ซีเนอร์ไดโอดเป็นแหล่งจ่ายแรงดันอ้างอิงที่แม่นยำ แรงดันอ้างอิง ความแม่นยำ แรงดันอ้างอิง คำอธิบาย
สวัสดีทุกคน!
การทบทวนในวันนี้จะมุ่งเน้นไปที่แหล่งอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าที่มีความแม่นยำสูง AD584 ซึ่งเป็นโมดูล 4 ช่องที่สร้างแรงดันไฟฟ้า 2.5V, 7.5V, 5V และ 10V วัตถุประสงค์หลักของอุปกรณ์นี้คือเพื่อทดสอบมัลติมิเตอร์เพื่อความแม่นยำ อย่างที่คุณอาจเดาได้ว่ามันถูกใช้เพื่อตรวจสอบความแม่นยำของโวลต์มิเตอร์ โหมดการทำงานอื่น ๆ ของมัลติมิเตอร์นั้นไม่ได้เชื่อมต่อกับมันเลย
มันบังเอิญว่ามัลติมิเตอร์หลักที่ใช้บ่อยในบ้านของฉันคือ HYLEC MS8232 โดยหลักการแล้วมันเหมาะกับฉันทุกอย่างและเหมาะกับทุกความต้องการของครัวเรือนโดยสิ้นเชิง สิ่งเดียวคือกระแสสูงสุดที่สามารถวัดได้ในโหมดแอมมิเตอร์คือ 200 mA ซึ่งน้อยมาก ดังนั้น เพื่อวัดกระแสที่สูงขึ้น ฉันจึงมี A830L ซึ่งมีราคาถูกกว่าครึ่งหนึ่งด้วย แต่อันไหนแม่นยำกว่ากัน? เพื่อตอบคำถามนี้ บอร์ดนี้จะมีประโยชน์ นอกจากนี้ใครๆ ก็สามารถตรวจสอบมัลติมิเตอร์เพื่อความถูกต้องของข้อมูลที่แสดงได้ด้วยความช่วยเหลือ อย่างน้อยก็ในโหมดโวลต์มิเตอร์
ดังนั้นผู้ขายบน eBay จึงถูกเลือกโดยการสุ่มอย่างสมบูรณ์ ในขณะที่ซื้อ บอร์ดมีราคา 5.05 ดอลลาร์ ขณะนี้ราคาเพิ่มขึ้นเล็กน้อยและราคา 5.42 ดอลลาร์ ฉันคิดว่าคุณสามารถหาตัวเลือกงบประมาณเพิ่มเติมได้แม้ว่าจะไม่แพงก็ตาม หลังจากการติดต่อกับผู้ขาย ก็บรรลุข้อตกลงว่าพัสดุจะถูกส่งพร้อมแทร็ก (ฉันต้องจ่ายเพิ่มอีก 2 ดอลลาร์) หากใครสนใจอยากรู้ว่าพัสดุเดินทางจากจีนไปเบลารุสอย่างไรก็สามารถหาข้อมูลทั้งหมดได้
บอร์ดนี้บรรจุในบรรจุภัณฑ์ที่ปิดผนึกทุกด้าน 
ในชีวิตจริง “อุปกรณ์ควบคุม” ของเราไม่ได้แตกต่างไปจากที่เห็นบนหน้าผู้ขายมากนัก และในชีวิตจริงจะมีลักษณะดังนี้: 
ที่นี่เราเห็นขั้วต่อสองตัวสำหรับเชื่อมต่อพลังงาน: อันหนึ่งสำหรับแบตเตอรี่และอันที่สองสำหรับแหล่งจ่ายไฟปกติ มีสวิตช์เปิด/ปิดสีแดงซึ่งมีจุดประสงค์ชัดเจน ทางด้านซ้ายของสวิตช์จะมีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตสี่ตัว แต่ละคนมีลายเซ็น ดังนั้นการทำอะไรก็ไม่ใช่เรื่องยาก การสลับแรงดันไฟฟ้าทำได้โดยการจัดเรียงจัมเปอร์ใหม่ :) สวัสดีจากยุค 90 
แต่ฉันจำช่วงเวลาที่ต้องเชื่อมต่อฮาร์ดไดรฟ์ในโหมดเดียวหรือโหมดอื่นคุณต้องดำเนินการจัดการที่คล้ายกันมาก :) มีรุ่นที่มีตัวเลือกการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าขั้นสูงกว่า แต่เนื่องจากฉันไม่ได้วางแผนที่จะใช้บอร์ด ทุกวัน ตัวเลือกนี้จะได้ผลสำหรับฉัน ที่ด้านล่างสุดของบอร์ดจะมีแผ่นสัมผัสสำหรับเชื่อมต่อมัลติมิเตอร์ มี 2 อันนั่นคือ 2 บวกและ 2 ลบ นอกเหนือจากการลงนามแล้ว พวกเขายังถูกทำเครื่องหมายด้วยสีอีกด้วย - เป็นการยากมากที่จะสร้างความสับสน แม้ว่าสิ่งนี้จะเกิดขึ้น แต่ก็ไม่มีอะไรเลวร้ายเกิดขึ้น สะดวกในการใช้หน้าสัมผัสภายในสำหรับโพรบ และหน้าสัมผัสภายนอกสำหรับจระเข้หรือสายเชื่อมต่อ
นอกจากตัวบอร์ดแล้ว ในตอนแรกบรรจุภัณฑ์ยังประกอบด้วยกระดาษแผ่นเล็กๆ ที่มีค่าควบคุม น่าเสียดายที่มันไม่ได้ทำให้เป็นเฟรมเดียว: (ไม่มีอะไรน่าสนใจเป็นพิเศษเกี่ยวกับมัน - อัปเดตข้อมูลเกี่ยวกับค่าแรงดันไฟฟ้าแล้ว ไม่มีอะไรเพิ่มเติม หน้าตาประมาณนี้ (ภาพที่ถ่ายจากอินเทอร์เน็ต): 
หัวใจของการออกแบบทั้งหมดนี้คือโมดูลแรงดันไฟฟ้าความแม่นยำแปดพิน AD584LH 
บอร์ดที่มีการจัดเรียงองค์ประกอบด้านเดียว อีกด้านหนึ่งจึงไม่มีอะไรน่าสนใจ 
ขนาดของบอร์ดคือ 56x56 มม. บางทีนี่อาจเป็นสิ่งสุดท้ายที่สามารถพูดได้เกี่ยวกับรูปลักษณ์และโครงสร้างของมัน ดังนั้นคุณสามารถตรวจสอบประสิทธิภาพของมันได้ แต่ฉันคิดว่าการทำความคุ้นเคยกับคุณสมบัติและคุณลักษณะของมันก่อนจะมีประโยชน์:
1. การใช้แบตเตอรี่ 15V เป็นแหล่งพลังงานจะให้ข้อมูลที่แม่นยำที่สุด
2. บอร์ดมีเทอร์มินัลที่ตั้งโปรแกรมได้สี่เทอร์มินัลซึ่งแต่ละเทอร์มินัลสอดคล้องกับแรงดันเอาต์พุต การสลับทำได้โดยการลัดวงจรแผงขั้วต่อที่เกี่ยวข้อง เนื่องจาก AD584 เป็นแบบแปดพิน การลัดวงจรของแต่ละพินจึงส่งผลต่อแรงดันเอาต์พุต เพื่อลดความต้านทานของวงจร พินทั้งสองจึงเชื่อมต่อแบบขนาน
3. ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ: 5 ppm/°C (สูงสุด, 0°C ถึง 70°C, AD584L) 15 ppm/°C (สูงสุด, -55°C ถึง +125°C, AD584T);
4. การใช้พลังงาน: กระแสคงที่: 1mA (สูงสุด), กระแสไฟนิ่งต่ำเหมาะสำหรับแบตเตอรี่;
5. แรงดันไฟฟ้า: 4.5V ถึง 30V โปรดทราบว่าแรงดันไฟฟ้าควรสูงกว่าแรงดันเอาต์พุตที่ตั้งโปรแกรมไว้
6. ช่วงอุณหภูมิ: AD584J/K/L 0°C ถึง +70°C, AD584S/T -55°C ถึง +125°C. 7. แหล่งจ่ายไฟภายนอก - แรงดันไฟฟ้าต้องมากกว่า 11V;
8. อินเทอร์เฟซเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าอ้างอิงสองชนิดเหมาะสำหรับทั้งการทดสอบมัลติมิเตอร์และการสอบเทียบเครื่องมืออื่น ๆ
9. บอร์ดแต่ละตัวได้รับการทดสอบที่โรงงานโดยใช้มัลติมิเตอร์ 6 หลัก
บางอย่างเช่นนี้ เอาล่ะมาเริ่มกันเลย การทดสอบจะเกี่ยวข้องกับตัวบอร์ด วงจรเรียงกระแสเป็นแหล่งพลังงาน และมัลติมิเตอร์สองตัว (HYLEC MS8232 และ A830L) เป็นตัวทดสอบ 
เราเชื่อมต่อพลังงานเข้ากับหน้าสัมผัสของแผ่นแบตเตอรี่สลับ "สวิตช์" ไปที่ตำแหน่ง ON และดูว่าไดโอดสีแดงบนบอร์ดสว่างขึ้นเพื่อแจ้งให้เราทราบว่าสามารถใช้งานได้ 
แหล่งจ่ายไฟสำหรับหน้าสัมผัสของช่องใส่แบตเตอรี่คือ 12.96V ซึ่งมากเกินพอที่จะทดสอบบอร์ดในทุกโหมด 
เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าบนบอร์ดถูกตั้งค่าอย่างเงียบ ๆ ไว้ที่ 10 V นั่นคือจุดที่เราจะเริ่มต้น HYLEC MS8232 ตัวแรก: 
การเชื่อมต่อ A830L: 
ความแตกต่างในการอ่านมัลติมิเตอร์คือ 0.04V - ไม่มากนัก แต่เราจะสรุปข้อมูลที่ได้รับในภายหลังเล็กน้อย
เปลี่ยนจัมเปอร์เป็น 7.5V ไฮเลค MS8232: 
A830L: 
ถัดไปในบรรทัดคือ 5V ไฮเลค MS8232: 
A830L: 
และโหมดทดสอบสุดท้ายคือ 2.5V ไฮเลค MS8232: 
A830L: 
ดังนั้นจะเห็นได้ว่ายิ่งแรงดันไฟฟ้าสูง ข้อมูลที่ได้จากมัลติมิเตอร์ก็จะยิ่งแตกต่างกันมากขึ้น: ที่ 2.5V - 0.01V, ที่ 5V - 0.02V, ที่ 7.5V - 0.02V และที่ 10V - 0.04V นอกจากนี้ ข้อมูล HYLEC MS8232 ยังมีความเสถียรและตรงกับข้อมูลที่มีอยู่ในกระดาษที่ให้มาอย่างสมบูรณ์แบบ แต่สำหรับ A830L ไม่ใช่ทุกอย่างที่จะดีนัก - ยิ่งแรงดันไฟฟ้าสูงเท่าไรก็ยิ่งเคลื่อนห่างจากการอ่านที่แท้จริงมากขึ้นเท่านั้น และถ้าที่ 10V ความแตกต่างไม่มากนักที่ 200-220V ก็จะเห็นได้ชัดเจนทีเดียว
เพื่อสรุปทุกสิ่งที่เขียนไว้ที่นี่ ฉันสามารถพูดได้ว่าแหล่งอ้างอิงแรงดันไฟฟ้า AD584 ของเรารับมือกับงานที่ได้รับมอบหมายได้ดี ตอนนี้ฉันรู้แล้วว่ามัลติมิเตอร์ตัวไหนโกหกและฉันก็รู้ความก้าวหน้าของการเบี่ยงเบนโดยประมาณด้วย นอกจากการทดสอบมัลติมิเตอร์แล้ว AD584 ยังใช้สำหรับการทดสอบเครื่องทดสอบ USB (และอื่นๆ) หากคุณใช้สายเคเบิลที่เหมาะสมและเชื่อมต่อกับแผ่นเอาต์พุต สิ่งสำคัญคืออย่าลืมว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าต้องสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าขาออก ดังนั้นบอร์ดนี้จึงมีประโยชน์ในครัวเรือนสำหรับผู้ที่ต้องการมั่นใจในความแม่นยำของอุปกรณ์ที่ตนมีซึ่งสามารถแสดงระดับแรงดันไฟฟ้าในเครือข่ายได้
นั่นอาจเป็นทั้งหมด ขอบคุณสำหรับความสนใจและเวลาของคุณ
สำหรับการทำงานปกติของ MC ADC จำเป็นต้องใช้แหล่งจ่ายแรงดันอ้างอิง (VS) หากคุณใช้ไอออนภายใน ปัญหาอาจเกิดขึ้นกับความเสถียรของอุณหภูมิต่ำและความแปรผันทางเทคโนโลยีอย่างมากในแรงดันไฟฟ้าที่ระบุ สำหรับการวัดที่แม่นยำ (รวมถึงแรงดันไฟฟ้าอ้างอิงที่ไม่ได้มาตรฐาน) แนะนำให้เชื่อมต่อ ION ภายนอกกับพิน KREF ของ MK อาจประกอบด้วยองค์ประกอบที่ไม่ต่อเนื่อง (รูปที่ 4.7, a... i) หรือวงจรรวม (รูปที่ 4.8, a... j)
