Referenssijännitelähde

Referenssijännitteen (ION) lähde tai generaattori on peruselektroniikkakokoonpano, joka ylläpitää erittäin vakaata tasajännitettä ulostulossaan . IONeja käytetään stabiloitujen teholähteiden lähtöjännitteen, digitaali-analogia- ja analogia-digitaalimuuntimien asteikkojen, analogisten ja digitaalisten integroitujen piirien ja järjestelmien toimintatilojen asettamiseen sekä mittauslaitteiden jännitestandardeina. Näiden laitteiden mittaustarkkuuden, muuntamisen ja stabiilisuuden määräävät niissä käytetyn ION:n tarkkuusparametrit.

Tarkimmat jännitelähteet ovat Josephson -ilmiöön perustuvat kryogeeniset laboratoriostandardit . Vuodesta 1976 1990-luvun loppuun sarjatarkkuusionien markkinoita hallitsivat piilorakenteen omaavat zener-diodeihin perustuvat laitteet , joiden parhaat näytteet lähestyivät tarkkuusparametreiltaan normaalia Weston-elementtiä . 2000-luvulla kaksinapaisiin transistoreihin perustuvat superkaistaväliset IONit , kenttätransistorien differentiaalipareihin perustuvat XFET-tyyppiset IONit ja kelluviin hilatransistoreihin perustuvat FGA-tyyppiset IONit saavuttivat vertailukelpoisen tason tarkkuudessa ja vakaudessa . Laitteissa, joilla on suhteellisen alhaiset vaatimukset vertailujännitteen tarkkuudelle ja stabiiliudelle, käytetään halpoja integroituja bandgap-tyyppisiä IONeja ja tavanomaisia ​​zener-diodeja erillisessä tai integroidussa rakenteessa.

Historiallinen ääriviiva

Ennen integroitujen piirien keksintöä

Tyhjiöputkien aikakaudella radiolaitteiden suunnittelijoiden käytettävissä oli kahdenlaisia ​​vertailujännitelähteitä: kaasupurkauszener-diodit ja kemialliset jännitelähteet (paristot ja kertakäyttöiset galvaaniset kennot) [1] . Elohopea - sinkki Clark-kennoilla 1,434 V:lla ja elohopea- kadmium - normaaleilla Weston-kennoilla 1,019 V: lla oli paras alkujännitetarkkuus [2] . Massiivisia ja samalla hauraita, jotka eivät salli iskuja ja tärinää, myrkyllisillä aineilla täytettyjä Weston-kennoja käytettiin yksinomaan laboratorio-olosuhteissa, ja vähemmän tarkkoja, mutta halpoja ja suhteellisen turvallisia suljettuja galvaanisia kennoja ja akkuja käytettiin sarjaradiolaitteissa [ 3] . Elohopea-sinkkikennot , joiden jännite oli 1,35 V ja joita käytettiin toisen maailmansodan aikana , pystyivät syöttämään useiden mA virtaa yli tuhat tuntia, mutta niiden tarkkuus ja stabiilisuus olivat huonompia kuin laboratoriojännitestandardit [4] . Jännitteiden asettamiseen 80 V - 1 kV käytettiin inertillä kaasulla täytettyjä hehkupurkauszener-diodeja ja 400 V - 30 kV jännitteissä vedyllä täytettyjä koronapurkauszener-diodeja . Kaasu-zener-diodien laitteet eivät vaatineet säännöllistä huoltoa, mutta niiden poikkeama nimellisjännitteestä oli ± 5 % [5] .

Vuonna 1953 Clarence Zener keksi puolijohde- zener-diodin tai "Zener-diodin" - puolijohdediodin , joka toimii käänteisessä käänteisessä häiriötilassa ja ylläpitää vakiojännitettä liittimissään laajalla virtojen ja lämpötilojen alueella [6] . "Tavallisten" zener-diodien tarkkuus- ja kohinaindikaattorit ilman suunnittelua ja teknisiä parannuksia olivat ja ovat edelleen keskinkertaisia ​​[7] . 1960-luvulla tehdyt tutkimukset osoittivat, että paras suorituskyky on ominaista zener-diodeille, joiden käänteinen läpilyöntijännite on noin 6 V [7] . Vielä tarkempi oli 5,6 V zener- diodin ja piidiodin pari [7] tai useita sen kanssa sarjaan kytkettyjä diodeja [8] eteenpäin . Tällaisten laitteiden lämpötilakerroin jännite (TKV) saavutti tason 10 ppm / ° C, mikä tyydytti täysin noiden vuosien suunnittelijoita [7] . Termisesti kompensoitujen zener-diodien stabilointijännitettä ei kuitenkaan voida alentaa alle ~7 V, eikä virtaa saada pienennettyä alle muutaman mA:n, mikä vaikeutti niiden käyttöä pienjännite- ja mikroteholaitteissa ja korkea hinta johtui pitkäaikainen tehdassähkölämpökoulutus esti niiden käytön massalaitteissa [ 7] .

Vuonna 1962 22-vuotias Cambridgen opiskelija Brian Josephson ennusti mahdollisuuden luoda tarkkuusjännitestandardi suprajohtaville koskettimille [9] . Vuonna 1968 aloitettiin Josephson-liitosten käytännön tutkimukset, vuosina 1971-1972 Australian , Ison-Britannian , Kanadan , USA :n ja Saksan kansalliset metrologiset laitokset suorittivat näiden laitteiden vastatarkastuksia, heinäkuussa 1972 Yhdysvaltain metrologinen palvelu teki standardin Josephsonille. liitoksista kansallinen standardi, ja tammikuussa 1990 siitä tuli maailmanstandardi [9] . Josephson-standardi, jonka suhteellinen virhe on 5 · 10 -9  , on stabiilin ja tarkin jännitelähde, mutta se vaatii jäähdytystä nestemäisellä heliumilla ja on siksi käyttökelpoinen vain laboratorio-olosuhteissa [8] [2] .

Klassiset integroidut ION:t

Vuonna 1966 National Semiconductor toi markkinoille Bob Widlarin suunnitteleman LM100: n, ensimmäisen integroidun jännitesäätimen. Vertailujännite LM100 asetettiin tasomaisella zener-diodilla, joka oli muodostettu suoraan siruun. Vuoden 1970 alussa Widlar toi markkinoille ensimmäisen kolminapaisen integroidun säätimen, LM109:n. Tässä mikropiirissä käytettiin ensin Widlarin keksimää kolmen transistorin kaistaväliä  - jännitelähdettä, joka on suunnilleen yhtä suuri kuin bandgap leveys [10] . Vuotta myöhemmin National Semiconductor julkaisi Widlarin ja Bob Dobkinin kehittämän LM113:n, kaksinapaisen 1,220 V bandgap IC:n, jonka TCH ei ylitä 100 ppm/°C [10] . Vuonna 1974 Paul Brokaw keksi erilaisen, kahden transistorin bandgap-topologian, joka tarjosi huomattavasti paremman viitetarkkuuden ja valloitti siten markkinat. Widlar jatkoi kehitystä ja ehdotti vuosina 1976-1977 uusien topologioiden perhettä, jonka pohjalta rakennettiin ensimmäinen osakaistaväli - tarkkuus-ION jännitteelle, joka on huomattavasti pienempi kuin kaistaväli (200 mV - LM10, 1977).

1970-luvun alussa teollisuus ei vielä tarvinnut erittäin vakaita, tarkkoja referenssejä. Niiden kysyntä syntyi vuosikymmenen puolivälissä, kun ensimmäisten integroitujen digitaali-analogia- ja analogia-digitaalimuuntimien tuotanto alkoi [11] . Zener-diodit eivätkä ensimmäisen sukupolven kaistavälit eivät täyttäneet DAC:n ja ADC:n suunnittelijoiden vaatimuksia lämpötilan ajautumisesta. Huomattavasti tarkempi laite, piilorakenteen zener-diodi (SSS), julkaistiin ensimmäisen kerran erillisenä versiona vuonna 1974, ja vuonna 1976 National Semiconductor julkaisi Dobkinin kehittämän LM199:n - ensimmäisen integroidun SSS:n 6,95 V jännitteellä [12] (neuvostoliitto ). analogi on 2S483 [13] ). Sisäänrakennetun termostaatin ja virtavahvistimen ansiosta uudella mikropiirillä oli taattu maksimi TCH 1 ppm/°C ja tyypillinen TCH 0,3 ppm/°C äänitaajuusalueella enintään 7 μV. rms [14] . LM199:n julkaisun myötä ION-piirit jaettiin kahteen haaraan: kalliit integroidut ION-piirit CCC:ssä kriittisimmille tehtäville (ADC:iden mittaus, jännitestandardit) ja halvat, mutta vähemmän tarkat kaistavälit kaikille muille (jännitteen stabilisaattorit, teho toimitusmonitorit). Dobkinin kehittämä LTZ1000, joka tuli markkinoille vuonna 1987, on tähän päivään asti tarkin integroitu sarjareferenssi, ja sitä käytetään tarkimmissa solid-state-laboratoriostandardeissa. Niiden valmistaja Fluke väittää ajallisen epävakauden olevan 1 ppm/vuosi ja SV:tä 0,1 ppm/°C [15] [8] [16] . Tässä on otettava huomioon, että LTZ1000:n lähtöjännitteen absoluuttinen arvo määritetään vain likimääräisesti, ja vain mittaus tarkemmilla (ensisijaisilla) laitteilla ja mittausarvon ilmoittaminen tietyn tuotteen passissa tekee. se on vertailutyökalu, jolla on vaaditut metrologiset ominaisuudet. Katso esimerkiksi taulukko. 8 artiklassa [17] . Tällä tavalla tämä ION eroaa vähemmän tarkasta, mutta käyttötarkoituksensa suhteen kuitenkin ensisijaisesta LTC6655-sarjan ION:ista jne., jossa tuloksena oleva jännite ja sen epävarmuus on ilmoitettu teknisessä dokumentaatiossa.

