Fuente de voltaje de referencia

Una fuente , o generador , de un voltaje de referencia (ION) es un conjunto electrónico básico que mantiene un voltaje de CC altamente estable en su salida . Los ION se utilizan para establecer el voltaje de salida de fuentes de alimentación estabilizadas , escalas de convertidores de digital a analógico y de analógico a digital , modos de operación de sistemas y circuitos integrados analógicos y digitales , y como estándares de voltaje en instrumentos de medición. La precisión de la medición, la conversión y la estabilidad de estos dispositivos están determinadas por los parámetros de precisión del ION utilizado en ellos.

Las fuentes de voltaje más precisas son los estándares de laboratorio criogénico basados ​​en el efecto Josephson . Desde 1976 hasta finales de la década de 1990, el mercado de los ION de precisión en serie estuvo dominado por dispositivos basados ​​en diodos zener con una estructura oculta , cuyas mejores muestras se acercaban al elemento Weston normal en términos de parámetros de precisión . En la década de 2000, los ION de superbanda prohibida basados ​​en transistores bipolares, los ION de tipo XFET basados ​​en pares diferenciales de transistores de efecto de campo y los ION de tipo FGA basados ​​en transistores de puerta flotante alcanzaron un nivel comparable en precisión y estabilidad . En dispositivos con requisitos relativamente bajos de precisión y estabilidad del voltaje de referencia, se utilizan iones integrados económicos del tipo banda prohibida y diodos zener convencionales en un diseño discreto o integrado.

Reseña histórica

Antes de la invención de los circuitos integrados

En la era de los tubos de vacío , los diseñadores de equipos de radio disponían de dos tipos de fuentes de voltaje de referencia: diodos zener de descarga de gas y fuentes de voltaje químico (baterías y celdas galvánicas desechables) [1] . Las celdas Clark de mercurio - zinc a 1,434 V y las celdas Weston normales de mercurio- cadmio a 1,019 V tuvieron la mejor precisión de voltaje inicial [2] . Masivas y al mismo tiempo frágiles, que no permitían choques ni vibraciones, las celdas de Weston llenas de sustancias tóxicas se usaban exclusivamente en condiciones de laboratorio, y las celdas y baterías galvánicas selladas, menos precisas, pero baratas y relativamente seguras, se usaban en equipos de radio en serie [ 3] . Las celdas de mercurio-zinc con un voltaje de 1,35 V, que se utilizaron durante la Segunda Guerra Mundial , eran capaces de entregar una corriente de varios mA durante más de mil horas, pero eran inferiores en precisión y estabilidad a los estándares de voltaje de laboratorio [4] . Para ajustar voltajes de 80 V a 1 kV, se utilizaron diodos zener de descarga luminiscente llenos de gases inertes ; para voltajes de 400 V a 30 kV, se usaron diodos zener de descarga corona llenos de hidrógeno . Los dispositivos en diodos zener de gas no requerían un mantenimiento regular, pero su desviación del voltaje nominal alcanzaba ± 5% [5] .

En 1953, Clarence Zener inventó un diodo zener semiconductor , o "diodo Zener", un diodo semiconductor que funciona en el modo de ruptura inversa reversible y mantiene un voltaje constante en sus terminales en una amplia gama de corrientes y temperaturas [6] . Los indicadores de precisión y ruido de los diodos zener "ordinarios", sin mejoras tecnológicas y de diseño, fueron y siguen siendo mediocres [7] . Los estudios realizados en la década de 1960 mostraron que el mejor rendimiento es característico de los diodos zener, cuyo voltaje de ruptura inversa es aproximadamente igual a 6 V [7] . Aún más preciso fue un par de un diodo zener de 5,6 V y un diodo de silicio [7] o varios diodos [8] conectados en serie con él en la dirección de avance . El coeficiente de temperatura de voltaje (TKV) de tales dispositivos llegó por debajo del nivel de 10 ppm /°C, lo que satisfizo completamente a los diseñadores de aquellos años [7] . Sin embargo, el voltaje de estabilización de los diodos zener compensados ​​térmicamente no se puede reducir por debajo de ~ 7 V, y la corriente no se puede reducir por debajo de unos pocos mA, lo que dificultó su uso en dispositivos de bajo voltaje y micropotencia, y el alto precio debido a El entrenamiento térmico eléctrico de fábrica a largo plazo impidió su uso en equipos masivos [7] .

En 1962, Brian Josephson , estudiante de Cambridge de veintidós años, predijo la posibilidad de crear un estándar de voltaje de precisión en contactos superconductores [9] . En 1968 se iniciaron los estudios prácticos de las uniones de Josephson , en 1971-1972 los servicios metrológicos nacionales de Australia , Gran Bretaña , Canadá , EE . UU. y Alemania realizaron contraverificaciones de estos dispositivos, en julio de 1972 el Servicio Metrológico de EE. UU. uniones un estándar nacional, y en enero de 1990 se convirtió en el estándar mundial [9] . El estándar de Josephson con un error relativo reducido de 5·10 −9  es la fuente de voltaje más estable y precisa, pero requiere enfriamiento con helio líquido y, por lo tanto, solo es aplicable en condiciones de laboratorio [8] [2] .

IONs integrados clásicos

En 1966, National Semiconductor lanzó el LM100, diseñado por Bob Widlar , el primer regulador de voltaje integrado. El voltaje de referencia LM100 se estableció mediante un diodo zener plano formado directamente en el chip del chip. A principios de 1970, Widlar lanzó el primer regulador integrado de tres terminales, el LM109. En este microcircuito, se utilizó por primera vez la banda prohibida de tres transistores inventada por Widlar  , una fuente de voltaje aproximadamente igual al ancho de la banda prohibida [10] . Un año más tarde, National Semiconductor lanzó el LM113, desarrollado por Widlar y Bob Dobkin , un circuito integrado de banda prohibida de 1,220 V y dos pines con un TCH que no supera las 100 ppm/°C [10] . En 1974, Paul Brokaw inventó una topología de banda prohibida diferente de dos transistores, que proporcionó una precisión de referencia significativamente mejor y, por lo tanto, conquistó el mercado. Widlar continuó el desarrollo y en 1976-1977 propuso una familia de nuevas topologías, sobre la base de la cual se construyó la primera subbanda prohibida: un ION de precisión para un voltaje significativamente menor que la banda prohibida (200 mV - LM10, 1977).