ข้าว. 4.7. แผนภาพการเชื่อมต่อสำหรับไอออนภายนอกบนองค์ประกอบที่ไม่ต่อเนื่อง (เริ่มต้น):
ก) MK(1) ใช้ไอออนภายในสำหรับการวัด แรงดันไฟขาออก KRRF คือ ION ภายนอกสัมพันธ์กับ MK(2) ข้อได้เปรียบ: การซิงโครไนซ์การวัด
b) VD1 เป็นซีเนอร์ไดโอดที่มีความแม่นยำ “การอ้างอิงแรงดันสับเปลี่ยน” (อุปกรณ์อะนาล็อก) ที่มีความแม่นยำในการรักษาแรงดันเอาต์พุตไว้ที่ ±0.1% ตัวกรอง R2, C1 ลดการรบกวน RF เมื่อเปลี่ยนไปใช้แหล่งจ่ายไฟที่เพิ่มขึ้น +5 V จำเป็นต้องเปลี่ยนตัวต้านทาน R1 (2.94 kOhm) หากต้องการลดการสิ้นเปลืองกระแสไฟ คุณสามารถเพิ่มความต้านทานของตัวต้านทาน R1 เป็น 34.8...41.2 kOhm;
c) VD1 เป็นซีเนอร์ไดโอดช่วงกว้าง "การอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าที่ปรับได้" จาก National Semiconductor ตัวต้านทาน RI ตั้งค่ากระแสผ่าน VDI ให้อยู่ในช่วง 0.01...20 mA หากเราติดตั้ง LM4040-4.1 แทน LM385-2.5 และเพิ่มตัวต้านทานเป็น 10 kOhm KREF จะเท่ากับ +4.096 V;
d) ION แบบปรับได้พร้อมการปรับแรงดันไฟฟ้าที่ราบรื่นโดยใช้ตัวต้านทานหลายรอบ R3
e) VD1 เป็นซีเนอร์ไดโอดสามเอาต์พุต “ตัวควบคุมการแบ่งแบบตั้งโปรแกรมได้” (ซีรีส์ “431”) การเชื่อมต่อแบบสองขั้วของ VD1 จะกำหนดแรงดันอ้างอิงที่ +2.5 V (หรือ +1.25 V ในซีรีย์ "1431")
e) แรงดันอ้างอิง +4.9 V มาจากสายเอาท์พุตของ MK การรวมนี้มีประโยชน์สำหรับการทดสอบ (ระดับต่ำ/สูง) และเพื่อความสะดวกของโครงร่าง PCB
ข้าว. 4.7. แผนภาพการเชื่อมต่อสำหรับไอออนภายนอกบนองค์ประกอบที่ไม่ต่อเนื่อง (สิ้นสุด):
g) ไอออนแบบปรับได้โดยใช้ซีเนอร์ไดโอด VD1 สามขั้วของซีรีย์ "431" แรงดันอ้างอิงถูกกำหนดโดยสูตร KREF[B] = 2.5-(1 + R,[kOhm]/R2[kOhm]);
h) แรงดันไฟฟ้า KREF อยู่ใกล้กับแรงดันไฟฟ้า คุณสมบัติต่างๆ ได้แก่ การกรองสัญญาณรบกวนสองขั้นตอนโดยใช้องค์ประกอบ L1, C1 และ RI, C2, SZ;
i) แรงดันอ้างอิงถูกจ่ายให้กับอินพุต VREF ซึ่งมากกว่าแรงดันไฟฟ้าของ Uss MK เล็กน้อย ซึ่งให้ช่วงไดนามิกที่กว้างของการวัด แต่ต้องระวังว่าความแตกต่างระหว่าง KERi Vss จะต้องไม่เกิน 0.2 V หากคุณติดตั้งซีเนอร์ไดโอด VDI LM4040DIZ-5.0 แรงดันอ้างอิงจะลดลงเป็น +5.0 V และการติดตั้ง ความแม่นยำจะดีขึ้นจาก 5 เป็น 1%
ข้าว. 4.8. แผนภาพการเชื่อมต่อสำหรับไอออนภายนอกบนวงจรขนาดเล็ก (เริ่มต้น):
ก) การใช้ตัวปรับแรงดันไฟฟ้าแรงดันต่ำ DA1 เป็นไอออน
b) ความแม่นยําของการตั้งค่าแรงดันอ้างอิงคือ 2.4% (5.00 V ± 120 mV) โคลงทดแทน DAI - 78L05. ตัวเก็บประจุ C1 และ C2 ต้องตั้งอยู่ใกล้กับขั้ว DA /
c) ความแม่นยำของการตั้งค่าแรงดันอ้างอิง DA 1 คือ 0.05% (5.00 V ± 2.5 mV) ความเสถียรของอุณหภูมิคือ 5 ppm/°C (25 µV ต่อองศา)
d) โคลงสองขั้นตอน (VDI, DAI) ความแม่นยำของการตั้งค่าแรงดันอ้างอิง DAI (Intersil) คือ 0.01% (5.00 V ± 0.5 mV) ความคงตัวของอุณหภูมิ 5 ppm/°C;
ข้าว. 4.8. แผนการเชื่อมต่อไอออนภายนอกบนไมโครวงจรกับ MK (สิ้นสุด):
e) ION ที่ปรับได้อย่างต่อเนื่องภายใน 0...+3 V การเปลี่ยนโคลง DA1 ด้วยอันที่คล้ายกัน แต่ด้วยแรงดันเอาต์พุตที่แตกต่างกัน (+2.5...+5 V) จะตั้งค่าขีดจำกัดบนของการควบคุม
e) เพิ่มความเสถียรของไอออนด้วยตัวกำเนิดปัจจุบันบนชิป DA1 กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านซีเนอร์ไดโอด VDI สามขั้ว (1...8 mA) ถูกกำหนดโดยสูตร /[mA] = 1.25 /[kOhm];
g) 0...+5 V ION ที่ควบคุมด้วยซอฟต์แวร์บนชิป DA1 จาก Microchip ในด้านการใช้งาน มันคือตัวต้านทานผันแปรแบบ 6 บิตแบบแยกส่วนที่มีขั้วต่อด้านนอก “A”, “B” และขั้วต่อตรงกลาง “W” ความต้านทานตั้งแต่ 2.1 ถึง 50 kOhm ตัวทวนบัฟเฟอร์คือ op-amp DA2;
h) การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าสองตัวทันที ION ที่มีความแม่นยำสูงบนชิป DA1 (อุปกรณ์อะนาล็อก) สร้างแรงดันไฟฟ้าที่ +2.5 หรือ +3 V ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของจัมเปอร์ SL ตัวกรอง LI, CI ช่วยลดสัญญาณรบกวนของแหล่งจ่ายไฟ
i) พิน KREF ของ MK เชื่อมต่อกับสายไฟซึ่งทำหน้าที่เป็น ION ภายนอก แรงดันไฟฟ้าถูกควบคุมโดยตัวต้านทาน R3 ไม่ได้เลือกค่า +5.12 V โดยบังเอิญ สิ่งนี้ทำเพื่อที่ ADC MK 10 บิตราคาของแผนกหนึ่งจะเท่ากับ 5 mV
j) ไอออนแบบปรับได้พร้อมความสามารถในการรับน้ำหนักเพิ่มขึ้นโดยอิงตามรีพีตเตอร์ DA1 สามารถใช้แรงดันเอาต์พุต +2.5V สำหรับจุดกึ่งกลางของออปแอมป์อื่นๆ ได้
ข่าวอิเล็กทรอนิกส์ 14, 2551
บทความนี้จะตรวจสอบกลุ่มผลิตภัณฑ์อ้างอิงแรงดันไฟฟ้าที่มีความแม่นยำ (VRS) ตระกูลใหม่จากกลุ่มผลิตภัณฑ์ Burr-Brown REF50xx ไอออนเหล่านี้สร้างขึ้นโดยใช้สถาปัตยกรรม bandgap แต่ในแง่ของคุณลักษณะของการแพร่กระจายเริ่มต้น การเคลื่อนตัวของอุณหภูมิ และสัญญาณรบกวน ไอออนเหล่านี้สามารถแข่งขันกับสถาปัตยกรรมอื่นๆ ที่เป็นผู้นำในด้านความแม่นยำได้
การอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าเป็นส่วนสำคัญของอุปกรณ์ดิจิทัลที่มีฟังก์ชันอินพุต/เอาต์พุตแบบอะนาล็อก พารามิเตอร์ของอุปกรณ์นี้ส่งผลโดยตรงต่อระดับประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย ความสามารถของ ION ที่มีอยู่ในไมโครคอนโทรลเลอร์ เมื่อทำงานตลอดช่วงอุณหภูมิการทำงานทั้งหมด จะดีที่สุดเพียงพอที่จะให้ความละเอียด 8 บิต ตัวอย่างเช่น เพื่อให้แน่ใจว่ามีความแม่นยำ 1/2 m.s.r. ADC 10 บิตที่รวมอยู่ในไมโครคอนโทรลเลอร์จำนวนมาก จำเป็นที่ช่วงการเปลี่ยนแปลงของแรงดันเอาต์พุตของ ION จะต้องไม่เกิน 1.22 mV (สำหรับ ION ที่แรงดันไฟฟ้า 2.5 V) ในกรณีของไอออนในตัว ซึ่งไม่สามารถปรับแรงดันไฟขาออกได้ การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟขาออกที่เกิดจากอิทธิพลของการเบี่ยงเบนของอุณหภูมิและการแพร่กระจายเริ่มต้นจะต้องพอดีกับระดับนี้ ดังนั้น ด้วยแนวทางที่สมเหตุสมผลในการเลือกไอออไนเซอร์สำหรับการใช้งานที่มีความละเอียดในการแปลง 10 บิตขึ้นไป จึงมีแนวโน้มว่าจำเป็นต้องใช้ไอออไนเซอร์ภายนอก สิทธิประโยชน์เพิ่มเติมของตัวเลือกนี้ยังรวมถึง:
- ความสามารถในการเลือก ION ที่มีแรงดันเอาท์พุตที่เหมาะสมกับเงื่อนไขการใช้งานที่กำหนด ระดับเสียงรบกวนที่ลดลง ฟังก์ชันการปรับแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตแบบอะนาล็อก ฟังก์ชั่นเสริมอื่นๆ ฯลฯ
- ความสามารถในการทำงานไม่เพียงแต่ร่วมกับ ADC/DAC เท่านั้น แต่ยังรวมถึงวงจรอินเทอร์เฟซแบบอะนาล็อกภายนอกด้วย
- ความสามารถในการรับน้ำหนักที่สูงขึ้น
- ความเป็นไปได้ที่จะแยกได้ดีขึ้นจากอิทธิพลของกระแสที่ใช้โดยไอซีดิจิทัล