Viimeisin kehitys

1980- ja 1990-luvuilla piirien, tekniikan ja laservirityksen käyttöönoton myötä kavennetaan laadullista kuilua näiden kahden tyyppisten laitteiden välillä [18] . 2000-luvun alussa markkinoille tulivat "super bandgapit", uuden sukupolven bandgapit erinomaisella alkutarkkuudella ja alhaisella melutasolla [19] . Vuoteen 2005 mennessä "superbandgapit" olivat yhtä suuret yksittäisten tarkkuusindikaattoreiden osalta CCC:n kanssa, mutta ne eivät voineet ylittää niitä indikaattoreiden kokonaismäärän osalta [19] .

Vuonna 1997 Analog Devices toi markkinoille täysin uudentyyppisen ION:n XFET- tavaramerkillä [20] . Tällaisten laitteiden piirit muistuttavat Brokaw-kaistaväliä, jossa bipolaaritransistorit korvataan kenttätransistoreilla . Kuitenkin samanlaisella topologialla XFET käyttää täysin erilaista toimintaperiaatetta - piin dielektrisyysvakion epäsuoraa mittausta kenttätransistorin kanavassa . Tämä indikaattori, kuten jännite pn-liitoksessa, laskee lämpötilan noustessa, mutta se on ennakoitavampi ja sen TKV on vakaampi kuin pn-liitoksen TKV todellisessa piirissä. Analog Devices alkoi kehittää uusia laitteita voittaakseen sekä bandgap- että haudattujen zener-diodien perustavanlaatuiset rajoitukset, ja projekti oli kaiken kaikkiaan menestys. 2. ja 3. sukupolven XFET TCR (3 ppm/°C) on edelleen huomattavasti huonompi kuin paras Zener RC TCR, mutta sillä on parempi, lähes lineaarinen jännite vs. lämpötila -muoto, vähemmän kohinaa, vähemmän aikapoikkeamaa ja silti XFET paljon halvempi [21] [8] .

Vuonna 2003 Xicor (vuodesta 2004 Intersilin divisioona ) julkaisi toisen täysin uudentyyppisen ION:n nimeltä FGA [22] . Näiden laitteiden toimintaperiaate sekä haihtumattoman muistin mikropiirien toimintaperiaate perustuu varauksen pitkäaikaiseen varastointiin kenttätransistorin eristetylle portille . FGA kirjaimellisesti "muistaa" analogisen jännitteen, "tallennettuna" CMOS - rakenteen syvyyksiin [22] . Ensimmäisen sukupolven FGA:n taattu "muistin" käyttöikä oli kymmenen vuotta, ja tarkkuusparametrit olivat verrattavissa parhaimpiin kaistanvälisiin pienemmällä syöttövirralla (alle 0,8 μA muistisolua kohti puskurivahvistimella) [22] .

Näin ollen 2000-luvun alussa kilpaili markkinoilla neljä erityyppistä tarkkuusintegroitua referenssireferenssiä: piilorakenteinen zenerdiodi, superbandgap, XFET, FGA. Vuoteen 2005 mennessä psykologisesti tärkeä virstanpylväs - TKN 1 ppm/°C - ohitettiin useilla CCC-pohjaisilla IC:illä, useilla superkaistavälillä ja viiden voltin versiolla ensimmäisen sukupolven FGA:sta [22] (ei julkaistu vuonna 2012 [23] ) . . Vain Yhdysvalloissa Advanced Linear Devices , Analog Devices , Fairchild Semiconductor , Intersil , Linear Technology , Maxim Integrated Products , Microchip Technology , Microsemi , National Semiconductor , ON tech Semiconductor , S, ON tech Philips , massatuottaa omaa suunnitteluaan tarkkuusioneja . Texas Instruments (joka absorboi Burr-Brownin ) ja Apex Microtechnology (sirujen valmistaja, jonka on kehittänyt lakkautettu Thaler Corporation ) [24] .

Sovellukset

Tunnusluvut

Tunnetun jännitteen ION-muodostuksen päätehtävä - määrittää sen pääominaisuudet: " tarkkuuden " ja " stabiilisuuden " [25] . Nämä käsitteet, samoin kuin käsitteet " virheet ", " ryömintä " ja " melu ", määritellään eri toimialoilla: metrologit , mittauslaitteiden suunnittelijat ja tavanomaisten, ei-tarkkuuselektronisten laitteiden suunnittelijat esittävät samanlaisia, mutta eivät vastaa ION:n vaatimuksia [26] . Venäjän federaatiossa ei ole valtion standardeja , jotka määrittävät referenssijännitelähteiden indikaattorit. Kahden lähdön integraaliseen ION:iin (zener-diodien analogit) voidaan soveltaa diskreeteille zener-diodeille kehitettyjä standardeja, kolmiulotteiselle IONille - lineaaristen jännitteen stabilaattoreiden standardeja. Jännitteen stabilaattorien indikaattorisarjat GOST 19480-89 "Integroidut mikropiirit. Sähköparametrien termit, määritelmät ja kirjainmerkinnät" ja GOST R 52907-2008 "Virtalähteet. Termit ja määritelmät eroavat toisistaan ​​erityisesti leikkaavan, mutta ei identtisen, lähtöjännitteen poikkeaman [27] (GOST 19480-89) ja pitkäaikaisen epävakauden (GOST R 52907-2008) [28] määritelmissä .

Integroitujen RP:iden, joista useimmat ovat yhdysvaltalaisten yritysten kehittämiä, tekninen dokumentaatio on koottu juuri amerikkalaisella teollisuudella kehitettyjen standardien mukaan. Täydellisin ION-ominaisuuksien sarja heijastaa tarkkuus-ADC:iden suunnittelijoiden tarpeita, ja tärkeimmät indikaattorit niille ovat tärkeysjärjestyksessä alenevassa järjestyksessä: referenssijännitteen alkuhajaantuminen (referenssijännitteen alkupoikkeama nimellisarvosta) , referenssijännitteen lämpötilakerroin ja sen pitkäaikainen ryömintä ("epävakaus pitkäaikaisessa sisällyttämisessä" GOST R 52907-2008 [28] mukaan ) [29] . Mitä vähemmän tiukat vaatimukset asetetaan ION:n tarkkuudelle, sitä kapeampi on normalisoitujen indikaattoreiden joukko. Edullisissa jännitteen stabilaattoreissa ainoa tarkkuusindikaattori voidaan normalisoida - alkuhajotus [30] tai lähtöjännitteen muutosten sallittu alue (ylä- ja alarajat). Se on viimeinen vaihtoehto (arvoalue), jonka GOST 19480-89:n [31] kääntäjät ovat ottaneet perustana .

Ensimmäinen leviäminen

Lähtöjännitteen alkuhajotus määritellään ION-lähdön tasajännitteen maksimipoikkeamaksi nimellisjännitteestä, kun IC käynnistetään ensimmäisen kerran. Alkulevitys mitataan yleensä normaalilämpötilassa (+25°C) ja valmistajan nimellistulojännitteellä ja lähtövirralla. Zener-diodien aloitushajotus voi olla 5 % nimellisarvosta, integraalisten IONien kohdalla se vaihtelee ±1 %:sta (huonoin tarkkuus) ±0,01 %:iin tai ±100 ppm:iin [30] . Alkuleveys, ellei dokumentaatiossa toisin mainita, ei sisällä sallittua jännitepoikkeamaa, joka tapahtuu, kun siru juotetaan levyyn .