A principios de la década de 1970, la industria aún no necesitaba referencias de referencia de precisión altamente estables. La demanda de ellos surgió a mediados de la década, con el inicio de la producción de los primeros convertidores integrados de digital a analógico y de analógico a digital [11] . Ni los diodos zener ni las bandas prohibidas de primera generación cumplieron con los requisitos de los diseñadores de DAC y ADC para la variación de temperatura. Un dispositivo significativamente más preciso, un diodo zener de estructura oculta (SSS), se lanzó por primera vez en una versión discreta en 1974, y en 1976 National Semiconductor lanzó el LM199 desarrollado por Dobkin, el primer SSS integrado a 6,95 V [12] (el el análogo es 2S483 [13] ). Gracias al termostato y amplificador de corriente incorporados, el nuevo microcircuito tenía una TCH máxima garantizada de 1 ppm/°C y una TCH típica de 0,3 ppm/°C con un nivel de ruido en el rango de frecuencia de audio de no más de 7 μV rms [14] . Con el lanzamiento del LM199, el circuito ION se dividió en dos ramas: costosos ION integrados en el CCC para las tareas más críticas (medición de ADC, estándares de voltaje) y bandas prohibidas baratas pero menos precisas para todos los demás (estabilizadores de voltaje, energía). monitores de suministro). El LTZ1000 desarrollado por Dobkin, que ingresó al mercado en 1987, hasta el día de hoy sigue siendo la referencia de referencia integrada en serie más precisa y se utiliza en los estándares de laboratorio de estado sólido más precisos. Su fabricante, Fluke , afirma una inestabilidad temporal de 1 ppm/año y un SV de 0,1 ppm/°C [15] [8] [16] . Aquí es necesario tener en cuenta que el valor absoluto del voltaje de salida del LTZ1000 se determina solo aproximadamente, y solo la medición en un equipo (primario) más preciso y la indicación del valor de medición en el pasaporte para un producto específico hace es una herramienta de referencia con las características metrológicas requeridas. Véase, por ejemplo, Tabla. 8 en el artículo [17] . De este modo, este ION se diferencia de los menos precisos, pero sin embargo primarios en cuanto a su uso, ION de la serie LTC6655, etc., donde la tensión resultante y su incertidumbre se dan en la documentación técnica.

Últimos desarrollos

Durante las décadas de 1980 y 1990, la mejora de los circuitos, la tecnología y la introducción de la sintonización láser permitieron reducir la brecha cualitativa entre los dos tipos de dispositivos [18] . A principios de la década de 2000, entraron en el mercado los "super bandgaps", una nueva generación de bandgaps con excelente precisión inicial y bajo nivel de ruido [19] . Para 2005, los "superbandgaps" eran iguales en términos de indicadores individuales de precisión con CCC, pero no podían superarlos en términos de la totalidad de los indicadores [19] .

En 1997, Analog Devices lanzó un tipo fundamentalmente nuevo de ION bajo la marca comercial XFET [20] . Los circuitos de tales dispositivos recuerdan a la banda prohibida de Brokaw, en la que los transistores bipolares se reemplazan por transistores de efecto de campo . Sin embargo, con una topología similar, el XFET utiliza un principio de funcionamiento completamente diferente: la medición indirecta de la constante dieléctrica del silicio en el canal del transistor de efecto de campo . Este indicador, como el voltaje en la unión pn, disminuye al aumentar la temperatura, pero es más predecible y su TKV es más estable que el TKV de la unión pn en un circuito real. Analog Devices comenzó a desarrollar nuevos dispositivos para superar las limitaciones fundamentales de los diodos zener enterrados y de banda prohibida, y el proyecto fue un éxito general. El XFET TCR de segunda y tercera generación (3 ppm/°C) sigue siendo significativamente peor que el mejor Zener RC TCR, pero tiene una forma mejor, casi lineal, de voltaje versus temperatura, con menos ruido, menos deriva de tiempo y aún un XFET mucho más barato [21] [8] .

En 2003, Xicor (desde 2004 una división de Intersil ) lanzó otro tipo fundamentalmente nuevo de ION, llamado FGA [22] . El principio de funcionamiento de estos dispositivos, así como el principio de funcionamiento de los microcircuitos de memoria no volátil , se basa en el almacenamiento a largo plazo de carga en una puerta aislada de un transistor de efecto de campo . FGA literalmente "recuerda" el voltaje analógico, "grabado" en las profundidades de la estructura CMOS [22] . La vida de "memoria" garantizada del FGA de primera generación fue de diez años, y los parámetros de precisión fueron comparables a los mejores intervalos de banda, con una corriente de suministro más baja (menos de 0,8 μA por celda de memoria con un amplificador de búfer) [22] .

Así, a principios del siglo XXI, competían en el mercado cuatro tipos diferentes de referencias integradas de precisión: diodo zener de estructura oculta, superbanda prohibida, XFET, FGA. En 2005, el hito psicológicamente importante (TKN de 1 ppm/°C) fue superado por varios circuitos integrados basados ​​en CCC, varios superbanda prohibida y una versión de cinco voltios de la primera generación de FGA [22] (no lanzado en 2012 [23] ) . Solo en los EE. UU., Advanced Linear Devices , Analog Devices , Fairchild Semiconductor , Intersil , Linear Technology , Maxim Integrated Products , Microchip Technology , Microsemi , National Semiconductor , ON Semiconductor , Philips , Semtech , producen en masa ION de precisión de diseño propio. Texas Instruments (que absorbió a Burr-Brown ) y Apex Microtechnology (fabricante de chips desarrollados por la extinta Thaler Corporation ) [24] .