เครื่องสร้างประจุไอออนแบบครบวงจรเครื่องแรกได้รับการพัฒนาในปี 1969 โดย Robert Widlar นักประดิษฐ์ผู้เป็นตำนานและผู้เชี่ยวชาญด้านวงจรทรานซิสเตอร์ (ในขณะนั้นเป็นพนักงานของ National Semiconductor) ขณะทำงานกับตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นแบบชิปเดี่ยว 20 วัตต์ตัวแรกในชื่อ LM109 ต่อมาในปี 1971 Widlar ได้ร่วมมือกับ Robert Dobkin นักพัฒนาระดับตำนานอีกคน เพื่อพัฒนา LM113 ไอออนเสาหินตัวแรก ION นี้เรียกว่า "bandgap" (หรือ ION ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าฐาน-ตัวปล่อย) มันเป็นอุปกรณ์สองขั้วและรวมอยู่ในวงจรที่คล้ายกับซีเนอร์ไดโอด ถึงตอนนี้ นักพัฒนาจำนวนมากชอบที่จะเรียกซีเนอร์ไดโอดแบบตั้งโปรแกรมได้ของ ION ประเภทนี้ และกำหนดให้พวกมันบนไดอะแกรมเป็นซีเนอร์ไดโอด แม้ว่าจะเรียกพวกมันว่า "ไอออนแบบขนาน (หรือแบ่ง)" ได้อย่างถูกต้องมากกว่า ซึ่งบ่งชี้ถึงการเชื่อมต่อแบบขนานกับ โหลด ION ประเภทนี้บางชนิด เช่น Texas Instruments TL431 มีวางจำหน่ายมาหลายปีแล้วและยังคงได้รับความนิยมอย่างต่อเนื่อง Paul Brokaw นำเสนอ bandgap ION แบบอนุกรมที่ก้าวหน้ายิ่งขึ้นในแง่ของความแม่นยำในช่วงปลายทศวรรษ 1970 และผลิตโดย Analog Devices ภายใต้ชื่อ AD580 มีการเชื่อมต่อแบบ 3 พิน (คล้ายกับตัวปรับแรงดันไฟฟ้า) ทำให้สามารถตั้งค่าแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตที่ต้องการได้โดยใช้ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าแบบต้านทาน (ใช้เทคโนโลยีการปรับพารามิเตอร์เลเซอร์ ซึ่งกำลังพัฒนาในขณะนั้น) และอนุญาตให้กระแสเอาท์พุตไหล ในทั้งสองทิศทาง เป็นไอออนประเภทนี้เนื่องจากอัตราส่วนราคาต่อคุณภาพที่เหมาะสมและความพร้อมใช้งานเชิงเปรียบเทียบในการออกแบบที่หลากหลายซึ่งกลายเป็นสิ่งที่แพร่หลายมากที่สุดเมื่อเวลาผ่านไปและปัจจุบันผลิตโดยผู้ผลิตหลายราย
หนึ่งในผู้นำในการพัฒนาและการผลิต bandgap ION คือ Texas Instruments (TI) หนึ่งในการพัฒนาล่าสุด ซีรีส์ REF50xx กลายเป็นความก้าวหน้าอย่างแท้จริงสำหรับ bandgap IONs เนื่องจาก ในปัจจุบัน ในแง่ของการผสมผสานระหว่างคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพและระดับความแม่นยำ สามารถวางให้อยู่ในระดับเดียวกับสถาปัตยกรรม XFET ชั้นนำในปัจจุบันจาก Analog Devices และ FGA จาก Intersil (สถาปัตยกรรมหลังได้รับการพัฒนาในปี 2546 โดย Xicor ในอีกหนึ่งปีต่อมา มันกลายเป็นส่วนหนึ่งของ Intersil หลักการทำงานของมันคือ EEPROM ที่เหมือนกัน แต่สำหรับการจัดเก็บข้อมูลที่ไม่อยู่ในรูปแบบไบนารี่ แต่อยู่ในรูปแบบอะนาล็อก) ตารางที่ 1 จะช่วยคุณตรวจสอบสิ่งนี้ ซึ่งนำเสนอคุณสมบัติของตัวแทนตระกูล REF50xx และไอออนที่ดีที่สุดที่มีแรงดันเอาต์พุต 2.5 V ผลิตโดยใช้ FGA, XFET และซีเนอร์ไดโอดพร้อมเทคโนโลยีการแยกย่อยที่แฝงอยู่
ตารางที่ 1. คุณลักษณะหลักของกลุ่มเครื่องสร้างประจุไอออน REF50xx และโซลูชันจากคู่แข่งที่ดีที่สุด
| ครอบครัว REF50xx | เปรียบเทียบกับสิ่งที่ดีที่สุด กำลังแข่งขัน โซลูชั่น (V OUT = 2.5 V) |
||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| REF5020 | REF5025 | REF5030 | REF5040 | REF5045 | REF5050 | ISL21009 | ADR291 | แม็กซ์6325 | |
| สถาปัตยกรรม | Bandgap ประเภทตามลำดับ | เอฟ.จี.เอ. | เอ็กซ์เฟต | สตาบิลี- บัลลังก์ที่มีการพังทลายที่ซ่อนอยู่ |
|||||
| แรงดันไฟขาออก V OUT, V | 2,048 | 2,5 | 3 | 4,096 | 4,5 | 5 | 2,5 | 2,5 | 2,5 |
| สเปรดเริ่มต้น (25°C), % | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,08 | 0,04 |
| สูงสุด TK, ppm/°C | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 1 |
| สูงสุด โหลดกระแส I OUT, mA | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 7 | 5 | 15 |
| ปริมาณการใช้กระแสไฟภายใน I Q ไม่มาก µA | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 180 | 12 | 3000 |
| แรงดันไฟฟ้าขาเข้า VIN, V | 2,7...18 | 2,7...18 | 3,2...18 | 4,296...18 | 4,7...18 | 5,2...18 | 3,5...16,5 | 2,8...15 | 8...36 |
| แรงดันเสียงรบกวนแกว่ง eN (0.1...10 Hz), µV | 6 | 7,5 | 9 | 12 | 13,5 | 15 | 4,5 | 8 | 1,5 |
| กรอบ | 8-ซอย | 8-SOIC, 8-TSSOP | 8-กรมทรัพย์สินทางปัญญา/SOIC | ||||||
| ช่วงอุณหภูมิในการทำงาน°C | -40 ...125 | -40...85 | |||||||
พบกับตระกูล REF50xx
จากตารางที่ 1 ต่อไปนี้ ตระกูล REF50xx ประกอบด้วย ION หกตัว ซึ่งมีระดับแรงดันเอาต์พุตต่างกัน นอกจากนี้ ION แต่ละตัวยังมีให้บริการในสองเวอร์ชัน: ความแม่นยำที่เพิ่มขึ้น (ลักษณะเฉพาะแสดงอยู่ในตารางที่ 1) และมาตรฐาน ลักษณะความแม่นยำของรุ่นมาตรฐานนั้นแย่กว่ารุ่นที่มีความแม่นยำสูงประมาณสองเท่า
ION ทุกประเภทและเวอร์ชันมีจำหน่ายในแพ็คเกจ 8 พินสองประเภท: SO และ MSOP ตำแหน่งของหมุดจะแสดงในรูปที่ 1a
ข้าว. 1. Pinout และบล็อกไดอะแกรมแบบง่ายของ ION REF50xx
ในรูปที่ 1b จะแสดงบล็อกไดอะแกรมแบบง่ายของ REF50xx ION
REF50xx ใช้องค์ประกอบแบนด์แกป 1.2V จากนั้นแรงดันไฟฟ้านี้จะถูกบัฟเฟอร์และปรับขนาดให้เป็นระดับเอาต์พุตที่ต้องการโดยใช้สเตจแอมพลิฟายเออร์สำหรับการดำเนินงานที่มีความแม่นยำ (OPA) แบบไม่กลับด้าน เป็นไปได้ที่จะมีอิทธิพลต่อเกนของสเตจของแอมพลิฟายเออร์นี้ผ่านทางพิน TRIM การเชื่อมต่อโพเทนชิออมิเตอร์เข้ากับพินนี้ช่วยให้คุณปรับแรงดันเอาต์พุตได้ภายใน ±15 mV คุณสมบัติเพิ่มเติมอีกประการหนึ่งของ REF50xx คือความสามารถในการควบคุมอุณหภูมิคริสตัลผ่านพิน TEMP แรงดันไฟฟ้าที่พินนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ (การแสดงออกของการพึ่งพานี้แสดงในรูปที่ 1b) สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าฟังก์ชันควบคุมอุณหภูมิมีความเหมาะสมในการติดตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิมากกว่าค่าสัมบูรณ์ เนื่องจาก ข้อผิดพลาดในการวัดค่อนข้างใหญ่และมีค่าประมาณ ±15°С อย่างไรก็ตาม ฟังก์ชั่นนี้ค่อนข้างใช้ได้กับวงจรชดเชยอุณหภูมิของสเตจแอนะล็อก เอาต์พุต TEMP มีความต้านทานสูง ดังนั้นเมื่อทำงานกับโหลดที่มีความต้านทานค่อนข้างต่ำ จะต้องบัฟเฟอร์โดยใช้ op-amp ที่มีอุณหภูมิเบี่ยงเบนต่ำ ผู้ผลิตแนะนำให้ใช้ op-amp OPA333, OPA335 หรือ OPA376 เพื่อวัตถุประสงค์เหล่านี้
ภาพรวมประสิทธิภาพ
การแพร่กระจายเริ่มต้น
ค่าของค่าสเปรดเริ่มต้นแสดงให้เห็นว่าแรงดันไฟเอาท์พุตของ ION สามารถเบี่ยงเบนไปจากค่าที่กำหนดได้ทันทีหลังจากจ่ายไฟและที่อุณหภูมิห้อง (25°C) ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว REF50xx ION มีให้เลือกสองเวอร์ชันโดยมีสเปรดเริ่มต้นที่ 0.05% (50 ppm) และ 0.1% (100 ppm) ดังนั้นการแพร่กระจายเริ่มต้นของเวอร์ชันมาตรฐานจึงตรงตามข้อกำหนดของระบบที่มีความละเอียดอย่างน้อย 12 บิตและข้อผิดพลาดในการแปลง 1 msr (สำหรับช่วงการแปลง 2.5 V เงื่อนไขเหล่านี้จะเทียบเท่ากับความละเอียด 610 μV และสำหรับ 2.5 V ±0.01% ION แรงดันเอาต์พุตจะเบี่ยงเบนไม่เกิน 250 mV) หากคุณใช้ความสามารถในการปรับแรงดันไฟขาออกโดยไม่คำนึงถึงข้อ จำกัด อื่น ๆ (การเบี่ยงเบนของอุณหภูมิ, สัญญาณรบกวน) ความละเอียดสามารถขยายเป็น 16 บิต
การเบี่ยงเบนของอุณหภูมิ (ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ, TK)
คุณลักษณะนี้แสดงให้เห็นว่าแรงดันไฟขาออกจะเปลี่ยนแปลงไปเท่าใดตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ION REF50xx มีคุณลักษณะพิเศษคือ TC ที่ต่ำมาก ซึ่งก็คือ 3 ppm/°C สำหรับรุ่นที่มีความแม่นยำสูง และ 8 ppm/°C สำหรับรุ่นมาตรฐาน ค่า TK 8 ppm/°C สำหรับแรงดันไฟฟ้าไอออน 2.5 V หมายความว่าเมื่อทำงานในช่วงอุณหภูมิที่มีความกว้าง 100°C (เช่น -25...75°C) แรงดันเอาต์พุตของ ไอออนจะเปลี่ยน 2.0 mV จากนี้ไป TC ของ ION ที่อยู่ระหว่างการพิจารณาก็เพียงพอที่จะให้ความละเอียด 10 บิตในช่วงอุณหภูมิกว้างโดยมีข้อผิดพลาดในการแปลง 1/2 มิลลิวินาที และความละเอียดสูงขึ้นสามารถทำได้ในช่วงอุณหภูมิที่แคบลงเท่านั้น สำหรับระบบ 16 บิตที่มีข้อผิดพลาดในการแปลง 1/2 m.s.r. อนุญาตให้เปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าสัมพัทธ์เพียง 7.6 ppm (0.00076%) ดังนั้น ION REF50xx จะสามารถบรรลุความแม่นยำดังกล่าวได้ภายใต้สภาวะอุณหภูมิคงที่โดยสมบูรณ์เท่านั้น (ความเบี่ยงเบนไม่เกิน 1...2°C) ในระบบ 14 บิต สิ่งอื่นๆ ทั้งหมดเท่าเทียมกัน REF50xx จะสามารถให้ความแม่นยำที่ต้องการได้แล้วโดยมีความผันผวนของอุณหภูมิสูงถึง 10°C ในระบบ 12 บิต - 40°C ในระบบ 10 บิต - 160°ซ.
