Spannungsreferenzen sind sehr wichtige Komponenten, anhand derer ICs Spannungswerte evaluieren. Sie ermöglichen den Abgleich analoger und digitaler Signale und tragen dazu bei, dass die Elektronik mit der „realen Welt“ interagieren kann. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die verschiedenen Typen von Spannungsreferenzen und ihre Spezifikationen.
Wichtige Referenz-Spezifikationen
Beim Entwurf eines Schaltkreises mit einer Spannungsreferenz sind einige zentrale Punkte zu berücksichtigen:
Anfangsgenauigkeit
Die meisten Referenzen bieten eine Ausgangsspannungsvarianz, die bei 25 °C gemessen wurde. Wenn dies für einen bestimmte Einheit eine Konstante ist, kann sie problemlos kalibriert werden.
Temperaturdrift
Ein wichtiger Messwert für die Berechnung der Leistung einer Spannungsreferenz ist die Temperaturdrift oder die Änderung der Ausgangsspannung bei Temperaturschwankungen. Aufgrund von Fehlern in den Schaltkreiselementen kann diese Temperaturdriftkurve nichtlinear sein. Daher werden Temperaturdriftschätzungen oft im „Box-Verfahren“ angegeben, wobei die in einem System zu erwartenden maximalen und minimalen Spannungen ohne Berücksichtigung von Temperaturschwankungen angegeben werden.
Langzeitstabilität
Dies ist ein Maß für die Tendenz einer Referenzspannung zur Änderung im Zeitverlauf, unabhängig von anderen Variablen. Es kann viele Gründe für Änderungen der Langzeitstabilität geben, darunter mechanische Belastung, Änderungen bei der Zusammensetzung der Schaltkreiselemente oder temperaturbedingte Verschlechterungen.
Thermische Hysterese
Dies ist ein Maß für Spannungsfluktuationen durch Änderungen der Gussbelastung aufgrund von Temperaturwechseln. Es ist wichtig, die Nennspannungsausgabe Ihrer Referenz über aufeinanderfolgende Temperaturwechsel hinweg zu kennen, um Ausgangsfehler korrekt berechnen zu können.
Arten von Spannungsreferenzen
Es gibt zwei Haupttypen von Spannungsreferenzen – Shunt und Serie. Shunt-Referenzen haben zwei Anschlusstypen und funktionieren für einen bestimmten Stromstärkebereich. Serie-Referenzen bestehen aus drei (oder mehr) Anschlussgeräten, die in Stromkreisen mit großen Schwankungen der Versorgungsspannung oder des Laststroms arbeiten.
Referenzschaltkreisdesign
Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten zum Design eines Spannungsreferenzschaltkreises. Jede davon bietet ihre eigenen Vor- und Nachteile.
Zener-basierte Referenzen
Referenzen des Buried Zener-Typs zeigen ein relativ einfaches Design. Eine Zener- (oder Lawinen-) Diode verfügt über eine vorhersagbare Sperrspannung, die über verschiedene Temperaturen hinweg relativ konstant und im zeitverlauf sehr konstant ist. Diese Dioden sind bei geringeren Temperaturschwankungen oft sehr störungsarm und im Zeitverlauf sehr stabil und daher gut für Anwendungen geeignet, bei denen Änderungen der Referenzspannung so gering wie möglich gehalten werden müssen.
Bandgap-Referenzen
Bandgap-Referenzen können eine große Bandbreite von Ausgangsspannungen mit geringem Zufuhr-Headroom – oft weniger als 100 mV – generieren. Sie können so konstruiert sein, dass sie sehr präzise anfängliche Ausgangsspannungen mit geringer Temperaturdrift bereitstellen, wodurch keine zeitraubende anwendungsinterne Kalibrierung erforderlich ist.
Fractional Bandgap-Referenzen
Fractional Bandgap-Referenzen sind Referenzen, die auf den Temperatureigenschaften von Bipolar-Transistoren basieren, jedoch mit Ausgangsspannungen, die nur wenige Millivolt groß sein können. Diese sind nützlich für Schaltkreise mit sehr niedriger Spannung, besonders in Komparator-Anwendungen, bei denen der Schwellenwert unter einem konventionellen Bandgap-Spannungswert (ca. 1,2 V) liegen muss.
Auswahl einer Referenz
Berücksichtigen Sie bei der Auswahl einer Referenz für Ihr nächstes Design die folgenden Punkte:
● Ist die Versorgungsspannung sehr hoch? Wählen Sie eine Shunt-Referenz.
● Weist die Versorgungsspannung oder der Laststrom große Abweichungen auf? Wählen Sie eine Serie-Referenz.
● Ist hohe Leistungseffizienz erforderlich? Wählen Sie eine Serie-Referenz.
● Schätzen Sie den Temperaturbereich der realen Umgebung ein.
● Seien Sie bei der benötigten Genauigkeit realistisch.
● Wie ist der reale Zufuhrbereich? Wie hoch ist die maximale erwartete Versorgungsspannung? Sind Fehlerzustände zu erwarten wie Batterie-Load Dump oder induktive Hot-Swap-Zufuhrspitzen, denen der Referenzschaltkreis widerstehen muss?
● Wie viel Strom kann die Referenz verbrauchen?
● Wie viel Laststrom? Zieht die Last ausreichend Strom, oder produziert sie Strom, den die Referenz abführen muss?
● Wie viel Platz haben Sie?