밴드갭 전압 기준

Bandgap voltage reference

밴드갭 전압기준은 집적회로에 널리 사용되는 온도비의존 전압기준회로이다.전원장치 변화, 온도 변화 또는 디바이스로부터의 회로 부하에 관계없이 일정한 전압을 생성합니다.일반적으로 출력 전압은 약 1.25V입니다(0K에서 이론적으로 1.22eV(0.195 aJ) 대역 간격에 가깝습니다).이 회로 개념은 [1]1964년 David Hilbiber에 의해 처음 발표되었습니다.Bob [2]Widlar, Paul Brokaw[3], 그리고[4] 다른 사람들은 상업적으로 성공한 다른 버전들을 뒤따랐다.

작동

Brokaw 밴드갭 참조 회로
T1과 T2의 특성 및 균형점

서로 다른 전류 밀도로 작동하는 두 p-n 접합부(예: 다이오드) 사이의 전압 차이는 저항기의 절대 온도(PTAT)에 비례하는 전류를 생성하는 데 사용됩니다.이 전류는 두 번째 저항에서 전압을 생성하는 데 사용됩니다.다음으로 이 전압은 접점 중 하나의 전압(또는 일부 구현에서는 세 번째 전압)에 가산됩니다.정전류에서 작동하는 다이오드의 전압은 약 -2mV/K의 온도 계수로 절대 온도(CTAT)를 보완합니다.첫 번째 저항과 두 번째 저항의 비율을 올바르게 선택하면 다이오드와 PTAT 전류의 온도 의존성의 첫 번째 효과가 상쇄됩니다.그 결과 발생하는 전압은 특정 기술 및 회로 설계에 따라 약 1.2~1.3V이며, 0K에서 실리콘의 이론적인 1.22eV 밴드갭에 가깝습니다.일반적인 집적회로의 동작온도에 대한 나머지 전압변화는 약 몇 밀리볼트입니다.선형(1차) 효과가 취소되도록 선택되었기 때문에 이 온도 종속성은 전형적인 포물선 잔차 동작을 가집니다.

출력전압은 일반적인 밴드갭 기준회로의 경우 정의상 약 1.25V로 고정되어 있기 때문에 최소동작전압은 약 1.4V이며 CMOS회로의 경우 전계효과 트랜지스터(FET)의 드레인소스전압을 적어도 1개 추가해야 합니다.따라서 최근 연구는 대체 솔루션을 찾는 데 초점을 맞추고 있습니다. 예를 들어 전압 대신 전류를 합산하여 작동 [4]전압의 이론적 한계를 낮춥니다.

머리글자의 첫 글자 CAT는 종종 상호 보완이 아닌 상수를 나타내는 것으로 잘못 이해된다.이 혼동을 해결하기 위해 온도와 일정(CWT)이라는 용어가 존재하지만 널리 사용되고 있지는 않습니다.

PTAT 및 CTAT 전류를 합산할 때 전류의 선형 조건만 보상되며, 고차 조건은 100°C의 온도 범위에서 밴드갭 기준의 온도 드리프트(TD)를 약 20ppm/°C로 제한합니다.이러한 이유로 2001년 Malcovati는 고차 비선형성을 보상할 수 있는 회로 토폴로지를 설계하여 개선된 TD를 실현했습니다.이 설계에서는 1980년에 [6]Tsividis가 수행한 Banba 토폴로지의 개량 버전과 베이스 이미터 온도 효과 분석을 사용했습니다.2012년 Andreou는[7][8] 두 전류가 합산되는 지점에 추가 저항 레그와 함께 두 번째 연산 앰프를 사용하여 고차 비선형 보상을 더욱 개선했습니다.이 방법은 곡률 보정을 더욱 강화하여 보다 넓은 온도 범위에서 우수한 TD 성능을 달성하였습니다.또한 라인 조절을 개선하고 노이즈를 낮춥니다.

밴드갭 레퍼런스 설계의 또 다른 중요한 문제는 전력 효율과 회로의 크기입니다.밴드갭 참조는 일반적으로 BJT 소자와 저항을 기반으로 하기 때문에 총 회로 크기가 크고 IC 설계에 비용이 많이 들 수 있습니다.게다가 이 타입의 회로는, 목적의 노이즈와 정밀 [9]사양에 도달하기 위해서 대량의 전력을 소비하는 경우가 있습니다.