แรงดันไฟขาออกของ ION ใดๆ มีส่วนประกอบของสัญญาณรบกวน สัญญาณรบกวน โดยเฉพาะสัญญาณรบกวนความถี่ต่ำ อาจทำให้วัดแรงดันไฟฟ้าด้วยความละเอียดสูงและ/หรือความเร็วได้ยาก ค่าแรงดันไฟฟ้าเสียงจากจุดสูงสุดถึงจุดสูงสุดในช่วงความถี่ 0.1...10 Hz แสดงไว้ในตารางที่ 1 (ใช้กับเวอร์ชันมาตรฐานด้วย) ค่าเหล่านี้ค่อนข้างเพียงพอต่อความต้องการของระบบที่มีความละเอียดสูงสุด 14 บิตและมีข้อผิดพลาดในการแปลง 1/2 m.sr.
ความไม่แน่นอนในการป้อนข้อมูลและการโหลด
คุณลักษณะเหล่านี้ช่วยให้คุณประมาณได้ว่าแรงดันไฟขาออกจะเปลี่ยนแปลงไปเท่าใดเมื่อแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและกระแสโหลดผันผวน ความไม่เสถียรของอินพุตสำหรับ REF50xx ION ทั้งหมดคือไม่เกิน 1 ppm/V และความไม่เสถียรของโหลดคือ 50 ppm/mA (ตลอดช่วงอุณหภูมิการทำงานทั้งหมด) ความไม่เสถียรของโหลดยังสามารถตีความได้ว่าเป็นความต้านทานเอาท์พุตของ ION เช่น 50 ppm/mA หมายความว่าความต้านทานเอาท์พุตของ ION ที่แรงดันไฟฟ้า 2.5 V คือ 2.5 × 50 = 125 mOhm
กระแสไฟขาออกสูงสุด
แม้ว่าเครื่องสร้างประจุไอออน REF50xx จะอนุญาตให้ทั้งกระแสจมและกระแสจมสูงถึง 10 mA ไหลที่เอาท์พุต ขอแนะนำว่าอย่าใช้เครื่องสร้างประจุไอออนจนเกินขีดจำกัดความสามารถ เมื่อทำงานกับกระแสใกล้ถึงขีด จำกัด ไม่สามารถตัดการให้ความร้อนตัวเองของคริสตัล ION และลักษณะของการไล่ระดับความร้อนตามวงจรไมโครซึ่งส่งผลเสียต่อความแม่นยำและเสถียรภาพของระบบ สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือ REF50xx ION ได้รับการติดตั้งการป้องกันเอาท์พุตจากการลัดวงจรด้วยสายไฟ (กระแสไฟฟ้าลัดวงจรจำกัดอยู่ที่ 25 mA) ซึ่งทำให้อุปกรณ์เชื่อถือได้มากขึ้น
ช่วงแรงดันไฟฟ้า
ION REF50xx ได้รับการออกแบบมาเพื่อทำงานในช่วงแรงดันไฟฟ้าที่ค่อนข้างกว้าง: ตั้งแต่ 2.7 V สำหรับอุปกรณ์แรงดันไฟฟ้าต่ำสุดไปจนถึง 18 V อย่างไรก็ตาม คุณลักษณะเหล่านี้ไม่ควรตีความว่าเป็นความสามารถในการทำงานจากแรงดันไฟฟ้าที่ไม่เสถียร เนื่องจาก เพื่อให้บรรลุลักษณะที่แม่นยำ ควรจ่ายไฟให้กับ ION จากเอาต์พุตของตัวปรับแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นซึ่งจะช่วยแก้ปัญหาต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการกรองสัญญาณรบกวน การระงับกระบวนการชั่วคราวที่อินพุตกำลัง ฯลฯ ขีดจำกัดล่าง ของช่วงแรงดันไฟฟ้าจ่ายถูกกำหนดโดยคุณลักษณะอื่น - แรงดันไฟฟ้าตกต่ำสุดที่อนุญาต ค่าของมันขึ้นอยู่กับกระแสโหลดและอุณหภูมิและภายใต้สภาวะที่เลวร้ายที่สุด (10 mA, 125 ° C) จะมากกว่า 700 mV เล็กน้อย ตามคำแนะนำที่ระบุไว้ข้างต้น หากเรามั่นใจว่าการทำงานด้วยกระแสไฟฟ้าที่ครึ่งหนึ่งของค่าสูงสุด (เช่น 5 mA) แรงดันไฟฟ้าตกขั้นต่ำจะอยู่ในช่วง 0.3...0.4 V ในช่วงอุณหภูมิ 25. ..125°ซ ตามลำดับ
การบริโภคในปัจจุบัน
REF50xx ION มีคุณลักษณะพิเศษคือการสิ้นเปลืองกระแสไฟที่ค่อนข้างสูงเมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยี FGA และ XFET ของคู่แข่ง ดังที่เห็นได้จากตารางที่ 1 อัตราสิ้นเปลืองที่สูงเช่นนี้เป็นลักษณะของสถาปัตยกรรมที่มีความแม่นยำอีกประการหนึ่ง นั่นคือ ไอออนซีเนอร์ไดโอดที่มีการสลายที่ซ่อนอยู่ ดังนั้น การใช้ REF50xx จึงจำกัดเฉพาะการใช้งานที่ใช้พลังงานแบตเตอรี่ซึ่งจำเป็นต้องมีการทำงานของเครื่องสร้างประจุไอออนอย่างต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานที่มีการดำเนินการอ้างอิงเป็นระยะๆ มีข้อจำกัดอีกประการหนึ่ง นั่นคือระยะเวลาในการตั้งค่าหลังจากจ่ายไฟ REF50xx ค่อนข้างยาว: เมื่อใช้งานกับโหลดคาปาซิเตอร์ขนาด 1 µF เวลาที่ใช้ในการตกตะกอนโดยทั่วไปคือ 200 µs ดังนั้น ไอออไนเซอร์เหล่านี้จึงเหมาะสมกว่าสำหรับการใช้งานโดยเป็นส่วนหนึ่งของอุปกรณ์ความแม่นยำคงที่ ซึ่งต้นทุนการผลิตที่ต่ำกว่ามีความสำคัญมากกว่าลักษณะการใช้พลังงาน
การใช้งานทั่วไปและแผนภาพวงจร
ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว เนื่องจากการใช้พลังงานค่อนข้างสูงแต่ยังมีต้นทุนที่ค่อนข้างต่ำ ION ตระกูล REF50xx จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการทำงานเป็นส่วนหนึ่งของอุปกรณ์เครื่องเขียนที่มีความแม่นยำสูงซึ่งมีความละเอียดในการแปลงสูงถึง 16 บิต ซึ่งรวมถึง:
- ระบบรวบรวมข้อมูล
- อุปกรณ์ทดสอบอัตโนมัติ
- อุปกรณ์อัตโนมัติทางอุตสาหกรรม
- อุปกรณ์ทางการแพทย์;
- เครื่องมือวัดที่มีความแม่นยำ
วงจรสวิตชิ่งพื้นฐานซึ่งไม่ได้มีไว้สำหรับการใช้งานการควบคุมอุณหภูมิและฟังก์ชันการปรับแรงดันเอาต์พุต จะแสดงในรูปที่ 2a ในการกำหนดค่านี้ ION ได้รับการเสริมภายนอกด้วยส่วนประกอบเพียงสองส่วนเท่านั้น ได้แก่ ตัวเก็บประจุแบบบล็อกที่อินพุตที่มีความจุ 1...10 μF และตัวเก็บประจุแบบโหลดที่เอาต์พุตที่มีความจุ 1...50 μF ตัวเก็บประจุโหลดต้องเป็นประเภท "ESR ต่ำ" เช่น มีความต้านทานอนุกรมเทียบเท่าต่ำ หากจำเป็นต้องปรับแรงดันไฟขาออก จะต้องต่อวงจรนี้เข้ากับวงจรในรูปที่ 2b สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าการใช้ตัวต้านทานชนิดเซอร์เมทราคาไม่แพงเป็นทริมเมอร์อาจทำให้ค่า TC ของ ION ลดลงได้เพราะ TCR ของตัวต้านทานนี้เกิน 100 ppm ควรใช้ตัวต้านทานแบบทริมเมอร์ประเภทลวดหรือฟอยล์โลหะที่มีความเที่ยงตรงสูงซึ่งมีความทนทานต่อความต้านทาน 5% และ TCR น้อยกว่า 50 ppm
ข้าว. 2. วงจรการเชื่อมต่อ REF50x: พื้นฐาน (a) พร้อมการปรับแรงดันเอาต์พุต (b) และเป็นส่วนหนึ่งของระบบการรับข้อมูล 16 บิต: พร้อมอินพุตยูนิโพลาร์ (c) และไบโพลาร์ (d)
ในรูปที่ 2c คุณสามารถดูตัวอย่างการสร้างขั้นตอนการป้อนข้อมูลของระบบเก็บข้อมูล 16 บิตแบบช่องเดียวที่มีช่วงอินพุต 0...4 V ที่นี่ สัญญาณอินพุตจะถูกบัฟเฟอร์โดย op-amp OPA365 ที่มีความแม่นยำ ซึ่งเชื่อมต่ออยู่ในวงจรแอมพลิฟายเออร์-ทวนสัญญาณที่ไม่กลับด้าน จากนั้นสัญญาณจะถูกกรองโดยวงจร RC และไปที่อินพุตของ ADS8326 ADC 16 บิต ช่วงการวัดกำหนดโดย REF5040 ION ที่แรงดันไฟฟ้า 4.0 V เนื่องจาก op-amp รองรับแรงดันไฟฟ้าแบบสวิงเต็มที่ที่อินพุตและเอาต์พุต (ประเภทรางต่อราง) และแรงดันตกคร่อมต่ำสุดของ ION เพียงเล็กน้อย วงจรสามารถทำงานจากแหล่งจ่ายไฟ 5-V
อีกตัวอย่างหนึ่ง แต่สำหรับการแปลงสัญญาณไบโพลาร์ในช่วง ±10 V จะแสดงไว้ในรูปที่ 2d วงจรนี้มีความโดดเด่นด้วยการใช้แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด INA159 ในระยะอินพุต ซึ่งจะแปลงช่วงไบโพลาร์ ±10 V ไปเป็นช่วงยูนิโพลาร์ที่ 0...4 V ADC 16 บิตพร้อมอินพุตแบบยูนิโพลาร์และการแปลง ความถี่สูงสุด 1 MHz ADS8330 ใช้เป็น ADC
ข้อสรุป
แม้ว่า ION ตระกูล REF50xx จะถูกสร้างขึ้นตามสถาปัตยกรรม bandgap แต่ก็มีความแม่นยำสูงจนสามารถเทียบได้กับสถาปัตยกรรมชั้นนำ เช่น ซีเนอร์ไดโอดที่มีการแยกย่อยแฝง, XFET และ FGA
กลุ่มผลิตภัณฑ์นี้มีข้อมูลอ้างอิงหกรายการสำหรับแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตต่างๆ ตั้งแต่ 2.048 ถึง 5 V นอกจากนี้ ข้อมูลอ้างอิงแต่ละรายการมีให้เลือกสองเวอร์ชัน: แบบมาตรฐานและความแม่นยำสูง ION ทั้งหมดรองรับความสามารถในการปรับแรงดันไฟขาออกและควบคุมอุณหภูมิ
ข้อเสียที่สำคัญของ ION คือการใช้พลังงานสูง (1 mA) และเวลาในการตกตะกอนนานหลังจากจ่ายไฟ (200 μs) ซึ่งจำกัดความเป็นไปได้ในการใช้งานในระบบที่มีความสำคัญด้านพลังงาน ผู้ผลิตระบุความเป็นไปได้ของการใช้ ION ในระบบที่มีความละเอียดสูงสุด 16 บิต
วรรณกรรม
1. REF5020, REF5025, REF5030, REF5040, REF5045, REF5050 - เสียงรบกวนต่ำ การดริฟท์ต่ำมาก การอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าที่แม่นยำ//เอกสารข้อมูล Texas Instruments สว่าง หมายเลข SBOS410, 2007.- 18น.
