Applications capacitives dans la conception d'alimentations électriques
2020-01-03 16:44:07
Circuit source de tension de référence
Il existe de nombreuses façons de concevoir un circuit intégré de source de tension de référence, chacune présentant des avantages et des inconvénients spécifiques.
Source de tension de référence basée sur une diode Zener
La source de tension de référence Zener enterrée en profondeur est une conception relativement simple. Les diodes Zener (ou à avalanche) ont des tensions inverses prévisibles qui présentent une excellente stabilité en température et une excellente stabilité temporelle. Ces diodes ont généralement un bruit très faible et une très bonne stabilité temporelle lorsqu'elles sont maintenues dans une petite plage de température, elles conviennent donc aux applications où les variations de tension de référence sont faibles.
Par rapport aux autres types de circuits de source de tension de référence, cette stabilité peut être attribuée à un petit nombre de composants et à une petite surface de puce, et la construction des composants Zener est très délicate. Cependant, il est courant de constater des variations relativement importantes de la tension initiale et de la dérive de température. Des circuits peuvent être ajoutés pour compenser ces défauts, ou une série de tensions de sortie peut être fournie. Les sources de tension de référence shunt et série utilisent toutes deux des diodes Zener.
Source de tension de référence à bande interdite
Les diodes Zener peuvent être utilisées pour produire des sources de tension de référence à hautes performances, mais elles manquent de flexibilité. En particulier, elles nécessitent une tension d'alimentation supérieure à 7 V et fournissent une tension de sortie relativement faible. En revanche, les sources de tension de référence à bande interdite peuvent produire une grande variété de tensions de sortie avec une marge de puissance très faible (généralement inférieure à 100 mV). Les sources de tension de référence à bande interdite peuvent être conçues pour fournir des tensions de sortie initiales très précises et une dérive de température très faible sans nécessiter de calibrage en service fastidieux.
Les opérations de bande interdite reposent sur les caractéristiques de base des transistors à jonction bipolaire. La figure 1 montre une source de tension de référence de bande interdite de base. On peut voir que le VBE d'une paire de transistors à jonction bipolaire dépareillés présente une différence proportionnelle à la température. Cette différence peut être utilisée pour produire un courant qui augmente linéairement avec la température. Lorsque ce courant traverse une résistance et un transistor, la variation de température de la tension base-émetteur du transistor avec la température annule la variation de tension aux deux extrémités de la résistance, si elle est de la bonne taille. Bien que ce décalage ne soit pas complètement linéaire, il peut être compensé par des circuits supplémentaires pour réduire considérablement la dérive de température.
Figure 1 : le circuit à bande interdite conçu fournit un coefficient de température théoriquement nul
Les mathématiques qui sous-tendent la source de tension de référence de base à bande interdite sont intéressantes car elles combinent un coefficient de température connu avec une résistivité unique pour produire une tension de référence avec une dérive de température théorique de zéro. La figure 1 montre les deux transistors, réglés de sorte que la surface d'émetteur de Q10 soit 10 fois supérieure à celle de Q11, tandis que le courant de collecteur de Q12 et Q13 reste le même. Cela crée une tension connue entre les deux bases de transistors :
Où, k est la constante de Boltzmann en J/k (1.38×10-23), T est la température Kelvin (273+T(°C)). Q est la charge électronique en coulombs (1.6x10-19). À 25°C, la valeur de kT/q est de 25.7 mV et le coefficient de température positif est de 86 ° V/°C. ? VBE est cette tension multipliée par ln(10) ou 2.3. À 25°C, la tension est d'environ 60 mV avec un coefficient de température de 0.2 mV/°C.
L'application de cette tension à la résistance de 50k connectée entre la base produit un courant proportionnel à la température. La diode de décalage de courant Q14 a une tension de 575mV et un coefficient de température de -2.2mV/°C à 25°C. La résistance est utilisée pour produire une chute de tension avec un coefficient de température positif appliqué à la tension de la diode Q14, ce qui donne un potentiel de tension de référence d'environ 1.235v, avec un coefficient de température théorique de 0mV/°C. Ces chutes de pression sont illustrées dans la figure 1. L'équilibre du circuit fournit le courant de décalage et la commande de sortie.
Source de tension de référence à bande interdite fractionnaire
La source de tension de référence est basée sur les caractéristiques de température du transistor bipolaire, mais la tension de sortie peut être aussi basse que quelques mV. Elle convient aux circuits à très basse tension, en particulier pour les applications de comparateur où le seuil doit être inférieur à la tension de bande interdite conventionnelle (environ 1.2 V).
La figure 2 montre le circuit principal du LM10, qui est similaire à une source de référence à bande interdite normale, où les composants proportionnels et inversement proportionnels à la température sont combinés pour obtenir une tension de référence constante de 200 mV. Les sources de tension de référence à bande interdite fractionnaire sont couramment utilisées. VBE produit un courant proportionnel à la température, et l'utilisation de VBE produit un courant inversement proportionnel à la température. Les deux sont combinés dans une proportion appropriée dans un élément de résistance pour produire une tension qui ne varie pas avec la température. La taille de la résistance peut être modifiée pour modifier la tension de référence sans affecter la caractéristique de température. Cela diffère des circuits à bande interdite traditionnels en ce que les circuits à bande interdite fractionnaire combinent les courants, tandis que les circuits traditionnels ont tendance à combiner les tensions, généralement l'émetteur, la tension de base et l'I? R.