Aplicaciones

Cifras clave

La función principal de ION - la generación de un voltaje conocido - determina sus principales características: " precisión " y " estabilidad " [25] . Estos conceptos, así como los conceptos de " errores ", " deriva " y " ruido ", se definen de manera diferente en diferentes industrias: metrólogos , diseñadores de instrumentos de medición y diseñadores de dispositivos electrónicos convencionales, que no son de precisión, presentan conceptos similares, pero requisitos no coincidentes para ION [ 26] . No existen estándares estatales que determinen los indicadores de las fuentes de voltaje de referencia en la Federación Rusa. Para ION integral de dos salidas (análogos de diodos zener), se pueden aplicar los estándares desarrollados para diodos zener discretos, para ION de tres salidas, los estándares para estabilizadores de voltaje lineal. Conjuntos de indicadores de estabilizadores de voltaje en GOST 19480-89 “Microcircuitos integrados. Términos, definiciones y designaciones de letras de parámetros eléctricos” y en GOST R 52907-2008 “Fuentes de alimentación. Los términos y definiciones difieren, en particular, en las definiciones de deriva de voltaje de salida que se cruzan, pero no son idénticas [27] (GOST 19480-89) e inestabilidad a largo plazo (GOST R 52907-2008) [28] .

La documentación técnica de los RP integrados, la mayoría de los cuales son desarrollados por empresas estadounidenses, se compila de acuerdo con los estándares que se han desarrollado precisamente en la industria estadounidense. El conjunto más completo de características de ION refleja las necesidades de los diseñadores de ADC de precisión, y los indicadores más importantes para ellos son, en orden descendente de importancia: la dispersión inicial del voltaje de referencia (desviación inicial del voltaje de referencia del valor nominal) , el coeficiente de temperatura del voltaje de referencia y su deriva a largo plazo ("inestabilidad en la inclusión a largo plazo "en términos de GOST R 52907-2008 [28] ) [29] . Cuanto menos estrictos sean los requisitos impuestos a la precisión de ION, más reducido será el conjunto de indicadores normalizados. Para estabilizadores de voltaje económicos, el único indicador de precisión puede normalizarse: la dispersión inicial [30] o el rango permisible de cambios de voltaje de salida (límites superior e inferior). Es la última opción (rango de valores) tomada como base por los compiladores de GOST 19480-89 [31] .

Propagación inicial

La dispersión inicial del voltaje de salida se define como la desviación máxima del voltaje de CC en la salida de ION del voltaje nominal cuando el IC se enciende por primera vez. La dispersión inicial generalmente se mide a temperatura normal (+25 °C) y con el voltaje de entrada y la corriente de salida nominales del fabricante. Para los diodos zener, la dispersión inicial puede alcanzar el 5 % del valor nominal; para los ION integrales, varía de ±1 % (peor precisión) a ±0,01 % o ±100 ppm [30] . La dispersión inicial, a menos que se especifique lo contrario en la documentación, no incluye la compensación de voltaje permitida que ocurre cuando el chip se suelda a la placa .

Coeficiente de temperatura de tensión

TKN en sentido estricto es un indicador diferencial igual a la relación entre el cambio relativo en el voltaje de salida y el pequeño cambio en la temperatura del ambiente que lo causó, todo lo demás siendo igual [30] . En la documentación de los ION integrados, este parámetro suele definirse de forma diferente, mediante el "método del rectángulo": TKN es igual a la relación de la diferencia entre la tensión de salida máxima y mínima garantizada por el fabricante para todas las temperaturas de funcionamiento a la tensión nominal de entrada y corriente de salida, al ancho del rango de temperatura de funcionamiento: [32]

[32]

El indicador integral determinado de esta manera solo es adecuado para estimar el cambio de tensión límite en los bordes de las temperaturas de operación, y no se recomienda usarlo en intervalos de temperatura más bajos [33] . El hecho es que una dependencia cercana a la lineal es característica solo de los dispositivos de precisión de los tipos XFET y FGA, así como de las bandas prohibidas simples que se desvían significativamente de la "alineación" calculada y no se han sometido a un ajuste fino. Con la “alineación” correcta o con su ajuste individual, las bandas prohibidas simples y los ION de diodo zener se caracterizan por una característica parabólica, las bandas prohibidas y los ION de diodo zener con circuitos de corrección de no linealidad tienen forma de S (parábola con joroba cortada) [33 ] . El diferencial TKN de tal característica curvilínea puede diferir significativamente del indicador integral [33] .

El TKN de iones integrales comerciales baratos de todos los tipos está limitado a 10 ppm/°C [34] . Reducir la TCH de los iones de diodo zener y de banda prohibida a un nivel inferior a 5 ppm/°C requiere un aumento significativo en el costo de la tecnología, y el límite práctico de la TCH garantizada de los productos en serie es de 1 ppm/°C [34 ] . Los valores más pequeños de TKN solo son posibles en series separadas de ION de superprecisión en diodos zener con una capa oculta (Thaler VRE3050J - 0,6 ppm/°C en el rango de −40 ... +85 °C [35] ) .

Una disminución adicional en la TCH solo es posible mediante la estabilización térmica del ION, lo que reduce el rango de cambio de temperatura del cristal a unos pocos grados o fracciones de grado. El primer ION integrado con un calentador de cristal helicoidal incorporado y un controlador de temperatura, LM199, ya en 1976 alcanzó el nivel de TKH de 1 ppm/°C a un valor típico de 0,3 ppm/°C [14] . Producido desde 1987, el diodo zener de capa oculta en serie LTZ1000 con calentador incorporado tiene un TKN máximo garantizado de 0,05 ppm/°C [36] . En el LM199, la temperatura del cristal se estabiliza a +86 °C [37] , sin embargo, según Fluke , temperaturas tan altas no son óptimas: bajar la temperatura de funcionamiento a +50 °C reduce la deriva a largo plazo del diodo zener por la mitad. Fluke afirma que se garantiza que sus estándares de laboratorio basados ​​en LTZ1000 son inferiores a 1 ppm por año [16] .

Además de la inestabilidad inherente del ION, los termopares parásitos , formados por la conexión de metales diferentes de los cables eléctricos del dispositivo ION y los conductores de cableado, también contribuyen al error de voltaje de referencia . Con una diferencia de temperatura entre diferentes terminales, el EMF de temperaturas parásitas se suma al voltaje intrínseco del ION o se resta de él. Entonces, en lugares donde los cables de microcircuitos están soldados a una placa de circuito impreso, se pueden formar termopares, lo que introduce un error adicional, cuyo valor depende de la diferencia de temperatura entre las soldaduras. La inestabilidad generada por estos termopares no compensados ​​es más significativa para los ION en cajas de metal con cables insidiosos . En las especificaciones del pasaporte para TKN ION, por lo general no se indica [38] .

.