Jännitteen lämpötilakerroin

TKN suppeassa merkityksessä on differentiaali -indikaattori, joka on yhtä suuri kuin lähtöjännitteen suhteellisen muutoksen suhde sen aiheuttaneeseen ympäristön lämpötilan pieneen muutokseen kaikkien muiden asioiden ollessa sama [30] . Integroitujen ION:ien dokumentaatiossa tämä parametri on yleensä määritelty eri tavalla, "suorakulmiomenetelmällä": TKN on valmistajan takaaman suurimman ja vähimmäislähtöjännitteen välisen eron suhde kaikille käyttölämpötiloille nimellistulojännitteellä ja lähtövirta, käyttölämpötila-alueen leveydelle: [32]

[32]

Tällä tavalla määritetty integraaliindikaattori soveltuu vain käyttölämpötilojen reunojen rajoittavan jännityssiirtymän arvioimiseen, eikä sitä suositella käytettäväksi pienemmillä lämpötilaväleillä [33] . Tosiasia on, että riippuvuus lähellä lineaarista on ominaista vain XFET- ja FGA-tyyppien tarkkuuslaitteille sekä yksinkertaisille bandgapeille, jotka poikkeavat merkittävästi lasketusta "kohdistamisesta" ja joita ei ole hienosäädetty. Oikealla ”kohdistuksella” tai sen yksilöllisellä säädöllä yksinkertaisille bandgapsille ja zener-diodi-ION:ille on tunnusomaista parabolinen ominaisuus, kaistavälit ja zener-diodi-IONit, joissa on epälineaarisuuden korjauspiirejä, ovat S-muotoisia (paraabeli, jossa on katkaisukumpu) [33] . ] . Tällaisen kaarevan ominaisuuden differentiaalinen TKN voi poiketa merkittävästi integraaliindikaattorista [33] .

Kaikentyyppisten halpojen kaupallisten integroitujen IONien TKN on rajoitettu arvoon 10 ppm/°C [34] . Kaistavälien ja zener-diodi-IONien TCH:n alentaminen alle 5 ppm/°C:n tasolle edellyttää teknologian kustannusten huomattavaa nousua, ja sarjatuotteiden taatun TCH:n käytännön raja on 1 ppm/°C [34 ] . Pienemmät TKN-arvot ovat mahdollisia vain erillisissä supertarkkuusionien sarjoissa Zener-diodeissa, joissa on piilokerros (Thaler VRE3050J - 0,6 ppm/°C alueella −40 ... +85 °C [35] ) .

TCH:n lisävähennys on mahdollista vain IONin lämpöstabiloinnilla , mikä kaventaa kiteen lämpötilan muutosalueen muutamaan asteeseen tai asteen murto-osaan. Ensimmäinen integroitu ION, jossa oli sisäänrakennettu kierukkamainen kidelämmitin ja lämpötilansäädin, LM199, saavutti jo vuonna 1976 TKH-tason 1 ppm/°C tyypillisellä arvolla 0,3 ppm/°C [14] . Vuodesta 1987 valmistetun LTZ1000-sarjan piilokerroszener-diodin sisäänrakennettu lämmittimellä on taattu maksimi TKN 0,05 ppm/°C [36] . LM199:ssä kiteen lämpötila on stabiloitu +86 °C:seen [37] , mutta Fluken mukaan tällaiset korkeat lämpötilat eivät ole optimaalisia: käyttölämpötilan laskeminen +50 °C:een vähentää zener-diodin pitkäaikaista ajautumista. puoleen. Fluke väittää, että sen LTZ1000-pohjaisten laboratoriostandardien taataan olevan alle 1 ppm vuodessa [16] .

IONin luontaisen epävakauden lisäksi ION-laitteen sähköjohtojen ja johdotusjohtimien erilaisten metallien liittämisellä muodostuneet loislämpöparit vaikuttavat myös vertailujännitevirheeseen . Eri liittimien välisellä lämpötilaerolla loislämpötilojen EMF lisätään ION:n sisäiseen jännitteeseen tai vähennetään siitä. Joten paikoissa, joissa mikropiirijohdot juotetaan painettuun piirilevyyn, voi muodostua lämpöpareja, jotka aiheuttavat lisävirheen, jonka arvo riippuu juotteiden välisestä lämpötilaerosta. Näiden kompensoimattomien termoparien synnyttämä epävakaus on merkittävintä ION:ille metallikoteloissa, joissa on salakavalat johtimet. Sitä ei yleensä mainita TKN ION:n passin tiedoissa [38] .

.

Drift and noise

Venäläiset GOST-standardit eivät aseta tarkkaa rajaa ajautumisen ("suurin jännitteen muutoksen arvo integroidun piirin lähdössä tietyn ajanjakson aikana, jos muita epävakauttavia tekijöitä ei ole" [27] ) ja kohinan ("jännite integroidun piirin ulostulo tietyllä taajuuskaistalla sisääntulojännitteellä, joka on yhtä suuri kuin nolla" [39] ) integroidun ION:n. IC-dokumentaatiossa raja ajautumisen ja kohinan välille on piirretty 0,1 Hz:n taajuudella [40] .

Pitkä drift

ION:n pitkäaikaiskäytössä havaitaan kahta erilaista ryömintä: lyhytaikainen ryömintä - lähtöjännitteen satunnaisia ​​poikkeamia taajuusspektrin ollessa alle 0,1 Hz ja pitkäaikainen ryömintä, yleensä systemaattisena nousuna tai vertailujännitteen lasku satojen ja tuhansien tuntien välein [41] . Pitkäaikaisen ajautumisen suhteellinen nopeus, joka määritellään standardissa GOST R 52907-2008 "osittaiseksi epävakaudeksi pitkäaikaisen käytön aikana" [28] ,  on IONin epävakauden kolmanneksi tärkein komponentti [41] .

Ajan myötä pitkä ryömintänopeus pienenee ja lähtöjännite tasaantuu. Valmistajat määrittelevät tavallisesti suurimman sallitun poikkeaman ensimmäisen 1000 käyttötunnin aikana ilmaistuna ppm :nä tuhatta tuntia kohden (ppm/1000h, ppm/kHr). Alhaisimmat ryömintänopeudet, 5 - 10 ppm per 1000 tuntia, ovat ominaisia ​​RC:lle Zener-diodeissa, joissa on piilorakenne, ja RC:lle kelluvaporttitransistoreissa. Tämän ajanjakson jälkeen ajautumisen nopeutta ja suuntaa ei yleensä ole standardoitu. Lineaaritekniikan dokumentaatio julistaa, että ryömintänopeus pienenee eksponentiaalisesti, kun taas toisen tuhannen tunnin drift-arvo on noin kolme kertaa pienempi kuin ensimmäisen tuhannen tunnin aikana ja niin edelleen [42] . Intersilin dokumentaatio normalisoi ryöminnän absoluuttisen arvon mikropiirin koko elinkaaren ajalta, ja ensimmäisen tuhannen tunnin ryömintä on annettu viitteeksi [43] .

Drift-mittaus on ei-triviaali tehtävä, joka vaatii erityisen vakaat mittauslaitteet ja mittaustelineen pitkäaikaisen lämpötilan hallinnan. Bob Pease muistutti, että LM199:n ensimmäisenä vuonna "...käytimme loistavaa [tuohon aikaan] kuusinumeroista DMM: ää ... ja kävi ilmi, että kaikki testaamamme sirut ajautuivat tahdissa. Myös muun tyyppiset ohjaus-IONit [galvaanikennot, bandgapit, zener-diodit] ajautuivat synkronisesti [LM199-näytteiden kanssa]. DMM:n sisällä oleva ION oli syyllinen." [44]

Ei ole yksimielisyyttä siitä, voidaanko ajautuminen vakauttaa nopeutetulla sähkölämpökoulutuksella . Linden Harrison huomauttaa, että kokeneet suunnittelijat harjoittelevat lastuja 125 °C:ssa viikon ajan ennen juottamista levyyn, sillä he odottavat, että " hehkutus " lievittää siruun kertynyttä mekaanista rasitusta [41] . Bob Pease suositteli "sisäänajoa ja lämpöpyöräilyä" saavuttaakseen ajelehtimisen tasangon, mutta myös hylätäkseen epävakaita näytteitä [45] . Lineaarisen teknologian insinööri John Wright väittää, että Arrhenius-yhtälö ei päde siruharjoitteluun, ja nopeutettu "ajautuman stabilointi" on mahdotonta. Wrightin mukaan koulutus on järkevää vain valmiin piirilevyn tasolla [46] .

Melu

Tarkkuusionien kohina normalisoidaan yleensä kahdella taajuusalueella: 0,1-10 Hz ja 10-1000 Hz [40] . Melunsuodatus aktiivisilla tai passiivisilla RC-suodattimilla on käytettävissä vain ylemmällä alueella. Alle 10 Hz:n taajuuksilla suodatinkondensaattorien lasketut kapasitanssit ja niiden myötä odotetut vuotovirrat näiden kondensaattorien läpi kasvavat niin paljon, että vuotovirtojen "osuus" IONin epävakaudesta ylittää suodatuksesta saatavat hyödyt .

