電源設計における容量性アプリケーション

2020-01-03 16:44:07

基準電圧源回路

基準電圧源 IC を設計する方法は多数あり、それぞれに長所と短所があります。
ツェナーダイオードに基づく基準電圧源

深く埋め込まれたツェナー基準電圧源は、比較的シンプルな設計です。ツェナー (またはアバランシェ) ダイオードは、予測可能な逆電圧を持ち、温度安定性と時間安定性に優れています。これらのダイオードは、通常、狭い温度範囲に保たれている場合、ノイズが非常に低く、時間安定性が非常に優れているため、基準電圧の変化が小さいアプリケーションに適しています。
他のタイプの基準電圧源回路と比較すると、この安定性は部品数が少なくチップ面積が小さいことと、ツェナー部品の構造が非常に繊細であることに起因します。ただし、初期電圧と温度ドリフトに比較的大きな変動が見られるのが一般的です。これらの欠陥を補正するために回路を追加したり、一連の出力電圧を提供したりできます。シャント基準電圧源と直列基準電圧源の両方でツェナーダイオードが使用されます。

バンドギャップ基準電圧源
ツェナー ダイオードは高性能の基準電圧源を生成するために使用できますが、柔軟性に欠けます。具体的には、7V を超える電源電圧が必要で、出力電圧が比較的低くなります。対照的に、バンドギャップ基準電圧源は、非常に小さな電力マージン (通常 100mV 未満) でさまざまな出力電圧を生成できます。バンドギャップ基準電圧源は、時間のかかる稼働中の校正を必要とせずに、非常に正確な初期出力電圧と非常に低い温度ドリフトを提供するように設計できます。

バンドギャップ動作は、バイポーラ接合トランジスタの基本特性に基づいています。図 1 は、基本的なバンドギャップ基準電圧源を示しています。不一致のバイポーラ接合トランジスタのペアの VBE には、温度に比例した差があることがわかります。この差を利用して、温度とともに直線的に増加する電流を生成できます。この電流が抵抗器とトランジスタを介して駆動されると、抵抗器が適切なサイズであれば、トランジスタのベース エミッタ電圧の温度変化によって抵抗器の両端の電圧変化が打ち消されます。このオフセットは完全に直線的ではありませんが、追加の回路によって補正して温度ドリフトを非常に低くすることができます。

 

図1: 設計されたバンドギャップ回路は理論的にゼロの温度係数を提供する

基本的なバンドギャップ基準電圧源の背後にある数学は興味深いもので、既知の温度係数と固有の抵抗率を組み合わせて、理論的な温度ドリフトがゼロの基準電圧を生成します。図 1 は、Q10 のエミッタ面積が Q10 の 11 倍になるように調整された 12 つのトランジスタを示していますが、Q13 と QXNUMX のコレクタ電流は同じままです。これにより、XNUMX つのトランジスタ ベース間に既知の電圧が生成されます。

ここで、k は J/k 単位のボルツマン定数 (1.38×10-23)、T はケルビン温度 (273+T(°C))、Q はクーロン単位の電子電荷 (1.6x10-19) です。25°C では、kT/q の値は 25.7mV で、正の温度係数は 86 °V/°C です。? VBE は、この電圧に ln(10) または 2.3 を乗じたものです。25°C では、電圧は約 60mV で、温度係数は 0.2mV/°C です。

この電圧をベース間に接続された 50k 抵抗に印加すると、温度に比例した電流が発生します。電流オフセット ダイオード Q14 の電圧は 575mV で、温度係数は 2.2°C で -25mV/°C です。抵抗は、Q14 ダイオード電圧に正の温度係数を印加して電圧降下を発生させるために使用され、その結果、基準電圧電位は約 1.235V になり、理論的な温度係数は 0mV/°C になります。これらの圧力降下は、図 1 に示されています。回路のバランスによって、オフセット電流と出力ドライブが提供されます。
フラクショナルバンドギャップ基準電圧源
基準電圧源はバイポーラ トランジスタの温度特性に基づいていますが、出力電圧は数 mV まで低くすることができます。これは超低電圧回路、特にしきい値が従来のバンドギャップ電圧 (約 1.2 V) よりも低くなければならないコンパレータ アプリケーションに適しています。

 

図 2 は、通常のバンドギャップ基準電圧源に似た LM10 のコア回路を示しています。ここでは、温度に比例するコンポーネントと反比例するコンポーネントを組み合わせて、一定の 200mV 基準電圧を得ています。フラクショナル バンドギャップ基準電圧源が一般的に使用されています。VBE は温度に比例する電流を生成し、VBE を使用すると温度に反比例する電流が生成されます。この XNUMX つを抵抗素子で適切な割合で組み合わせて、温度によって変化しない電圧を生成します。抵抗のサイズを変更して、温度特性に影響を与えずに基準電圧を変更できます。フラクショナル バンドギャップ回路は電流を組み合わせるのに対し、従来の回路は電圧 (通常はエミッタ、ベース電圧、および I? R) を組み合わせる傾向があるという点で、従来のバンドギャップ回路とは異なります。