Deriva y ruido

Los GOST rusos no establecen un límite exacto entre la deriva ("el mayor valor de cambio de voltaje en la salida de un circuito integrado durante un intervalo de tiempo dado en ausencia de otros factores desestabilizadores"' [27] ) y el ruido ("voltaje en el salida de un circuito integrado en una banda de frecuencia dada a una tensión de entrada igual a cero” [39] ) de la integral ION. En la documentación de IC, el límite entre la deriva y el ruido se dibuja a una frecuencia de 0,1 Hz [40] .

Deriva larga

Durante el funcionamiento a largo plazo de ION, se observan dos tipos diferentes de deriva: deriva a corto plazo: desviaciones aleatorias de la tensión de salida con un espectro de frecuencia inferior a 0,1 Hz, y deriva a largo plazo, generalmente en forma de un aumento sistemático o disminución en el voltaje de referencia en intervalos de tiempo de cientos y miles de horas [41] . La velocidad relativa de la deriva a largo plazo, definida en GOST R 52907-2008 como "inestabilidad parcial durante la operación a largo plazo" [28],  es el tercer componente más importante de la inestabilidad ION [41] .

A medida que avanza el tiempo, la velocidad de deriva larga disminuye y el voltaje de salida se estabiliza. Los fabricantes suelen especificar la cantidad máxima de deriva permitida en las primeras 1000 horas de funcionamiento, expresada en ppm por mil horas (ppm/1000h, ppm/kHr). Las tasas de deriva más bajas, de 5 a 10 ppm por 1000 horas, son características de RC en diodos zener con una estructura oculta y RC en transistores de puerta flotante. La velocidad y la dirección de la deriva después de este período generalmente no están estandarizadas. La documentación de Linear Technology declara que la tasa de deriva disminuye exponencialmente, mientras que el valor de deriva para las segundas mil horas es aproximadamente tres veces menor que para las primeras mil, y así sucesivamente [42] . La documentación de Intersil normaliza el valor absoluto de la deriva para toda la vida del microcircuito, y la deriva para las primeras mil horas se da como referencia [43] .

La medición de deriva es una tarea no trivial que requiere instrumentos de medición particularmente estables y un control de temperatura a largo plazo del soporte de medición. Bob Pease recordó que en el primer año del LM199, “… usamos un magnífico DMM de seis dígitos [en ese momento] … y resultó que todos los chips que probamos estaban sincronizados. Los iones de control de otros tipos [células galvánicas, bandas prohibidas, diodos zener] también se desviaron sincrónicamente [con muestras LM199]. El ION dentro del DMM fue el culpable”. [44]

No hay consenso sobre si la deriva puede estabilizarse mediante un entrenamiento térmico eléctrico acelerado . Linden Harrison señala que los diseñadores experimentados entrenan los chips a 125 °C durante una semana antes de soldarlos a la placa, con la expectativa de que el " recocido " alivie las tensiones mecánicas acumuladas en el chip [41] . Bob Pease recomendó "rodaje y ciclos térmicos" no solo para alcanzar una meseta de deriva, sino también para rechazar muestras inestables [45] . El ingeniero de tecnología lineal John Wright argumenta que la ecuación de Arrhenius no se aplica al entrenamiento con chips y que la "estabilización de la deriva" acelerada es imposible. Según Wright, la formación sólo tiene sentido a nivel del PCB terminado [46] .

Ruido

El ruido de los ION de precisión suele normalizarse en dos rangos de frecuencia: 0,1-10 Hz y 10-1000 Hz [40] . El filtrado de ruido con filtros RC activos o pasivos es aplicable solo en el rango superior. A frecuencias por debajo de 10 Hz, las capacitancias calculadas de los capacitores de filtro , y con ellas las corrientes de fuga esperadas a través de estos capacitores, aumentan tanto que la "contribución" de las corrientes de fuga a la inestabilidad del ION supera cualquier beneficio del filtrado.

La tensión de ruido suele expresarse como la tensión de ruido pico a pico pico a pico [40] . El voltaje de ruido RMS es aproximadamente 6 veces menor que este valor:

[40]

La oscilación de la tensión de ruido de los ION de "superprecisión", medida en la banda de 0,1 a 10 Hz, oscila entre 1,5 y 5 μV [47] (como referencia, el mismo indicador de un estabilizador lineal integral suele ser el 0,01 % de la tensión de salida , o voltaje de salida de 500 µV a 5V [48] ). En los ADC de medición de alta calidad, el rango de ruido de pico a pico no debe exceder el 10 % del valor del dígito menos significativo [49] [50] , por lo tanto, una referencia de bajo ruido para el voltaje 5 con un nivel de ruido de 1,5 μV (0,3 ppm pico a pico, por ejemplo, LTC6655 [42] ) cumple los requisitos de convertidores de no más de 18 bits [51] .

Histéresis térmica

El cristal de silicio, el soporte de cristal, el paquete de microcircuitos y el material de la placa de circuito impreso tienen diferentes coeficientes de expansión térmica . La expansión desigual durante el calentamiento genera tensiones mecánicas en el cristal , que persisten incluso después de enfriarse a la temperatura normal [46] [33] . Como resultado, se produce una histéresis térmica : la tensión de ION al final del ciclo de calefacción-refrigeración no coincide con la tensión al principio del ciclo [52] .

El racionamiento de este fenómeno es una práctica relativamente reciente [52] . En la documentación de microcircuitos, la histéresis térmica se  define como la diferencia máxima esperada entre los voltajes de salida al principio y al final del ciclo de prueba térmica. Los valores típicos están alrededor de ±25 ppm, o ±0.0025% del voltaje de salida [52] . Las tensiones iniciales y finales siempre se miden a temperatura normal (+25 °C), y la duración y el rango de temperaturas del ciclo de ensayo pueden variar significativamente. En contados casos, los fabricantes normalizan la histéresis para ciclos de distinta intensidad (LT1461 para ciclos de 0...70 °C, -40...85 °C y -40...125 °C) y publican histogramas de su distribución en amplitud y signo [46] [53] .

