Aplicaciones capacitivas en el diseño de fuentes de alimentación
2020-01-03 16:44:07
Circuito de fuente de voltaje de referencia
Hay muchas formas de diseñar un circuito integrado de fuente de voltaje de referencia, cada una con ventajas y desventajas específicas.
Fuente de voltaje de referencia basada en diodo zener
La fuente de voltaje de referencia Zener enterrada a gran profundidad es un diseño relativamente simple. Los diodos Zener (o de avalancha) tienen voltajes inversos predecibles que tienen una excelente estabilidad de temperatura y de tiempo. Estos diodos suelen tener muy poco ruido y muy buena estabilidad de tiempo cuando se mantienen en un rango de temperatura pequeño, por lo que son adecuados para aplicaciones donde los cambios de voltaje de referencia son pequeños.
En comparación con otros tipos de circuitos de fuente de voltaje de referencia, esta estabilidad se puede atribuir a una pequeña cantidad de componentes y un área de chip pequeña, y la construcción de los componentes Zener es muy delicada. Sin embargo, es común ver variaciones relativamente grandes en el voltaje inicial y la deriva de temperatura. Se pueden agregar circuitos para compensar estos defectos, o se puede proporcionar una serie de voltajes de salida. Tanto las fuentes de voltaje de referencia en serie como en derivación utilizan diodos Zener.
Fuente de voltaje de referencia de banda prohibida
Los diodos Zener se pueden utilizar para producir fuentes de voltaje de referencia de alto rendimiento, pero carecen de flexibilidad. En concreto, requieren un voltaje de alimentación de más de 7 V y proporcionan un voltaje de salida relativamente pequeño. Por el contrario, las fuentes de voltaje de referencia de banda prohibida pueden producir una amplia variedad de voltajes de salida con un margen de potencia muy pequeño (normalmente inferior a 100 mV). Las fuentes de voltaje de referencia de banda prohibida se pueden diseñar para proporcionar voltajes de salida iniciales muy precisos y una deriva de temperatura muy baja sin necesidad de una calibración en servicio que consume mucho tiempo.
Las operaciones de banda prohibida se basan en las características básicas de los transistores de unión bipolar. La figura 1 muestra una fuente de voltaje de referencia de banda prohibida básica. Se puede ver que el VBE de un par de transistores de unión bipolar no coincidentes tiene una diferencia proporcional a la temperatura. Esta diferencia se puede utilizar para producir una corriente que aumenta linealmente con la temperatura. Cuando esta corriente se conduce a través de una resistencia y un transistor, la variación de temperatura del voltaje base-emisor del transistor con la temperatura cancela la variación de voltaje en ambos extremos de la resistencia, si es del tamaño adecuado. Aunque este desfase no es completamente lineal, se puede compensar con circuitos adicionales para hacer que la deriva de temperatura sea muy baja.
Figura 1: El circuito de banda prohibida diseñado proporciona un coeficiente de temperatura teóricamente cero
Las matemáticas que sustentan la fuente de voltaje de referencia de banda prohibida básica son interesantes porque combinan un coeficiente de temperatura conocido con una resistividad única para producir un voltaje de referencia con una deriva de temperatura teórica de cero. La Figura 1 muestra los dos transistores, ajustados de manera que el área del emisor de Q10 sea 10 veces la de Q11, mientras que la corriente del colector de Q12 y Q13 permanece igual. Esto crea un voltaje conocido entre las bases de los dos transistores:
Donde k es la constante de Boltzmann en J/k (1.38×10-23), T es la temperatura Kelvin (273+T(°C)). Q es la carga del electrón en culombios (1.6x10-19). A 25°C, el valor de kT/q es 25.7mV, y el coeficiente de temperatura positivo es 86° V/°C. ? VBE es este voltaje multiplicado por ln(10) o 2.3. A 25°C el voltaje es aproximadamente 60mV con un coeficiente de temperatura de 0.2mV/°C.