ฉันพูดถึงในบทความก่อนหน้านี้ และในบุ๊กมาร์กนี้ ฉันจะพูดถึงสิ่งพื้นฐานที่สุดในวงจร - แรงดันอ้างอิง เหตุใดจึงจำเป็นต้องมีแหล่งจ่ายแรงดันอ้างอิง และสำหรับชิ้นส่วนกำลังต่ำของวงจร เพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าที่เสถียร สำหรับแรงดันไฟฟ้าโดยประมาณที่จะปลดล็อกหรือเปรียบเทียบ
ตัวเลือกการรักษาเสถียรภาพที่ง่ายที่สุดคือการใช้ซีเนอร์ไดโอด ตัวต้านทาน R1 จำกัดกระแส เงื่อนไข (Uin-Uout)/Rs>Uout/R2. โคลงนี้สามารถขยายได้โดยใช้ทรานซิสเตอร์
ION (แหล่งจ่ายแรงดันอ้างอิง) บนซีเนอร์ไดโอดนั้นเรียบง่าย แต่เพื่อให้มีเสถียรภาพสูงขึ้น ควรใช้ซีเนอร์ไดโอดแบบปรับได้ TL431 ซึ่งโดยวิธีการนี้สามารถตั้งค่าแรงดันไฟฟ้าเกือบทุกชนิดที่เอาต์พุต ION ได้ตั้งแต่ 2.5V ถึง 37V สิ่งสำคัญคือแรงดันไฟฟ้าอินพุตไม่เกิน 40V และพลังงานที่กระจายไม่เกิน 0.75W
ซีเนอร์ไดโอดถูกควบคุมผ่านขาควบคุม ซึ่งควรมีค่าอ้างอิง 2.5V ข้อมูลอ้างอิงนี้คำนวณโดยตัวต้านทาน R2 และ R3 บน TL431 คุณสามารถสร้างซีเนอร์ไดโอด 2.5V ได้หากคุณเชื่อมต่อตามแผนภาพ
กระแส TL431 สูงถึง 100mA แต่สามารถขยายได้โดยใช้ทรานซิสเตอร์ดังในแผนภาพ
พารามิเตอร์และคุณสมบัติการใช้งาน
วัตถุประสงค์ของบทความนี้คือเพื่อช่วยให้ผู้ออกแบบอุปกรณ์ที่รวมการอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าที่มีความแม่นยำสามารถบรรลุถึงคุณภาพของผลิตภัณฑ์สูงสุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในเวลาที่สั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เนื้อหาหลักของบทความคือวิธีการเลือกจากแหล่งข้อมูลที่หลากหลายซึ่งเหมาะสมที่สุดสำหรับงานที่มีอยู่และในระยะเริ่มแรกให้คำนึงถึงปัจจัยที่มีอิทธิพลซึ่งมักจะเกิดขึ้นเฉพาะที่ ขั้นตอนการทดสอบขั้นสุดท้าย ข้อมูลตัวเลขที่ให้ไว้ในข้อความสำหรับอุปกรณ์เฉพาะจากผู้ผลิตแหล่งแรงดันไฟฟ้าอ้างอิงชั้นนำสี่รายช่วยให้คุณสามารถนำทางไปยังระดับที่บรรลุได้
สาขาการประยุกต์ใช้แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าอ้างอิงที่แม่นยำ
การอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าที่แม่นยำ (VRS) เป็นสิ่งจำเป็นในการใช้งานจำนวนมาก และการใช้งานของพวกมันก็มีการขยายตัวอย่างต่อเนื่อง เหล่านี้ได้แก่เครื่องมือวัด ระบบสื่อสาร แม้กระทั่งเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมก็ตาม
บ่อยครั้งที่ความต้องการเกิดขึ้นเมื่อสร้างตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ซึ่งแสดงที่เอาต์พุตอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าอินพุตต่อแรงดันอ้างอิงในรูปแบบดิจิทัลและตัวแปลงดิจิทัลเป็นแอนะล็อก (DAC) ที่เอาต์พุตซึ่งได้รับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งอ้างอิงในระดับที่กำหนดโดยรหัสที่ทางเข้าดิจิทัล อุปกรณ์เหล่านี้บางตัวมีแหล่งอ้างอิงในตัว บางตัวต้องใช้แหล่งภายนอก และบ่อยครั้งที่อุปกรณ์สามารถทำงานร่วมกับแหล่งข้อมูลทั้งภายนอกและภายในได้ ปัจจุบัน DAC และ ADC ที่มีความแม่นยำ 12 บิตกลายเป็นเรื่องปกติไปแล้ว ขอบเขตของ 20 หมวดหมู่ถูกส่งผ่านเมื่อกว่า 10 ปีที่แล้ว ย้อนกลับไปในยุค 80 โรงงาน Minsk Etalon ผลิตระบบการวัด AKSAMIT จำนวนมากซึ่งพัฒนาโดย V.M. Malysheva ตามเวลา
โซลูชัน ADC 22 บิต ปัจจุบัน บริษัทหลายแห่งผลิต ADC แบบรวม 24 บิต ซึ่งมีความละเอียดที่แท้จริงถึง 22 บิต ใน DAC แบบรวม ระดับที่ทำได้ในวันนี้คือ 18 บิต ขอบเขตที่ความละเอียดจะได้รับในความแม่นยำของการวัดแรงดันไฟฟ้าหรือการสร้างซ้ำนั้นขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาของแรงดันอ้างอิงเป็นส่วนใหญ่ ค่าใช้จ่ายของ ION มักจะเป็นเพียงส่วนเล็กๆ ของระบบโดยรวม แต่อาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพการทำงานที่ได้ ดังนั้นจึงแทบไม่มีประโยชน์เลยที่จะมองข้ามมันไป นอกจากนี้ ระบบมักจะมีอุปกรณ์หลายตัวที่มี ION ของตัวเอง และเพื่อลดข้อผิดพลาดโดยรวมของระบบ ขอแนะนำให้ใช้ ION หนึ่งตัวสำหรับอุปกรณ์ทั้งหมด ต่อไป คุณลักษณะที่สำคัญจำนวนหนึ่งของ ION และการประยุกต์ใช้งานจะได้รับการพิจารณาโดยหลักเกี่ยวกับอุปกรณ์แต่ละชนิดในประเภทนี้ แม้ว่าข้อกำหนดหลายข้อจะใช้กับขอบเขตเดียวกันกับ ION ในตัวก็ตาม
แนวโน้มของความแม่นยำที่เพิ่มขึ้นในเทคโนโลยีการวัดนั้นมีอยู่เสมอ จากนั้นเรากำลังพูดถึงความแม่นยำที่สูงมาก และขอแนะนำให้ประเมินระดับของความสำเร็จจากความสำเร็จในมาตรวิทยาโลก
บรรลุความแม่นยำในการสร้างแรงดันไฟฟ้า
ตั้งแต่ปี 1972 เป็นต้นมา ทั่วโลก มาตรฐานแรงดันไฟฟ้าระดับชาติได้ถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของเอฟเฟกต์ควอนตัมโจเซฟสันที่ค้นพบในปี 1962 โดยไม่คำนึงถึงค่าคงที่พื้นฐานของโจเซฟสัน ค่าสัมพัทธ์ที่ลดลง
ข้อผิดพลาดคือ 5x10 -9 ค่าคงที่เป็นที่รู้จักด้วยความแม่นยำ 4x10 -7 อย่างไรก็ตาม นี่คือการติดตั้งแบบอยู่กับที่ที่ซับซ้อน องค์ประกอบหลักซึ่งทำงานที่อุณหภูมิ 4.2 K และเป็นมาตรฐานสำหรับการเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้าในการปฏิบัติงานด้านมาตรวิทยา มีการใช้องค์ประกอบปกติแบบกัลวานิกที่รู้จักมาตั้งแต่ศตวรรษที่ 19 หรือตามชื่อของผู้ประดิษฐ์ - เวสตันพร้อมแรงเคลื่อนไฟฟ้า ด้วย 1.018 V โดยมีค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานน้อยกว่า 5x10 -8 ความไม่แน่นอนของกลุ่ม 6x10 -7 ต่อปี น่าเสียดายที่อุปกรณ์เหล่านี้ไวต่อสภาวะภายนอก การสั่น และอุณหภูมิอย่างมาก ที่ 20°C ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิคือ -40.6 µV/°C เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไป จะต้องใช้เวลาพอสมควร บางครั้งอาจถึงหนึ่งเดือนกว่าจะได้ความแม่นยำดังกล่าว สำหรับการเปรียบเทียบกับแหล่งจ่ายแรงดันอ้างอิงเซมิคอนดักเตอร์ จะสะดวกกว่าที่จะแสดงปริมาณเหล่านี้ในหน่วยสัมพัทธ์ที่มักใช้ในข้อมูลอ้างอิงสำหรับอุปกรณ์ดังกล่าว - ppm (promyl) 1 ppm - ล้าน
สัดส่วนของปริมาณที่วัดได้ ดังนั้นค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของแรงดันไฟฟ้าขององค์ประกอบปกติคือ 0.05 ppm ความไม่แน่นอนต่อปีคือ 0.6 ppm ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิประมาณ -40 ppm
ไอออนขึ้นอยู่กับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์
การเปลี่ยนซีเนอร์
ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เซมิคอนดักเตอร์ เพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าที่เสถียร มักใช้สาขาย้อนกลับของคุณลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบันของจุดเชื่อมต่อ pn ที่มีการสลายซีเนอร์ การพังทลายของซีเนอร์เกิดขึ้นที่แรงดันไฟฟ้าประมาณ 5 ถึง 10 V เพื่อให้ได้คุณลักษณะทางมาตรวิทยาที่ดีจำเป็นต้องมีกระแสไฟฟ้าผ่านทางแยกอย่างน้อยหลายสิบของ mA แรงดันไฟฟ้าที่ได้รับในลักษณะนี้มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิที่เป็นบวกขึ้นอยู่กับการสลายตัวของซีเนอร์ แรงดันของทางแยกที่กำหนดและกระแสที่ไหลผ่านจุดนั้น เพื่อชดเชยค่าดังกล่าว ในไดโอดซีเนอร์ที่มีความแม่นยำ ไดโอดซีเนอร์แบบเอนไปข้างหน้าที่มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิติดลบจะรวมอยู่ในอนุกรมพร้อมกับซีเนอร์ไดโอด ในซีเนอร์ไดโอดความแม่นยำในประเทศ D818 มีการเปลี่ยน 3 แบบ โดยการเลือกกระแสไหลทำให้สามารถปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อนได้อย่างมาก มักจะเข้า.