Se observan casos especiales de histéresis térmica cuando se monta un cristal en un soporte de cristal y cuando se suelda un microcircuito a una placa de circuito impreso. Los microcircuitos en paquetes metálicos con conductores flexibles se ven poco afectados por estos fenómenos, y en los microcircuitos con conductores rígidos, el cambio de voltaje de referencia durante el empaque puede alcanzar el 0,5 % [54] . El cambio de voltaje durante la soldadura generalmente no está estandarizado: la histéresis se mide en microcircuitos instalados en los paneles de montaje del banco de pruebas. La documentación de Analog Devices establece que la distribución de voltaje inicial especificada no incluye la compensación de soldadura [55] . La documentación de Linear Technology proporciona histogramas de la distribución de este cambio de amplitud (LT1461 - extendido de -300 a +100 ppm, en promedio -110 ppm) y estima la tasa de su "contracción" durante el funcionamiento normal [53] .

Tabla de comparación

Los principales indicadores normalizados para los ION de precisión modernos, sus valores típicos para varias topologías y las características de los representantes seleccionados de cada topología se dan en la tabla comparativa [56] . Para que los indicadores absolutos y relativos de varios microcircuitos sean comparables, solo se seleccionaron microcircuitos para un voltaje de salida de +5 V. Todos los dispositivos enumerados en diodos zener y transistores bipolares difieren en grandes corrientes consumidas (unidades de mA). . Es posible una disminución de la corriente, pero inevitablemente va acompañada de un aumento del ruido. La combinación de corrientes pequeñas (decenas de µA) y niveles de ruido bajos (hasta 10 µV) solo es posible en ION basados ​​en transistores de puerta flotante , pero incluso dentro de esta topología existe una dependencia inversa del nivel de ruido de la corriente. Por defecto, todos los parámetros de precisión pueden tomar valores tanto negativos como positivos, el signo ± se omite en la documentación técnica.

Índice Unidad
de medida		 Topologías básicas de referencias integradas de precisión
Sobre diodos zener de estructura oculta Superbandgaps En par diferencial PT (XFET) Puerta flotante FET (FGA)

Valores típicos [a 1]
Taler VRE3050 [ un 2]
Valores típicos [a 1]		 Lineal
LTC6655 [a 3]
Valores típicos [a 1]		 Dispositivos analógicos
ADR425B [a 4]
Valores típicos [a 1]		 Intersil
ISL21009 [un 5]
Dispersión inicial % 0,02% 0.01% 0,04% 0.025% 0,04% 0,04% 0.01% 0.01%
Coeficiente
de temperatura sin control de temperatura del cristal
 ppm/ºC <2 0,6 máx.
0,3 tipo.		 <3 2 máx.
1 tipo		 <3 3 máx.
1 tipo		 3 3
Forma característica de temperatura en forma de S cerca de lineal
deriva larga ppm/1000h veinte 6 40 60 40 cincuenta diez unos 10 [un 6]
Histéresis térmica ppm/ciclo - 1 [un 7] - 30 [un 8]
60 [un 9]		 - 40 - 50 [un 10]
Tensión de ruido en la banda 0,1-10 Hz µV pico-pico 3 3 diez 0.1 - 3.4 - 4.5
Tensión de ruido en la banda 10-1000 Hz µV rms 3 5 diez 0,67 - no estandarizado - 2.2
Corriente sin carga (consumo de corriente mínimo) [a 11] mamá 2,4 máx. cuatro 0.75 7 - 0.6 - 0,18 máx.
0,095 tipo.
Posibilidad de puesta a punto en la placa Sí ±5mV Quizás No Sí ±0,5 % V REF Sí ±2,5 % V REF
Rango de temperatura de trabajo ºC 0…+70 -40…+85 -40…+85 −40…+125 −40…+125 −40…+85 [un 12] −40…+125
Notas de mesa
  1. ↑ 1 2 3 4 Harrison, L. Fuentes de corriente y referencias de voltaje . — Newnes, 2005. — Pág  . 434 . — 569 pág. — ISBN 9780750677523 .
  2. ↑ VRE3050: Referencia de precisión de bajo costo . Corporación Thaler (2000-07-01). Consultado el 1 de noviembre de 2012. Archivado desde el original el 26 de noviembre de 2012. . Datos de la serie VRE3050J. En 2012, producido por Apex Microtechnology, que se separó de Cirrus Logic y heredó la línea ION Thaler
  3. ↑ LTC6655: Familia de referencia con búfer de precisión de baja desviación y ruido de 0,25 ppm (enlace no disponible) . Tecnología Lineal (2009). Consultado el 1 de noviembre de 2012. Archivado desde el original el 1 de abril de 2010. 
  4. ↑ ADR420/ADR421/ADR423/ADR425: Ultraprecisión, bajo nivel de ruido, referencias de voltaje XFET® de 2,048 V/2,500 V/3,00 V/5,00 V . Dispositivos analógicos (2001-2011). Consultado el 1 de noviembre de 2012. Archivado desde el original el 8 de enero de 2013. . Datos de la serie ADR425B
  5. ↑ ISL21009: Precisión de entrada de alto voltaje, referencias de voltaje FGA™ de bajo ruido . Intersil (2009-09-16). Consultado el 1 de noviembre de 2011. Archivado desde el original el 8 de enero de 2013. . Datos de la serie ISL21009BFB850Z.
  6. ↑ La deriva para toda la vida útil está normalizada: 50 ppm durante 10 años. La calificación de deriva para las primeras 1000 horas se da como "aproximadamente"
  7. ↑ Para cualquier cambio de temperatura dentro del rango operativo
  8. ↑ Cuando la temperatura cambia de -0 a +70 °C
  9. ↑ Cuando la temperatura cambia de -40 a +125 °C
  10. ↑ Ciclo de prueba +25 °C → +125 °C → -25 °C → +25 °C
  11. ↑ El concepto de corriente sin carga se aplica a los dispositivos en serie (tres salidas), el concepto de corriente mínima, a todos, incluidos los paralelos (dos salidas)
  12. ↑ Validado a bajas temperaturas hasta -195 °C, véase Patterson, R.; Hammoud, A. Rendimiento de referencias de voltaje analógico de compuerta flotante de precisión a temperaturas criogénicas  // NASA Electronic Parts and Packaging. - 2005. - No. Diciembre 2005 .