Figure 2 : Circuit source de tension de référence de 0 mV
Les sources de tension de référence à bande interdite fractionnaire telles que le circuit LM10 sont également soustractives dans certains cas. Certains appareils disposent d'une référence micro-puissance, basse tension de 400 mV et d'une référence série de l'amplificateur. Par conséquent, la tension de référence peut être modifiée en modifiant le gain de l'amplificateur et en fournissant une sortie tamponnée. L'utilisation de ce circuit simple peut produire n'importe quelle tension de sortie inférieure à la tension d'alimentation de 0.4 V à quelques millivolts.
Figure 3 : support de comparaison avec un seuil aussi bas que 400 mV
Certains appareils combinent une source de tension de référence de 400 mV avec un comparateur, ce qui constitue une solution plus intégrée et peut être utilisé comme moniteur de tension ou comparateur de fenêtre. La source de tension de référence de 400 mV peut surveiller de petits signaux d'entrée, réduisant ainsi la complexité du circuit de surveillance (figure 3). Elle peut également surveiller les composants du circuit fonctionnant à des tensions d'alimentation très faibles. Si le seuil est élevé, un simple diviseur de résistance peut être ajouté (figure 4). Ces produits sont conditionnés dans des formats de petite taille (SOT23), consomment très peu d'énergie (moins de 10xa) et prennent en charge une large plage de puissance (1.4 V à 18 V).
Figure 4 : un seuil plus élevé est défini par la tension partielle de la tension d'entrée
Sélectionnez la source de tension de référence
Avec toutes ces options en tête, comment choisir la source de référence de tension adaptée à votre application ? Voici quelques conseils pour affiner vos options :
● tension d'alimentation très élevée ? Sélectionnez la source de tension de référence shunt.
● la tension d'alimentation ou le courant de charge varie-t-il considérablement ? Sélectionnez une source de tension de référence série.
● Vous avez besoin d'un rapport d'efficacité élevé ? Sélectionnez une source de tension de référence série.
● déterminer la plage de température réelle. La plage de température est comprise entre 0 °C et 70 °C, -40 °C et 85 °C et -40 °C et 125 °C.
● les exigences de précision doivent être réalistes. Il est important de comprendre la précision requise pour l'application. Cela permet de déterminer les spécifications clés. Pour cette exigence, multipliez la dérive de température par la plage de température spécifiée, plus
La précision globale est obtenue en soustrayant de l'erreur de précision initiale, de l'hystérésis thermique et de la dérive à long terme pendant la durée de vie prévue du produit tous les éléments qui seront étalonnés en usine ou réétalonnés à intervalles réguliers. Pour les applications les plus exigeantes, des erreurs de bruit, de réglage de tension et de réglage de charge peuvent également être ajoutées. Par exemple :
Une source de tension de référence présente une erreur de précision initiale de 0.1 % (1000 25 ppm), une dérive de température de 40 ppm/°C de -85 °C à 200 °C, un retard thermique de 2 ppm, un bruit crête à crête de 50 ppm et une dérive temporelle de XNUMX ppm/√kHr.
L'incertitude totale dépassera alors 4300 ppm lorsque le circuit sera construit.
Au cours des 1000 premières heures après la mise sous tension du circuit, cette incertitude augmente de 50 ppm. La précision initiale peut être calibrée pour réduire l'erreur à 3300 ppm + 50 ppm, n'est-ce pas ? Racine carrée de t sur 1000 heures.
● Quelle est la plage de puissance réelle ? Quelle est la tension d'alimentation maximale attendue ? Existe-t-il des conditions de défaut auxquelles le circuit intégré de source de tension de référence doit résister, telles qu'une coupure de courant de batterie ou des pics de puissance d'induction à chaud ? Cela peut réduire considérablement le nombre de sources de référence disponibles.
● Quelle est la consommation électrique potentielle de la source de tension de référence ? Les sources de tension de référence se répartissent généralement en plusieurs catégories :
Supérieur à 1 ma, ~500 moles de A, <300 moles de A, <50 moles de A, <10 moles de A, <1 mole de A.
● Quelle est l'intensité du courant de charge ? La charge consomme-t-elle de grandes quantités de courant ou génère-t-elle le courant que la source de référence doit absorber ? De nombreuses sources de tension de référence ne peuvent fournir qu'une petite quantité de courant à la charge, et peu d'entre elles peuvent absorber une grande quantité de courant. La spécification du taux d'ajustement de la charge peut illustrer efficacement ce problème.
● Quel est l'espace d'installation disponible ? La source de tension de référence est disponible dans une variété de boîtiers, notamment des boîtiers à capuchon métallique, des joints en plastique (DIP, SOIC, SOT) et des boîtiers très petits, tels que des produits avec DFN 2 mm x 2 mm. Il est généralement admis que l'erreur due à la contrainte mécanique d'une source de tension de référence dans un boîtier plus grand est inférieure à celle d'une source de tension de référence dans un boîtier plus petit. Bien que certaines sources de tension de référence fonctionnent mieux avec des boîtiers plus grands, il est prouvé que les différences de performances ne sont pas directement liées à la taille du boîtier. Il est plus probable que, comme les produits dans des boîtiers plus petits utilisent des puces plus petites, une sorte de compromis de performances doit être fait pour adapter les circuits sur la puce. Souvent, la méthode d'installation du boîtier a un impact plus important sur les performances que le boîtier lui-même, et une attention particulière à la méthode d'installation et à l'emplacement maximise les performances. De plus, lorsqu'un PCB est plié, un appareil avec une empreinte plus petite peut avoir moins de contraintes qu'un appareil avec une empreinte plus grande.
