Una referencia de voltaje de banda prohibida es un circuito de referencia de voltaje independiente de la temperatura que se usa ampliamente en circuitos integrados . Produce un voltaje fijo (constante) independientemente de las variaciones de la fuente de alimentación, los cambios de temperatura o la carga del circuito de un dispositivo. Por lo general, tiene un voltaje de salida de alrededor de 1,25 V (cerca de la banda prohibida teórica de 1,22 eV (0,195 aJ) del silicio a 0 K ). Este concepto de circuito fue publicado por primera vez por David Hilbiber en 1964. [1] Bob Widlar , [2] Paul Brokaw [3] y otros [4] seguido de otras versiones de éxito comercial.
Operación
La diferencia de voltaje entre dos uniones p – n (por ejemplo, diodos ), operadas a diferentes densidades de corriente, se usa para generar una corriente que es proporcional a la temperatura absoluta ( PTAT ) en una resistencia. Esta corriente se usa 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. El voltaje resultante es de aproximadamente 1.2 a 1.3 V, dependiendo del diseño de la tecnología y circuito particular, y está cerca de la teórica 1,22 eV banda prohibida de silicio a 0 K . 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 los efectos lineales (de primer orden) se eligen para cancelar.
Debido a que el voltaje de salida está por definición fijo alrededor de 1.25 V para circuitos de referencia de banda prohibida típicos, el voltaje de operación mínimo es de aproximadamente 1.4 V, como en un circuito CMOS , al menos un voltaje de fuente de drenaje de un transistor de efecto de campo (FET) tiene que ser adicional. 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 operación. [4]
La primera letra del acrónimo, CTAT, a veces se malinterpreta para representar una constante en lugar de una complementaria . El término constante con la temperatura ( CWT ) existe para abordar esta confusión, pero no se usa ampliamente.
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 en alrededor de 20 ppm / ° C, en un rango de temperatura de 100 ° C. Por esta razón, en 2001, Malcovati [5] 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 [4] y un análisis de los efectos de la temperatura base-emisor que fue realizado por Tsividis en 1980. [6] En 2012, Andreou [7] [8] ha mejorado aún más el no -Compensación lineal mediante el uso de una segunda operación. amperio. junto con una pata de 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 de TD superior en un rango de temperatura más amplio. Además, logró una mejor regulación de la línea y un menor ruido .
El otro tema crítico en el diseño de referencias de banda prohibida es la eficiencia energética y el tamaño del circuito. Como una referencia de banda prohibida generalmente se basa en dispositivos y resistencias 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 el ruido deseado y la especificación de precisión. [9]
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 los dispositivos LM317, LM337 y TL431 . 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 de voltaje versus 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. Los bandgaps también son adecuados para aplicaciones de baja potencia. [B]
Patentes
- 1966, Patente de EE.UU. 3271660, Fuente de voltaje de referencia , David Hilbiber. [10]
- 1971, Patente de EE.UU. 3617859, Aparato regulador eléctrico que incluye un circuito de referencia de voltaje de coeficiente de temperatura cero , Robert Dobkin y Robert Widlar . [11]
- 1981, Patente de EE.UU. 4249122, Referencias de voltaje de CI de banda prohibida con compensación de temperatura , Robert Widlar . [12]
- 1984, Patente de EE. UU. 4447784, Circuito de referencia de voltaje de banda prohibida con compensación de temperatura , Robert Dobkin . [13]
Notas
Ver también
Referencias
- ^ Hilbiber, DF (1964), "Un nuevo estándar de voltaje de semiconductores", Conferencia internacional de circuitos de estado sólido de 1964: Recopilación de artículos técnicos , 2 : 32–33, doi : 10.1109 / ISSCC.1964.1157541
- ^ 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
- ^ Brokaw, Paul (diciembre de 1974), "A simple three-terminal IC bandgap reference", IEEE Journal of Solid-State Circuits , 9 (6): 388–393, Bibcode : 1974IJSSC ... 9..388B , doi : 10.1109 /JSSC.1974.1050532 , S2CID 12673906
- ^ a b c 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 sub-1-V", IEEE Journal of Solid-State Circuits , 34 (5): 670–674, Bibcode : 1999IJSSC..34..670B , doi : 10.1109 / 4.760378 , S2CID 10495180
- ^ Malcovati, P .; Maloberti, F .; Fiocchi, C .; Pruzzi, M. (2001). "Bandgap BiCMOS compensado por curvatura con tensión de alimentación de 1 V". Revista IEEE de circuitos de estado sólido . 36 (7): 1076–1081. Código bibliográfico : 2001IJSSC..36.1076M . doi : 10.1109 / 4.933463 . S2CID 7504312 .
- ^ 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. Circuitos de estado sólido, vol. 15, no. 6, págs. 1076-1084, diciembre de 1980.
- ^ Andreou, Charalambos M .; Koudounas, Savvas; Georgiou, Julius (2012). "Un nuevo circuito de referencia de banda prohibida CMOS de 3,9 PPM / $ ^ {\ circ} $ C de amplio rango de temperatura". Revista IEEE de circuitos de estado sólido . 47 (2): 574–581. doi : 10.1109 / JSSC.2011.2173267 . S2CID 34901947 .
- ^ Koudounas, Savvas; Andreou, Charalambos M .; Georgiou, Julius (2010). "Un nuevo circuito de referencia CMOS Bandgap con compensación de temperatura de orden superior mejorada". Actas del Simposio Internacional IEEE 2010 sobre Circuitos y Sistemas . págs. 4073–4076. doi : 10.1109 / ISCAS.2010.5537621 . ISBN 978-1-4244-5308-5. S2CID 30644500 .
- ^ Tajalli, A .; Atarodi, M .; Khodaverdi, A .; Sahandi Esfanjani, F. (2004). "Diseño y optimización de una referencia de voltaje de banda prohibida de alto PSRR CMOS". 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 .
- ^ Patente estadounidense 3271660 - Fuente de voltaje de referencia , David F Hilbiber; Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos; 6 de septiembre de 1966.
- ^ Patente de EE.UU. 3617859 - Aparato regulador eléctrico que incluye un circuito de referencia de voltaje de coeficiente de temperatura cero ; Robert C Dobkin y Robert J Widlar; Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos; 2 de noviembre de 1971.
- ^ Patente de EE. UU. 4249122 - Referencias de voltaje de IC de banda prohibida con compensación de temperatura ; Robert J Widlar; Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos; 3 de febrero de 1981.
- ^ 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
- El diseño de circuitos de referencia de banda prohibida: ensayos y tribulaciones p. 286 - Robert Pease, Nacional de Semiconductores
- Características y limitaciones de las referencias de voltaje CMOS
- ECE 327: Ejemplo de referencia de voltaje de banda prohibida LM317 - Breve explicación del circuito de referencia de banda prohibida independiente de la temperatura dentro del LM317.