La aplicación de este voltaje a la resistencia de 50 k conectada entre la base produce una corriente proporcional a la temperatura. El diodo de compensación de corriente Q14 tiene un voltaje de 575 mV y un coeficiente de temperatura de -2.2 mV/°C a 25 °C. La resistencia se utiliza para producir una caída de voltaje con un coeficiente de temperatura positivo aplicado al voltaje del diodo Q14, lo que da como resultado un potencial de voltaje de referencia de aproximadamente 1.235 V, con un coeficiente de temperatura teórico de 0 mV/°C. Estas caídas de presión se muestran en la figura 1. El equilibrio del circuito proporciona la corriente de compensación y el control de salida.
Fuente de voltaje de referencia de banda prohibida fraccional
La fuente de voltaje de referencia se basa en las características de temperatura del transistor bipolar, pero el voltaje de salida puede ser tan bajo como unos pocos mV. Es adecuado para circuitos de voltaje ultra bajo, especialmente para aplicaciones de comparación donde el umbral debe ser menor que el voltaje de banda prohibida convencional (aproximadamente 1.2 V).
La figura 2 muestra el circuito central del LM10, que es similar a una fuente de referencia de banda prohibida normal, donde los componentes proporcionales e inversamente proporcionales a la temperatura se combinan para obtener un voltaje de referencia constante de 200 mV. Las fuentes de voltaje de referencia de banda prohibida fraccional se utilizan comúnmente. VBE produce una corriente proporcional a la temperatura, y el uso de VBE produce una corriente inversamente proporcional a la temperatura. Los dos se combinan en una proporción adecuada en un elemento de resistencia para producir un voltaje que no varía con la temperatura. El tamaño de la resistencia se puede cambiar para cambiar el voltaje de referencia sin afectar la característica de temperatura. Esto difiere de los circuitos de banda prohibida tradicionales en que los circuitos de banda prohibida fraccional combinan corrientes, mientras que los circuitos tradicionales tienden a combinar voltajes, generalmente el emisor, el voltaje de base y la IR.
Figura 2: Circuito de fuente de voltaje de referencia de 0 mV
Las fuentes de voltaje de referencia de banda prohibida fraccional, como el circuito LM10, también son sustractivas en algunos casos. Algunos dispositivos tienen una referencia de micropotencia y bajo voltaje de 400 mV y una referencia en serie del amplificador. Por lo tanto, el voltaje de referencia se puede cambiar modificando la ganancia del amplificador y proporcionando una salida amortiguada. Con este sencillo circuito se puede producir cualquier voltaje de salida por debajo del voltaje de la fuente de alimentación de 0.4 V a unos pocos milivoltios.
Figura 3: soporte para comparación con un umbral tan bajo como 400 mV
Algunos dispositivos combinan una fuente de voltaje de referencia de 400 mV con un comparador, que es una solución más integrada y se puede utilizar como monitor de voltaje o comparador de ventana. La fuente de voltaje de referencia de 400 mV puede monitorear pequeñas señales de entrada, lo que reduce la complejidad del circuito de monitoreo (figura 3). También puede monitorear componentes del circuito que operan a voltajes de potencia muy bajos. Si el umbral es grande, se puede agregar un divisor de resistencia simple (figura 4). Estos productos se envasan en tamaños pequeños (SOT23), consumen muy poca energía (menos de 10 xa) y admiten un amplio rango de potencia (1.4 V a 18 V).
Figura 4: un umbral más alto se establece mediante el voltaje parcial de entrada
Seleccione la fuente de voltaje de referencia
Teniendo en cuenta todas estas opciones, ¿cómo elegir la fuente de referencia de tensión adecuada para su aplicación? A continuación, se ofrecen algunos consejos para limitar sus opciones:
● ¿Tensión de alimentación muy alta? Seleccione la fuente de tensión de referencia en derivación.
