XFET™リファレンス

アナログ信号がデジタル数値を表す（または表す）には、スケールを変換するための基準、通常は電圧が必要です。 したがって、A / Dコンバータは、リファレンス電圧に対するアナログ信号の比率に比例するデジタル数値を生成します。 D / Aコンバータは、リファレンスによって確立されたフルスケールの電圧または電流の一部である出力を生成します。 基準信号に+ 1％の誤差が発生すると、比例システム誤差が発生します。DACのアナログ出力は1％増加し、ADCのデジタル出力は1％減少します。 絶対測定が必要なシステムでは、システムの精度はリファレンスの精度に大きく依存します。 高解像度のデータ取得システム、特に広い温度範囲で動作する必要のあるシステムでは、安定性の高いリファレンスが必須です。 コンバータの精度は、温度感度とその電圧リファレンスの長期ドリフトによって制限されます。 電圧リファレンスが最下位ビットの1/2（1 LSB =フルスケールの2-n）に相当するエラーの原因となることが許容される場合、リファレンスがどれだけ優れている必要があるかを確認するのは驚くべきことです。小さな温度エクスカーション。 また、温度変化が大きい場合、リファレンスデザインが大きな問題になります。 たとえば、自動校正された真の16ビットA / DコンバータのLSBは、フルスケールで15.2パーツパーミリオン（ppm）です。 ADCの絶対精度を16ビットにするには、動作温度範囲全体にわたる電圧リファレンスエラーが1/2 LSB、つまり7.6ppm以下である必要があります。 リファレンスドリフトが1ppm /°Cの場合、（他のすべてのエラーソースを無視して）真の7.6ビット精度を維持するために、合計温度スイングは16°Cを超えてはなりません。 見過ごされがちなもう1つのエラーの原因は、リファレンスノイズです。 低精度（通常は4/XNUMX LSB未満）に保つことは、高精度にとって重要です。 リファレンスの温度係数の非線形性と大きな熱ヒステリシスは、システム全体の精度に大きな影響を与える可能性のある他のエラーの原因です。 参考資料の種類ツェナー*ダイオード：デバイス表面のベース-エミッタ接合の逆ブレークダウンによって生成される温度補償ツェナーダイオードは、長年にわたって広く使用されています。 ツェナーは、特により高い電源電圧から得られる定電流を提供できる回路で使用される場合、定電圧降下があります。 ツェナーは、約6Vから200V、許容誤差1.0％から20％、電力損失が40ワットの何分の50からXNUMXまたはXNUMX Wまで、幅広い電圧オプションで利用できます。 ただし、多くの欠点があります。 多くの場合、低出力インピーダンスを得るために追加の回路が必要であり、低コストのデバイスの電圧耐性は一般に劣っています。 それらはノイズが多く、電流と温度の変化に非常に敏感であり、時間とともに変化する可能性があります。 埋め込みまたは表面下のツェナーは、正確なICデバイスの推奨リファレンスソースです。 表面下のツェナーリファレンスでは、逆方向のブレークダウン領域は保護拡散で覆われており、表面に見られる不純物、機械的応力、および結晶の欠陥を十分に下回っています。 これらの影響はノイズと長期的な不安定性の原因となるため、埋め込みブレークダウンダイオードは表面ツェナーよりもノイズが少なく安定しています。 ただし、少なくとも6 Vの電源が必要であり、ノイズを実用的なレベルに保つには数百マイクロアンペアを消費する必要があります。 *注：リファレンスダイオードは、ツェナーとアバランシェのXNUMX種類のブレークダウン現象を使用できます。 ほとんどのリファレンスダイオードは高電圧アバランシェモードを採用していますが、すべて「ツェナー」ダイオードと呼ばれるようになりました。 バンドギャップ：電圧リファレンスのもう2つの一般的な設計手法では、バンドギャップの原理を使用します。シリコントランジスタのVbeの負の温度係数は約1.2 mV /°Cであり、絶対零度（シリコンのバンドギャップ電圧）で約XNUMXVに外挿できます。 。 異なる電流密度で動作する整合トランジスタ間のベース-エミッタ間電圧の差は、絶対温度（PTAT）に比例します。 この電圧は、負の温度係数を持つVbeに追加され、一定のバンドギャップ電圧を実現します。 この温度不変電圧は、シャント接続（AD1580）の「低電圧ツェナーダイオード」として使用できます。 多くの場合、2.5Vや5Vなどの標準電圧値を生成するために増幅およびバッファリングされます。 バンドギャップ電圧リファレンスは、導入以来高度に改良されており、広く使用されています。 それでも、今日の多くの電子システムで要求される精度に欠けています。 実用的なバンドギャップリファレンスは、優れたノイズ性能については言及されておらず、かなりの温度ヒステリシスを示し、少なくともXNUMXつのオンチップ抵抗の絶対値に依存する長期安定性を備えています。 新しい原理--XFET™：5 V電源を使用するシステムの急増と、3ボルト以下での動作の必要性の高まりに伴い、ICおよびシステムの設計者は、はるか下の電源レールから動作できる高性能電圧リファレンスを必要としています。埋め込みツェナーダイオードに必要な> 6V。 このようなデバイスは、低電力動作と低ノイズおよび低ドリフトを組み合わせる必要があります。 また、線形温度係数、良好な長期安定性、および低い熱ヒステリシスも望ましい。 これらのニーズを満たすために、この非常に望まれる電圧リファレンスを提供する新しいリファレンスアーキテクチャが作成されました。 