ในคำอธิบายทางเทคนิค คำว่า "ฝังซีเนอร์" จะปรากฏขึ้น มันสะท้อนถึงเทคนิคทางเทคโนโลยี เมื่อทางแยกถูกสร้างขึ้นใต้พื้นผิวของคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ และแยกออกจากกันด้วยชั้นการแพร่กระจายที่ป้องกัน ซึ่งจะช่วยลดอิทธิพลของความเค้นเชิงกล การปนเปื้อน และการรบกวนของโครงตาข่าย ซึ่งเด่นชัดที่สุดใน พื้นผิว. ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดโดยใช้ซีเนอร์ไดโอดเกิดขึ้นได้จากผู้นำระดับโลกในด้านเครื่องสอบเทียบ Fluke Corp. เครื่องสอบเทียบรุ่น 734A ซึ่งใช้ชิปที่พัฒนาขึ้นเป็นพิเศษโดยบริษัทซึ่งไม่มีจำหน่ายแยกต่างหาก และระบบป้องกันความร้อนมีเสถียรภาพที่ 0.8 ppm/เดือน และ 2 ppm/ปี ที่แรงดันไฟฟ้าเดียวกันกับองค์ประกอบปกติ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ 0.1 ppm/°C กล่าวคือ เทียบได้กับองค์ประกอบปกติ
การอ้างอิงแรงดันไฟฟ้ารวมที่มีวางจำหน่ายทั่วไปที่ดีที่สุดจากผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์ชั้นนำมีลักษณะที่เทียบเคียงได้ ตัวอย่างเช่น ADR292 มีความไม่แน่นอนของเวลาที่ 0.2 ppm/1000
ชั่วโมง เช่น ในเวลาเกือบเดือนครึ่ง โดยค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิอยู่ที่ 5...25 ppm/°C, REF102 สูงถึง 2.5 ppm/°C โดยสามารถปรับค่าได้ MAX671 ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิน้อยกว่า 1 ppm/°C โดยไม่มีอุณหภูมิ ควบคุม. วงจรรวมอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าที่แม่นยำจำนวนมากมีเซ็นเซอร์อุณหภูมิชิปในตัว ซึ่งสามารถปรับปรุงความเสถียรของอุณหภูมิของผลการวัดได้อย่างมากด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งจากสองวิธี: สร้างตัวปรับอุณหภูมิที่มีความแม่นยำหรือแก้ไขผลการวัดโดยทางโปรแกรม ION บางตัวมีฮีตเตอร์ในตัว (LT1019)
ควรสังเกตว่า ION ของเซมิคอนดักเตอร์ทั้งหมดมีฮิสเทรีซิสของอุณหภูมิ เช่น เมื่อกลับสู่อุณหภูมิเดิมหลังจากทำความร้อนหรือเย็นลง ค่าของแรงดันอ้างอิงจะกลับสู่ค่าก่อนหน้าโดยมีข้อผิดพลาดบางประการ ค่าต่ำสุดคือประมาณ 20 ppm (MAX6225) น่าเสียดายที่ผู้ผลิตส่วนใหญ่ไม่ได้ระบุค่านี้ เพื่อหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดนี้ เครื่องสอบเทียบ Fluke 734A ION จะทำงานที่อุณหภูมิคงที่เสมอ และเพื่อการควบคุมอุณหภูมิระหว่างการขนส่ง แบตเตอรี่จะใช้งานได้ต่อเนื่อง 36 ชั่วโมง หากจำเป็นต้องใช้แรงดันอ้างอิงที่สูงกว่าที่ซีเนอร์แจกแจงให้ สามารถเชื่อมต่อซีเนอร์ไดโอดแบบอนุกรมได้ และการเลือกซีเนอร์ไดโอดแบบพิเศษเป็นกลุ่มจะทำให้ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิรวมลดลง ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดในโลกบนเส้นทางนี้เกิดขึ้นได้โดยบริษัท Megavolt-Metrology ของรัสเซียในการติดตั้ง DWINA-1000 ที่จัดทำโดยการทดสอบ
ไปยังศูนย์ IREQ แห่งใหม่ในแคนาดา แรงดันไฟฟ้าสูงสุด 1,000,000 V ข้อผิดพลาดพื้นฐาน 20 ppm และอุณหภูมิในช่วงตั้งแต่ 15°C ถึง 35°C 2.5 ppm (โปรดทราบว่านี่ไม่ใช่การไล่ระดับสี แต่เป็นการเปลี่ยนแปลงสูงสุดในช่วงนี้
อุณหภูมิ) อย่างไรก็ตาม บ่อยครั้งที่จำเป็นต้องใช้แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าแรงดันพังทลายของซีเนอร์ วิธีที่ชัดเจนและใช้กันทั่วไปคือการแบ่งแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับจากซีเนอร์ไดโอดอย่างแม่นยำ ดังที่ทำใน AD584 ซึ่งมีเอาต์พุต 10 V, 5 V และ 2.5 V พร้อมกัน
อีกวิธีมาตรฐานหนึ่งในการรับแรงดันอ้างอิงที่ต่ำกว่าระดับการแยกซีเนอร์คือการใช้วงจร "แบนด์แกป" ซึ่งรู้จักกันมาตั้งแต่ปี 1970 คำนี้ซึ่งไม่เทียบเท่ากับภาษารัสเซียที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไป สามารถแปลได้ว่าเป็น "ศักยภาพในการกีดขวางของทางแยก p-n" แผนผังแบบง่ายของอุปกรณ์ดังกล่าวแสดงในรูปที่ 1
ที่นี่คู่ทรานซิสเตอร์สร้างขึ้นบนตัวต้านทาน R1 แรงดันไฟฟ้าตกเป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ ซึ่งจะชดเชยค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบของแรงดันไฟฟ้าฐาน-ตัวปล่อยของทรานซิสเตอร์ VBE แรงดันเอาต์พุตของวงจร VZ ถูกกำหนดผ่านค่าคงที่ Boltzmann k, ประจุอิเล็กตรอน q, อุณหภูมิสัมบูรณ์ T และอัตราส่วนของความหนาแน่นกระแสของตัวปล่อยของทรานซิสเตอร์:
V Z =V BE + 2ΔV BE R1/R2 โดยที่ ΔV BE = kT/q x lnJ1/J2
ด้วยกระแสตัวปล่อยที่เท่ากันและพื้นที่ตัวปล่อยของทรานซิสเตอร์ตัวแรกนั้นใหญ่กว่าตัวที่สอง 8 เท่า ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นศูนย์ V Z จะได้ที่ค่า 1.205 V ซึ่งสอดคล้องกับแรงดันกั้นของทางแยก p-n ที่คาดการณ์ไว้กับอุณหภูมิของ ศูนย์สัมบูรณ์ซึ่งเป็นชื่อที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ การรวมตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าระหว่างเอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์และฐานของทรานซิสเตอร์ช่วยให้คุณได้รับค่า V Z ที่มีขนาดใหญ่ แรงดันไฟฟ้าที่ขึ้นกับอุณหภูมิบน R1 ใช้ในการวัดอุณหภูมิของแม่พิมพ์ เช่น ใน AD780 เนื่องจากค่า VBE เป็นสัดส่วนผกผันและค่าการชดเชยเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ ความแม่นยำของการชดเชยจึงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและช่วงอุณหภูมิการทำงานโดยรวมของอุปกรณ์ ผู้ผลิตอาจระบุข้อผิดพลาดของอุณหภูมิว่ามีน้อยมาก เช่น 3 ppm/°C (REF01) ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับข้อหลัง อุปกรณ์ประเภทนี้มีการใช้พลังงานลดลงอย่างมาก ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในผลิตภัณฑ์มือถือ เช่น ตระกูล LT1634 ที่มีแรงดันไฟฟ้า
1.25 V, 2.5 V, 4.096 V และ 5 V ใช้ไฟเพียง 10 µA โดยมีความแม่นยำเริ่มต้น 0.2% ความเสถียรทางความร้อน 25 ppm/°C และความแตกต่างขั้นต่ำของแรงดันไฟฟ้าอินพุตและเอาต์พุต 0.9 V อุปกรณ์มีให้เลือกสองแบบ ตัวเลือกการออกแบบวงจร ขั้วต่อสองขั้วหรือขนาน (สับเปลี่ยน) ที่มีลักษณะแรงดันไฟฟ้ากระแสภายนอกคล้ายกับซีเนอร์ไดโอด พวกเขาต้องการอุปกรณ์จำกัดกระแสภายนอก เช่น ตัวต้านทาน สามเทอร์มินัล
(โดยหลักการแล้ว แต่จริงๆ แล้วอาจมีพินมากกว่านั้น) หรือซีเรียล (series)
ให้กระแสไหลเข้าและออกจาก ION โดยไม่มีส่วนประกอบภายนอก และกระแสผ่านวงจรแรงดันอ้างอิงภายในจะไม่ขึ้นอยู่กับโหลด ต่างจากตัวเลือกแรก โปรดทราบว่าไอออนที่ใช้การแยกย่อยของซีเนอร์นั้นผลิตตามตัวเลือกที่สองเท่านั้น สิ่งที่เทียบเท่ากับอันแรกคือไดโอดซีเนอร์ที่มีความแม่นยำ
เทคโนโลยี XFET™
Analog Devices ได้จดสิทธิบัตรวิธีการใหม่ในการรับแรงดันไฟฟ้าอ้างอิงที่เสถียร ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าประมาณ 0.5 V โดยมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของอุณหภูมิลบของซิลิคอนที่กำหนดไว้อย่างแม่นยำ
จะได้ค่าสัมประสิทธิ์ความร้อนประมาณ 120 ppm/°C ที่ท่อระบายของทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กสองตัวที่มีฉนวนเกตโดยจุดเชื่อมต่อ p-n (รูปที่ 2)
มีแรงดันไฟตัดต่างกันและทำงานที่กระแสเดรนเดียวกัน ตามโครงสร้างแล้ว FET1 และ FET2 จะแตกต่างกันเฉพาะในการกำหนดค่าเกตเท่านั้น การชดเชยอุณหภูมิที่แม่นยำทำได้โดยใช้ IPTAT แหล่งกำเนิดกระแสตามอุณหภูมิตามสัดส่วน แรงดันเอาต์พุตของวงจรกำหนดโดย:
V OUT = ΔV P (R1 + R2 + R3)/R1 + IPTAT R3 ข้อได้เปรียบหลักของ XFET เหนืออุปกรณ์ bandgap คือความเสถียรของเวลาที่ไม่เคยมีมาก่อนที่ 0.2 ppm ต่อ 1,000 ชั่วโมง สัญญาณรบกวนน้อยลงประมาณ 4 เท่า พร้อมความเสถียรและประสิทธิภาพในลำดับเดียวกัน สำเร็จได้ด้วยการทำงานกับผู้ให้บริการหลักในปัจจุบัน การประดิษฐ์นี้ถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์ประเภทอนุกรม ADR290, ADR291, ADR292, ADR293 ที่มีแรงดันไฟฟ้า 2.048 V, 2.5 V, 4.096 V และ 5 V ตามลำดับ ทำงานที่กระแสการบริโภค 12 μA และความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและขาออกที่ no มากกว่า
0.6 V. ข้อผิดพลาดของแรงดันเอาต์พุตเริ่มต้น 2 mV, สัมประสิทธิ์อุณหภูมิ 8 ppm/°C, สัญญาณรบกวน 6 μV จากจุดสูงสุดถึงจุดสูงสุดจาก 0.1 Hz ถึง 10 Hz และความหนาแน่นสเปกตรัมของสัญญาณรบกวนที่ 1 kHz คือ 420 nV/Hz -1/ 2
การได้รับ DAC และ ADC ที่มีความแม่นยำสูงสุดด้วยไอออนภายใน
เหตุผลหลักในการใช้แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าอ้างอิงที่มีความแม่นยำภายนอกใน DAC และ ADC คือความปรารถนาที่จะบรรลุความแม่นยำสูงสุดที่เป็นไปได้ หากใช้อุปกรณ์ที่มีแหล่งกำเนิดแรงดันอ้างอิงในตัว ควรคำนึงว่าผู้ผลิตมักจะใช้การปรับค่าสัมประสิทธิ์การส่งผ่านของตัวแปลงจากโรงงาน ดังนั้นจึงชดเชยความเบี่ยงเบนของแรงดันไฟฟ้าของแหล่งอ้างอิงภายในจากค่าที่ระบุ ซึ่งอยู่ในช่วงไม่ดีกว่า 0.5...1% การแทนที่แหล่งข้อมูลภายในด้วยความแม่นยำภายนอกอาจไม่เพียงแต่ไม่ให้ผลเชิงบวกในค่าสัมบูรณ์เท่านั้น แต่ยังนำไปสู่ผลลัพธ์เชิงลบอีกด้วย แน่นอนว่าในกรณีนี้ ความเสถียรของเวลาและอุณหภูมิจะดีขึ้น แต่เพื่อปรับปรุงความแม่นยำสัมบูรณ์ของการแปลงโดยรวม จำเป็นต้องแก้ไขข้อผิดพลาดแบบคูณที่เกิดจากการปรับจากโรงงาน โดยปกติจะทำได้โดยการปรับแหล่งอ้างอิง การปรับดังกล่าวภายใน ±3% มีให้ในเครื่องมือที่มีความแม่นยำหลายชนิด
รูปที่ 3 แสดงวงจรการปรับ REF102 ภายใน ±25 mV หากคุณลัดวงจรตัวต้านทาน 1 MΩ ขีดจำกัดการปรับจะขยายเป็น ±300 mV
อิทธิพลของแรงดันไฟจ่าย โหลด ตัวนำจ่ายไฟ
เมื่อแรงดันไฟฟ้าเปลี่ยนไป แรงดันเอาต์พุตของ ION ก็เปลี่ยนแปลงเล็กน้อยเช่นกัน ซึ่งต้องนำมาพิจารณาด้วย บางครั้งการเปลี่ยนแปลงนี้ระบุเป็นค่าสัมบูรณ์ หรือบางครั้งระบุเป็นค่าสัมพัทธ์ พารามิเตอร์นี้แสดงจำนวนแรงดันไฟฟ้าอินพุตของการอ้างอิงที่ต้องทำให้เสถียรเพื่อให้ได้ความแม่นยำที่ต้องการ
การเปลี่ยนแปลงแรงดันเอาต์พุตของ ION ซึ่งขึ้นอยู่กับกระแสโหลดยังสามารถพบได้ในหนังสืออ้างอิง และยังสามารถระบุได้ทั้งในหน่วยสัมบูรณ์และหน่วยสัมพัทธ์ ลำดับของค่าเหล่านี้สำหรับซีเรียลไอออไนเซอร์คุณภาพสูงคือตั้งแต่ 20 ppm/mA (REF102) ถึง 30 ppm/mA (ADR290) การใช้แหล่งจ่ายแรงดันอ้างอิงภายนอกในตัวแปลงที่มีความแม่นยำต้องคำนึงถึงแรงดันตกในตัวนำที่จ่ายแรงดันอ้างอิงด้วย การใช้อินพุตอ้างอิงของ ADC และ DAC มักจะเป็นไปตามลำดับหลายมิลลิแอมป์ และในกรณีของ ADC แบบแฟลช ก็ยิ่งมากกว่านั้นอีก ตัวอย่างเช่น ADC แฟลช TDC1035 ของ Raytheon ต้องใช้แรงดันอ้างอิง 2 V ที่ 35 mA ด้วยความต้านทานตัวนำ 0.1 โอห์ม แรงดันตกจะอยู่ที่ 3.5 mV ซึ่งใกล้เคียงกับข้อผิดพลาดสัมบูรณ์ที่รับประกันของ ADC - 3.9 mV นอกเหนือจากมาตรการแบบพาสซีฟ เช่น การลดความต้านทานของตัวนำโดยการเพิ่มความกว้างแล้ว การอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าที่มีความแม่นยำบางตัว (เช่น MAX671, AD688) มีมาตรการในตัวเพื่อต่อสู้กับปรากฏการณ์นี้โดยการสลับไปใช้ระบบเชื่อมต่อแบบสี่สายที่มีโหลด ( วงจรเคลวิน) ในกรณีนี้ อินพุทการวัดของกราวด์และการป้อนกลับของแหล่งอ้างอิงจะเชื่อมต่อกับโหลดโดยตัวนำที่แยกจากกัน แผนภาพแบบง่ายของหนึ่งในอุปกรณ์เหล่านี้ MAX670 แสดงในรูปที่ 4
ในที่นี้ พิน SENSE1 และ GND SENSE1 ใช้เพื่อแก้ไขแรงดันไฟเอาท์พุต และใช้พิน SENSE2 และ GND SENSE2 เพื่อชดเชยอิทธิพลของกระแสโหลด โดยทั่วไป กระแสเอาต์พุตของ ION ที่มีความแม่นยำคือ 5...30 mA ซึ่งในบางกรณี เช่น สำหรับ TDC1035 ที่กล่าวถึงข้างต้น ยังไม่เพียงพอ และจำเป็นต้องใช้บัฟเฟอร์ภายนอกเพิ่มเติม ในกรณีของวงจร
เคลวิน เพื่อเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนักของ ION โดยสูญเสียความแม่นยำน้อยที่สุด บัฟเฟอร์เพิ่มเติมจะต้องถูกปกคลุมด้วยลูปป้อนกลับทั่วไปกับ ION ดังแสดงในรูปที่ 5
ตัวเลือกที่มีประโยชน์อีกประการหนึ่งสำหรับการเพิ่มกระแสไฟขาออกโดยใช้ทรานซิสเตอร์เพิ่มเติมจะแสดงในรูปที่ 6
เมื่อกระแสโหลดถึงค่าที่สร้างแรงดันตกคร่อมตัวต้านทาน R1 ประมาณ 0.6V ซึ่งทรานซิสเตอร์เริ่มเปิด ION จะทำงานในโหมดเปิดเครื่องตามปกติ นอกจากนี้ การเพิ่มขึ้นของกระแสไฟขาออกของ ION จะเพิ่มขึ้นตามกระแสพื้นฐานของทรานซิสเตอร์ และกระแสไฟขาออกของอุปกรณ์โดยรวมจะคูณด้วยอัตราขยายปัจจุบันของทรานซิสเตอร์ ซึ่งสามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่หลายสิบถึงหลายสิบ พัน. วงจรดังกล่าวใช้งานได้ไม่ยากด้วยโทโพโลยีใกล้กับวงจรเคลวิน
บางครั้งจำเป็นต้องใช้ ION เหมือนกับซีเนอร์ไดโอดเป็นตัวจำกัดแรงดันไฟฟ้า เช่น ด้วยกระแสที่เข้ามา ไม่มีปัญหาเกิดขึ้นกับอุปกรณ์สองขั้วซึ่งมีลักษณะแรงดันไฟฟ้าในปัจจุบันคล้ายกับซีเนอร์ไดโอด แม้ว่าส่วนใหญ่จะเป็นอุปกรณ์แบนด์แกปก็ตาม
โดยทั่วไป การอ้างอิงแบบอนุกรมจะทำงานเป็นแหล่งจ่ายแรงดันบวก (โดยมีกระแสไหลออก) ตามกฎแล้วอุปกรณ์ดังกล่าวทั้งหมดมีการติดตั้งบัฟเฟอร์ภายในซึ่งช่วยให้สามารถทำงานกับกระแสไฟขาออกและกระแสไฟขาเข้าได้อย่างไรก็ตามค่าสูงสุดที่อนุญาตอาจต่ำกว่ามากสำหรับค่าหลัง ตัวอย่างเช่น สำหรับ AD584 จะเป็น 10 mA และ 5 mA และสำหรับ REF02 จะเป็น 10 mA และ 0.3 mA จำเป็นต้องตรวจสอบจากข้อมูลของผู้ผลิตว่าโหมดที่เลือกนั้นยอมรับได้สำหรับอุปกรณ์ในโหมดกระแสที่กำลังจม หากค่าหลังไม่เพียงพอ ลักษณะกระแสของอุปกรณ์สามารถเปลี่ยนได้โดยการเชื่อมต่อแหล่งกระแสขาเข้าเพิ่มเติมที่เอาท์พุต หรืออย่างน้อยต้องมีตัวต้านทานระหว่างเอาท์พุตกับขั้วต่อร่วม (กราวด์) หรือแหล่งจ่ายแรงดันลบ
การได้รับแรงดันอ้างอิงที่เป็นลบ
ส่วนใหญ่แล้ว การอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าที่แม่นยำนั้นถูกสร้างขึ้นสำหรับแรงดันไฟฟ้าเชิงบวก แม้ว่าจะมีข้อยกเว้น เช่น MX2701 ก็ตาม หากต้องการรับแรงดันไฟฟ้าเชิงลบจากแหล่งบวก การใช้อินเวอร์เตอร์ไม่เป็นที่พึงปรารถนา เนื่องจากจะเพิ่มข้อผิดพลาดให้กับอินเวอร์เตอร์ คุณสามารถเปิดแหล่งสัญญาณสองขั้วที่คล้ายกับซีเนอร์ไดโอดได้เช่น จำเป็นต้องใช้กระแสไฟลบที่ขั้วลบ อย่างน้อยก็ผ่านตัวต้านทานที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันไฟลบ หากจำเป็นต้องใช้วงจรสามขั้วสำหรับแรงดันไฟฟ้าบวก เอาต์พุตจะต้องต่อสายดิน และต้องจ่ายกระแสไฟฟ้าลบที่เพียงพอสำหรับจ่ายไฟให้กับโหลดและความต้องการของอุปกรณ์เองให้กับขั้วร่วมของอุปกรณ์ (โดยปกติจะทำเครื่องหมายเป็น GND ) โดยใช้แหล่งจ่ายกระแสหรืออย่างน้อยตัวต้านทาน ตรวจสอบให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้าระหว่างพินอินพุตและ GND ไม่เกินค่าที่อนุญาตสำหรับอุปกรณ์ ไอออนบางตัวยังมีตัวเลือกอื่นในการรับแรงดันลบอีกด้วย
รูปที่ 7 แสดงวงจรเชื่อมต่อ AD688 สำหรับรับแรงดันไฟฟ้าแบบไบโพลาร์โดยใช้บัฟเฟอร์เพิ่มเติมที่รวมอยู่ในองค์ประกอบ ควรจำไว้ว่าในกรณีที่จำเป็นต้องมีความแม่นยำสูงสุดที่เป็นไปได้ การใช้องค์ประกอบเพิ่มเติมใดๆ แม้แต่องค์ประกอบที่อยู่บนพื้นผิวเดียวกันก็เป็นสิ่งที่ไม่พึงประสงค์
การลดเสียงรบกวนและความเสถียร
เพื่อลดสัญญาณรบกวน โดยเฉพาะสัญญาณรบกวนความถี่สูง แหล่งอ้างอิงบางแห่งมีขั้วต่อพิเศษสำหรับเชื่อมต่อตัวเก็บประจุตัวกรอง ในรูป 8.