Kohinajännite mainitaan yleensä huipusta huippuun -kohinajännitteeksi [40] . RMS-kohinajännite on noin 6 kertaa pienempi kuin tämä arvo:

[40]

"Supertarkkojen" IONien kohinajännitteen heilahtelu 0,1–10 Hz:n kaistalla mitattuna vaihtelee välillä 1,5 - 5 μV [47] (vertailuna, sama integroidun lineaarisen stabilisaattorin indikaattori on yleensä 0,01 % lähtöjännitteestä tai 500 µV - 5 V lähtöjännite [48] ). Korkealaatuisissa mittaavissa ADC:issä huipusta huippuun -kohinaalueen ei tulisi ylittää 10 % vähiten merkitsevästä numeroarvosta [49] [50] , joten matalakohinainen referenssi jännitteelle 5 melutasolla 1,5 μV (0,3 ppm peak-peak, esim. LTC6655 [42] ) täyttää enintään 18-bittisten muuntimien vaatimukset [51] .

Terminen hystereesi

Piikiteellä, kristallipitimellä, mikropiiripaketilla ja painetulla piirilevymateriaalilla on erilaiset lämpölaajenemiskertoimet . Kuumennuksen aikana tapahtuva epätasainen laajeneminen synnyttää kiteeseen mekaanisia jännityksiä , jotka jatkuvat jopa normaalilämpötilaan jäähtymisen jälkeen [46] [33] . Tämän seurauksena tapahtuu lämpöhystereesi : ION-jännite lämmitys-jäähdytysjakson lopussa ei ole sama kuin jakson alussa oleva jännite [52] .

Tämän ilmiön rationalisointi on suhteellisen uusi käytäntö [52] . Mikropiiridokumentaatiossa lämpöhystereesi määritellään suurimmaksi odotetuksi  eroksi lähtöjännitteiden välillä lämpötestijakson alussa ja lopussa. Tyypilliset arvot ovat noin ±25 ppm eli ±0,0025 % lähtöjännitteestä [52] . Alku- ja loppujännitykset mitataan aina normaalilämpötilassa (+25 °C), ja testisyklin kesto ja lämpötila-alue voivat vaihdella merkittävästi. Harvinaisissa tapauksissa valmistajat normalisoivat hystereesin eri intensiteetin sykleille (LT1461 sykleille 0...70 °C, -40...85 °C ja -40...125 °C) ja julkaisevat histogrammit sen jakautumisesta amplitudissa ja etumerkissä [46] [53] .

Erikoistapauksia lämpöhystereesistä havaitaan, kun kide on asennettu kidepidikkeeseen ja kun mikropiiri juotetaan piirilevyyn. Nämä ilmiöt vaikuttavat vain vähän taipuisilla johtimilla varustetuissa metallipakkauksissa oleviin mikropiireihin, ja jäykillä johtimilla varustetuissa mikropiireissä referenssijännitteen muutos pakkaamisen aikana voi olla 0,5 % [54] . Jännitteen siirtymää juottamisen aikana ei yleensä ole standardoitu: hystereesi mitataan testipenkin asennuspaneeleihin asennetuista mikropiireistä. Analog Devices -dokumentaatiossa todetaan, että määritetty alkujännitehajautus ei sisällä juotospoikkeamaa [55] . Lineaarisen teknologian dokumentaatio tarjoaa histogrammeja tämän amplitudin muutoksen jakautumisesta (LT1461 - leviäminen -300:sta +100 ppm:ään, keskimäärin -110 ppm) ja arvioi sen "kutistumisnopeuden" normaalin toiminnan aikana [53] .

Vertailutaulukko

Nykyaikaisille tarkkuusioneille normalisoidut pääindikaattorit, niiden tyypilliset arvot eri topologioille ja kunkin topologian valittujen edustajien ominaisuudet on esitetty vertailutaulukossa [56] . Jotta eri mikropiirien absoluuttiset ja suhteelliset indikaattorit olisivat vertailukelpoisia, valittiin vain mikropiirit lähtöjännitteelle +5 V. Kaikki listatut Zener-diodeissa ja bipolaarisissa transistoreissa olevat laitteet eroavat suurista (mA-yksiköistä) kulutetuista virroista. . Virran pieneneminen on mahdollista, mutta siihen liittyy väistämättä melun lisääntyminen. Pienten (kymmenien µA) virtojen ja alhaisten (jopa 10 µV) kohinatasojen yhdistelmä on mahdollista vain kelluviin hilatransistoreihin perustuvissa IONeissa , mutta myös tässä topologiassa on melutason käänteinen riippuvuus virrasta. Oletuksena kaikki tarkkuusparametrit voivat saada sekä negatiivisia että positiivisia arvoja, ±-merkki jätetään pois teknisestä dokumentaatiosta.

Indeksi Mittayksikkö
_		 Tarkkuusintegroitujen viitteiden perustopologiat
Zener-diodeissa, joissa on piilotettu rakenne Superbandgaps Differentiaaliparissa PT (XFET) FET-kelluva portti (FGA)
Tyypilliset
arvot [a 1]		 Thaler
VRE3050 [a 2]		 Tyypilliset
arvot [a 1]		 Lineaarinen
LTC6655 [a 3]		 Tyypilliset
arvot [a 1]		 Analogiset laitteet
ADR425B [a 4]		 Tyypilliset
arvot [a 1]		 Intersil
ISL21009 [a 5]
Alkuperäinen hajonta % 0,02 % 0,01 % 0,04 % 0,025 % 0,04 % 0,04 % 0,01 % 0,01 %
Lämpötilakerroin
ilman kiteen lämpötilan säätöä
 ppm/°C <2 0,6 max.
0,3 tyyppiä.		 <3 2 max.
1 tyyppi.		 <3 3 max.
1 tyyppi.		 3 3
Lämpötilalle ominaista muotoa S-muotoinen lähellä lineaarista
pitkä ajautuminen ppm/1000h kaksikymmentä 6 40 60 40 viisikymmentä kymmenen noin 10 [a 6]
Terminen hystereesi ppm/sykli - 1 [a 7] - 30 [a 8]
60 [a 9]		 - 40 - 50 [a 10]
Kohinajännite kaistalla 0,1-10 Hz µV huippu-huippu 3 3 kymmenen 0.1 - 3.4 - 4.5
Kohinajännite kaistalla 10-1000 Hz µV rms 3 5 kymmenen 0,67 - Ei standardoitu - 2.2
Tyhjävirta (minimivirranotto) [a 11] mA 2,4 max. neljä 0,75 7 - 0.6 - 0,18 max.
0,095 tyyppi.
Mahdollisuus hienosäätöön laudalla Joo ±5 mV Voi olla Ei Joo ±0,5 % V REF Joo ±2,5 % V REF
Toimintalämpötila-alue °C 0…+70 -40…+85 -40…+85 −40…+125 −40…+125 −40…+85 [a 12] −40…+125
Taulukon muistiinpanot
  1. ↑ 1 2 3 4 Harrison, L. Virtalähteet ja jänniteviitteet . - Newnes, 2005. - s  . 434 . — 569 s. — ISBN 9780750677523 .
  2. ↑ VRE3050: Edullinen tarkkuusviite . Thaler Corporation (2000-07-01). Haettu 1. marraskuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 26. marraskuuta 2012. . VRE3050J-sarjan tiedot. Vuonna 2012 sen tuotti Apex Microtechnology, joka erosi Cirrus Logicista ja peri ION Thaler -linjan.
  3. ↑ LTC6655: 0,25 ppm kohina, matalan poikkeaman tarkkuuspuskuroitu referenssiperhe (linkki ei saatavilla) . Lineaarinen tekniikka (2009). Haettu 1. marraskuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 1. huhtikuuta 2010. 
  4. ↑ ADR420/ADR421/ADR423/ADR425: Ultratarkkuus, hiljainen, 2.048V/2.500V/3.00V/5.00V XFET®-jänniteviitteet . Analog Devices (2001-2011). Haettu 1. marraskuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 8. tammikuuta 2013. . ADR425B-sarjan tiedot
  5. ↑ ISL21009: Korkean jännitteen sisääntulon tarkkuus, matalakohinaiset FGA™-jänniteviitteet . Intersil (2009-09-16). Haettu 1. marraskuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 8. tammikuuta 2013. . ISL21009BFB850Z-sarjan tiedot.
  6. ↑ Koko käyttöiän ajautuminen normalisoituu - 50 ppm 10 vuoden ajan. Ensimmäisten 1000 tunnin ajoarvo on "noin"
  7. ↑ Kaikille lämpötilan muutoksille käyttöalueella
  8. ↑ Kun lämpötila muuttuu -0 - +70 °C
  9. ↑ Kun lämpötila muuttuu -40:stä +125 °C:seen
  10. ↑ Testisykli +25 °C → +125 °C → -25 °C → +25 °C
  11. ↑ Kuormittamattoman virran käsite koskee sarjalaitteita (kolmen lähtöä), minimivirran käsitettä - kaikkia, myös rinnakkaisia ​​(kaksi lähtöä)
  12. ↑ Validoitu matalissa lämpötiloissa aina -195°C asti, katso Patterson, R.; Hammoud, A. Precision Floating Gate Analog Voltage Reference -arvojen suorituskyky kryogeenisissä lämpötiloissa  // NASA Electronic Parts and Packaging. - 2005. - Nro joulukuu 2005 .