IONs simples

ION en diodos zener

Bandgaps

El principio de funcionamiento de las bandas prohibidas  (fuentes de voltaje determinadas por el ancho de banda prohibida de un semiconductor) se basa en la dependencia fundamental de la tensión en una unión pn polarizada directamente con la corriente y la temperatura. A una corriente fija, este voltaje disminuye linealmente al aumentar la temperatura con un TKV de aproximadamente −2 mV/°C. Si sumamos este voltaje al voltaje en otro elemento del circuito, el voltaje en el cual es proporcional a la temperatura absoluta, entonces con la escala correcta de los dos términos, sus coeficientes de temperatura se compensan entre sí, y la suma de los dos voltajes, en la primera aproximación, será igual a la banda prohibida del semiconductor utilizado a T = 0 K y no dependerá de la temperatura.

El "otro elemento" suele ser un par de transistores bipolares en una conexión de diodo, que funcionan con diferentes densidades de corriente. La diferencia entre los voltajes en las uniones del emisor de estos transistores depende solo de la temperatura y la relación de densidades de corriente. Su valor absoluto en circuitos reales no supera los 100 mV, por lo tanto, para compensar con precisión dos TKN, debe amplificarse 5 ... 15 veces. En el circuito de banda prohibida más común, propuesto por Paul Brokaw a mediados de la década de 1970, el mismo par de transistores sirve como fuente tanto de un voltaje proporcional a la temperatura absoluta (voltaje PTAT) como de un voltaje que disminuye al aumentar la temperatura (voltaje CTAT) , y la escala y la suma de los términos se realiza mediante un divisor simple en dos resistencias . La inevitable dispersión de los parámetros tecnológicos provoca indicadores de precisión mediocres de dichos circuitos: la dispersión inicial suele ser del ±3% de la tensión de salida, y en los circuitos más avanzados es del ±1,6% [57] . En el llamado subbandgap , que genera un voltaje de referencia de cientos de mV, la dispersión es aún mayor, hasta ± 3,6% [58] . Con un "centrado" preciso de los componentes, la característica de temperatura del voltaje de referencia tiene una forma parabólica característica con un máximo en el centro del rango de temperatura de funcionamiento. En los bordes del rango operativo, el voltaje cae aproximadamente un 0,2% del máximo. Con desviaciones del centrado ideal, la joroba de la característica de temperatura puede desplazarse más allá del rango de temperatura de funcionamiento, y la característica de temperatura observada se aproxima a una lineal. El coeficiente de temperatura del voltaje se puede reducir con la ayuda de circuitos de compensación de no linealidad, la dispersión del voltaje se puede reducir mediante el ajuste individual de los microcircuitos y el alto nivel de ruido inherente a las bandas prohibidas es casi imposible de reducir.

A pesar de todas sus deficiencias, las bandas prohibidas simples se utilizan masivamente en estabilizadores lineales y microcircuitos monitores de voltaje (familia 78XX , TL431 ) y amplificadores operacionales . En los circuitos de bajo voltaje, las bandas prohibidas son indispensables: a diferencia de los diodos zener, las bandas prohibidas "ordinarias" funcionan con voltajes de suministro de +2 V y las subbandas prohibidas, con voltajes de +1,0 V.

ION de chips de memoria basados ​​en transistores MIS complementarios

Un chip de memoria moderno contiene un conjunto completo de fuentes y estabilizadores (reguladores) incorporados del voltaje de referencia. La mayoría de los chips de memoria funcionan con un voltaje de suministro reducido, establecido por el ION incorporado y estabilizado por un poderoso estabilizador. La reducción de los voltajes de suministro es necesaria, en primer lugar, para evitar la ruptura de los transistores fabricados con tecnologías submicrónicas. La segunda área de aplicación de ION es establecer el voltaje de umbral para los amplificadores de lectura diferencial utilizados en los circuitos integrados de memoria con una capacidad de más de 1 Mbit [59] .

En los ION simples construidos con tecnología CMOS sin el uso de elementos termosensibles bipolares, el voltaje de salida se establece proporcional al voltaje de umbral del transistor de canal p V TP [60] . En los chips de memoria, este parámetro es de aproximadamente -0,4 V sin tener en cuenta la acción del sustrato. Realmente, teniendo en cuenta la tensión fuente-sustrato, V TP puede ser el doble [61] . El transistor T1 opera con una corriente de canal baja, por lo que su voltaje de fuente de puerta es aproximadamente igual al umbral, y el mismo voltaje cae a través de la resistencia R1 y la puerta T5. T5 refleja la corriente que fluye a través de T1, por lo que el voltaje de salida tomado de R2 es

[59]

Las primeras muestras de estos dispositivos, desarrolladas a principios de la década de 1990, tenían una inestabilidad de la tensión de alimentación de alrededor del 1 % (10 mV/V) y una TCH de 0,15 mV/°C [59] .

IONES de precisión

ION en diodos zener con estructura oculta

La corriente de ruptura de un diodo zener plano convencional se concentra en la capa de silicio cercana a la superficie, en la capa con la concentración máxima de impurezas y defectos de red. Son estas impurezas y defectos los que causan la inestabilidad y el ruido del diodo zener. Su rendimiento se puede mejorar conduciendo la corriente de ruptura profundamente en el cristal, en la estructura oculta de la unión pn con un voltaje de ruptura más bajo que en la capa cercana a la superficie [62] . En la tecnología epitaxial clásica, según la cual se fabricó el LM199, se forma una isla profunda de conductividad tipo p + en lugar del futuro diodo zener, y luego la difusión habitual de la base (p - ) y el emisor (n + ) capas se lleva a cabo [62] . El emisor de la estructura de diodo creada se convierte en el cátodo del diodo zener, la base se convierte en el ánodo. En la capa cercana a la superficie, esta transición tiene un perfil de conductividad n + -p - , y en la parte inferior de la región base - n + -p + [63] . Una unión n + -p + altamente dopada tiene un voltaje de ruptura más bajo que en la capa n + -p - cercana a la superficie , por lo que toda la corriente inversa del diodo zener está exactamente en la parte inferior de la región base [64] .

