Riferimenti XFET™

Affinché un segnale analogico rappresenti (o sia rappresentato da) un numero digitale, è necessario un riferimento, solitamente una tensione, per traslare la scala. Pertanto, un convertitore A/D produce un numero digitale proporzionale al rapporto tra un segnale analogico e una tensione di riferimento; e un convertitore D/A produce un'uscita che è una frazione della tensione o della corrente di fondo scala, stabilita da un riferimento. Se il segnale di riferimento sviluppa un errore di +1%, causerà un errore di sistema proporzionale: l'uscita analogica di un DAC aumenterà dell'1% e l'uscita digitale di un ADC diminuirà dell'1%. Nei sistemi in cui sono richieste misurazioni assolute, l'accuratezza del sistema dipende fortemente dall'accuratezza del riferimento. Nei sistemi di acquisizione dati ad alta risoluzione, specialmente quelli che devono operare in un ampio intervallo di temperature, i riferimenti ad alta stabilità sono un must. La precisione di qualsiasi convertitore è limitata dalla sensibilità alla temperatura e dalla deriva a lungo termine del suo riferimento di tensione. Se si consente al riferimento di tensione di contribuire con un errore equivalente a solo 1/2 di un bit meno significativo (1 LSB = 2-n di fondo scala), può essere sorprendente vedere quanto deve essere buono il riferimento, anche per piccole escursioni termiche. E quando le variazioni di temperatura sono grandi, il progetto di riferimento è un grosso problema. Ad esempio, un vero convertitore A/D a 16 bit autocalibrato ha un LSB di 15.2 parti per milione (ppm) di fondo scala. Affinché l'ADC abbia una precisione assoluta di 16 bit, l'errore di riferimento di tensione sull'intero intervallo di temperatura operativa deve essere inferiore o uguale a 1/2 LSB o 7.6 ppm. Se la deriva del riferimento è 1 ppm/°C, allora (trascurando tutte le altre fonti di errore) l'oscillazione totale della temperatura non deve superare 7.6°C per mantenere una vera precisione a 16 bit. Un'altra fonte di errore, spesso trascurata, è il rumore di riferimento; mantenerlo basso (in genere meno di 1/4 LSB) è fondamentale per un'elevata precisione. La non linearità del coefficiente di temperatura del riferimento e l'elevata isteresi termica sono altre fonti di errore che possono influire in modo significativo sull'accuratezza complessiva del sistema. Tipi di riferimenti Diodi Zener*: Ampiamente usato per molti anni è il diodo Zener con compensazione della temperatura, prodotto dalla rottura inversa della giunzione base-emettitore sulla superficie del dispositivo. Gli Zener hanno una caduta di tensione costante, specialmente se utilizzati in un circuito in grado di fornire una corrente costante derivata da una tensione di alimentazione più elevata. Gli Zener sono disponibili in un'ampia gamma di opzioni di tensione: da circa 6 V a 200 V, tolleranze dall'1.0% al 20% e dissipazione di potenza da una frazione di watt a 40 o 50 W. Tuttavia hanno molti difetti. Spesso richiedono circuiti aggiuntivi per ottenere una bassa impedenza di uscita, la tolleranza di tensione dei dispositivi a basso costo è generalmente scarsa; sono rumorosi e molto sensibili ai cambiamenti di corrente e di temperatura, e sono suscettibili di cambiare nel tempo. Lo Zener sepolto o sotterraneo è la fonte di riferimento preferita per dispositivi IC accurati. In un riferimento Zener sotto la superficie, l'area di rottura inversa è coperta da una diffusione protettiva per mantenerla ben al di sotto delle impurità, delle sollecitazioni meccaniche e delle imperfezioni cristalline presenti in superficie. Poiché questi effetti contribuiscono al rumore e all'instabilità a lungo termine, il diodo di rottura interrato è meno rumoroso e più stabile degli Zener di superficie. Tuttavia, richiede un'alimentazione di almeno 6 V e deve assorbire diverse centinaia di microampere per mantenere il rumore a un livello pratico. *Nota: i diodi di riferimento possono utilizzare due tipi di fenomeni di rottura, Zener e valanga. La