Simple IONs

ION zener-diodeissa

Bandgaps

Kaistavälien - puolijohteen kaistanleveyden määräämiä  jännitelähteitä - toimintaperiaate perustuu jännitteen perustavanlaatuiseen riippuvuuteen suoraan biasoituneesta pn-liitoksesta virrasta ja lämpötilasta. Kiinteällä virralla tämä jännite laskee lineaarisesti lämpötilan noustessa TKV:lla noin −2 mV/°C. Jos lisäämme tämän jännitteen toisen piirielementin jännitteeseen, jonka jännite on verrannollinen absoluuttiseen lämpötilaan, niin näiden kahden termin oikealla skaalauksella niiden lämpötilakertoimet kompensoivat toisiaan ja näiden kahden jännitteen summa ensimmäinen approksimaatio, on yhtä suuri kuin käytetyn puolijohteen kaistaväli, kun T = 0 K , eikä se riipu lämpötilasta.

"Toinen elementti" on yleensä diodiliitännässä oleva bipolaarinen transistorin pari, joka toimii eri virrantiheyksillä. Näiden transistorien emitteriliitosten jännitteiden ero riippuu vain lämpötilasta ja virrantiheyksien suhteesta. Sen absoluuttinen arvo todellisissa piireissä ei ylitä 100 mV, joten kahden TKN:n kompensoimiseksi tarkasti sitä on vahvistettava 5 ... 15 kertaa. Yleisimmässä bandgap-piirissä, jota Paul Brokaw ehdotti 1970-luvun puolivälissä, sama transistoripari toimii sekä absoluuttiseen lämpötilaan verrannollisen jännitteen (PTAT-jännite) että lämpötilan noustessa laskevan jännitteen (CTAT-jännite) lähteenä. , ja skaalaus ja termien summaus suoritetaan yksinkertaisella jakajalla kahdessa vastuksessa . Teknisten parametrien väistämätön hajaantuminen aiheuttaa tällaisten piirien keskinkertaiset tarkkuusindikaattorit: alkusironna on yleensä ±3 % lähtöjännitteestä ja edistyneimmissä piireissä ±1,6 % [57] . Niin kutsutussa osakaistavälissä , joka tuottaa satojen mV:n referenssijännitteen, hajautus on vielä suurempi - jopa ± 3,6 % [58] . Komponenttien tarkalla "keskityksellä" referenssijännitteen lämpötilaominaisuudella on tyypillinen parabolinen muoto, jonka maksimi on käyttölämpötila-alueen keskellä. Toiminta-alueen reunoilla jännite laskee noin 0,2 % maksimista. Ihanteellisesta keskityksestä poikkeavilla lämpötilaominaiskäyrä voi siirtyä käyttölämpötila-alueen ulkopuolelle ja havaittu lämpötilakäyrä lähestyy lineaarista. Jännitteen lämpötilakerrointa voidaan pienentää epälineaaristen kompensointipiirien avulla, jännitteen leviämistä voidaan pienentää mikropiirien yksilöllisellä säädöllä, ja kaistaväliin ominaista korkeaa kohinatasoa on lähes mahdotonta vähentää.

Kaikista puutteistaan ​​huolimatta yksinkertaisia ​​bandgappeja käytetään massiivisesti lineaarisissa stabilointi- ja jännitteenvalvontamikropiireissä (perhe 78XX , TL431 ) ja operaatiovahvistimissa . Pienjännitepiireissä kaistavälit ovat välttämättömiä: toisin kuin zener-diodit, "tavalliset" kaistavälit toimivat +2 V:n syöttöjännitteillä ja osakaistavälit - +1,0 V:n jännitteillä.

Muistisirujen ION, joka perustuu täydentäviin MIS-transistoreihin

Nykyaikainen muistisiru sisältää koko joukon sisäänrakennettuja lähteitä ja referenssijännitteen stabilaattoreita (säätimiä). Useimmat muistisirut toimivat alennetulla syöttöjännitteellä, jonka sisäänrakennettu ION asettaa ja stabiloi tehokas stabilointilaite. Syöttöjännitteiden alentaminen on välttämätöntä ennen kaikkea submikronitekniikoilla valmistettujen transistorien rikkoutumisen välttämiseksi. Toinen ION:n sovellusalue on kynnysjännitteen asettaminen differentiaalilukuvahvistimille , joita käytetään yli 1 Mbit :n kapasiteetissa olevissa muisti-IC:issä [59] .

Yksinkertaisissa ioneissa, jotka on rakennettu CMOS-tekniikalla ilman bipolaarisia lämpöherkkiä elementtejä, lähtöjännite asetetaan verrannollisesti p-kanavatransistorin V TP kynnysjännitteeseen [60] . Muistisiruissa tämä parametri on noin -0,4 V ottamatta huomioon substraatin toimintaa. Todellakin, kun otetaan huomioon lähde-substraattijännite, VTP voi olla kaksi kertaa suurempi [61] . Transistori T1 toimii pienellä kanavavirralla, joten sen hilalähteen jännite on suunnilleen sama kuin kynnys, ja sama jännite putoaa vastuksen R1 ja hilan T5 yli. T5 heijastaa T1:n kautta kulkevaa virtaa, joten R2:sta otettu lähtöjännite on

[59]

Tällaisten laitteiden ensimmäisten näytteiden, jotka kehitettiin 1990-luvun alussa, syöttöjännitteen epävakaus oli noin 1 % (10 mV/V) ja TCH 0,15 mV/°C [59] .

Precision IONs

ION zener-diodeissa, joissa on piilotettu rakenne

Perinteisen tasomaisen zener-diodin läpilyöntivirta on keskittynyt pinnanläheiseen piikerrokseen - kerrokseen, jossa on suurin pitoisuus hilavirheitä ja epäpuhtauksia. Juuri nämä epäpuhtaudet ja viat aiheuttavat zener-diodin epävakauden ja melun. Sen suorituskykyä voidaan parantaa ohjaamalla läpilyöntivirta syvälle kiteen, pn-liitoksen piilorakenteeseen, jonka läpilyöntijännite on pienempi kuin pinnanläheisessä kerroksessa [62] . Klassisessa epitaksiaalisessa tekniikassa, jonka mukaan LM199 valmistettiin, tulevan zener-diodin tilalle muodostetaan syvä p + -tyyppinen johtavuuden saari ja sitten tavallinen pohjan (p - ) ja emitterin (n + ) diffuusio. ) kerrokset suoritetaan [62] . Luodun diodirakenteen emitteristä tulee zener-diodin katodi, alustasta tulee anodi. Pintaläheisessä kerroksessa tämän siirtymän johtavuusprofiili on n + -p - ja pohjaalueen alaosassa - n + -p + [63] . Voimakkaasti seostetulla n + -p + -liitoksella on pienempi läpilyöntijännite kuin pinnanläheisessä n + -p - -kerroksessa, joten Zener-diodin koko käänteisvirta on täsmälleen kanta-alueen alaosassa [64] .

Klassisilla haudatun kerroksen Zener-viittauksilla (LM199, LTZ1000) on tyypillinen samankeskinen topologia. Zener-diodi sijaitsee kiteen keskellä, transistorit ovat suoraan sen vieressä - lämpötila-anturit, ja niiden ympärille on "asetettu" lämmityskäämi, joka on myös valmistettu tasotekniikalla. Tällaisilla IC:illä on ennätyksellisen alhaiset TKN-arvot (LM199 - 0,3 ppm/°C, LTZ1000 - 0,05 ppm/°C [36] ), melu (LTZ1000 - 1,2 μV p-p [36] ) ja pitkäaikainen ajautuminen ( LTZ1000 - 2 μV / 1000 h [36] ) korkeilla, muutaman prosentin arvoilla alkujännitteen leviämisen (LTZ1000 - 6,9 - 7,45 V) ja suuren virran epävakauden (LM199 - 0,5 mV / mA [ 65] ) arvoilla. , LTZ1000 - 20 mV/mA ​​[36] ). Ilmoitetut indikaattorit saavutetaan vain huolellisella lämpötilan säädöllä ja piirin suojauksella sekä zener-diodivirran jäykällä stabiloinnilla.