Las referencias Zener clásicas de capa enterrada (LM199, LTZ1000) tienen una topología concéntrica característica. Un diodo zener está ubicado en el centro del cristal, los transistores están directamente adyacentes a él: sensores de temperatura, y una bobina de calentamiento se "coloca" alrededor de ellos, también hecha con tecnología plana. Dichos circuitos integrados tienen valores bajos récord de TKN (LM199 - 0,3 ppm/°C, LTZ1000 - 0,05 ppm/°C [36] ), ruido (LTZ1000 - 1,2 μV p-p [36] ) y deriva a largo plazo ( LTZ1000 - 2 μV / 1000 h [36] ) a valores altos, en un pequeño porcentaje, de la dispersión de voltaje inicial (LTZ1000 - de 6,9 ​​a 7,45 V) y alta inestabilidad de corriente (LM199 - 0,5 mV / mA [ 65] , LTZ1000 - 20 mV/mA ​​[36] ). Los indicadores declarados se logran solo con un control cuidadoso de la temperatura y el blindaje del circuito y la estabilización rígida de la corriente del diodo zener.

ION en pares diferenciales de transistores de efecto de campo (XFET)

En 1997 , Analog Devices lanzó la primera generación de ION integrados bajo la marca XFET (en inglés  Extra Implant FET  - " transistor de efecto de campo con implantación de compuerta adicional ") [66] . El diagrama del circuito del núcleo de este ION se asemeja al circuito de la banda prohibida de Brokaw con un amplificador operacional, pero el principio de funcionamiento del XFET es completamente diferente [66] . El elemento XFET CTAT está formado por dos seguidores de fuente en transistores de canal p con una unión pn [66] . Uno de los dos transistores es convencional y se implanta una segunda puerta adicional en el canal del segundo transistor [66] . Las fuentes de corriente activa y un amplificador operacional que controla los voltajes de puerta de los transistores establecen corrientes iguales y voltajes de fuente de drenaje iguales para ambos transistores [67] . La igualdad de corrientes y voltajes solo es posible cuando los voltajes de fuente de puerta de los dos transistores V SI1 y V SI2 difieren en ΔV 12 , que es de aproximadamente 0,5 V [67] . El coeficiente de temperatura ΔV 12 , alrededor de −120 ppm/°C, está determinado por la constante dieléctrica del silicio en el canal adicional del segundo transistor y es prácticamente independiente de la temperatura [67] . Se forma un voltaje estable V REF al agregar el voltaje CTAT ΔV SI con la caída de corriente PTAT a través de la resistencia de referencia R1, y el ajuste fino del TKN se lleva a cabo mediante el ajuste láser R1:

[67] .

Los XFET superan a los mejores intervalos de banda de precisión e ION en CCC en todos los aspectos, excepto en dos principales: tolerancia inicial y TKN [68] . Un voltaje de referencia típico de XFET TCR de la serie "A" no es más de 3 ppm / ° C, la tolerancia inicial de V REF  no es más de 0.05% (500 ppm), es posible ajustar V REF con resistencias de precisión externas [ 69] . El TCI bajo y constante del elemento XFET STAT (20–30 veces más bajo que el TCI de una unión pn en una banda prohibida) permite prescindir de los esquemas de corrección de la no linealidad de la característica de temperatura [70] . El consumo de corriente del XFET IC no supera 1 μA y el nivel de ruido, debido al uso de transistores de efecto de campo, es significativamente menor que el de las bandas prohibidas y los ION en el CCC. La oscilación de ruido típica de baja frecuencia (0,1-10 Hz) es de 4 mV de pico a pico [70] . Los XFET IC están diseñados para operar en el rango de temperatura automotriz (-40 ... +125 ppm / ° C), no son muy susceptibles a la histéresis de temperatura y son económicos [68] . Según Linden Harrison, XFET es la mejor opción para sistemas con voltajes de suministro de 4,1 a 18 V, excepto para la precisión de voltaje de referencia más exigente [71] .

Transistor de puerta flotante ION (FGA)

En 1967, Shi Min (cuyo apellido se transcribió erróneamente como "Zi" en ruso) y Kang Daewon propusieron el concepto de un transistor de efecto de campo de puerta flotante  : una celda unitaria de memoria no volátil [72] . En 1971, Intel patentó la tecnología inventada por Dove Froman para la producción práctica de tales celdas para memoria EPROM , en 1978 y 1980 se inventaron la EEPROM y la memoria flash basadas en el mismo principio [72] . En 1979, Xicor patentó las primeras estructuras de transistores de puerta flotante diseñadas para almacenar señales analógicas, no código binario. El beneficio de este enfoque parecía obvio: para almacenar una muestra analógica, por ejemplo, una señal de audio, una celda de memoria es suficiente, para almacenar un sonido digitalizado, se necesitan 8, 10, 12 o más celdas [72] . En la década de 1990, las empresas Impinj y Nuvoton continuaron con la línea de desarrollo de "sonido", y Xicor se centró en crear ION de precisión basados ​​en "memoria analógica" [72] . Los desarrolladores de Xicor abandonaron la atractiva idea de hacer una memoria analógica en miniatura, comparable en tamaño a las celdas lógicas: la experiencia de los competidores de Impinj mostró la futilidad de tal enfoque [72] . En cambio, los ION desarrollados en Xicor usan puertas flotantes extendidas: cuanto mayor sea el área de la puerta, más fácil será controlar la carga escrita en la puerta y determinar el voltaje de salida del ION [72] . Los primeros circuitos integrados producidos en serie de este tipo se lanzaron en 2003 bajo la marca FGA ( ing.  Floating Gate Analog , "IC analógico en puertas flotantes"), y un año después, Intersil continuó el desarrollo de la tecnología FGA, que absorbió a Xicor [72] [73] .

Producidos en serie en 2012, los ION tipo FGA están programados para voltajes de referencia de 1 a 5 V [23] . La tolerancia de voltaje de referencia inicial de FGA de 0.01% (100 ppm) es la más pequeña entre todas las referencias integradas. Las mejores muestras presentadas en 2012 no superan las 3 ppm/°C [ 23 ] . Los FGA, al igual que los XFET, se diferencian favorablemente de los CCC de diodo zener y de banda prohibida por su forma monótona, casi lineal, de característica de temperatura [74] . La corriente de suministro en reposo no supera 1 μA. La corriente de fuga de carga normal de una puerta aislada es de unos pocos electrones por segundo, lo que otorga al FGA una garantía de diez años [72] [75] . Según Linden Harrison, XFET es la mejor opción para sistemas de analógico a digital con voltajes de suministro de 5,1 a 9 V y una resolución de hasta 24 bits [74] .