XFET™（eXtra埋め込みFET）と呼ばれるこの技術は、低い供給電流を必要とする低ノイズのリファレンスを生成し、低い熱ヒステリシスで温度係数の直線性を改善します。 XFETリファレンスのコアはXNUMXつの接合電界効果トランジスタで構成されており、そのうちのXNUMXつにはピンチオフ電圧を上げるための追加のチャネル注入があります。 両方のJFETが同じドレイン電流で動作している場合、ピンチオフ電圧の差が増幅され、非常に安定した電圧リファレンスを形成するために使用されます。 固有の基準電圧は約500mVで、負の温度係数は約120 ppm / Kです。 この勾配は本質的にシリコンの誘電率に固定されており、バンドギャップ基準を補正するために使用される絶対温度に比例する（PTAT）項と同じ方法で生成される補正項を追加することによって厳密に補正されます。 ただし、XFETの固有温度係数はバンドギャップの約XNUMX分のXNUMXです。 その結果、必要な修正ははるかに少なくなります。 バンドギャップリファレンスのノイズのほとんどは温度補償回路から発生するため、これによりノイズが大幅に減少する傾向があります。 温度補正項は、正で絶対温度に比例する電流IPTATによって提供されます（図1）。 図1。 ADR29xリファレンスの簡略化された概略図。 ADR29xシリーズは、XFETアーキテクチャに基づいて成長しているリファレンスファミリの最初のものです。 これらは2.7〜15 Vの電源レールで動作し、わずか12 µAを消費します。 出力電圧オプションには、2.048 V（ADR290）、2.5 V（ADR291）、4.096 V（ADR292）、および5 V（ADR293）が含まれます。 新技術の成果：XFET回路トポロジーには、ほとんどのバンドギャップおよびツェナーリファレンスに比べて大きな利点があります。 同じ電流で動作する場合、0.1〜10 Hzの周波数でのXFETリファレンスからのピークツーピークノイズ電圧は、通常、バンドギャップの場合の3分の192です（REF291とADRXNUMXの比較を参照）。 あるいは、同等のピークツーピークノイズ性能を提供するために、バンドギャップリファレンスはXFETリファレンスの供給電流の通常20倍で動作する必要があります（ADR291対。 AD680）。 XFETリファレンスは、拡張された産業用動作温度範囲にわたって非常にフラットまたは線形の温度係数を持っています。 最良のバンドギャップおよびツェナー電圧リファレンスは、通常、極端な温度で非線形の温度係数を持ちます。 これらの非線形性は部品ごとに一貫していないため、単純なROM /ソフトウェアルックアップテーブルを温度係数補正に使用することはできません。 温度係数の直線性は、DVMアプリケーションにとって非常に重要な仕様です。 XFETのもうXNUMXつの大きな利点は、その優れた長期安定性です。 そのドリフトはバンドギャップリファレンスのXNUMX分のXNUMX未満であり、ツェナーリファレンスのドリフトに匹敵します（表を参照）。 表1。 ツェナー、バンドギャップ、およびXFETリファレンスの比較パラメータADR291 AD586 AD680 REF192リファレンストポロジXFET埋め込みツェナーバンドギャップバンドギャップ供給電圧（V）+3.0 +15.0 +5.0 +3.3電圧出力（V）2.5 5 2.5 2.5初期精度（mV）* max ±2±2±5±2温度係数（ppm /°C）*最大8（-25〜 + 85）2（0〜 + 70）20（-40〜 + 85）5（-40〜 + 85）ノイズ電圧0.1〜10 Hz（µV pp）8 4 10 25静止電流（µA）max、25°C12 3000 250ラインレギュレーション（ppm / V）*、最大45 100 100負荷レギュレーション（ppm / mA）* max 40 4動作温度範囲（°C）-100〜 + 100 -100〜 + 10 -40〜 + 125 -40〜 + 85 *トップグレード静止電流が低いにもかかわらず、ADR40xファミリは85 mA〜低ドロップアウトPNP出力段からの負荷。 また、出力デカップリングコンデンサは必要ありません。 XFET設計の熱ヒステリシスは、バンドギャップよりもはるかに優れています。 製造装置は、200ケルビンの熱衝撃を受けた場合、約100 µVの回復可能で非累積的なシフトを示します。 同等のバンドギャップで500〜1000 µVのシフト。 精度、安定性、および低電力を必要とするポータブルシステムでADI独自のXFETアーキテクチャによって提供される全体的なパフォーマンスの利点は、既存のバンドギャップまたはツェナーリファレンスでは比類のないものです。 アプリケーション-電流源：ADR29xシリーズは、負のリファレンスや、ケルビンフィードバック接続を備えた外部低静止レールツーレールアンプを使用した「強化された」精密レギュレータなど、多くの低電力、低電圧の精密リファレンスアプリケーションに役立ちます。 低くて鈍感な静止電流（温度に対して約12±2 µA）により、ADR29xファミリのメンバーは、低い電源電圧で動作する高精度の電流源として機能できます。 図2は、接地負荷のあるフローティング電流源の基本的な接続を示しています。 精密に安定化された出力電圧により、（VOUT / RSET）の電流がRSETを流れます。これは、固定および調整可能な外部抵抗の合計です。 この電流<5mAは、静止電流に追加され、RLを流れる負荷電流を形成します。 したがって、12 µAから5 mAまでの予測可能な電流を、負荷に流れるようにプログラムすることができます。 図2。

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