● ¿La tensión de alimentación o la corriente de carga varían mucho? Seleccione una fuente de tensión de referencia en serie.
● ¿Necesita una relación de eficiencia alta? Seleccione una fuente de voltaje de referencia en serie.
● determinar el rango de temperatura real. Las temperaturas varían de 0 °C a 70 °C, de -40 °C a 85 °C y de -40 °C a 125 °C.
● Los requisitos de precisión deben ser realistas. Es importante comprender la precisión requerida para la aplicación. Esto ayuda a determinar las especificaciones clave. Para este requisito, multiplique la desviación de temperatura por el rango de temperatura especificado, más
La precisión general se obtiene restando del error de precisión inicial, la histéresis térmica y la desviación a largo plazo durante la vida útil esperada del producto todos los elementos que se calibrarán en la fábrica o se recalibrarán a intervalos regulares. Para las aplicaciones más exigentes, también se pueden sumar errores de ruido, ajuste de voltaje y ajuste de carga, como por ejemplo:
Una fuente de voltaje de referencia tiene un error de precisión inicial de 0.1 % (1000 ppm), una deriva de temperatura de 25 ppm/°C de -40 °C a 85 °C, un retraso térmico de 200 ppm, un ruido de pico a pico de 2 ppm y una deriva de tiempo de 50 ppm/√kHr.
Entonces la incertidumbre total superará las 4300 ppm cuando se construya el circuito.
En las primeras 1000 horas después de que se activa el circuito, esta incertidumbre aumenta en 50 ppm. La precisión inicial se puede calibrar para reducir el error a 3300 ppm + 50 ppm, ¿verdad? Raíz cuadrada de t durante 1000 horas.
● ¿Cuál es el rango de potencia real? ¿Cuál es el voltaje de suministro máximo esperado? ¿Existen condiciones de falla que el CI de fuente de voltaje de referencia deba soportar, como cortes de energía de la batería o picos de potencia de inducción de conexión en caliente? Esto puede reducir significativamente la cantidad de fuentes de referencia disponibles.
● ¿Cuál es el consumo de energía potencial de la fuente de voltaje de referencia? Las fuentes de voltaje de referencia tienden a clasificarse en varias categorías:
Mayor que 1 ma, ~500 moles de A, <300 moles de A, <50 moles de A, <10 moles de A, <1 moles de A.
● ¿Qué tan grande es la corriente de carga? ¿La carga consume grandes cantidades de corriente o genera la corriente que la fuente de referencia debe absorber? Muchas fuentes de voltaje de referencia solo pueden proporcionar una pequeña cantidad de corriente a la carga, y pocas pueden absorber una gran cantidad de corriente. La especificación de la tasa de ajuste de carga puede ilustrar eficazmente este problema.
● ¿Cuánto espacio de instalación hay? La fuente de voltaje de referencia viene en una variedad de paquetes, que incluyen cajas de tapa de metal, sellos de plástico (DIP, SOIC, SOT) y paquetes muy pequeños, como productos con DFN de 2 mm x 2 mm. En general, se acepta que el error debido a la tensión mecánica de una fuente de voltaje de referencia en un paquete más grande es menor que el de una fuente de voltaje de referencia en un paquete más pequeño. Si bien hay algunas fuentes de voltaje de referencia que funcionan mejor con paquetes más grandes, existe evidencia de que las diferencias de rendimiento no están directamente relacionadas con el tamaño del paquete. Lo más probable es que, debido a que los productos en paquetes más pequeños usan chips más pequeños, se deba hacer algún tipo de compensación de rendimiento para ajustar el circuito en el chip. A menudo, el método de instalación del paquete tiene un mayor impacto en el rendimiento que el paquete real, y prestar mucha atención al método de instalación y la ubicación maximiza el rendimiento. Además, cuando se dobla una PCB, un dispositivo con una huella más pequeña puede tener menos estrés que uno con una huella más grande.