Los circuitos integrados de FGA están diseñados para funcionar en rangos de temperatura comerciales ampliados (-40...+85 °C) y automotrices (-40...+125 °C). Según la NASA , los circuitos integrados FGA mantienen el rendimiento del pasaporte a bajas temperaturas de hasta −195 °C [76] . Sin embargo, los FGA son más susceptibles a la radiación ionizante que otros ION [77] . Bajo la exposición a rayos X , que es típica de los detectores de fallas industriales y los sistemas de seguridad de los aeropuertos , el voltaje de ION cae a una tasa de alrededor de 12 ppm/ mrem [78] (la inspección de equipaje en los aeropuertos de EE. UU. alcanza una dosis de 2 rem [79] ) . El FGA debe protegerse de la radiación con pantallas metálicas: dos capas de lámina de cobre, que se utilizan en las placas de circuito impreso típicas, reducen la exposición a la radiación en un factor de 8 [80] . Una protección aún más eficaz es la lámina de zinc con un espesor de 0,25 mm o más [81] .

Características del diseño y operación de circuitos en el ION

Ajuste fino

Si el dispositivo que se está diseñando requiere una precisión absoluta en el ajuste del voltaje, lo cual es inalcanzable en los ION integrales en serie, entonces el proyecto incluye la posibilidad de su ajuste fino [82] . Los microcircuitos que permiten dicho ajuste tienen una entrada de control adicional y están diseñados para operar junto con un potenciómetro de precisión que cierra el circuito de retroalimentación de voltaje [83] . Para evitar que la inestabilidad del potenciómetro degrade el rendimiento del ION, tiene sentido utilizar potenciómetros de precisión de lámina metálica con un coeficiente de temperatura de resistencia (TCR) de aproximadamente ±10 ppm/°C, o potenciómetros de alambre con un TCR. de alrededor de ±50 ppm/°C [83] . Los potenciómetros digitales en tales circuitos no son adecuados debido al alto TCR (desde 500 ppm/°C) y el gran paso de ajuste gradual (alrededor de 20 mV) [83] . Se recomienda realizar ajustes por lo menos dos veces: antes y después del entrenamiento termoeléctrico de la placa de circuito impreso ensamblada [84] .

El voltaje en la salida de ION también se puede ajustar usando amplificadores escaladores externos basados ​​en amplificadores operacionales de precisión y bajo ruido [84] . La literatura describe esquemas para corregir tanto el voltaje absoluto en la salida ION como neutralizar su TKN [85] .

Derivación de entrada y salida de CA

Los ION de precisión generalmente funcionan con un voltaje ya estabilizado y filtrado. Sin embargo, incluso en tales condiciones, el rendimiento de la mayoría de los ION se puede mejorar derivando sus entradas y salidas a tierra con condensadores [86] .

Los fabricantes no especifican la capacidad del condensador de entrada. De forma predeterminada, se pueden utilizar en paralelo un condensador electrolítico de 10 µF y un condensador cerámico de disco de 0,1 µF [87] . La capacitancia del capacitor de salida afecta directamente la estabilidad del lazo de retroalimentación, el cual está cubierto por el ION, y por lo tanto los fabricantes suelen normalizarlo [87] . Para algunos microcircuitos no se recomienda una capacitancia de salida, para otros por el contrario se requiere una capacitancia de salida de 1 a 10 microfaradios [87] . Superar la capacitancia admisible puede generar una autoexcitación del ION o un aumento del nivel de ruido [88] .

Filtrado de ruido ION

La forma más fácil de reducir el ruido del voltaje de referencia es filtrarlo por frecuencia, lo que suprime los componentes de alta frecuencia del ruido. Hay ION de precisión, en cuyo cristal ya se han formado las resistencias del filtro de paso bajo RC  ; solo necesita conectar un condensador externo a los terminales especiales de dicho microcircuito . Todos los demás ION deben usar un filtro de paso bajo pasivo o activo completo conectado a la salida de voltaje de referencia [89] .

Los fabricantes no están de acuerdo sobre si es posible conectar un filtro directamente a la salida ION. Algunos recomiendan la conexión directa de filtros, otros lo prohíben. Según el segundo grupo de expertos, el ruido combinado, la deriva a largo plazo y la inestabilidad de los circuitos RC del filtro y la etapa del amplificador de entrada en la salida del filtro pueden degradar no solo la precisión, sino también el ruido del "mejorado". circuito. Para evitar que esto suceda, se debe conectar un amplificador de búfer de precisión y bajo ruido entre la salida ION y la entrada del filtro [90] .

Una forma costosa pero efectiva de reducir el ruido de la referencia es poner en paralelo múltiples referencias a una carga común a través de las mismas resistencias de ecualización. El nivel de ruido absoluto de una batería de iones de este tipo disminuye en proporción inversa a la raíz cuadrada del número de microcircuitos en paralelo [44] .

Protección contra el estrés mecánico

Las tensiones mecánicas de la placa de circuito impreso que se producen durante su instalación y durante el funcionamiento posterior del dispositivo se transfieren inevitablemente a la carcasa del microcircuito y luego al cristal ION y afectan su voltaje de salida. Los microcircuitos en paquetes de metal no son muy susceptibles a la tensión mecánica, pero todos los demás ION, tanto en paquetes DIP como en paquetes de montaje en superficie, reaccionan incluso a una ligera torsión o flexión de la placa [91] . Para evitar que las tensiones mecánicas de la placa se transfieran al cristal ION, el microcircuito debe instalarse en una "lengüeta" separada del resto de la placa por un corte pasante. La literatura describe mediciones instrumentales de una placa con una referencia de precisión LT1460: por cada flexión moderada de la placa, el cambio de voltaje fue de aproximadamente 60 ppm en una placa regular y solo 10 ppm en una placa con un corte [92] . Ayuda, pero no tan eficaz, y los medios habituales para reducir las deformaciones: el uso de bastidores flexibles, reduciendo el tamaño del tablero, eligiendo una textolita más gruesa, colocando el ION más cerca del borde corto del tablero. En las tablas con lengüetas, la viruta debe orientarse con el lado largo a lo largo de la lengüeta, en las tablas convencionales, con el lado largo a lo largo del lado corto de la tabla [92] .

Notas

  1. ↑ Harrison, 2005 , pág. una.
  2. ↑ 12 Harrison , 2005 , pág. 321.
  3. ↑ Harrison, 2005 , págs. 1, 321.
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