มีการนำเสนอแผนภาพอย่างง่ายของ REF102 เนื่องจากแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนหลักคือซีเนอร์ไดโอด การเชื่อมต่อตัวเก็บประจุ 1 µF ภายนอกระหว่างหมุดลดเสียงรบกวนและ Common จะช่วยลดเสียงรบกวนจาก 800 µV เป็น
200 µV พีคถึงพีค (5 µV พีคถึงพีค ในช่วง 0.1 Hz...10 kHz) สามารถทำได้โดยการเชื่อมต่อตัวเก็บประจุแบบขนานกับโหลด โปรดทราบว่านี่อาจทำให้เกิดการสร้างบัฟเฟอร์และตรวจสอบกับข้อมูลของผู้ผลิตว่าโหลดความจุสูงสุดที่อนุญาตได้อย่างไร ตัวอย่างเช่น REF102 อนุญาตเพียง 1 nF แม้ว่าผลิตภัณฑ์อื่นๆ จากบริษัทเดียวกันจะอนุญาตและแนะนำด้วยซ้ำว่า 1 µF
ถึงเวลาสร้างโหมดการทำงาน
เวลาปกติในการสร้างแรงดันเอาต์พุตของแหล่งจ่ายแรงดันอ้างอิงหลังจากจ่ายไฟคือประมาณ 1 ... 10 มิลลิวินาที อุปกรณ์ที่มีความแม่นยำสูงยังต้องใช้เวลาพอสมควรซึ่งอาจถึงวินาทีสำหรับ
สร้างระบบการระบายความร้อนเพื่อให้มั่นใจถึงความถูกต้องแม่นยำที่ระบุในข้อมูลอ้างอิง หากคุณต้องการลดเวลาที่ใช้ในการสร้างโหมดการทำงาน คุณต้องเลือกประเภทอุปกรณ์ที่ออกแบบมาเพื่อการเริ่มต้นอย่างรวดเร็ว และ
ลดทั้งโหลดคาปาซิทีฟและถังกรอง ตัวอย่างเช่น REF01 และ REF02 มีลักษณะการเริ่มต้นที่ดีมาก - เวลาในการตกตะกอนเป็น ±0.1% คือไม่เกิน 5 μs เวลาในการตั้งค่าโหมดความร้อนของ REF102 ไม่เกิน 15 μs (!)
การสร้างแหล่งกระแสที่แม่นยำ
ความต้องการแหล่งจ่ายกระแสที่แม่นยำนั้นพบได้น้อยกว่าแหล่งจ่ายแรงดันที่แม่นยำ จากมุมมองนี้ ในช่วงของผู้ผลิตหลายราย แหล่งที่มาปัจจุบันขาดหายไป (อุปกรณ์อะนาล็อก, Maxim) หรือนำเสนอเพียงเล็กน้อย - Burr-Brown - ประเภทหนึ่งที่มีลักษณะปานกลาง
(REF200). แหล่งกำเนิดกระแสที่แม่นยำมักจะสร้างขึ้นบนพื้นฐานของ ION วิธีแก้ปัญหามาตรฐานสำหรับการจ่ายไฟให้กับโหลดที่ต่อสายดิน RL ด้วยกระแสบวกจะแสดงในรูปที่ 9
แอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการ A ถูกปกคลุมไปด้วยกระแสตอบรับเชิงลบในปัจจุบันผ่านทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนาม FET และตัวต้านทาน R1 ซึ่งกำหนดขนาดของกระแสรักษาเสถียรภาพ I REF ที่จ่ายให้กับโหลด R L การใช้ทรานซิสเตอร์สนามผลเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อลดกระแสสาขาในวงจรควบคุมขององค์ประกอบการตั้งค่ากระแส (ในที่นี้คือ FET) โอกาสที่ดีอีกประการหนึ่งคือไอออนไอออนกระแสต่ำที่สร้างขึ้นบนหลักการ bandgap และ XFET แผนภาพดังกล่าวแสดงในรูปที่ 10
ขนาดของกระแส I OUT ที่ทำให้เสถียรที่จ่ายให้กับโหลดที่นี่เท่ากับผลรวมของกระแสผ่านตัวต้านทาน R ที่เชื่อมต่อกับเอาท์พุตของ ION และกระแสการบริโภคในตัวเองของ ION เนื่องจากสามารถเป็น 10...20 μA และการเปลี่ยนแปลงจากแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ระหว่างขั้วต่อ IN และ G ION มีค่าประมาณ 30 ppm/V จึงสามารถสร้างแหล่งกำเนิดกระแสที่แม่นยำบนหลักการนี้ด้วยค่าปัจจุบันอยู่แล้ว ประมาณ 1...2 มิลลิแอมป์
กรณีและการติดตั้ง
เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำและมีเสถียรภาพสูงสุด ควรคำนึงถึงความเค้นเชิงกลและความสม่ำเสมอของการกระจายอุณหภูมิในคริสตัลด้วย
ความเค้นเชิงกลเกิดขึ้นเมื่อติดตั้งคริสตัลลงในบรรจุภัณฑ์ เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิที่แตกต่างกันของการขยายตัวของคริสตัลและตัวเรือน และเป็นผลจากการถ่ายโอนการเสียรูปของแผงวงจรพิมพ์ไปยังคริสตัล เพื่อลดผลกระทบเหล่านี้ จึงมีการใช้เทคนิคทางเทคโนโลยีพิเศษ เช่น การแนะนำชั้นซิลิคอนหรือโพลีเมอร์ที่มีคุณสมบัติพิเศษในการออกแบบอุปกรณ์ เพื่อขจัดความเค้นตกค้าง ขอแนะนำว่าหลังจากได้รับไมโครวงจร ION จากซัพพลายเออร์แล้ว ให้เก็บไว้ที่อุณหภูมิ 100°C เป็นเวลาหนึ่งสัปดาห์ ความเค้นทางกลที่เกิดจากการเสียรูปของแผงวงจรพิมพ์ก็มีบทบาทสำคัญเช่นกัน ดังนั้นจึงมีการอธิบายกรณีนี้เมื่อแรงดันเอาต์พุตเปลี่ยนแปลงเนื่องจากการเสียรูปของแผงวงจรพิมพ์ 56 ppm ดังนั้น เมื่อออกแบบ สิ่งสำคัญคือต้องแน่ใจว่าการเชื่อมต่อทางกลที่ยืดหยุ่นระหว่างพื้นที่ที่ติดตั้ง ION และส่วนที่เหลือของแผงวงจรพิมพ์ อย่างน้อยที่สุด อย่าฝังหมุด IC ไว้ที่ความลึกเต็ม
ควรใช้ตัวยึดแบบยืดหยุ่นพิเศษ ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดจะเกิดขึ้นกับตัวเครื่องที่เป็นโลหะ ซึ่งไม่สร้างแรงกดเชิงกลเมื่อติดตั้งคริสตัล ตัวนำภายในแบบบางที่ต่อกับสายไฟและตัวนำนั้นแทบจะกำจัดการเชื่อมต่อทางกลกับแผงวงจรพิมพ์ และเปลือกโลหะจะเพิ่มความเฉื่อยทางความร้อนและความสม่ำเสมอของการกระจายอุณหภูมิทั่วทั้งชิป ผลลัพธ์ที่ดียังได้รับจากแพ็คเกจการติดตั้งบนพื้นผิว SO และ SOT-23
วรรณกรรม:
- Schweber B. การลงทุนในการอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าให้ผลตอบแทนมหาศาลแก่ระบบ ข่าวการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ 1998 เมษายน หน้า 23
- มาตรฐานหลักของรัฐและแผนการตรวจสอบสถานะสำหรับวิธีการวัดแรงเคลื่อนไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้า
- Fluke Corporation แค็ตตาล็อก 1997/98
- อ. โบยรินทร์, G.A. Vladimirov, T.V. มิชุก, V.N. Yaroslavsky มาตรฐานไฟฟ้าแรงสูงรุ่นใหม่ นิติบัญญัติและมาตรวิทยาประยุกต์ พ.ศ. 2538 ฉบับที่ 5
- Widlar R.J. การพัฒนาใหม่ในตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าของ IC การประชุม Solid-State ระหว่างประเทศของ IEEE, 1970, เซสชัน FAM 13.3
- อุปกรณ์อะนาล็อก คู่มืออ้างอิงสำหรับนักออกแบบ ฤดูหนาว 97/98 (ซีดี)
- Burr-Brown Corporation, แค็ตตาล็อกซีดีรอมปี 1998
- แม็กซิม โปรแกรม 1/98 (ซีดี)
- Raytheon แผนกอุปกรณ์กึ่งตัวนำอิเล็กทรอนิกส์, หนังสือข้อมูล (CD) ปี 1997
- Kester W. สัมมนาการออกแบบเชิงเส้น, Analog Devices Inc., 1995, บทที่ 8
ตารางที่ 1 ผู้ผลิตการอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าที่มีความแม่นยำ