ION kenttätransistorien differentiaalipareissa (XFET)

Vuonna 1997 Analog Devices julkaisi ensimmäisen sukupolven integroidut ION:t tuotenimellä XFET ( englanniksi  Extra Implant FET  - " field effect transistor with extra gate implantation ") [66] . Tämän ION:n ytimen piirikaavio muistuttaa Brokaw-kaistavälin piiriä operaatiovahvistimella, mutta XFETin toimintaperiaate on täysin erilainen [66] . XFET CTAT -elementti muodostuu kahdesta lähdeseuraajasta p-kanavatransistoreissa, joissa on pn-liitos [66] . Toinen kahdesta transistorista on tavanomainen, ja toinen, ylimääräinen, hila on istutettu toisen transistorin kanavaan [66] . Aktiiviset virtalähteet ja operaatiovahvistin, joka ohjaa transistorien hilajännitteitä, asettavat molemmille transistoreille yhtä suuret virrat ja nielulähdejännitteet [67] . Virtojen ja jännitteiden yhtäläisyys on mahdollista vain, kun kahden transistorin V SI1 ja V SI2 hilalähdejännitteet eroavat ΔV 12 :n verran , mikä on noin 0,5 V [67] . Lämpötilakerroin ΔV 12 , noin -120 ppm/°C, määräytyy piin dielektrisyysvakiolla toisen transistorin lisäkanavassa ja on käytännössä lämpötilasta riippumaton [67] . Vakaa jännite V REF muodostetaan lisäämällä CTAT-jännite ΔV SI PTAT-virran pudotukseen referenssivastuksen R1 yli, ja TKN:n hienosäätö suoritetaan lasertrimmillä R1:

[67] .

XFETit ylittävät CCC:n parhaat tarkkuuskaistavälit ja ION:t kaikilta osin, lukuun ottamatta kahta tärkeintä: alkutoleranssi ja TKN [68] . Tyypillinen A-sarjan XFET-referenssijännite TCR on enintään 3 ppm / °C, V REF :n alkutoleranssi  on enintään 0,05 % (500 ppm), V REF :ää voidaan säätää ulkoisilla tarkkuusvastuksilla [ 69] . XFET STAT -elementin alhainen ja vakio TCI (20–30 kertaa pienempi kuin kaistavälin pn-liitoksen TCI) mahdollistaa ilman lämpötilakäyrän epälineaarisuuden korjausmenetelmiä [70] . XFET IC:n virrankulutus ei ylitä 1 μA, ja melutaso kenttätransistorien käytöstä johtuen on huomattavasti alhaisempi kuin CCC:n bandgap- ja ION:ien. Tyypillinen matalataajuinen (0,1-10 Hz) kohinan heilahdus on 4 mV huipusta huippuun [70] . XFET-IC:t on suunniteltu toimimaan autojen lämpötila-alueella (-40 ... +125 ppm / °C), ne eivät ole kovin herkkiä lämpötilahystereesille ja ovat halpoja [68] . Linden Harrisonin mukaan XFET on paras valinta järjestelmiin, joiden syöttöjännitteet ovat 4,1 - 18 V, lukuun ottamatta vaativinta vertailujännitetarkkuutta [71] .

Floating Gate Transistor ION (FGA)

Vuonna 1967 Shi Min (jonka sukunimi kirjoitettiin erehdyksessä venäjäksi "Zi") ja Kang Daewon ehdottivat kelluvan portin kenttätransistorin konseptia  - haihtumattoman muistin yksikkösolua [72] . Vuonna 1971 Intel patentoi Dove Fromanin keksimän tekniikan tällaisten kennojen valmistamiseen käytännössä EPROM -muistia varten, ja vuosina 1978 ja 1980 keksittiin samaan periaatteeseen perustuva EEPROM ja flash-muisti [72] . Vuonna 1979 Xicor patentoi ensimmäiset kelluvaporttitransistorirakenteet, jotka on suunniteltu tallentamaan analogisia signaaleja, ei binaarikoodia. Tämän lähestymistavan hyöty vaikutti ilmeiseltä: yhden analogisen näytteen, esimerkiksi audiosignaalin, tallentamiseen riittää yksi muistisolu, digitoidun äänen tallentamiseen tarvitaan 8, 10, 12 tai enemmän solua [72] . 1990-luvulla Impinj- ja Nuvoton-yhtiöt jatkoivat "järkevää" kehityslinjaa, ja Xicor keskittyi "analogiseen muistiin" perustuvien tarkkuusionien luomiseen [72] . Xicor-kehittäjät luopuivat houkuttelevasta ajatuksesta tehdä analogisesta muistista miniatyyri, joka on kooltaan verrattavissa loogisiin soluihin: Impinjin kilpailijoiden kokemukset osoittivat tällaisen lähestymistavan turhuuden [72] . Sen sijaan Xicorilla kehitetyt IONit käyttävät laajennettuja kelluvia portteja: mitä suurempi portin pinta-ala, sitä helpompi on hallita hilaan kirjoitettua varausta ja määrittää ION:n lähtöjännite [72] . Ensimmäiset tämän tyyppiset massatuotetut IC:t julkaistiin vuonna 2003 tuotenimellä FGA ( eng.  Floating Gate Analog , “analogue IC on floating gates”), ja vuotta myöhemmin FGA-teknologian kehitystä jatkoi Intersil, joka imeytyi Xicoriin [72] [73] .

Vuonna 2012 sarjatuotantona valmistetut FGA-tyyppiset IONit on ohjelmoitu referenssijännitteille 1–5 V [23] . Alkuperäinen FGA-referenssijännitteen toleranssi 0,01 % (100 ppm) on pienin kaikista integroiduista referenssiarvoista. Parhaat vuonna 2012 esitetyt näytteet eivät ylitä 3 ppm/°C [ 23 ] . FGA:t, kuten XFET:t, eroavat suotuisasti kaistavälistä ja zener-diodi CCC:stä monotonisen, lähes lineaarisen lämpötilaominaisuutensa ansiosta [74] . Syöttövirta tyhjäkäynnillä ei ylitä 1 μA. Normaali varauksen vuotovirta eristetystä hilasta on muutama elektroni sekunnissa, mikä antaa FGA:lle kymmenen vuoden takuun [72] [75] . Linden Harrisonin mukaan XFET on paras valinta analogisista digitaalisiin järjestelmiin, joiden syöttöjännitteet ovat 5,1 - 9 V ja resoluutio jopa 24 bittiä [74] .

FGA IC:t on suunniteltu toimimaan laajemmilla kaupallisten (-40...+85°C) ja autojen (-40...+125°C) lämpötila-alueilla. NASAn mukaan FGA IC:t säilyttävät passin suorituskyvyn matalissa lämpötiloissa aina -195 °C:een asti [76] . FGA:t ovat kuitenkin herkempiä ionisoivalle säteilylle kuin muut ionit [77] . Teollisille vianilmaisimille ja lentokenttien turvajärjestelmille tyypillisessä röntgensäteilyssä ION-jännite putoaa noin 12 ppm/ mrem [78] (matkatavaroiden tarkastus Yhdysvaltain lentokentillä saavuttaa annoksen 2 rem [79] ) . FGA tulee suojata säteilyltä metallisuojilla: kaksi kerrosta kuparifoliota, joita käytetään tyypillisissä painetuissa piirilevyissä, vähentävät säteilyaltistusta kertoimella 8 [80] . Vielä tehokkaampi suoja on sinkkikalvo , jonka paksuus on vähintään 0,25 mm [81] .

IONin piirien suunnittelun ja toiminnan ominaisuudet

Hienosäätö

Jos suunniteltava laite vaatii ehdottoman jännitteen säädön tarkkuuden, joka ei ole saavutettavissa sarjaintegraalisilla ION:illa, niin projekti sisältää mahdollisuuden sen hienosäätöön [82] . Mikropiireissä, jotka mahdollistavat tällaisen säädön, on lisäohjaustulo ja ne on suunniteltu toimimaan yhdessä tarkkuuspotentiometrin kanssa , joka sulkee jännitteen takaisinkytkentäsilmukan [83] . Jotta potentiometrin epävakaus ei heikennä ION:n suorituskykyä, on järkevää käyttää joko metallikalvo-tarkkuuspotentiometrejä, joiden resistanssin lämpötilakerroin (TCR) on noin ±10 ppm/°C, tai lankapohjaisia, joissa on TCR. noin ±50 ppm/°C [83] . Digitaaliset potentiometrit tällaisissa piireissä eivät sovellu korkean TCR:n (alkaen 500 ppm/°C) ja suuren portaittaisen säädön (noin 20 mV) vuoksi [83] . On suositeltavaa tehdä säädöt vähintään kahdesti: ennen ja jälkeen kootun piirilevyn sähköisen lämpöharjoituksen [84] .