이러한 제한에도 불구하고 밴드갭 전압 기준은 전압 조절기에서 널리 사용되며 LM317, LM337 및 TL431 디바이스와 함께 78xx, 79xx 디바이스의 대부분을 커버합니다.밴드갭 [a]기준을 사용하여 1.5–2.0ppm/°C의 온도 계수를 얻을 수 있습니다.그러나 전압 대 온도의 포물선 특성은 ppm/°C의 단일 수치가 회로의 동작을 적절하게 나타내지 못한다는 것을 의미합니다.제조업체의 데이터 시트에 따르면 전압 곡선의 피크(또는 트로프)가 발생하는 온도는 생산 시 일반적인 샘플 변동에 따릅니다.밴드갭은 저전력 [b]애플리케이션에도 적합합니다.

특허

메모들

  1. ^ 예를 들어 선형 테크놀로지의 LT6657과 아날로그 디바이스의 ADR4550이 있습니다.
  2. ^ 예를 들어 Maximum Integrated MAX6009 션트 전압 기준의 1μA 음극 전류입니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Hilbiber, D.F. (1964). "A new semiconductor voltage standard". 1964 IEEE International Solid-State Circuits Conference. Digest of Technical Papers. 1964 International Solid-State Circuits Conference: Digest of Technical Papers. Vol. 2. pp. 32–33. doi:10.1109/ISSCC.1964.1157541.
  2. ^ Widlar, Robert J. (February 1971), "New Developments in IC Voltage Regulators", IEEE Journal of Solid-State Circuits, 6 (1): 2–7, Bibcode:1971IJSSC...6....2W, doi:10.1109/JSSC.1971.1050151, S2CID 14461709
  3. ^ Brokaw, Paul (December 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
  4. ^ a b c Banba, H.; Shiga, H.; Umezawa, A.; Miyaba, T.; Tanzawa, T.; Atsumi, S.; Sakui, K. (May 1999), "A CMOS bandgap reference circuit with sub-1-V operation", IEEE Journal of Solid-State Circuits, 34 (5): 670–674, Bibcode:1999IJSSC..34..670B, doi:10.1109/4.760378, S2CID 10495180
  5. ^ Malcovati, P.; Maloberti, F.; Fiocchi, C.; Pruzzi, M. (2001). "Curvature-compensated BiCMOS bandgap with 1-V supply voltage". IEEE Journal of Solid-State Circuits. 36 (7): 1076–1081. Bibcode:2001IJSSC..36.1076M. doi:10.1109/4.933463. S2CID 7504312.
  6. ^ Y. P. Tsividis, "밴드갭 기준 선원에 적용함으로써 Ic-Vbe 특성에서의 온도 영향의 정확한 분석", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 15, no. 6, 페이지 1076 – 1084, 1980년 12월.
  7. ^ Andreou, Charalambos M.; Koudounas, Savvas; Georgiou, Julius (2012). "A Novel Wide-Temperature-Range, 3.9 PPM/$^{\circ}$C CMOS Bandgap Reference Circuit". IEEE Journal of Solid-State Circuits. 47 (2): 574–581. doi:10.1109/JSSC.2011.2173267. S2CID 34901947.
  8. ^ Koudounas, Savvas; Andreou, Charalambos M.; Georgiou, Julius (2010). "A novel CMOS Bandgap reference circuit with improved high-order temperature compensation". Proceedings of 2010 IEEE International Symposium on Circuits and Systems. pp. 4073–4076. doi:10.1109/ISCAS.2010.5537621. ISBN 978-1-4244-5308-5. S2CID 30644500.
  9. ^ Tajalli, A.; Atarodi, M.; Khodaverdi, A.; Sahandi Esfanjani, F. (2004). "Design and optimization of a high PSRR CMOS bandgap voltage reference". 2004 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (IEEE Cat. No.04CH37512). pp. I-45–I-48. doi:10.1109/ISCAS.2004.1328127. ISBN 0-7803-8251-X. S2CID 9650641.
  10. ^ 미국 특허 3271660 - 참조 전압원, David F Hilbiber, 미국 특허상표청, 1966년 9월 6일.
  11. ^ 미국 특허 3617859 - 제로 온도계수 전압기준회로를 포함한 전기조절기, 로버트 C 돕킨 및 로버트 J 위들러, 미국 특허상표청, 1971년 11월 2일.
  12. ^ 미국 특허 4249122 - 온도 보상 대역간 IC 전압 기준; Robert J Widlar, 미국 특허 상표국; 1981년 2월 3일.
  13. ^ 미국 특허 4447784 - 온도 보상 밴드갭 전압 참조 회로; 로버트 C 돕킨, 미국 특허 상표국; 1984년 5월 8일.

외부 링크