοσίας. Το σχήμα 2 δείχνει μια βασική σύνδεση για μια πηγή αιωρούμενου ρεύματος με γειωμένο φορτίο. Η ρυθμιζόμενη με ακρίβεια τάση εξόδου προκαλεί ένα ρεύμα (VOUT/RSET) να ρέει μέσω του RSET, το οποίο είναι το άθροισμα μιας σταθερής και μιας ρυθμιζόμενης εξωτερικής αντίστασης. Αυτό το ρεύμα, <5 mA, προσθέτει στο ρεύμα ηρεμίας για να σχηματίσει το ρεύμα φορτίου μέσω του RL. Έτσι, προβλέψιμα ρεύματα από 12 μΑ έως 5 mA μπορούν να προγραμματιστούν να ρέουν μέσω του φορτίου. Εικόνα 2.

Αφήστε μήνυμα 

Λίστα μηνυμάτων