ION-lähdön jännitettä voidaan säätää myös ulkoisilla skaalausvahvistimilla , jotka perustuvat tarkkoihin , hiljaisiin operaatiovahvistimiin [84] . Kirjallisuudessa kuvataan menetelmiä sekä ION-lähdön absoluuttisen jännitteen korjaamiseksi että sen TKN:n neutraloimiseksi [85] .

AC-tulon ja -lähdön shunting

Tarkkuusionit saavat yleensä virtansa jo stabiloidusta ja suodatetusta jännitteestä. Kuitenkin jopa tällaisissa olosuhteissa useimpien IONien suorituskykyä voidaan parantaa ohjaamalla niiden tulot ja lähdöt maahan kondensaattoreiden avulla [86] .

Valmistajat eivät määritä tulokondensaattorin kapasiteettia. Oletusarvoisesti 10 µF elektrolyyttikondensaattoria ja 0,1 µF levykeraamista kondensaattoria voidaan käyttää rinnakkain [87] . Lähtökondensaattorin kapasitanssi vaikuttaa suoraan takaisinkytkentäsilmukan stabiilisuuteen, jonka ION peittää, ja siksi valmistajat yleensä normalisoivat sen [87] . Joillekin mikropiireille lähtökapasitanssia ei suositella, toisille päinvastoin vaaditaan 1-10 mikrofaradin lähtökapasitanssi [87] . Sallitun kapasitanssin ylittäminen voi aiheuttaa ION:n itseherätyksen tai melutason nousun [88] .

Noise filtering ION

Helpoin tapa vähentää vertailujännitteen kohinaa on suodattaa se taajuudella, mikä vaimentaa kohinan suurtaajuisia komponentteja. On olemassa tarkkoja IONeja, joiden kiteeseen on jo muodostettu RC-alipäästösuodattimen vastukset  - sinun tarvitsee vain liittää ulkoinen kondensaattori tällaisen mikropiirin erityisiin liittimiin . Kaikkien muiden ION:ien tulee käyttää täysimittaista passiivista tai aktiivista alipäästösuodatinta , joka on kytketty referenssijännitelähtöön [89] .

Valmistajat ovat eri mieltä siitä, voidaanko suodatin kytkeä suoraan ION-lähtöön. Jotkut suosittelevat suodattimien suoraa kytkemistä, toiset kieltävät sen. Toisen asiantuntijaryhmän mukaan suodattimen ja tulovahvistimen RC-piirien yhdistetty kohina, pitkäaikainen ajautuminen ja epävakaus suodattimen lähdössä voivat heikentää paitsi tarkkuutta myös "parannetun" kohinaa. piiri. Tämän estämiseksi ION-lähdön ja suodatintulon väliin tulee kytkeä tarkka, hiljainen puskurivahvistin [90] .

Kallis mutta tehokas tapa vähentää referenssikohinaa on rinnakkaista useita referenssejä yhteiseen kuormaan samojen taajuuskorjausvastusten kautta. Tällaisen ION-akun absoluuttinen melutaso laskee käänteisesti suhteessa rinnakkaisten mikropiirien lukumäärän neliöjuureen [44] .

Suojaus mekaanista rasitusta vastaan

Painetun piirilevyn mekaaniset jännitykset, jotka syntyvät sen asennuksen ja laitteen myöhemmän käytön aikana, siirtyvät väistämättä mikropiirikoteloon ja edelleen ION-kiteeseen ja vaikuttavat sen lähtöjännitteeseen. Metallipakkauksissa olevat mikropiirit eivät ole kovin herkkiä mekaaniselle rasitukselle, mutta kaikki muut ionit - sekä DIP-pakkauksissa että pinta-asennuspakkauksissa - reagoivat jopa levyn vähäiseen vääntöön tai taipumiseen [91] . Jotta levyn mekaaniset jännitykset eivät siirry ION-kiteeseen, mikropiiri tulee asentaa "kielelle", joka on erotettu muusta levystä läpileikkauksella. Kirjallisuudessa kuvataan levyn instrumentaalisia mittauksia tarkkuusviittauksella LT1460: jokaista levyn kohtalaista taivutusta kohden jännitesiirto oli noin 60 ppm tavallisella levyllä ja vain 10 ppm levyllä, jossa on leikkaus [92] . Apua, mutta ei niin tehokasta, ja tavanomaiset keinot vähentää muodonmuutoksia: joustavien telineiden käyttö, laudan koon pienentäminen, paksumman tekstioliitin valinta, ION:in sijoittaminen lähemmäksi laudan lyhyttä reunaa. Kielekkeillä varustetuissa laudoissa lastu tulee suunnata pitkä sivu kielekkeen mukaan, tavallisissa laudoissa - pitkä sivu laudan lyhyttä sivua pitkin [92] .