 

図2:0mV基準電圧源回路

LM10 回路などのフラクショナル バンドギャップ リファレンス電圧源も、場合によっては減算的です。一部のデバイスには、マイクロパワー、低電圧 400mV リファレンスとアンプの直列リファレンスがあります。したがって、アンプのゲインを変更し、バッファ出力を提供することで、リファレンス電圧を変更できます。この単純な回路を使用すると、電源電圧 0.4V 未満から数ミリボルトまでの任意の出力電圧を生成できます。

 

図3: 400mVという低い閾値との比較をサポート

一部のデバイスでは、400mV 基準電圧源とコンパレータが組み合わされています。これはより統合されたソリューションであり、電圧モニタまたはウィンドウ コンパレータとして使用できます。400mV 基準電圧源は小さな入力信号を監視できるため、監視回路の複雑さが軽減されます (図 3)。また、非常に低い電源電圧で動作する回路コンポーネントを監視することもできます。しきい値が大きい場合は、単純な抵抗分割器を追加できます (図 4)。これらの製品は小型パッケージ (SOT23) で、消費電力が非常に少なく (10xa 未満)、広い電源範囲 (1.4v ～ 18V) をサポートします。

 

図4: 入力電圧部分電圧によってより高い閾値が設定される

基準電圧源を選択する
これらすべてのオプションを念頭に置いて、アプリケーションに適した電圧リファレンス ソースを選択するにはどうすればよいでしょうか。オプションを絞り込むためのヒントをいくつか紹介します。

● 電源電圧が非常に高い場合は、シャント基準電圧源を選択してください。
● 供給電圧または負荷電流は大きく変化しますか? 直列基準電圧源を選択してください。
● 高い効率比が必要ですか? 直列基準電圧源を選択してください。
● 実際の温度範囲を決定します。温度範囲は 0°C ～ 70°C、-40°C ～ 85°C、-40°C ～ 125°C です。
● 精度要件は現実的でなければなりません。アプリケーションに必要な精度を理解することが重要です。これは主要な仕様を決定するのに役立ちます。この要件については、温度ドリフトに指定された温度範囲を掛け、
全体的な精度は、工場で校正される項目、または定期的に再校正される項目を、予想される製品寿命中の初期精度誤差、熱ヒステリシス、および長期ドリフトから差し引くことによって得られます。最も要求の厳しいアプリケーションでは、ノイズ、電圧調整、および負荷調整の誤差も追加されることがあります。例:

基準電圧源の初期精度誤差は 0.1% (1000ppm)、温度ドリフトは -25°C ～ 40°C で 85ppm/°C、熱遅延は 200ppm、ピークツーピーク ノイズは 2ppm、時間ドリフトは 50ppm/√kHr です。
すると、回路が構築されると、合計不確実性は 4300ppm を超えることになります。
回路に電力が供給されてから最初の 1000 時間で、この不確実性は 50ppm 増加します。初期精度を校正して、誤差を 3300ppm+50ppm に減らすことができますか? 1000 時間を超える t の平方根です。

● 実際の電力範囲はどのくらいですか? 予想される最大供給電圧はどのくらいですか? バッテリ電源の切断やホットプラグ誘導による電力スパイクなど、基準電圧源 IC が耐えなければならない障害状態はありますか? これにより、利用可能な基準源の数が大幅に減少する可能性があります。
● 基準電圧源の潜在的な電力消費量はどれくらいですか? 基準電圧源はいくつかのカテゴリに分類される傾向があります。
1 ma より大きい、A が約 500 モル、A が <300 モル、A が <50 モル、A が <10 モル、A が <1 モル。
● 負荷電流はどのくらいですか? 負荷は大量の電流を消費しますか、それとも基準電圧源が吸収しなければならない電流を生成しますか? 多くの基準電圧源は負荷に少量の電流しか供給できず、大量の電流を吸収できるものはほとんどありません。負荷調整率の仕様は、この問題を効果的に示します。

● 設置スペースはどれくらいありますか？基準電圧源には、金属キャップケース、プラスチックシール（DIP、SOIC、SOT）、2mmx2mm DFNなどの非常に小さなパッケージなど、さまざまなパッケージがあります。一般的に、大きなパッケージの基準電圧源の機械的ストレスによる誤差は、小さなパッケージの基準電圧源の誤差よりも少ないとされています。大きなパッケージでより優れたパフォーマンスを発揮する基準電圧源もありますが、パフォーマンスの違いはパッケージサイズに直接関係していないという証拠があります。より可能性が高いのは、小さなパッケージの製品ではより小さなチップが使用されるため、チップ上の回路に適合させるために何らかのパフォーマンスのトレードオフを行う必要があるということです。多くの場合、パッケージの取り付け方法は実際のパッケージよりもパフォーマンスに大きな影響を与え、取り付け方法と場所に細心の注意を払うことでパフォーマンスを最大限に高めることができます。さらに、PCBが曲がった場合、フットプリントの小さいデバイスはフットプリントの大きいデバイスよりもストレスが少ない場合があります。