maggior parte dei diodi di riferimento impiega la modalità a valanga ad alta tensione, ma tutti sono stati chiamati diodi "Zener". Bandgap: un'altra tecnica di progettazione popolare per i riferimenti di tensione utilizza il principio del bandgap: il Vbe di qualsiasi transistor al silicio ha un tempco negativo di circa 2 mV/°C, che può essere estrapolato a circa 1.2 V a zero assoluto (la tensione di bandgap del silicio) . La differenza nella tensione base-emettitore tra i transistor abbinati che operano a diverse densità di corrente sarà proporzionale alla temperatura assoluta (PTAT). Questa tensione, aggiunta a una Vbe con il suo coefficiente di temperatura negativo, raggiungerà la tensione di bandgap costante. Questa tensione a temperatura invariante può essere utilizzata come "diodo Zener a bassa tensione" in una connessione shunt (AD1580). Più spesso, viene amplificato e bufferizzato per produrre un valore di tensione standard, come 2.5 o 5 V. Il riferimento di tensione bandgap ha raggiunto un alto grado di raffinatezza sin dalla sua introduzione ed è ampiamente utilizzato; tuttavia manca della precisione richiesta da molti dei sistemi elettronici odierni. I riferimenti pratici di bandgap non sono noti per le buone prestazioni di rumore, mostrano una notevole isteresi di temperatura e hanno una stabilità a lungo termine che dipende dal valore assoluto di almeno un resistore su chip. Un nuovo principio: l'XFET™: con la proliferazione di sistemi che utilizzano alimentatori a 5 V e la crescente necessità di funzionamento a 3 volt e al di sotto, i progettisti di circuiti integrati e sistemi necessitano di riferimenti di tensione ad alte prestazioni in grado di funzionare da binari di alimentazione ben al di sotto i >6 V necessari per i diodi Zener interrati. Tale dispositivo deve combinare un funzionamento a bassa potenza con basso rumore e bassa deriva. Sono desiderabili anche il coefficiente di temperatura lineare, una buona stabilità a lungo termine e una bassa isteresi termica. Per soddisfare queste esigenze, è stata creata una nuova architettura di riferimento per fornire questo riferimento di tensione tanto desiderato. La tecnica, denominata XFET™ (eXtra impiantato FET), produce un riferimento a basso rumore che richiede una bassa corrente di alimentazione e fornisce una migliore linearità del coefficiente di temperatura con una bassa isteresi termica. Il nucleo del riferimento XFET è costituito da due transistor ad effetto di campo a giunzione, uno dei quali ha un impianto di canale aggiuntivo per aumentare la sua tensione di pinch-off. Con entrambi i JFET in esecuzione alla stessa corrente di drain, la differenza nella tensione di pinch-off viene amplificata e utilizzata per formare un riferimento di tensione altamente stabile. La tensione di riferimento intrinseca è di circa 500 mV, con un coefficiente di temperatura negativo di circa 120 ppm/K. Questa pendenza è essenzialmente vincolata alla costante dielettrica del silicio ed è strettamente compensata dall'aggiunta di un termine di correzione generato nello stesso modo del termine PTAT (Proportional to Absolute Temperature) utilizzato per compensare i riferimenti di bandgap. Tuttavia, il coefficiente di temperatura intrinseco dell'XFET è circa trenta volte inferiore a quello di un bandgap. Di conseguenza, è necessaria molta meno correzione. Ciò tende a produrre molto meno rumore, poiché la maggior parte del rumore di un riferimento di banda proibita proviene dal circuito di compensazione della temperatura. Il termine di correzione della temperatura è fornito da una corrente, IPTAT, che è positiva e proporzionale alla temperatura assoluta (Figura 1). Immagine 1. Schema semplificato del riferimento ADR29x. La serie ADR29x è la prima di una crescente famiglia di riferimenti basati sull'architettura XFET. Funzionano da linee di alimentazione da 2.7 a 15 V e assorbono solo 12 µA. Le opzioni di tensione di uscita includono 2.048 V (ADR290), 2.5 V (ADR291), 4.096 V (ADR292) e 5 V (ADR293). Frutti della nuova tecnologia: la topologia del circuito XFET presenta vantaggi significativi rispetto alla maggior parte dei riferimenti bandgap e Zener. Quando si opera alla stessa corrente, la tensione di rumore picco-picco da un riferimento XFET a frequenze comprese tra 0.1 e 10 Hz è in genere 3 volte inferiore a quella per un bandgap (vedere il confronto tra REF192 e ADR291). In alternativa, un riferimento di banda proibita deve funzionare in genere a 20 volte la corrente di alimentazione di un riferimento XFET per fornire prestazioni di rumore da picco a picco equivalenti (ADR291 vs. 680 d.C.). Il riferimento XFET ha un coefficiente di temperatura molto piatto o lineare nell'intervallo esteso della temperatura di esercizio industriale. I migliori riferimenti di tensione di bandgap e Zener hanno in genere coefficienti di temperatura non lineari alle temperature estreme. Queste non linearità non sono coerenti da parte a parte, quindi non è possibile utilizzare una semplice tabella di ricerca ROM/software per la correzione del coefficiente di temperatura. La linearità del coefficiente di temperatura è una specifica molto importante per le applicazioni DVM. Un altro grande vantaggio dell'XFET è la sua eccellente stabilità a lungo termine. La sua deriva è inferiore a un quinto di quella di un riferimento bandgap e paragonabile a quella dei riferimenti Zener (vedi Tabella). Tabella 1. Confronto dei riferimenti Zener, Bandgap e XFET Parametro ADR291 AD586 AD680 REF192 Topologia di riferimento XFET Zener interrato Bandgap Bandgap Tensione di alimentazione (V) +3.0 +15.0 +5.0 +3.3 Uscita in tensione (V) 2.5 5 2.5 2.5 Precisione iniziale (mV)*max ±2 ±2 ±5 ±2 Coefficiente di temperatura (ppm/°C)* max 8 (da -25 a +85) 2 (da 0 a +70) 20 (da -40 a +85) 5 (da -40 a +85) Rumorosità Tensione da 0.1 a 10 Hz (µV pp) 8 4 10 25 Corrente di riposo (µA) max, 25°C 12 3000 250 45 Regolazione della linea (ppm/V)*, max 100 100 40 4 Regolazione del carico (ppm/mA)* max 100 100 100 10 Intervallo di temperatura di esercizio (°C) da -40 a +125 da -40 a +85 da -40 a +85 da -40 a +85 *Grado superiore Nonostante la bassa corrente di riposo, la famiglia ADR29x è in grado di fornire 5 mA a il carico da uno stadio di uscita PNP a bassa caduta di tensione; e non è necessario un condensatore di disaccoppiamento in uscita. L'isteresi termica con il design XFET è molto migliore rispetto ai bandgap. I dispositivi di produzione mostrano circa 200 µV di spostamento recuperabile e non cumulativo quando sottoposti a uno shock termico di 100 kelvin contro uno shock termico di XNUMX kelvin. uno spostamento da 500 a 1000 µV in gap di banda comparabili. Il vantaggio prestazionale complessivo offerto dall'architettura XFET proprietaria di ADI nei sistemi portatili che richiedono precisione, stabilità e bassa potenza non ha eguali rispetto al bandgap esistente o ai riferimenti Zener. Sorgente di corrente per applicazioni: la serie ADR29x è utile per molte applicazioni di riferimento di precisione a bassa potenza e bassa tensione, inclusi riferimenti negativi e regolatori di precisione "rinforzati" che utilizzano amplificatori rail-to-rail esterni a bassa quiescenza con connessioni di feedback Kelvin. La bassa e insensibile corrente di riposo (circa 12 ± 2 µA di sovratemperatura) consente ai membri della famiglia ADR29x di fungere da sorgenti di corrente di precisione, operando a bassa tensione di alimentazione. La Figura 2 mostra una connessione di base per una sorgente di corrente flottante con un carico messo a terra. La tensione di uscita regolata con precisione fa sì che una corrente di (VOUT/RSET), fluisca attraverso RSET, che è la somma di una resistenza esterna fissa e regolabile. Questa corrente, <5 mA, si aggiunge alla corrente di riposo per formare la corrente di carico attraverso RL. Pertanto, è possibile programmare correnti prevedibili da 12 µA a 5 mA in modo che fluiscano attraverso il carico. Immagine 2.

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