Muistiinpanot

  1. ↑ Harrison, 2005 , s. yksi.
  2. ↑ 12 Harrison , 2005 , s. 321.
  3. ↑ Harrison, 2005 , s. 1, 321.
  4. ↑ Harrison, 2005 , s. 1, 321, 322.
  5. ↑ Katsnelson, B. V. et ai. Electrovacuum electronic and kaasupurkauslaitteet. Hakemisto. - 2. painos - M . : Radio ja viestintä, 1985. - S. 478-490.
  6. ↑ Harrison, 2005 , s. 1, 322.
  7. ↑ 1 2 3 4 5 Harrison, 2005 , s. 2.
  8. ↑ 1 2 3 4 Averbukh, V. Tarkkuusviitejännitelähteet  // Dodeka. - 2000. Arkistoitu 4. maaliskuuta 2016.
  9. ↑ 1 2 Tang, W. et ai. Käytännön Josephsonin jännitestandardi yhdellä voltilla // Vuosisadan huippuosaamista mittauksissa, standardeissa ja tekniikassa . - National Institute of Standards and Technology , 1988. - P. 315-318. — (NIST-erikoisjulkaisu).
  10. ↑ 12 Harrison , 2005 , s. 5.
  11. ↑ Harrison, 2005 , s. 2, 5.
  12. ↑ Harrison, 2005 , s. 7, 415-418.
  13. ↑ Mikropiirit lineaarisille teholähteille ja niiden sovellus, 1998 , s. 229.
  14. ↑ 12 Harrison , 2005 , s. 7, 323.
  15. ↑ Harrison, 2005 , s. 420.
  16. ↑ 12 Fluke Corporation . Käytännön lähestymistapa tasavirtaviitestandardien ylläpitämiseen // Fluke Corporation . - 2000. - s. 6.
  17. ↑ xDevs.com | xDevs.com KX LTZ1000 -pohjainen DC-jänniteviitesuunnittelu . Haettu 15. huhtikuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 9. huhtikuuta 2019.
  18. ↑ Harrison, 2005 , s. 6.
  19. ↑ 12 Harrison , 2005 , s. kymmenen.
  20. ↑ Harrison, 2005 , s. 9.
  21. ↑ Harrison, 2005 , s. 10, 422.
  22. ↑ 1 2 3 4 Harrison, 2005 , s. yksitoista.
  23. ↑ 1 2 3 Datamuuntimet > Jänniteviitteet > Jänniteviitteet. ParametricSearch . Intersil. Haettu 7. marraskuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 8. tammikuuta 2013.
  24. ↑ Harrison, 2005 , s. 361, 362, 429, 451.
  25. ↑ Whelan, 2009 , s. neljätoista.
  26. ↑ Erityisiä "toimialan" vaatimuksia hakkuriteholähteiden suunnittelijoille käsitellään esimerkiksi julkaisussa Sandler, S. Are We Focused On The Wrong Reference Parameters?  // Tehoelektroniikkatekniikka. - 2012. - Nro 31. tammikuuta 2012 .
  27. ↑ 1 2 GOST 19480-89, 2005 , määritelmä 124.
  28. ↑ 1 2 3 GOST R 52907-2008, 2008 , määritelmä 27.
  29. ↑ Harrison, 2005 , s. 326, 327, 332.
  30. ↑ 1 2 3 Harrison, 2005 , s. 326.
  31. ↑ GOST 19480-89, 2005 , määritelmä 107.
  32. ↑ 12 Harrison , 2005 , s. 328.
  33. ↑ 1 2 3 4 Whelan, 2009 , s. viisitoista.
  34. ↑ 12 Harrison , 2005 , s. 327.
  35. ↑ VRE3050: Edullinen tarkkuusviite . Thaler Corporation (2000-07-01). Haettu 1. marraskuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 26. marraskuuta 2012. . Vuonna 2012 sen tuotti Apex Microtechnology, joka erosi Cirrus Logicista ja peri ION Thaler -linjan.
  36. ↑ 1 2 3 4 5 LTZ1000/LTZ1000A: Ultra Precision Reference . Linear Technology (1987). Haettu 1. marraskuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 26. marraskuuta 2012.
  37. ↑ LM199/LM299/LM399 Tarkkuusviite . National Semiconductor, Texas Instruments (2005). Käyttöpäivä: 16. marraskuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 8. tammikuuta 2013.
  38. ↑ Sandler, S. Olemmeko keskittyneet vääriin viiteparametreihin?  // Tehoelektroniikkatekniikka. - 2012. - Nro 31. tammikuuta 2012 .
  39. ↑ GOST 19480-89, 2005 , määritelmä 77.
  40. ↑ 1 2 3 4 Harrison, 2005 , s. 333.
  41. ↑ 1 2 3 Harrison, 2005 , s. 332.
  42. ↑ 1 2 LTC6655: 0,25 ppm kohina, matalan poikkeaman tarkkuuspuskuroitu referenssiperhe . Lineaarinen tekniikka (2009). Haettu 1. marraskuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 30. tammikuuta 2013.
  43. ↑ ISL21009: Korkean jännitteen sisääntulon tarkkuus, matalakohinaiset FGA™-jänniteviitteet . Intersil (2009-09-16). Haettu 1. marraskuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 8. tammikuuta 2013.
  44. ↑ 1 2 Pease, Bob. Mitä tämä pitkäaikainen vakausjuttu sitten on?  // Elektroninen suunnittelu. - 2010. - Nro 20. heinäkuuta 2010 .
  45. ↑ Pease, 2001 , s. 206.
  46. ↑ 1 2 3 Wright, J. Älä anna jännitteen viitearvon hämätä. Pitkäaikainen ajautuminen ja hystereesi  // Lineaarisen teknologian suunnitteluhuomautus. - 2000. - Nro DN-229 .
  47. ↑ Harrison, 2005 , s. 334, 335.
  48. ↑ Pease, 2001 , s. 209.
  49. ↑ Harrison, 2005 , s. 334.
  50. ↑ Pease, 2001 , s. 196: "kohinakomponentin huipusta huippuun voi olla vain 0,1 tai 0,05 LSB."
  51. ↑ Harrison, 2005 , s. 334, välilehti. 12.3.
  52. ↑ 1 2 3 Harrison, 2005 , s. 335.
  53. ↑ 1 2 LT1461 Micropower Precision Low Dropout -sarjan jänniteviiteperhe . Linear Technology (2000). Haettu 1. marraskuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 8. tammikuuta 2013.
  54. ↑ Camenzind, 2005 , s. 7-6.
  55. ↑ ADR420/ADR421/ADR423/ADR425: Ultratarkkuus, hiljainen, 2.048V/2.500V/3.00V/5.00V XFET®-jänniteviitteet . Analog Devices (2001-2011). Haettu 1. marraskuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 8. tammikuuta 2013. . ADR425B-sarjan tiedot
  56. ↑ On olemassa vaihtoehtoisia valintoja, jotka eivät kuitenkaan kata kaikkia topologioita, esimerkiksi Davis, S. A Look At Voltage Reference ICs  // Power Electronics Technology. - 2011. - № 1. syyskuuta 2011 .
  57. ↑ Camenzind, 2005 , s. 7-5, 7-7, 7-9. Annetut arvot koskevat lämpötila-aluetta 0…+100 °C.
  58. ↑ Camenzind, 2005 , s. 7-12. Annetut arvot koskevat lämpötila-aluetta 0…+100 °C.
  59. ↑ 1 2 3 Rabai, 2007 , s. 824.
  60. ↑ Rabai, 2007 , s. 829, 830.
  61. ↑ Rabai, 2007 , s. 131, 132.
  62. ↑ 1 2 Mitchell, 1999 , s. kymmenen.
  63. ↑ Mitchell, 1999 , s. yksitoista.
  64. ↑ Mitchell, 1999 , s. 10-11.
  65. ↑ Mikropiirit lineaarisille teholähteille ja niiden sovellus, 1998 , s. 230.
  66. ↑ 1 2 3 4 Harrison, 2005 , s. 421.
  67. ↑ 1 2 3 4 Harrison, 2005 , s. 422.
  68. ↑ 12 Harrison , 2005 , s. 423-424.
  69. ↑ Harrison, 2005 , s. 422-423.
  70. ↑ 12 Harrison , 2005 , s. 423.
  71. ↑ Harrison, 2005 , s. 424.
  72. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Rako, P. Analoginen kelluva porttitekniikka tulee omalle puolelleen . EDN-verkko (2009-12-15). Arkistoitu alkuperäisestä 8. tammikuuta 2013.
  73. ↑ Harrison, 2005 , s. 424-425.
  74. ↑ 1 2 3 Harrison, 2005 , s. 426.
  75. ↑ Harrison, 2005 , s. 425.
  76. ↑ Patterson, R.; Hammoud, A. Precision Floating Gate Analog Voltage Reference -arvojen suorituskyky kryogeenisissä lämpötiloissa  // NASA Electronic Parts and Packaging. - 2005. - Nro joulukuu 2005 .
  77. ↑ Intersil, 2010 , s. yksi.
  78. ↑ Intersil, 2010 , s. 2: 12 ppm/mrem = 60 µV/mrem 5 voltin referenssille.
  79. ↑ Intersil, 2010 , s. 16.
  80. ↑ Intersil, 2010 , s. 3.
  81. ↑ Intersil, 2010 , s. 6: 0,25 mm paksu sinkkisuoja vastaa 10 mm paksua alumiinilevyä.
  82. ↑ Harrison, 2005 , s. 346.
  83. ↑ 1 2 3 Harrison, 2005 , s. 348.
  84. ↑ 12 Harrison , 2005 , s. 349.
  85. ↑ Harrison, 2005 , s. 350-354.
  86. ↑ Harrison, 2005 , s. 339, 341.
  87. ↑ 1 2 3 Harrison, 2005 , s. 340.
  88. ↑ Harrison, 2005 , s. 340, 341.
  89. ↑ Harrison, 2005 , s. 341.
  90. ↑ Harrison, 2005 , s. 342.
  91. ↑ Mitchell, 1999 , s. 6.
  92. ↑ 1 2 Mitchell, 1999 , s. 7.

Lähteet

  • GOST 19480-89. Integroidut mikropiirit. Sähköisten parametrien termit, määritelmät ja kirjainmerkinnät. - M . : IPK Standards Publishing House, 2005.
  • GOST R 52907-2008. Radioelektronisten laitteiden virtalähteet. Termit ja määritelmät. — M .: Standartinform, 2008.
  • Zee, S. M. Puolijohdelaitteiden fysiikka. - M . : Mir, 1984. - T. 1. - 456 s. - 16 000 kappaletta.
  • Johnson, G., Graham, M. Nopeiden digitaalisten laitteiden suunnittelu: Mustan magian johdantokurssi. - M .: Williams, 2006. - 624 s. — ISBN 5845908078 .
  • Lineaaristen teholähteiden mikropiirit ja niiden käyttö. - 2. painos - M . : Dodeka, 1998. - ISBN 5878350211 .
  • Pease, R. Analogisten laitteiden käytännöllinen elektroniikka. - M. : DMK-Press, 2001. - ISBN 5940740049 .
  • Rabai, J. M. et ai. Digitaaliset integroidut piirit. Suunnittelumetodologia. - 2. painos - M . : Williams, 2007. - 912 s. — ISBN 9785845911162 .
  • Shitikov, A. Referenssijännitelähteen valinta  // Elektroniset komponentit. - 2002. - Nro 3 . Arkistoitu alkuperäisestä 9. maaliskuuta 2016.
  • Camenzind, H. Analogisten piirien suunnittelu . - Virtualbookworm Publishing, 2005. - 244 s. — ISBN 9781589397187 . Arkistoitu10. maaliskuuta 2018Wayback Machineen
  • Harrison, L. Virtalähteet ja jänniteviitteet. - Newnes, 2005. - 569 s. — (Elektroniikka ja sähkö). — ISBN 9780750677523 .
  • Lojek, B. Puolijohdetekniikan historia. - Springer, 2007. - 387 s. — ISBN 9783540342571 .
  • Mitchell, L. Jänniteviitteiden ymmärtäminen ja käyttäminen  // Lineaarinen tekniikka . - 1999. - Nro Hakemushuomautus 82 .
  • Nasraty, R. XFET™-viitteet  // Analoginen dialogi. - 1998. - T. 32 , nro 1 .
  • Intersil Corporation. X-ray Effects on Intersil FGA References  // Intersil Application Notes. - 2010. - Nro AN-1533 . - s. 1-6.
  • Intersil Corporation. Jännitteen viitesovellus- ja suunnitteluhuomautus  // Intersil-sovelluksen huomautukset. - 2005. - Nro AN-177.0 . - s. 1-33.
  • Whelan, B. Kuinka valita jänniteviite  // Linear Technology Magazine. - 2009. - Nro maaliskuu 2009 . - s. 14-19.
  • Rako, P. Jänniteviitteet pysyvät vakaina  // EDN Europe. - 2010. - Nro 1. joulukuuta .